礦井涌水量預(yù)測(cè)方法

林劉軍

摘 要：正確預(yù)測(cè)未來礦井涌水量，是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的工作，是礦床水文地質(zhì)調(diào)查的主要任務(wù)之一。它是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一，對(duì)礦床的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)有很大的影響。因此，要求在礦床水文地質(zhì)調(diào)查時(shí)，根據(jù)獲得的資料，按精度要求正確地評(píng)價(jià)未來礦山開發(fā)各個(gè)階段的涌水量。

關(guān)鍵詞：礦井涌水量；礦井涌水量預(yù)測(cè)；灰色系統(tǒng)理論

前言

礦井涌水量預(yù)測(cè)其內(nèi)容與要求包括以下四個(gè)方面：（1）礦井的正常涌水量，指開采系統(tǒng)達(dá)到某一標(biāo)高（水平或中段）時(shí)，正常狀態(tài)下保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的總涌水量，通常是指平水年的涌水量；（2）礦井最大涌水量，指正常狀態(tài)下開采系統(tǒng)在豐水年雨季的作大涌水量；（3）開拓井巷涌水量，指包括井筒和巷道在開拓過程中的涌水量；（4）疏干工程的排水量，指在規(guī)定的疏干時(shí)間內(nèi)，將水位降到某一規(guī)定標(biāo)高時(shí)所需的疏干排水強(qiáng)度。而我們這次需要預(yù)測(cè)的僅僅是礦井正常涌水量，即指平水年的涌水量。

1 礦井涌水量預(yù)測(cè)的基本原則

由于煤礦井下復(fù)雜的水文地質(zhì)條件及特殊工作環(huán)境，影響煤礦井下涌水量大小的因素眾多，大氣降水、地表水、含水層水、巖溶陷落柱水、斷層水，以及舊巷和老空積水都有可能涌入煤礦井下的生產(chǎn)空間，礦井開采煤礦的賦存條件、水文地質(zhì)條件，開采之后形成的斷裂帶高度，以及煤層本身與圍巖的孔隙和裂隙的大小，都在一定的程度上影響著礦井涌水量的大小，這就給煤礦生產(chǎn)過程中的涌水量預(yù)測(cè)帶來了很大的困難，但是礦井涌水量預(yù)測(cè)時(shí)，必須遵循三個(gè)基本原則：（1）查清條件；（2）計(jì)算參數(shù)要有代表性；（3）正確選擇數(shù)學(xué)模型。

2 礦井涌水量預(yù)測(cè)的常用方法簡(jiǎn)介。

2.1 水文地質(zhì)比擬法

是在水文地質(zhì)條件相似的情況下，從已知涌水量推測(cè)未知涌水量 。其應(yīng)用條件最主要的是新、老礦井的水文地質(zhì)條件要基本相似；老礦井要有長(zhǎng)期的詳盡的礦井水文資料。

2.2 相關(guān)分析法

是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，研究礦井涌水量與影響之間的概率規(guī)律，從而列出合乎客觀規(guī)律的數(shù)學(xué)方程式，借以達(dá)到預(yù)測(cè)礦井涌水量的目的。其特點(diǎn)是精度較高，同時(shí)計(jì)算過程中，避開各種水文地質(zhì)參數(shù)，使計(jì)算顯得簡(jiǎn)便，是生產(chǎn)礦井預(yù)測(cè)涌水量的好方法。

2.3 水均衡法

水均衡法是通過對(duì)地下水動(dòng)態(tài)與補(bǔ)給、排泄條件的研究，建立礦區(qū)在一定時(shí)間地下水補(bǔ)給量（A）與相應(yīng)的排泄量（B）和變化量（C）關(guān)系的數(shù)學(xué)表示式，即A=B+C。從而達(dá)到涌水量預(yù)測(cè)的目的。因此，查明礦區(qū)范圍內(nèi)地下水補(bǔ)給、排泄條件，研究將來礦井輸降排水過程，可能產(chǎn)生的水量的變化，合理確定均衡項(xiàng)目和取得各項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行水均衡計(jì)算。

