三、典型研究
典型研究采用潞安矿务局五阳煤矿开采3号煤层对上覆含水层破坏的研究。
（一）井田位置及开采情况
五阳矿位于潞安矿区的北部、沁水煤田的中东部边缘，矿区煤层总体向西缓倾斜，走向长8.35km，倾向长约8.3km，井田面积69.33km2。该地区1991～2000年平均年降水量为528mm，同全省平均降水量534mm比较接近，地面标高850m左右，3号煤层埋藏深度250～300m。浊漳河的南源和西源在五阳井田范围内汇合后，向东北方向流去。
五阳煤矿于1956年开工兴建，1963年8月建成投产，最初设计能力90万t/a，井田面积27km2，后经扩建，井田面积增至目前的面积，储量由原来的1.18亿t，增至目前的2.57亿t，1986年又投产了一对年产量为120万t的新井。目前生产能力已达200万t/a，矿井开拓采用水平大巷上、下山方式。采煤方法为分层、长壁、金属网伪顶，全部垮落法，分两个水平开采，即+760水平与+600水平，全部为综合机械化采煤，矿井机械化程度已达100%，矿井水文地质工作记录较详细，特别是对+600水平73采区的7303及7305两个综采工作面进行了试验，为本次计算提供了原始的基础资料。
（二）+760及+600水平冒裂带高度的观测及计算
1.+760水平普采“三带”的最大冒裂高度的确定
五阳煤矿+760水平，位于矿井的浅部，多于20世纪50～60年代开采，采用走向长壁全部冒落法开采和管理顶板，3号煤层一般进行分层、放炮落煤，分东、北、西翼进行开采。现将有关“三带”情况简述如下。
1965年由潞安矿务局地测处在某采区1114、1115、1116工作面（以开采工作面水平高程为工作面代号），在不同采厚情况下，由7个观测孔对冒裂带进行了观测。分层采厚为2m，工作面采深数据是在99～117m的条件下取得的，采后裂高可能达到风化软弱岩层内。3个工作面的有关数据及冒裂带高度见表8-13和表8-14。
表8-13 1114、1115、1116三个工作面有关数据表
表8-14 1114、1115、1116普采工作面裂高统计表
根据勘探报告资料及以往取强度值的经验，故取岩石抗张度值KP=115t/m2，老顶首次来压的平均最大控顶距离
一分层碎胀系数K1=1.3，二分层K2=1.4，三分层K3=1.5，岩石平均容重γ=2.56t/m3。采用
算式，计算得：
1114工作面有效裂高：
1115工作面有效裂高：
1116工作面有效裂高：
为了验证所计算的冒裂带高度，在+760水平东翼中部，选取了1147工作面，其有关参数如下：L=110m，b=38m，KP=115.0t/m2，γ=2.56t/m3，采厚m=6m，K=1.5，α=10°；该工作面地面标高为895.10m，3号煤底板标高为770m，因3号煤顶面高程为776m，所以岩柱厚度=895.10-776m=119.10m，该岩柱包括了松散岩层和基岩风化带。1147工作面冒裂带最大高度：
从表8-14及计算结果可知，760水平在普采的情况下，观测值与计算值比较接近，说明采用公式是正确的。
2.+600水平7303、7305工作面冒裂带最大值的确定及对公式的检验（略）
（三）采煤对地下水破坏的模数计算
在煤炭未开采前，含水层中充满着水，这是由于含水层中有孔隙存在，将存在于岩层中的原始水称为静储量。当开采破坏以后，由于岩层的破裂，使开采破坏区内的静储量全部消耗，在此过程中排水量较大，但随着时间和延长，特别是在停采状态下，排水量将逐渐趋于稳定，煤矿的排水量仅随季节性变化，将这部分水量视为开采破坏的动储量。本部分内容欲通过对7303、7352工作面的资料来计算地下水的动静模数。
1.含水层、隔水层简况
根据上面计算的冒裂带值，一分层最大值为74.83 m（观测值74.75m）；二分层为92.10m（观测值91.70 m），皆未超过有效岩柱厚度，虽不能影响风化带及地表水，但却能影响100m以内的砂岩含水层，即山西组中的Ⅵ、Ⅶ层，上石盒子组的Ⅷ、Ⅸ层。3号煤顶部岩层中含水层的简要水文地质特点列入表8-15中。
表8-15 3号煤层上覆含水层水文地质特点简表
2.7303工作面和7305工作面水量变化规律及模数计算
（1）7303工作面。根据档案记录的水量资料及回采进度工程图的资料，获得7303面年、月的回采进尺、水量如下，见表8-16。
表8-16 1986～1987年7303工作面掘进与出水量统计表
依据7303工作面沿走向回采的距离及其倾向长度153m，可用加权平均值法确定采面的平均涌水量及其地下水径流模数式为
因此，Q7303=4.974 m3/h。
