王洼煤礦礦井涌水量預(yù)測(cè)探析

楊麗美 孟云芳.2

(1. 銀川能源學(xué)院,建筑工程技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì),寧夏永寧 750105;2.寧夏大學(xué),土木與水利工程學(xué)院,寧夏銀川 750021)

王洼煤礦礦井涌水量預(yù)測(cè)探析

楊麗美1孟云芳1.2

(1. 銀川能源學(xué)院,建筑工程技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì),寧夏永寧 750105;2.寧夏大學(xué),土木與水利工程學(xué)院,寧夏銀川 750021)

本文以王洼煤礦實(shí)測(cè)排水資料為依據(jù),建立了最小二乘法預(yù)測(cè)公式對(duì)技改后礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè),同時(shí)在井田水文地質(zhì)及充水因素分析的基礎(chǔ)上,給出了舍棄“大井法”采用最小二乘法在王洼煤礦涌水量的預(yù)測(cè)中的合理性。

王洼煤礦 最小二乘法 礦井涌水量 預(yù)測(cè)

在水資源極度短缺的形勢(shì)下，將礦井水計(jì)入具有一定可靠保障的水資源，對(duì)礦井水涌水量進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)分析顯得十分重要。本文在其他學(xué)者對(duì)王洼煤礦礦井涌水分析研究的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有排水資料，采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，力求獲得更加準(zhǔn)確的礦井涌水量預(yù)測(cè)值。

1 煤礦概況

王洼煤礦位于寧夏彭陽(yáng)縣王洼鎮(zhèn)境內(nèi)。井田面積10.26km2，可采儲(chǔ)量1.05億t，原設(shè)計(jì)能力21萬(wàn)t/a，經(jīng)2003年技術(shù)改造后，05年核定生產(chǎn)能力近45萬(wàn)t/a，06年實(shí)際產(chǎn)量近60萬(wàn)t/a。09年該礦再次進(jìn)行技改，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a，服務(wù)年限92.6a。

圖1 礦井涌水量與原煤產(chǎn)量的關(guān)系

表1 最小二乘法對(duì)該礦礦井涌水量及產(chǎn)量分析

2 井田主要含水層特征分析

2.1 水文地質(zhì)條件

(1)中奧陶系平原群分布于井田西部外圍及煤系地層下部，埋深于95.49～514.52m以下。含裂隙-溶洞承壓水，水位較深(160.40m)，水量小，單位涌水量為0.0028L/s·m，滲透系數(shù)0.0011m/d，為涌水量很小的巖層。(2)上三迭統(tǒng)延長(zhǎng)群分布于井田西部及南部，埋深于248.27～589.53m以下，無涌漏水現(xiàn)象，含水不大。(3)侏羅系分布于井田內(nèi)部。單位涌水量0.00347～0.00012L/S·m，滲透系數(shù)為0.000110～0.00261m/d。(4)下白惡統(tǒng)六盤山群分布較廣，埋深于87.8～272.80m之下，含水微弱。(5)第三系在全礦井普遍發(fā)育，埋深于0～224.23m以下，鉆孔揭露最大厚度160.03m，含孔隙—裂隙承壓水。(6)第四系遍布全礦井，具多孔性，垂直透水性較好，水平透水性較差，普遍含孔隙潛水。

2.2 充水因素分析

礦井充水水源主要有大氣降水、地表水和地下水。

大氣降水：多集中7～9月，多年平均降水量441.9mm，最大降水量613.5mm均滲入地下，為間接充水水源。

地表水：僅有3個(gè)小水庫(kù)，煤層開采形成的冒裂帶、導(dǎo)水裂隙帶可能與這些水體溝通，而導(dǎo)致采煤時(shí)礦井充水強(qiáng)度增大，但不同地段差別很大。

地下水：直接充水水源為松散巖類孔隙水及各煤層頂板基巖裂隙水，煤層開采后在王洼背斜以西導(dǎo)水裂隙帶可能溝通上覆第四系松散巖類孔隙水，由間接充水水源變?yōu)榈V井直接充水水源，而在王洼背斜以東的絕大部分地段導(dǎo)水裂隙帶均未與上覆第四系潛水溝通，通過補(bǔ)給煤系地層之上碎屑巖類裂隙水成為礦井間接充水水源。

礦井充水通道主要是煤層開采后所形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶。礦坑充水強(qiáng)度主要取決于直接充水水源的富水程度和冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度兩個(gè)因素，并受隔水層明顯影響。王洼煤礦礦井涌水量比較穩(wěn)定，在強(qiáng)降水時(shí)涌水量無明顯增加。

3 最小二乘法對(duì)礦井涌水量的計(jì)算

3.1 最小二乘法公式建立

王洼煤礦屬技改項(xiàng)目，礦井水文地質(zhì)條件比較穩(wěn)定，具有一定期的礦井涌水量與原煤產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)資料。表1中給出了王洼煤礦2004-2008年礦井涌水量和原煤產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)以上資料，建立礦井涌水量Q和原煤產(chǎn)量Ti之間的最小二乘法經(jīng)驗(yàn)公式，見圖1。求得比擬參數(shù)，進(jìn)而推出新開拓規(guī)模下的預(yù)測(cè)涌水量。

從(圖1)可知，礦井涌水量和產(chǎn)量呈現(xiàn)線性關(guān)系，可以將近似公式設(shè)為：

現(xiàn)根據(jù)最小二乘法得出5年計(jì)算值與對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