2.4 解析法

解析法又稱地下水動(dòng)力學(xué)法，它是對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)的微分方程式給予定解條件進(jìn)行解析解，得出一個(gè)公式，再用這個(gè)公式解決實(shí)際生產(chǎn)問題。運(yùn)用解析法計(jì)算涌水量需要很實(shí)際的參數(shù)：（1）滲透系數(shù)（k）；（2）含水層厚度（m）；（3）引用半徑（ro）；（4）引用補(bǔ)給半徑（Ro）；（5）設(shè)計(jì)水位降深（s）和含水層水頭值（H）；（6）導(dǎo)水系數(shù)（T）；儲(chǔ)水系數(shù)（S）；導(dǎo)壓系數(shù)（a）。我們要正確合理的利用這些參數(shù)去預(yù)測(cè)礦區(qū)的涌水量值。

2.5 灰色系統(tǒng)理論

灰色系統(tǒng)理論屆系統(tǒng)論的范疇，灰色指信息不完全，灰色系統(tǒng)是信息不完全的系統(tǒng)，灰色系統(tǒng)理論以信息不完全系統(tǒng)的行為表現(xiàn)、行為內(nèi)函、行為關(guān)系、行為環(huán)境的選取性、動(dòng)態(tài)性、信息性、量化性等為主要目的。灰色系統(tǒng)目前已應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、氣象、醫(yī)學(xué)、控制、地理、歷史、體育、管理、政法、水利、地質(zhì)、地震、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域。尤其是軍事領(lǐng)域，灰色系統(tǒng)理論與應(yīng)用的研究，發(fā)展快，涉及面廣；成果也多。它涉及到軍事預(yù)測(cè)與決策；戰(zhàn)賂與戰(zhàn)術(shù)，信息與信息處理，軍事目標(biāo)識(shí)別等。

灰色系統(tǒng)目前的主要內(nèi)容包括：

（1） 灰觀念：如認(rèn)識(shí)無窮盡公理，灰性不滅原理，層次無限可分原理，自性相對(duì)原理、解的非唯一性、信息可補(bǔ)充性等。

（2） 灰生成：如層次轉(zhuǎn)換，互補(bǔ)規(guī)律引用，內(nèi)涵顯露與轉(zhuǎn)化、量化。

（3） 灰關(guān)聯(lián)：建立整體比較機(jī)制，克服兩兩比較的局限性。吸收距離空間的量化特性，吸收點(diǎn)集拓?fù)淇臻g的整體比較內(nèi)涵，升華成為灰關(guān)聯(lián)空間。態(tài)灰父聯(lián)空間中，可辨別系統(tǒng)因子的權(quán)重，確定因子的序化關(guān)系，劃分系統(tǒng)主行為。

（4） 灰建模：在廳列的基礎(chǔ)上，建立近似灰色微分方程模型.因?yàn)槲⒎址匠淌且赃B續(xù)可微函數(shù)為背景的、作為序列不可能“連續(xù)”“可徽”。為此灰色系統(tǒng)理論：從序列角度剖析一般微分方程的構(gòu)成條件“，然后對(duì)那望逐倔巡鎬定上述條件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，記為GM灰模型可以只用四個(gè)數(shù)據(jù)建立。

（5） 預(yù)測(cè)：以灰色模型GM入門：為基礎(chǔ)，對(duì)事物的時(shí)間分布，數(shù)值分布進(jìn)行預(yù)測(cè)、灰預(yù)測(cè)包括：數(shù)列碩酗，即一般的數(shù)列預(yù)測(cè)，是灰色預(yù)測(cè)的一種通用方法；災(zāi)變預(yù)洲、即異常疽時(shí)間分布規(guī)律的預(yù)測(cè)：如洪災(zāi)、旱災(zāi)等；季節(jié)災(zāi)變預(yù)測(cè)，發(fā)生在特定時(shí)區(qū)內(nèi)的異常值，做時(shí)間分布的預(yù)測(cè)；拓?fù)漕A(yù)測(cè)，一個(gè)離亂的，非單調(diào)變化波形，按不同拓扦基確定閥點(diǎn)進(jìn)行預(yù)洲；系統(tǒng)預(yù)測(cè)，系統(tǒng)在多種因子作用下，對(duì)其發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（6） 灰決策：灰決策一般指測(cè)度空間的決策。測(cè)度空間是目標(biāo)極性一致化的空間。測(cè)度是目標(biāo)樣本的油象，在測(cè)度空間，測(cè)度大，可以代表效益好也可以代表損耗小，可以代表“樣本”適中。所以測(cè)度的轉(zhuǎn)換，是多目標(biāo)到單目標(biāo)的轉(zhuǎn)換?；覜Q策一般可分為，灰局勢(shì)決策，灰層次決策，灰規(guī)劃，灰多維規(guī)化等。

