矿井涌水量与防治水安全

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1、科技创新 兖州煤业股份有限公司协办 矿井涌水量与防治水安全有关的问题马 哲1 肖有才2(11 平顶山工学院土木工程系,河南省平顶山市, 467001 ;21 中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏省徐州市, 221008)摘 要 阐述了矿井涌水量的概念,说明了矿井水文地质与供水水文地质的区别,提出 了矿井涌水量计算和矿井水文地质试验应该采用的参数选取的方法。 关键词 矿井涌水量 水文地质 理论计算 煤矿水安全矿井涌水量是事关矿井防治水安全的大事,涉 及矿井水文地质与供水水文地质的关系、水文地质 勘探的质量。而水文地质参数准确与否则是决定矿 井涌水量计算结果可靠性的重要依据,因此,矿井 涌水量及其

2、相关问题的研究不仅有客观的现实意 义,而且有重要的理论意义。1 关于矿井涌水量矿井涌水量是矿井防治水设施如水仓、水泵、 排水管路等设计的依据,是确保矿井安全的重要组 成部分。然而,长期以来,我们在煤矿防治水工作 中对防治水安全所依据涌水量可靠程度有多大,谁 也说不清楚,所以,一旦矿井发生突水事件,或突 水淹井事件,特别是当突水量远远大于矿井实际发 生的最大涌水量时,就简单地、主观地得出“矿井 发生突水淹井的最大涌水量不可预测”的错误结 论,好像这里就“不存在矛盾的普遍性”而“只有 矛盾的特殊性” 。诚然,有个别矿井淹井时的涌水 量确实是用现有的理论无法予以解释,如开滦范各 庄矿2171工作面由

3、岩溶陷落柱引起的突水事故, 但除此而外的绝大多数矿井突水事故是应该能够进 行理论解释的。 对于矿井涌水量,我们一直存在着模糊的认 识,即它是介于科学理论和实际经验之间的一个产 物,既不能完全依赖于理论计算,也不能完全参考 实践经验,谁也说不清楚哪一个矿井潜在的最大涌 水量到底是多少。在防治水工作中,因为不能从理 论上计算出矿井潜在的最大涌水量的具体数值,所 以,对于水泵数量和水仓容积设置本身能否确保矿井安全就不十分肯定。 另外,对于矿井涌水量,我们还需要用“动 态”的、辩证的观点去认识它,这种辩证的观点就 是:矿井涌水量受矿井生产过程中的多种因素的制 约,如果矿井在建设和生产过程中始终坚持“疏

4、干 放水”降低地下水位的办法,而且主要含水层的水 位得到了一定程度的下降,则理论上的最大涌水量 可能就不会出现;反之,如果主要含水层的地下水 没有得到有效的疏放,或者水位的下降程度十分有 限,则发生和理论上的最大涌水量数值相当或更大 的突水就有可能。但是,不管怎样,作为矿井安全 界限的“潜在的最大涌水量”永远是矿井安全设防 的一个重要指标。 要确定矿井的防治水安全标准,或者准确地计 算出理论上的最大涌水量,首先要搞清楚矿井水文 地质与供水水文地质在理论上的区别;其次就是根 据二者之间的区别制定出适合于能够保证矿井安全 的水文地质勘探方案及涌水量计算原则等。2 矿井水文地质与供水水文地质的区别根

5、据定义,矿床水文地质学(以下简称为矿 水)是研究与矿床开采有关的各种水文地质问题及 解决这些问题的方法与途径。同样,供水水文地质 学(以下简称为供水)则是从地下水资源开发利用 的角度出发,研究地下水的勘探、评价及开采等有 关问题。据此,可以将二者的区别划分如下: 首先是服务对象和性质的区别,供水针对的是 钻探已经暴露的含水层及其水井结构,水已经释放 出来,其最终目的是确定含水层和水井的出水能33矿井涌水量与防治水安全有关的问题力,它的出水通道受岩层钻探方式和过滤器影响; 矿水遇到的含水层绝大多数尚未被井巷工程所揭 露,或具有重大突水威胁的水患暂时还没有呈现出来,其最终目的是预防井巷工程的突水量

