突水災害性流量閾值預警的研究

邵銀川　張承斌

【摘 要】圍繞常村煤礦二1煤層的突水問題，經(jīng)過收集資料、現(xiàn)場調研，建立了灰色預報GM（1，1）模型，對各區(qū)域進行了突水量預測，并結合該礦的排水能力，建立了突水災害性流量閾值預警模型，構建了流量預警指標體系庫，從而實現(xiàn)了該礦二1煤層突水災害性流量閾值預警系統(tǒng)的研究。

【關鍵詞】突水預警；灰色預報模型；流量閾值；指標體系庫

【Abstract】In view of the water inrush from coal mine in the coal mine， the data were collected and the field investigation was carried out. The grey forecasting GM （1，1） model is established. The water inrush in each region was predicted. Combined with the drainage capacity of the mine， water inrush disaster flow forewarning model was established. Flow forewarning index system was constructed. Finally， the research of water inrush disaster flow early-warning system is realized.

【Key words】Inrush early warning； Grey forecasting model； Flow threshold； Index system of library

0 前言

隨著煤礦開采深度的加大，地下水成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，對地下水實時監(jiān)測和動態(tài)發(fā)布已顯得刻不容緩。此次以龍門煤業(yè)常村煤礦為背景。該礦于2005年3月21日開工建設，2009年5月22日試產(chǎn)，2009年8月16日正式投產(chǎn)。主采煤層為二1煤，地質儲量6370萬t，設計生產(chǎn)能力45萬t/a，服務年限38.5年。而水害監(jiān)測是該礦生產(chǎn)中一項長期的基礎性任務，但一直以來，對水文地質監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究和應用主要集中在管理方面，很少對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和相關研究。

本文在研究區(qū)域發(fā)生突水時，通過監(jiān)測各區(qū)域的涌水量大小，比較流量閾值，對礦井致災程度進行預警，從而實現(xiàn)了該礦二1煤層底板突水災害性流量閾值預警系統(tǒng)的研究。

1 突水災害性流量閾值預警模型

在研究區(qū)域發(fā)生突水時，通過監(jiān)測各區(qū)域的涌水量大小，比較流量閾值，對礦井致災程度進行預警。

1.1 日常涌水量

（1）常村煤礦開采第一水平為-310米。曾由河南省煤田地質局二隊編制的儲量核查地質報告中，對其正常涌水量進行預測可達800m3/h。根據(jù)礦區(qū)正常涌水量與最大涌水量的關系，豐水季節(jié)涌水量是正常涌水量的1.4～2倍計算，最大涌水量為1120～1600 m3/h。

鄰近的龍門礦井其開采條件、自然條件均與常村煤礦類似，為此可采用富水系數(shù)法進行常村煤礦一水平礦井涌水量預計。

根據(jù)現(xiàn)在的龍門煤礦年開采量45萬噸，年排水量6，534，840m3/a，其富水系數(shù)為14.52187。常村煤礦設計正常開采量為年50萬噸，為此，預計常村煤礦一水平最終正常涌水量為852 m3/h。

（2）依據(jù)常村煤礦礦井測水報表統(tǒng)計得出，2014年1月到7月之間其總涌水量在895～944m3/h范圍之間（見表1、圖1）。隨著開采工作逐步進行，礦井總涌水量具有總體上升趨勢。

（3）根據(jù)2008～2014年觀測資料，常村煤礦涌水量主要由煤層頂?shù)装迳皫r水及底板灰?guī)r水組成，涌水量變化較大。常村煤礦目前排水系統(tǒng)比較簡單，經(jīng)常觀測的位置是井底水倉入口處及各主要涌水巷道水溝處。目前，11采區(qū)基本穩(wěn)定在380m3/h左右，12采區(qū)總涌水量為167m3/h，構成東翼總排水量約550 m3/h；而西翼總排水量為380 m3/h，但西翼并未有工作面開采。因此在設置流量閾值時，西翼涌水量增長范圍應大于東翼的。

總之，該礦在生產(chǎn)過程中的總涌水量930m3/h，據(jù)煤礦防治水規(guī)定，其水文地質屬于復雜類型，正常涌水量600

1.2 灰色預測突水量

將礦井突水量視為在一定區(qū)間和時間內變化的灰色量原始序列，采用累加生成序列方法對離散的原始數(shù)據(jù)進行處理，使其變成規(guī)律性強的累加生成序列，并在其基礎之上建立灰色預報GM（1，1）模型。

（2）GM模型突水量預測

依據(jù)常村煤礦突水點臺賬記錄，并結合發(fā)生時間和地點，將分為4個區(qū)域經(jīng)行灰色理論災變突水量預測。分別建立其GM（1，1）模型，進行預測值與原始值檢驗比較，經(jīng)過殘差模型矯正。由修正后預測值與原始值比較分析，若殘差結果有明顯的減小，低于允許誤差要求，則運用修正后的預測模型，預測下次突水量。