（7） 灰控制：目前主要是灰色預(yù)測(cè)控制。這是單序列建模的控制，每個(gè)采樣時(shí)刻建立一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，因而時(shí)間變、模型變、參數(shù)變t行為變、控制變以適應(yīng)不同嘆音、不同參數(shù)、不同要求、克服了處理復(fù)雜隨機(jī)過程的困難，提高了控制的實(shí)時(shí)性和精度，增加了適應(yīng)性。

3 研究區(qū)涌水量的預(yù)測(cè)

3.1 相關(guān)分析法

我們收集研究區(qū)歷年涌水量和開采面積資料，經(jīng)過整理、修正后得出涌水量-開采面積關(guān)系曲線及其公式、相關(guān)系數(shù)R2。

從以上分析我們將開采面積與歷年涌水量經(jīng)過擬合得出關(guān)系如上圖，并且用公式Y(jié)=27.347*Ln（X）+45.342計(jì)算結(jié)果得出其最大偏差值-14.515M3/h，最小偏差值-0.36257M3/h，還有其相關(guān)系數(shù)R2=0.7101。我們可以看出涌水量與開采面積關(guān)系密切，在今后的工作中我們可以參考此公式進(jìn)行預(yù)測(cè)礦區(qū)涌水量。

3.2 解析法

我們用“大井法”預(yù)測(cè)研究區(qū)O灰含水層的涌水量，把整個(gè)礦井作為一個(gè)大井，以便利用地下水動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算涌水量。

研究區(qū)的水文地質(zhì)有關(guān)參數(shù)：O灰含水層厚度M=310m；含水層平均水頭H=444～447m；滲透系數(shù)K=0.00635～2.7米/日；礦區(qū)周長(zhǎng)P=21275m。

根據(jù)上述條件，采用大井法預(yù)測(cè)涌水量，由于開采過程中煤層被斷層所隔開，承壓水應(yīng)降至隔水底板以下，所以用承壓轉(zhuǎn)無壓公式，即：

Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/（lgR0-lgr0）

K：滲透系數(shù)；H：平均水頭高度；M：含水層厚度；h：自含水層底板算起的井中動(dòng)水位高度；R0：引用補(bǔ)給半徑；r0：引用半徑

由于礦區(qū)為不規(guī)則多邊形，因此引用半徑用以下公式：

r0=P/2π=6772.04m

從而得：R0=R+r0=28648.58m

所以，

Q=1.366×1.353175[（2×445.5-310）×310-0]/（lg28648.58-lg6772.0

4）=504427.27米3/日

此數(shù)據(jù)為整個(gè)礦區(qū)總涌水量。

參考文獻(xiàn)

[1]張長(zhǎng)文，付斌，等.礦井突水問題得研究[J].煤炭科技，2004.

[2]張人權(quán).水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[Z].2011.endprint

摘 要：正確預(yù)測(cè)未來礦井涌水量，是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的工作，是礦床水文地質(zhì)調(diào)查的主要任務(wù)之一。它是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一，對(duì)礦床的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)有很大的影響。因此，要求在礦床水文地質(zhì)調(diào)查時(shí)，根據(jù)獲得的資料，按精度要求正確地評(píng)價(jià)未來礦山開發(fā)各個(gè)階段的涌水量。

關(guān)鍵詞：礦井涌水量；礦井涌水量預(yù)測(cè)；灰色系統(tǒng)理論

前言

礦井涌水量預(yù)測(cè)其內(nèi)容與要求包括以下四個(gè)方面：（1）礦井的正常涌水量，指開采系統(tǒng)達(dá)到某一標(biāo)高（水平或中段）時(shí)，正常狀態(tài)下保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的總涌水量，通常是指平水年的涌水量；（2）礦井最大涌水量，指正常狀態(tài)下開采系統(tǒng)在豐水年雨季的作大涌水量；（3）開拓井巷涌水量，指包括井筒和巷道在開拓過程中的涌水量；（4）疏干工程的排水量，指在規(guī)定的疏干時(shí)間內(nèi)，將水位降到某一規(guī)定標(biāo)高時(shí)所需的疏干排水強(qiáng)度。而我們這次需要預(yù)測(cè)的僅僅是礦井正常涌水量，即指平水年的涌水量。