7303工作面开采破坏的地下水量（动静水量总和）：
（7303采面的动静水量模数）
（2）7305工作面。依据文献及7305采面回采进度工程图的资料，7305采面第一分层沿走向回采宽度及总进尺、水量的关系见表8-17。
平均水量及模数的计算
同前计算，7305第一分层分块面积及水量平均值如下：
破坏的总模数：
7305工作面第二分层（L=166，走向L′=740）
根据矿方记录，回采过程中出水量见表8-18。
表8-17 分段进尺宽及涌水量统计表
表8-18 7305工作面二分层回采与涌水量统计表
将上面7305底分层的模数与7303、7305顶分层的模数比较，前者模数较后两者小的原因在于：尽管底分层冒裂带的高度有所增大，但是它是两工作面采矿之后破坏顶板岩层的基础上进行的，且7305顶底分层回采间歇的时间约两年，因此顶部含水层的静水量排往井下所剩不多了，所以可将7305底分层的地下水径流模数看成以动水量为主的模数，它与7303、7305含静水量相对多的模数差值的算术平均值，可作为两采面开采后对地下水破坏的静水量模数，其算式为
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该数据表示在煤矿开采过程中对含水层破坏的模数。
（四）降水量（Y）与矿井涌水量（Q）及地下水径流模数（M）的相关计算
1.+760水平的相关计算
该水平是在20世纪50～70年代开采的，分东翼、北翼及西翼3个采区开采，采空区面积经量取见表8-19。
根据矿方记录，全矿降水量资料自1986～2000年（1990年无）比较齐全，但实测的矿井涌水量资料不全，仅有1986～1989年及1998～2000年7年的资料，见表8-20。
表8-19 +760水平采空区面积统计表
表8-20 +760水平涌水量与降水量统计表
续表
（1）径流模数的计算。根据上述资料，五阳矿+760水平地下水径流模数为
式中：
为+760水平地下水径流模数平均值，m3/（h·m2）；Qi为+760水平第I翼的涌水量，m3/h；Fi为+760水平第i翼的采空区面积m2。
根据式（8-5）及表8-20计算的地下水径流模数列于表8-21。
表8-21 +760水平地下水量及径流模数计算结果表
（2）相关性计算。根据上述资料，绘出降水量Y—Q及Y—M的有关曲线，见图8-4。
求Y—Q的相关方程：
据此方程和1991～2000年的降雨量，按lg Q+760=（lg Y+1.4887）/1.621式计算相应水量，列于表8-22中。
图8-4 +760水平Y-Q、Y-M关系曲线图
表8-22 +760水平1991～2000年计算矿井涌水量表
注 表中括号内数字为实测值。
求Y—M的相关方程：（γ=0.841查得γ0.05=0.75 γ＞γ0.05）
同样按lg M=（lg Y-1.23）/1.9234及雨量计算相应年的模数，从上面结果看，水量误差相对小些，而M值的误差相对大些。
2.+600水平的相关计算（略）
（五）五阳矿相关性计算
根据全矿+760及+600两个水平的涌水量，地下水径流模数及降水量见表8-23。
表8-23 全矿相关计算基础资料表
根据前述资料可知：+760水平的水量占全矿井水量的5/6，而+600水平的水量仅占1/6，所以+760水平的水量是全矿水量组成的主体。
其次，+600水平及其中的采区的降水量与涌水量及径流模数无明显的关系，但+760水平与降雨量关系密切；所以按表8-24作了Q—Y和Y—M的散点图（见图8-5），获得相关方程为：
由此说明全矿涌水量与降水量之间的关系相关性好、显著性高。在已知降水量的情况下，可以采用以上公式计算全矿涌水量，结果列于表8-24中。
图8-5 五阳矿Y—Q、Y—M关系图
从表8-24可以看出，计算与实测涌水量，误差绝对值一般为2%～6%；仅1999年误差为13.73%，引起误差的原因可能在于地下水滞后期、降水时间等因素的不同所致。
从图8-6可以看出，全矿降水量与矿井排水量总体是同步的。
通过对+760水平1986年、1987年、1988年、1999年4年降水量与井下排水量曲线对比（见图8-7）可以看出：井下排水量与降水有相关性，但并不是很快反映，存在一定的滞后期，一般为1～4个月，这与煤层的开采深度、地质构造、地层岩性及采煤方法有关。
图8-6 1986～2000年年排水量与降雨量关系曲线图
表8-24 五阳矿矿井实测涌水量与计算的水量比较表_
图8-7 +760水平1986～1989年各月平均排水量与降水量关系曲线图
（a）1986年；（b）1987年；（c）1988年；（d）1989年
