礦井涌水量預(yù)測方法適用性選擇研究初探*

張楠 李皓冰 杜凱 郭欣偉 李昭悅

(黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院 鄭州 450003)

0 引言

據(jù)發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》中明確指出：2015年我國煤礦礦井水排放量約71億m3，占各類礦井水排放總量的80%以上。顧大釗等[1]指出：我國煤炭行業(yè)年礦井水利用率僅有25%左右，每年損失的礦井水量約60億m3，而我國每年工業(yè)和民用缺水總量約100億m3。對不缺水的地域來說，礦井水就是廢水，但是對于缺水的地域來說，礦井水是寶貴的資源[2]。

為貫徹“綠水青山就是金山銀山”“加快生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程”等思想理念，一系列改革措施先后實(shí)行，在缺水地區(qū)加強(qiáng)礦井水等非常規(guī)水多元、梯級和安全利用，強(qiáng)制推動非常規(guī)水納入水資源統(tǒng)一配置，逐年提高非常規(guī)水利用比例。

現(xiàn)階段，我國對已建礦井采取計(jì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)礦井涌水量、外排水量；對規(guī)劃建設(shè)煤礦采用預(yù)測方法進(jìn)行預(yù)測，因礦井涌水量影響因素較多且較為復(fù)雜，預(yù)測難度相對較大，易導(dǎo)致計(jì)算誤差偏大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)測礦井涌水量與開采后礦井實(shí)際涌水量相比，誤差小于30%的礦區(qū)僅有10%，80%的礦區(qū)誤差超過50%，部分礦區(qū)誤差高于100%，嚴(yán)重時相差10倍以上[3-4]。預(yù)測涌水量與實(shí)際涌水量相差較大具有以下幾方面的原因：礦井水文地質(zhì)條件未查清或認(rèn)識不足、水文地質(zhì)參數(shù)空間差異性造成求參存在誤差或取值不妥、預(yù)測方法或數(shù)學(xué)模型選擇不當(dāng)?shù)取?/p>

預(yù)測量的誤差一方面給水資源論證、取水許可審批帶來較大的困難，另一方面直接關(guān)系到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。綜上，厘清礦井涌水量影響因素，梳理我國礦井涌水量已有計(jì)算方法的特點(diǎn)及其適用性，有助于降低管理部門水資源論證、取水許可審批風(fēng)險，有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)礦井水變廢為寶，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)水資源納入水源統(tǒng)一配置，緩解水資源供需矛盾，提高區(qū)域水資源配置效率。

1 礦井涌水量的影響因素

1.1 水文地質(zhì)條件

礦井水文地質(zhì)條件是影響礦井涌水量的關(guān)鍵因素，一是反映在含水層厚度、裂隙巖溶發(fā)育情況、富水性和補(bǔ)給來源，一般情況下他們與礦井涌水量呈正相關(guān)關(guān)系；二是反映在開采煤層與當(dāng)?shù)厍治g面、區(qū)域地下水位關(guān)系，當(dāng)位于其以下，補(bǔ)給關(guān)系密切，則礦井涌水量較大；三是與入滲系數(shù)大小呈正相關(guān)關(guān)系。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造特征

礦井涌水量的大小與地質(zhì)構(gòu)造特別是褶曲斷層有直接關(guān)系，地質(zhì)構(gòu)造對地下水、地表水起到連接、導(dǎo)水的作用，局部兼有阻滯溢作用，作用大小主要取決于褶曲斷層補(bǔ)給來源豐富程度和斷層兩盤含水層、隔水層對接情況。