1 礦井涌水量預(yù)測(cè)的基本原則

由于煤礦井下復(fù)雜的水文地質(zhì)條件及特殊工作環(huán)境，影響煤礦井下涌水量大小的因素眾多，大氣降水、地表水、含水層水、巖溶陷落柱水、斷層水，以及舊巷和老空積水都有可能涌入煤礦井下的生產(chǎn)空間，礦井開采煤礦的賦存條件、水文地質(zhì)條件，開采之后形成的斷裂帶高度，以及煤層本身與圍巖的孔隙和裂隙的大小，都在一定的程度上影響著礦井涌水量的大小，這就給煤礦生產(chǎn)過程中的涌水量預(yù)測(cè)帶來了很大的困難，但是礦井涌水量預(yù)測(cè)時(shí)，必須遵循三個(gè)基本原則：（1）查清條件；（2）計(jì)算參數(shù)要有代表性；（3）正確選擇數(shù)學(xué)模型。

2 礦井涌水量預(yù)測(cè)的常用方法簡(jiǎn)介。

2.1 水文地質(zhì)比擬法

是在水文地質(zhì)條件相似的情況下，從已知涌水量推測(cè)未知涌水量 。其應(yīng)用條件最主要的是新、老礦井的水文地質(zhì)條件要基本相似；老礦井要有長(zhǎng)期的詳盡的礦井水文資料。

2.2 相關(guān)分析法

是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，研究礦井涌水量與影響之間的概率規(guī)律，從而列出合乎客觀規(guī)律的數(shù)學(xué)方程式，借以達(dá)到預(yù)測(cè)礦井涌水量的目的。其特點(diǎn)是精度較高，同時(shí)計(jì)算過程中，避開各種水文地質(zhì)參數(shù)，使計(jì)算顯得簡(jiǎn)便，是生產(chǎn)礦井預(yù)測(cè)涌水量的好方法。

2.3 水均衡法

水均衡法是通過對(duì)地下水動(dòng)態(tài)與補(bǔ)給、排泄條件的研究，建立礦區(qū)在一定時(shí)間地下水補(bǔ)給量（A）與相應(yīng)的排泄量（B）和變化量（C）關(guān)系的數(shù)學(xué)表示式，即A=B+C。從而達(dá)到涌水量預(yù)測(cè)的目的。因此，查明礦區(qū)范圍內(nèi)地下水補(bǔ)給、排泄條件，研究將來礦井輸降排水過程，可能產(chǎn)生的水量的變化，合理確定均衡項(xiàng)目和取得各項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行水均衡計(jì)算。

2.4 解析法

解析法又稱地下水動(dòng)力學(xué)法，它是對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)的微分方程式給予定解條件進(jìn)行解析解，得出一個(gè)公式，再用這個(gè)公式解決實(shí)際生產(chǎn)問題。運(yùn)用解析法計(jì)算涌水量需要很實(shí)際的參數(shù)：（1）滲透系數(shù)（k）；（2）含水層厚度（m）；（3）引用半徑（ro）；（4）引用補(bǔ)給半徑（Ro）；（5）設(shè)計(jì)水位降深（s）和含水層水頭值（H）；（6）導(dǎo)水系數(shù)（T）；儲(chǔ)水系數(shù)（S）；導(dǎo)壓系數(shù)（a）。我們要正確合理的利用這些參數(shù)去預(yù)測(cè)礦區(qū)的涌水量值。

2.5 灰色系統(tǒng)理論

灰色系統(tǒng)理論屆系統(tǒng)論的范疇，灰色指信息不完全，灰色系統(tǒng)是信息不完全的系統(tǒng)，灰色系統(tǒng)理論以信息不完全系統(tǒng)的行為表現(xiàn)、行為內(nèi)函、行為關(guān)系、行為環(huán)境的選取性、動(dòng)態(tài)性、信息性、量化性等為主要目的?；疑到y(tǒng)目前已應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、氣象、醫(yī)學(xué)、控制、地理、歷史、體育、管理、政法、水利、地質(zhì)、地震、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域。尤其是軍事領(lǐng)域，灰色系統(tǒng)理論與應(yīng)用的研究，發(fā)展快，涉及面廣；成果也多。它涉及到軍事預(yù)測(cè)與決策；戰(zhàn)賂與戰(zhàn)術(shù)，信息與信息處理，軍事目標(biāo)識(shí)別等。