6、及突水过 程,且它的出水通道是无障碍的、开放的。 其次是要求不同,供水讲的是保证程度和保证 率,要求采水量不能超过枯水年份的补给水量或水 井中含水层的出水能力;矿水则是讲破坏程度和破 坏率,要求得到采掘过程中发生的最大涌水量不能超过预计设防能力。 第三是处理方式不同,对供水而言是采取措施 得到水井的最大出水量,使水井的能力尽可能发挥 出来,而不能出现“水荒”;对矿水而言,则是根 据预计出的矿井最大涌水量设计水仓容积、泵房、选配水泵等,防止“水患”,或是采取疏水降压、 含水层改造、帷幕注浆等措施来预防水患的发生, 以使生产正常进行。 以上区别表现在水量与时间的关系上则是:供 水要求取得长期有保证

7、的最小水量值,即Qmin;矿水则要求取得在较长时间内可能出现的最大水量 值,即Qmax。 尽管它们二者的区别是如此的明显,但是,如 果要从矿井涌水量计算的理论上对其进行研究,则 还需要研究抽水试验的(求参)精度对矿井涌水量计算的影响。3 关于稳定流抽水试验对于均质、各向同性、平面上无限延伸的含水 层,稳定流抽水试验有单孔、带1个观测孔、带2个观测孔及其2个以上观测孔等多种形式,相应地求参方式也有按单孔、带1个观测孔、带2个观测 孔及2个以上观测孔等多种样式。 对于抽水试验求参,目前达成的共识是:单孔抽水试验的求参结果准确性最差;带1个观测孔抽 水试验的求参结果具有一定的可靠性;而带2个及 其2

8、个以上观测孔抽水试验的结果准确性最高。然 而,有什么依据来证明上述的“共识”?既然矿水 和供水是水文地质的两个极端状态,又有什么理由 说同一个抽水试验标准均适用于各类工程的水文地质勘探?对于这3种抽水试验我们只能说:只有1 种情况在一定的条件下是正确的,其他2种形式只 能在满足一定的工程安全要求的前提下是可以参考 使用的,但它满足的是哪一个工程领域的要求呢? 可以肯定地说,绝对不存在既满足供水的需要又满足矿井需要抽水的试验方法。4 抽水试验工程实例及参数的选取原则某水源地5#井带观测孔抽水试验资料如下:承 压含水层厚度20m ,岩性为含砾石的中、细砂岩,局部夹有亚粘土透镜体,沿5#井布置2排观

9、测孔, 一排为A1、A2 2个观测孔;另一排为B1、B2、B33个观测孔。现仅用B排观测孔资料(见表1)。5#井地区水文地质剖面图见图1。图1 5#井地区水文地质剖面图表1 5号井抽水试验B排观测孔资料下降 次数5#井B1B2B3抽水量Q/ m3d- 1水位降 sw/ m井位 r0/ m含水层厚 度M/ mr1/ m水位降 s1/ mr2/ m水位降 s2/ mr3/ m水位降 s3/ m11402213501220513111706001573000116 2408871400122051331518601186030001482 355301012501220513417406021220

10、3000165注r1、r2、r3分别为各观测孔到抽水井的距离 411 渗透系数K的求解 根据裘布自流完整井公式分别按照2个观测孔K=Q 2M (s1-s2)lnr2 r1、1个 观 测 孔K=Q (1gr1- 1gr0) 2M (s0-s1)和单孔抽水K=Q (1gR- 1gr0) 2Ms0(其中R= 10swK ,K的单位m/ d ;s0为抽水井水位降)进行求参,并将各自的求参结果以平均值 为基础进行相对误差分析,结果如表2所示。412 影响半径R的求解按照公式(1) lgR= lgr0+2173KM (sw-s)Q43中国煤炭第34卷第3期2008年3月和公式(2) lgR=swlgr-

