降水充水類型礦井涌水量預(yù)測方法研究

魏青峰，王 順，史桃桃

(1.山西省晉城市古書院礦安全部，山西晉城 0480001;2.北京華安奧特科技有限公司，北京 100085)

0 引言

礦井涌水是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。礦井涌水量的準(zhǔn)確預(yù)測對于防止礦井突水、淹井等礦井惡性事故發(fā)生、降低生產(chǎn)成本、保障礦山安全生產(chǎn)具有重要意義[1]。由于涌水量預(yù)測是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，常規(guī)的計(jì)算方法并不是完全適用所有礦井[2]。特別是近些年來，隨著礦井采深的不斷加大，開采條件不斷復(fù)雜化，為了保證煤礦安全生產(chǎn)，需要嘗試針對不同充水條件的煤礦采取不同的礦井涌水量預(yù)計(jì)方法。在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以古書院礦為例，利用降水量與礦井涌水量之間變化規(guī)律，采用回歸分析和水文頻率分析法預(yù)計(jì)礦井涌水量，為降水充水類型礦井的涌水量有效預(yù)計(jì)提供新的計(jì)算方法。

1 大氣降水對礦井涌水量影響

當(dāng)煤礦井下涌水來源相對簡單，地表水系不發(fā)達(dá)時(shí)，由于地下開采的不斷疏干排水，礦區(qū)地下水的靜儲(chǔ)量逐漸減少，大氣降水的滲透補(bǔ)給就成為礦井充水的主要來源[3]。以我國古書院礦為例，將1997～2012年的礦井涌水量、大氣降水量以及累計(jì)采空區(qū)面積繪制成礦井涌水量與大氣降水、累計(jì)采空區(qū)面積相關(guān)歷時(shí)曲線圖(圖1)(注:缺失2007、2008年礦井涌水量資料)，在9號(hào)煤、15號(hào)煤分別于2002年和2009年投產(chǎn)后，礦井涌水量增大與大氣降水及采空區(qū)面積的增加關(guān)系非常明顯。由此判斷大氣降水、累計(jì)采空區(qū)面積與礦井涌水量三者之間關(guān)系密切。該礦在開采下伏煤層過程中，大氣降水將通過上覆煤層采空區(qū)調(diào)蓄后充入下伏煤層的回采工作面或礦井，成為礦井充水的主要來源。因此可通過分析歷年大氣降水與礦井涌水量的關(guān)系，推導(dǎo)其定量函數(shù)關(guān)系式，以預(yù)測大氣降水對礦井涌水量的影響程度[4]。除此之外，古書院礦礦井涌水量還受直接充水含水層K2灰?guī)r的影響，但本次著重討論大氣降水對礦井涌水量的影響程度。

圖1 礦井涌水量與大氣降水、累計(jì)采空區(qū)面積相關(guān)歷時(shí)曲線圖

2 回歸分析

為了進(jìn)一步確定涌水量與降水量的定量關(guān)系，在經(jīng)過大量的數(shù)理統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)古書院礦水文年降水量與水文年礦井涌水量二者的對數(shù)呈很強(qiáng)的線性相關(guān)性。以該礦五年(2005、2006、2009、2010、2011年)的礦井水文年涌水量與水文年降水量(表1)為例，將水文年降水量取以10為底的對數(shù)值作為橫坐標(biāo)值，對同一水文年的涌水量取以10為底的對數(shù)值作為縱坐標(biāo)值，繪制成散點(diǎn)圖，并采用擬合回歸公式法[5]繪制擬合曲線(圖2)，發(fā)現(xiàn)五組數(shù)據(jù)呈很好的線性相關(guān)性，擬合曲線為直線。據(jù)此假設(shè)擬合曲線函數(shù)關(guān)系式為下式:

x——水文年降水量，mm;

Q——水文年涌水量，m3。

表1 水文年降水量和水文年涌水量統(tǒng)計(jì)表

采用最小二乘法推導(dǎo)公式(1)系數(shù)如表2:

表2 最小二乘法推導(dǎo)函數(shù)關(guān)系式參數(shù)列表

由表2知，利用最小二乘法[6]推導(dǎo)線性公式的相關(guān)系數(shù)、相關(guān)指數(shù)、殘差平方和分別為0.997、0.994、0.0003，證明回歸方程具有很強(qiáng)的相關(guān)性，回歸效果很好。據(jù)此確定水文年降水量和水文年涌水量回歸方程為:

x——水文年降水量，mm;

Q——水文年涌水量，m3。

同理統(tǒng)計(jì)五年(2005、2006、2009、2010、2011年)的月最大降水量和月最大涌水量，取對數(shù)后作圖，發(fā)現(xiàn)也存在線性關(guān)系，用最小二乘法計(jì)算的關(guān)系式為:

x'——月最大降水量，mm;

Q'——月最大涌水量，m3。

3 頻率分析[7]及涌水量計(jì)算

在確定了涌水量與降水量的定量關(guān)系式后，如何準(zhǔn)確選取降水量參數(shù)，成為有效預(yù)測礦井涌水量的關(guān)鍵。在歷年的大氣降雨中，豐水年份的降水量多，河流水量大，年徑流量大于多年平均值，降水入滲量增加，對礦井涌水量影響加大。因此可用豐水年的降水量預(yù)計(jì)正常狀態(tài)下開采系統(tǒng)的最大涌水量。相反，平水年份的降水正常，河流水量與多年平均情況相當(dāng)，徑流量與多年平均值接近，因此，平水年的降水量適用于預(yù)計(jì)正常狀態(tài)下開采系統(tǒng)的正常涌水量。一般不同水平年的水文頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)為:頻率p＜37.5%為豐水年;p＞62.5%為枯水年;37.5%≤p≤62.5%為平水年。

通過系統(tǒng)整理、分析古書院礦所在市氣象局資料，對1997～2012年的年降水量和月降水量分別作頻率分析(圖3、圖4)，依據(jù)上述頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)，劃分平水年、豐水年。將平水年的年平均降水量帶入公式(1)、豐水年的月平均降水量值帶入公式(2)，并結(jié)合實(shí)際情況和工作經(jīng)驗(yàn)，由公式(1)求得礦井受大氣降水影響的正常涌水量為563.11(m3/h)，通過公式(2)求得受大氣影響的最大涌水量為647.33(m3/h)。

4 結(jié)論

當(dāng)?shù)V井在開采下伏煤層時(shí)，大氣降水會(huì)通過上覆煤層采空區(qū)調(diào)蓄后充入下伏煤層的采煤工作面或礦井，成為礦井充水的主要來源時(shí)，可通過分析歷年大氣降水與礦井涌水量的關(guān)系，推算其定量函數(shù)關(guān)系式。對近幾年的降水量進(jìn)行頻率分析，分別求出其平水年、豐水年的平均降水量，以此作為因變量代入大氣降水與礦井涌水量的關(guān)系式，以達(dá)到預(yù)測礦井的正常涌水量和最大涌水量的目的。值得注意的是，由于煤礦水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，影響礦井涌水量的主要充水水源可能不止一種，以古書院礦為例，該礦主要充水水源為大氣降水，其次為K2灰?guī)r巖溶水，在計(jì)算礦井受大氣降水影響的涌水量之外，還應(yīng)考慮K2灰?guī)r巖溶水對涌水量的影響。綜上所述，礦井涌水量一般是多種影響因素綜合作用的結(jié)果，預(yù)計(jì)礦井涌水量也應(yīng)多種充水因素綜合考慮。

圖3 年降水量頻率曲線圖

圖4 月降水量頻率曲線圖

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