灰色系統(tǒng)目前的主要內(nèi)容包括：

（1） 灰觀念：如認(rèn)識(shí)無窮盡公理，灰性不滅原理，層次無限可分原理，自性相對(duì)原理、解的非唯一性、信息可補(bǔ)充性等。

（2） 灰生成：如層次轉(zhuǎn)換，互補(bǔ)規(guī)律引用，內(nèi)涵顯露與轉(zhuǎn)化、量化。

（3） 灰關(guān)聯(lián)：建立整體比較機(jī)制，克服兩兩比較的局限性。吸收距離空間的量化特性，吸收點(diǎn)集拓?fù)淇臻g的整體比較內(nèi)涵，升華成為灰關(guān)聯(lián)空間。態(tài)灰父聯(lián)空間中，可辨別系統(tǒng)因子的權(quán)重，確定因子的序化關(guān)系，劃分系統(tǒng)主行為。

（4） 灰建模：在廳列的基礎(chǔ)上，建立近似灰色微分方程模型.因?yàn)槲⒎址匠淌且赃B續(xù)可微函數(shù)為背景的、作為序列不可能“連續(xù)”“可徽”。為此灰色系統(tǒng)理論：從序列角度剖析一般微分方程的構(gòu)成條件“，然后對(duì)那望逐倔巡鎬定上述條件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，記為GM灰模型可以只用四個(gè)數(shù)據(jù)建立。

（5） 預(yù)測(cè)：以灰色模型GM入門：為基礎(chǔ)，對(duì)事物的時(shí)間分布，數(shù)值分布進(jìn)行預(yù)測(cè)、灰預(yù)測(cè)包括：數(shù)列碩酗，即一般的數(shù)列預(yù)測(cè)，是灰色預(yù)測(cè)的一種通用方法；災(zāi)變預(yù)洲、即異常疽時(shí)間分布規(guī)律的預(yù)測(cè)：如洪災(zāi)、旱災(zāi)等；季節(jié)災(zāi)變預(yù)測(cè)，發(fā)生在特定時(shí)區(qū)內(nèi)的異常值，做時(shí)間分布的預(yù)測(cè)；拓?fù)漕A(yù)測(cè)，一個(gè)離亂的，非單調(diào)變化波形，按不同拓扦基確定閥點(diǎn)進(jìn)行預(yù)洲；系統(tǒng)預(yù)測(cè)，系統(tǒng)在多種因子作用下，對(duì)其發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（6） 灰決策：灰決策一般指測(cè)度空間的決策。測(cè)度空間是目標(biāo)極性一致化的空間。測(cè)度是目標(biāo)樣本的油象，在測(cè)度空間，測(cè)度大，可以代表效益好也可以代表損耗小，可以代表“樣本”適中。所以測(cè)度的轉(zhuǎn)換，是多目標(biāo)到單目標(biāo)的轉(zhuǎn)換?；覜Q策一般可分為，灰局勢(shì)決策，灰層次決策，灰規(guī)劃，灰多維規(guī)化等。

（7） 灰控制：目前主要是灰色預(yù)測(cè)控制。這是單序列建模的控制，每個(gè)采樣時(shí)刻建立一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，因而時(shí)間變、模型變、參數(shù)變t行為變、控制變以適應(yīng)不同嘆音、不同參數(shù)、不同要求、克服了處理復(fù)雜隨機(jī)過程的困難，提高了控制的實(shí)時(shí)性和精度，增加了適應(yīng)性。

3 研究區(qū)涌水量的預(yù)測(cè)

3.1 相關(guān)分析法

我們收集研究區(qū)歷年涌水量和開采面積資料，經(jīng)過整理、修正后得出涌水量-開采面積關(guān)系曲線及其公式、相關(guān)系數(shù)R2。

從以上分析我們將開采面積與歷年涌水量經(jīng)過擬合得出關(guān)系如上圖，并且用公式Y(jié)=27.347*Ln（X）+45.342計(jì)算結(jié)果得出其最大偏差值-14.515M3/h，最小偏差值-0.36257M3/h，還有其相關(guān)系數(shù)R2=0.7101。我們可以看出涌水量與開采面積關(guān)系密切，在今后的工作中我們可以參考此公式進(jìn)行預(yù)測(cè)礦區(qū)涌水量。