11、lgr0 sw-s(1个观测孔)、公式(3) lgR=s2lgr1-s1lgr2 s1- s2(2个观测孔)、公式(4)R= 10swK(单孔)进行计算。R的计算结果如表3所示。表2 渗透系数K的求参结果及相对误差分析m/ dK/ md- 12个观测孔1个观测孔单孔 降次B1 - B2B2 - B3B1 - B3W - B1W - B2W - B3W 1451124318044158301983517537126301755 2471613810043125271463314934139331711 3421384511143143261173112633152341365 平均值451044

12、213043175281203315035106321944 误差/ %519010117118977121616941386164表3 影响半径R的求参结果及相对误差分析m降次公式(1)公式(2)公式(3)公式(4)W - B1W - B2W - B3W - B1W - B2W - B3B1 - B2B2 - B3B1 - B3W1136187392155514109136160372172511188601163562120568159130132210315340813550111710312940712149913691219052617556913842916538910229114

13、949315088184290139492123508182584112569176600187 平均值10918136411350219210915835617501116674145557169569124386195误差%18193191951187181931816111782415651550111466132413 参数的选取 长期以来,在水文地质勘探中之所以会出现单 孔抽水、带1个观测孔的抽水和带2个以上观测孔的抽水试验多种方法并存的局面,一个不能忽视的 原因就是评价抽水试验质量的标准或规范中没有参 数的选取原则,所以也就有表2、表3中的众多求 参结果。以上的计算结果表明,只有以

14、求参结果的 误差检验作为标准,才能取得准确的参数,也才能验证上述的“共识” 。 综合上述计算结果可以发现,带2个观测孔按 照B1 - B3求得的K= 43175 m/ d、R= 569124m , 误差分别为11897 %和01114 % ,准确性和可靠程 度最 大;带1个 观 测 孔 按W - B3的K=35106m/ d、R= 501116m ,误 差 为4138 %和1178 % ,准确性和可靠程度次之;单孔的误差最 大,为6164 %和66132 % ,根本谈不上准确。5 矿井潜在的最大涌水量的理论计算从矿井涌水量的计算现状来说,方法很多,但是完全的理论计算只有裘布公式一种,即所谓的

15、“大 井 法 ”,对 潜 水 含 水 层 而 言,Q=11366K (2H-s)s lgR- lgr;对 承 压 水 含 水 层,Q=2173KMs lgR- lgr。从这2个公式可以看出,预计的矿井涌水量大小与渗透系数成正比关系,也直接决定了 前者,从而决定了矿井的防治水设防标准。所以 说,如果用带1个观测孔或单孔抽水试验的结果进 行供水水资源评价,则预测结果肯定偏于保守,它 有利于提高供水的保证率,不易造成“水荒” 。但如果用它进行矿井涌水量计算,则结果必然会出现 预测值小于实际值的情况,淹井事故的发生也就顺 理成章。 北方岩溶矿井突水淹井分析与最大涌水量计 算一文中曾指出,矿井最大涌水量

16、的计算应该按 照最不利组合的原则即采用要主要充水含水层的全 部厚度,并且应取抽水试验所求渗透系数的最大 值,地下水位降低到第一个开拓水平。但是,即使 这样取值,由于所取的渗透系数(单孔的最大值) 仍然小于准确值(误差最小的平均值) ,所以计算 的最大涌水量比实际突水量小(小约25 %)。 所以,以破坏率为特征的矿井防治水安全所要 求的矿井水文地质勘探、其抽水试验应采用的方法应该至少带2个观测孔,并且求参结果要达到尽可 能高的精度。反之,供水水文地质勘探的求参精度 则可以相对低一些。(下转第73页)53矿井涌水量与防治水安全有关的问题工,以满足原煤入洗的要求。由于小块煤偶尔会跟 随大矸石沿固定筛轻轨一同滑下,造成跑煤,因此 特在固定筛上方安装了一个自制的铁板挡帘,每条铁板宽度为90mm ,厚度为12mm ,挡帘共由10 条铁板组成,这样, 300mm以上的大矸石和块煤 会冲开铁板滑下,而小煤块就会被挡帘冲击落到固 定筛下方,从而杜绝了跑煤现象,实现大矸石、煤 块的自动筛分工作。212 大矸石、煤块的自动分拣