①第一區(qū)域集中于11采區(qū)回風軌道上山，預測下次突水量為61.4 m3/h。

②第二區(qū)域集中于11采區(qū)的1103、1105、1106巖石集中運輸回風巷。由修正后預測值與原始值比較分析，殘差結果沒有明顯的變化，不符合誤差要求，不對其進行預測突水量。

③第三區(qū)域集中于東西翼運輸大巷，預測該區(qū)域下次突水量為14.5 m3/h。

④第四區(qū)域集中于12采區(qū)軌道上山，預測該區(qū)域下次突水量為25.1 m3/h。

1.3 排水能力

井下設內、外水倉，兩水倉容量之和為7500m3，其中外水倉容量約4000m3，內水倉容量約3500m3，滿足礦井8小時的正常涌水量要求。

本礦井主排水設備選用5臺MD580-60×9型礦用耐磨離心式排水泵，配3趟D377×13無縫鋼管排水管路。正常涌水期2臺工作，2臺備用，1臺檢修；最大涌水期4臺工作，1臺備用。礦井最大排水能力達3000m3/h，滿足礦井最大突水量2479 m3/h的要求。

2 流量預警指標體系庫

通過對全礦井進行區(qū)域劃分，監(jiān)測其涌水量，明確各區(qū)域的涌水量大小，并結合該礦歷史突水量和排水能力，確定流量閾值并發(fā)出相應級別警報。見表2、表3。

表2 區(qū)域涌水量閾值預警指標

綠色預警信號表示東翼涌水量小于歷史最大涌水量550m3/h（西翼涌水量小于歷史最大涌水量380m3/h），說明無突水、區(qū)域安全；藍色預警信號表示東翼涌水量在550～640m3/h范圍，考慮東翼預測突水量 （西翼涌水量在380～400m3/h范圍，考慮西翼預測突水量），說明可能發(fā)生小突水但區(qū)域仍較安全；黃色預警信號表示東翼涌水量大于640 m3/h（西翼涌水量大于400m3/h），屬于過渡區(qū)，以發(fā)生突水，需警惕。

綠色預警信號表示礦區(qū)涌水量小于930m3/h，說明無突水、區(qū)域安全；藍色預警信號表示礦區(qū)涌水量在930～1040m3/h范圍，考慮礦區(qū)預測突水量，說明可能發(fā)生小突水但區(qū)域較安全；黃色預警信號表示礦區(qū)涌水量在1040～2100m3/h范圍，以《煤礦防治水規(guī)定》復雜水文地質條件的最大正常涌水量，屬于過渡區(qū)，發(fā)生突水但不造成淹井；橙色預警信號表示礦區(qū)涌水量在2100～3000m3/h范圍，以該礦最大排水能力為界，屬于較危險區(qū)，發(fā)生突水可能造成淹井；紅色預警信號表示礦區(qū)涌水量大于3000m3/h，已超過該礦的排水能力，極度危險，發(fā)生突水會淹井。

3 主要結論

1）以常村煤礦為例，對突水災害性流量閾值預警系統(tǒng)進行了研究探討，經(jīng)過現(xiàn)場調研、資料分析，實現(xiàn)了該礦突水災害性流量閾值預警系統(tǒng)的研究。

2）統(tǒng)計了東翼大巷、西翼大巷、礦井水倉的歷史涌水量，預測了礦井各區(qū)域突水量，并結合該礦的排水能力，構建了流量預警指標體系庫，其中礦井水倉涌水量大小為安全區(qū)[0，930]，較安全區(qū)（930，1040]、過渡區(qū)（1040，2100]、較危險區(qū)（2100，3000]、危險區(qū)大于3000m3/h。

3）應用流量閾值進行預警，缺乏大量的資料和監(jiān)測點支持，需增加井下涌水量監(jiān)測儀，并記錄數(shù)據(jù)；另外，灰色預測突水量的精度不夠高，從而影響了涌水量閾值的確定。

【參考文獻】

[1]徐魯勤，鞠遠江.深部采煤底板突水成災閾值及其研究意義[J].能源技術與管理，2010（3）：1-3.

[2]高軻，李樹文.基于灰色殘差 GM（1，1）模型理論的礦井涌水量預測[J].山西建筑，2015（28）：174-176.

[3]國家安全生產(chǎn)管理總局，國家煤礦安監(jiān)局.煤礦防治水規(guī)定[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[4]隋海波，程久龍.礦井工作面底板突水安全預警系統(tǒng)構建研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36（1）：58-60.

[5]孫凱民，龐迎春.楊莊煤礦水害監(jiān)測預警系統(tǒng)研究及應用[J].煤炭技術，2008， 27（10）：75-77.

[責任編輯：楊玉潔]