3.2 解析法

我們用“大井法”預(yù)測(cè)研究區(qū)O灰含水層的涌水量，把整個(gè)礦井作為一個(gè)大井，以便利用地下水動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算涌水量。

研究區(qū)的水文地質(zhì)有關(guān)參數(shù)：O灰含水層厚度M=310m；含水層平均水頭H=444～447m；滲透系數(shù)K=0.00635～2.7米/日；礦區(qū)周長(zhǎng)P=21275m。

根據(jù)上述條件，采用大井法預(yù)測(cè)涌水量，由于開采過程中煤層被斷層所隔開，承壓水應(yīng)降至隔水底板以下，所以用承壓轉(zhuǎn)無壓公式，即：

Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/（lgR0-lgr0）

K：滲透系數(shù)；H：平均水頭高度；M：含水層厚度；h：自含水層底板算起的井中動(dòng)水位高度；R0：引用補(bǔ)給半徑；r0：引用半徑

由于礦區(qū)為不規(guī)則多邊形，因此引用半徑用以下公式：

r0=P/2π=6772.04m

從而得：R0=R+r0=28648.58m

所以，

Q=1.366×1.353175[（2×445.5-310）×310-0]/（lg28648.58-lg6772.0

4）=504427.27米3/日

此數(shù)據(jù)為整個(gè)礦區(qū)總涌水量。

參考文獻(xiàn)

[1]張長(zhǎng)文，付斌，等.礦井突水問題得研究[J].煤炭科技，2004.

[2]張人權(quán).水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[Z].2011.endprint

摘 要：正確預(yù)測(cè)未來礦井涌水量，是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的工作，是礦床水文地質(zhì)調(diào)查的主要任務(wù)之一。它是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一，對(duì)礦床的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)有很大的影響。因此，要求在礦床水文地質(zhì)調(diào)查時(shí)，根據(jù)獲得的資料，按精度要求正確地評(píng)價(jià)未來礦山開發(fā)各個(gè)階段的涌水量。

關(guān)鍵詞：礦井涌水量；礦井涌水量預(yù)測(cè)；灰色系統(tǒng)理論

前言

礦井涌水量預(yù)測(cè)其內(nèi)容與要求包括以下四個(gè)方面：（1）礦井的正常涌水量，指開采系統(tǒng)達(dá)到某一標(biāo)高（水平或中段）時(shí)，正常狀態(tài)下保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的總涌水量，通常是指平水年的涌水量；（2）礦井最大涌水量，指正常狀態(tài)下開采系統(tǒng)在豐水年雨季的作大涌水量；（3）開拓井巷涌水量，指包括井筒和巷道在開拓過程中的涌水量；（4）疏干工程的排水量，指在規(guī)定的疏干時(shí)間內(nèi)，將水位降到某一規(guī)定標(biāo)高時(shí)所需的疏干排水強(qiáng)度。而我們這次需要預(yù)測(cè)的僅僅是礦井正常涌水量，即指平水年的涌水量。

1 礦井涌水量預(yù)測(cè)的基本原則

由于煤礦井下復(fù)雜的水文地質(zhì)條件及特殊工作環(huán)境，影響煤礦井下涌水量大小的因素眾多，大氣降水、地表水、含水層水、巖溶陷落柱水、斷層水，以及舊巷和老空積水都有可能涌入煤礦井下的生產(chǎn)空間，礦井開采煤礦的賦存條件、水文地質(zhì)條件，開采之后形成的斷裂帶高度，以及煤層本身與圍巖的孔隙和裂隙的大小，都在一定的程度上影響著礦井涌水量的大小，這就給煤礦生產(chǎn)過程中的涌水量預(yù)測(cè)帶來了很大的困難，但是礦井涌水量預(yù)測(cè)時(shí)，必須遵循三個(gè)基本原則：（1）查清條件；（2）計(jì)算參數(shù)要有代表性；（3）正確選擇數(shù)學(xué)模型。

2 礦井涌水量預(yù)測(cè)的常用方法簡(jiǎn)介。

2.1 水文地質(zhì)比擬法

是在水文地質(zhì)條件相似的情況下，從已知涌水量推測(cè)未知涌水量 。其應(yīng)用條件最主要的是新、老礦井的水文地質(zhì)條件要基本相似；老礦井要有長(zhǎng)期的詳盡的礦井水文資料。