由(表1)分析知，該法計(jì)算04年的理論與實(shí)測(cè)涌水量之間誤差較大，根該礦開采實(shí)際情況分析，該煤礦在03年進(jìn)行了技改，04年開采量和涌水量都不穩(wěn)定，05年重新核定生產(chǎn)能力近45萬(wàn)t/a，06年實(shí)際產(chǎn)量近60萬(wàn)t/a。對(duì)于05-08年的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較小，在合理范圍內(nèi)。因此，本文將利用公式(2)進(jìn)行該礦涌水量預(yù)測(cè)。

3.2 礦井涌水量預(yù)測(cè)

對(duì)于有監(jiān)測(cè)資料的王洼煤礦，通過分析礦坑排水量資料的合理性、可靠性、排水量變化及其影響因素，選擇了5年排水量變化穩(wěn)定，能夠代表技改后礦井相應(yīng)年度的礦井涌水量均值，作為了礦井涌水量計(jì)算的依據(jù)。

根據(jù)建立的最小二乘法計(jì)算公式，王洼煤礦在技改后，年產(chǎn)120萬(wàn)t的情況下，礦井涌水量為

Qi=0.444×120-0.44=52.84萬(wàn)m3

3.3 預(yù)測(cè)值合理性分析

根據(jù)學(xué)者對(duì)該礦井涌水量的研究，穩(wěn)定流大井法計(jì)算涌水量為1715.71m3/d[1]。穩(wěn)定流大井法屬解析法，其假定礦坑為中心的穩(wěn)定流場(chǎng)，利用裘布依公式求解，假定條件：①地下水處于穩(wěn)定流態(tài)、呈層流緩變運(yùn)動(dòng)，并遵循達(dá)西定律；②水流為承壓轉(zhuǎn)無壓，靜水位水平且降落漏斗的供水邊界呈圓形；③含水層均值等厚，分布寬廣，集水井為完整井。也有學(xué)者認(rèn)為穩(wěn)定流裘布依公式，在大降深、形狀不規(guī)則的礦坑涌水量預(yù)測(cè)中不可盲目應(yīng)用，應(yīng)盡量采用數(shù)值模擬方法，輔以其他類比外推法[2]。

根據(jù)該礦實(shí)際條件分析，煤層開采后第四系松散巖類孔隙水在王洼背斜以西和以東充水情況不一，充水水源及速率不平穩(wěn)；煤層開采時(shí)，冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶將連通地表水體從而增大采煤時(shí)礦井充水強(qiáng)度，但不同地段差別很大，水流流態(tài)不穩(wěn)定；根據(jù)水文地質(zhì)資料參數(shù)知，中奧陶系埋深于95.49~514.52m以下，為涌水量很小的巖層，上三迭統(tǒng)延長(zhǎng)群無涌漏水現(xiàn)象，侏羅系單位涌水量0.00347～0.00012L/S·m；下白惡統(tǒng)含水微弱；第三系埋深于0～224.23m以下，含孔隙—裂隙承壓水，第四系普遍含孔隙潛水，各個(gè)含水層之間差異性大，并非均值等厚的無限邊界。

由此，本報(bào)告對(duì)于有實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料的王洼煤礦優(yōu)先選擇了運(yùn)用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行礦井涌水量的預(yù)測(cè)，并根據(jù)實(shí)測(cè)資料的數(shù)值特征選擇了最小二乘法，建立了礦井涌水量和原煤產(chǎn)量之間的關(guān)系式，求得比擬參數(shù)，進(jìn)而推出了新開拓規(guī)模下的預(yù)測(cè)涌水量，具有一定的合理性。

4 結(jié)論

1)根據(jù)王洼煤礦礦井涌水量與原煤產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)資料建立了最小二乘法計(jì)算公式，預(yù)測(cè)了技改后年產(chǎn)120萬(wàn)t情況下礦井涌水量為52.84萬(wàn)m3/a。

2)通過對(duì)穩(wěn)定流大井法公式建立的假設(shè)條件和王洼煤礦水文地質(zhì)及充水條件的分析，本文認(rèn)為依靠最小二乘法建立預(yù)測(cè)方法，具有一定的合理性，而且計(jì)算簡(jiǎn)便。

[1]李金燕,張維江.寧夏王洼煤礦礦井涌水分析與涌水量計(jì)算[J].煤炭工程：研究探討,2012,8：81-84.

[2]華解明.“大井法”預(yù)測(cè)礦井涌水量問題探討[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2009,21(6)：45-47.

[3]陳江峰.許亞坤.蘆溝煤礦水文地質(zhì)特征及礦井涌水量計(jì)算[J].煤礦安全：技術(shù)經(jīng)驗(yàn),2009-11：39-42.

[4]郭天輝.寧夏馮記溝煤礦水文地質(zhì)特征及礦井水利用分析[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2009,21(2)：39-42.

寧夏回族自治區(qū)級(jí)高等學(xué)校建筑工程技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目(寧教高[2012]348);銀川能源學(xué)院科研項(xiàng)目金費(fèi)支持,項(xiàng)目編號(hào)：2013-KY-Y-16。

楊麗美(1987—)女,回族,碩士研究生,主要從事水資源理論與技術(shù)研究,寧夏永寧縣王太堡銀川能源學(xué)院建筑工程學(xué)院。