2.2 相關(guān)分析法

是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，研究礦井涌水量與影響之間的概率規(guī)律，從而列出合乎客觀規(guī)律的數(shù)學(xué)方程式，借以達(dá)到預(yù)測(cè)礦井涌水量的目的。其特點(diǎn)是精度較高，同時(shí)計(jì)算過程中，避開各種水文地質(zhì)參數(shù)，使計(jì)算顯得簡(jiǎn)便，是生產(chǎn)礦井預(yù)測(cè)涌水量的好方法。

2.3 水均衡法

水均衡法是通過對(duì)地下水動(dòng)態(tài)與補(bǔ)給、排泄條件的研究，建立礦區(qū)在一定時(shí)間地下水補(bǔ)給量（A）與相應(yīng)的排泄量（B）和變化量（C）關(guān)系的數(shù)學(xué)表示式，即A=B+C。從而達(dá)到涌水量預(yù)測(cè)的目的。因此，查明礦區(qū)范圍內(nèi)地下水補(bǔ)給、排泄條件，研究將來礦井輸降排水過程，可能產(chǎn)生的水量的變化，合理確定均衡項(xiàng)目和取得各項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行水均衡計(jì)算。

2.4 解析法

解析法又稱地下水動(dòng)力學(xué)法，它是對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)的微分方程式給予定解條件進(jìn)行解析解，得出一個(gè)公式，再用這個(gè)公式解決實(shí)際生產(chǎn)問題。運(yùn)用解析法計(jì)算涌水量需要很實(shí)際的參數(shù)：（1）滲透系數(shù)（k）；（2）含水層厚度（m）；（3）引用半徑（ro）；（4）引用補(bǔ)給半徑（Ro）；（5）設(shè)計(jì)水位降深（s）和含水層水頭值（H）；（6）導(dǎo)水系數(shù)（T）；儲(chǔ)水系數(shù)（S）；導(dǎo)壓系數(shù)（a）。我們要正確合理的利用這些參數(shù)去預(yù)測(cè)礦區(qū)的涌水量值。

2.5 灰色系統(tǒng)理論

灰色系統(tǒng)理論屆系統(tǒng)論的范疇，灰色指信息不完全，灰色系統(tǒng)是信息不完全的系統(tǒng)，灰色系統(tǒng)理論以信息不完全系統(tǒng)的行為表現(xiàn)、行為內(nèi)函、行為關(guān)系、行為環(huán)境的選取性、動(dòng)態(tài)性、信息性、量化性等為主要目的?；疑到y(tǒng)目前已應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、氣象、醫(yī)學(xué)、控制、地理、歷史、體育、管理、政法、水利、地質(zhì)、地震、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域。尤其是軍事領(lǐng)域，灰色系統(tǒng)理論與應(yīng)用的研究，發(fā)展快，涉及面廣；成果也多。它涉及到軍事預(yù)測(cè)與決策；戰(zhàn)賂與戰(zhàn)術(shù)，信息與信息處理，軍事目標(biāo)識(shí)別等。

灰色系統(tǒng)目前的主要內(nèi)容包括：

（1） 灰觀念：如認(rèn)識(shí)無窮盡公理，灰性不滅原理，層次無限可分原理，自性相對(duì)原理、解的非唯一性、信息可補(bǔ)充性等。

（2） 灰生成：如層次轉(zhuǎn)換，互補(bǔ)規(guī)律引用，內(nèi)涵顯露與轉(zhuǎn)化、量化。

（3） 灰關(guān)聯(lián)：建立整體比較機(jī)制，克服兩兩比較的局限性。吸收距離空間的量化特性，吸收點(diǎn)集拓?fù)淇臻g的整體比較內(nèi)涵，升華成為灰關(guān)聯(lián)空間。態(tài)灰父聯(lián)空間中，可辨別系統(tǒng)因子的權(quán)重，確定因子的序化關(guān)系，劃分系統(tǒng)主行為。

（4） 灰建模：在廳列的基礎(chǔ)上，建立近似灰色微分方程模型.因?yàn)槲⒎址匠淌且赃B續(xù)可微函數(shù)為背景的、作為序列不可能“連續(xù)”“可徽”。為此灰色系統(tǒng)理論：從序列角度剖析一般微分方程的構(gòu)成條件“，然后對(duì)那望逐倔巡鎬定上述條件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，記為GM灰模型可以只用四個(gè)數(shù)據(jù)建立。

（5） 預(yù)測(cè)：以灰色模型GM入門：為基礎(chǔ)，對(duì)事物的時(shí)間分布，數(shù)值分布進(jìn)行預(yù)測(cè)、灰預(yù)測(cè)包括：數(shù)列碩酗，即一般的數(shù)列預(yù)測(cè)，是灰色預(yù)測(cè)的一種通用方法；災(zāi)變預(yù)洲、即異常疽時(shí)間分布規(guī)律的預(yù)測(cè)：如洪災(zāi)、旱災(zāi)等；季節(jié)災(zāi)變預(yù)測(cè)，發(fā)生在特定時(shí)區(qū)內(nèi)的異常值，做時(shí)間分布的預(yù)測(cè)；拓?fù)漕A(yù)測(cè)，一個(gè)離亂的，非單調(diào)變化波形，按不同拓扦基確定閥點(diǎn)進(jìn)行預(yù)洲；系統(tǒng)預(yù)測(cè)，系統(tǒng)在多種因子作用下，對(duì)其發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（6） 灰決策：灰決策一般指測(cè)度空間的決策。測(cè)度空間是目標(biāo)極性一致化的空間。測(cè)度是目標(biāo)樣本的油象，在測(cè)度空間，測(cè)度大，可以代表效益好也可以代表損耗小，可以代表“樣本”適中。所以測(cè)度的轉(zhuǎn)換，是多目標(biāo)到單目標(biāo)的轉(zhuǎn)換?；覜Q策一般可分為，灰局勢(shì)決策，灰層次決策，灰規(guī)劃，灰多維規(guī)化等。

（7） 灰控制：目前主要是灰色預(yù)測(cè)控制。這是單序列建模的控制，每個(gè)采樣時(shí)刻建立一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，因而時(shí)間變、模型變、參數(shù)變t行為變、控制變以適應(yīng)不同嘆音、不同參數(shù)、不同要求、克服了處理復(fù)雜隨機(jī)過程的困難，提高了控制的實(shí)時(shí)性和精度，增加了適應(yīng)性。

3 研究區(qū)涌水量的預(yù)測(cè)

3.1 相關(guān)分析法

我們收集研究區(qū)歷年涌水量和開采面積資料，經(jīng)過整理、修正后得出涌水量-開采面積關(guān)系曲線及其公式、相關(guān)系數(shù)R2。

從以上分析我們將開采面積與歷年涌水量經(jīng)過擬合得出關(guān)系如上圖，并且用公式Y(jié)=27.347*Ln（X）+45.342計(jì)算結(jié)果得出其最大偏差值-14.515M3/h，最小偏差值-0.36257M3/h，還有其相關(guān)系數(shù)R2=0.7101。我們可以看出涌水量與開采面積關(guān)系密切，在今后的工作中我們可以參考此公式進(jìn)行預(yù)測(cè)礦區(qū)涌水量。

3.2 解析法

我們用“大井法”預(yù)測(cè)研究區(qū)O灰含水層的涌水量，把整個(gè)礦井作為一個(gè)大井，以便利用地下水動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算涌水量。

研究區(qū)的水文地質(zhì)有關(guān)參數(shù)：O灰含水層厚度M=310m；含水層平均水頭H=444～447m；滲透系數(shù)K=0.00635～2.7米/日；礦區(qū)周長(zhǎng)P=21275m。

根據(jù)上述條件，采用大井法預(yù)測(cè)涌水量，由于開采過程中煤層被斷層所隔開，承壓水應(yīng)降至隔水底板以下，所以用承壓轉(zhuǎn)無壓公式，即：

Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/（lgR0-lgr0）

K：滲透系數(shù)；H：平均水頭高度；M：含水層厚度；h：自含水層底板算起的井中動(dòng)水位高度；R0：引用補(bǔ)給半徑；r0：引用半徑

由于礦區(qū)為不規(guī)則多邊形，因此引用半徑用以下公式：

r0=P/2π=6772.04m

從而得：R0=R+r0=28648.58m

所以，

Q=1.366×1.353175[（2×445.5-310）×310-0]/（lg28648.58-lg6772.0

4）=504427.27米3/日

此數(shù)據(jù)為整個(gè)礦區(qū)總涌水量。

參考文獻(xiàn)

[1]張長(zhǎng)文，付斌，等.礦井突水問題得研究[J].煤炭科技，2004.

[2]張人權(quán).水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[Z].2011.endprint