1.3 煤層開采階段

煤礦開采的不同階段，礦井涌水量變化差異明顯，一般分為4個階段：第一階段煤礦開采初期，即由基建到達(dá)產(chǎn)期間，揭露的含水層相對較多，各含水層處于自然飽和狀態(tài)，隨著開采工作面的不斷擴(kuò)大，煤層上覆各類補(bǔ)給水源的直接滲入礦坑，補(bǔ)給量較大，礦井涌水量逐漸增大；第二階段在煤礦開采達(dá)到一定時期后，一般不會大面積揭露新的含水層，由于開采時間的增加，含水層水位不斷降低，部分含水層由承壓轉(zhuǎn)變?yōu)闊o壓，礦井涌水量處于補(bǔ)、徑、排平衡狀態(tài)；第三階段在煤礦開采進(jìn)入后期，含水層部分被疏干，導(dǎo)水裂隙帶逐步被充填，入滲補(bǔ)給量逐步減少，礦井涌水量逐步減少；第四階段當(dāng)煤礦開采進(jìn)去末期(停采)，礦井涌水量變小，由于煤層底部隔水層的存在，逐步積水形成“地下水庫”。

1.4 大氣降水

大氣降水和地表水是礦井水的補(bǔ)給源之一。開采第一階段，降水量與礦井涌水量呈同向關(guān)系；開采第二階段，礦井涌水量處于補(bǔ)、徑、排平衡狀態(tài)，降水量與礦井涌水量關(guān)系并不明顯；開采第三、四階段，降水量與礦井涌水量關(guān)系呈反向關(guān)系。

1.5 開采面積

受開采規(guī)劃的影響，煤礦開采面積逐年增加，礦井涌水量與開采面積關(guān)系和開采階段規(guī)律相同，即開采第一階段，隨著開采面積的增大，礦井涌水量增大；第二、三、四階段，礦井涌水量處于補(bǔ)、徑、排平衡狀態(tài)再到補(bǔ)小于排狀態(tài)，開采面積和礦井涌水量并無直接對應(yīng)關(guān)系。

1.6 開采煤層厚度

開采煤層厚度與礦井涌水量關(guān)系密切，開采煤層厚度越大，“上三帶”(冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶)影響越大，導(dǎo)水裂隙帶貫通上覆含(隔)水層相對越多，上覆補(bǔ)給水量增大，礦井涌水量增大。

1.7 煤炭開采量

開采量與礦井涌水量具有一定的相關(guān)性，煤水共存。在一定的水文、地質(zhì)、氣象條件下，礦井涌水量與煤炭開采量正相關(guān)。開采第一階段，礦井涌水量與煤炭開采量正相關(guān)；開采第二階段，隨著含水層逐步打開，含水層逐步被疏干，開采量的增加與礦井涌水量逐步呈負(fù)相關(guān)性；第三、四階段，開采量進(jìn)入穩(wěn)定時期，礦井涌水量相對比較平穩(wěn)。

通過上述礦井涌水量影響因素分析發(fā)現(xiàn)：礦井涌水量受礦區(qū)水文地質(zhì)、氣象、開采狀況等多因素影響，涌水量往往因某個因素的變化而發(fā)生突變，但在煤礦開采的某一個階段內(nèi)，礦井涌水量變化明顯。

2 礦井涌水量的計(jì)算方法及評述

2.1 計(jì)算方法梳理

梳理我國現(xiàn)有礦井涌水量計(jì)算預(yù)測方法[5-8]，主要有確定性和非確定性2大類。受理論和資料的限制，不同的預(yù)測方法均存在一定的局限性，在實(shí)際計(jì)算預(yù)測中需要根據(jù)勘測、水文地質(zhì)、氣象條件、生產(chǎn)階段等實(shí)際情況選取適宜的計(jì)算方法。各預(yù)測方法的特點(diǎn)及局限性如表1所示。

表1 不同礦井水涌水量計(jì)算預(yù)測方法的特點(diǎn)及局限性

續(xù)表1

2.2 不同階段預(yù)測方法綜述

(1)勘探階段

通過水文地質(zhì)勘探獲取的水文地質(zhì)條件詳實(shí)程度較低，參數(shù)較少，是對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的最初認(rèn)識。該階段礦井屬于未建階段，適用方法主要為解析法、水均衡法和比擬法。

解析法一般根據(jù)礦區(qū)資料確定邊界條件，概化水文地質(zhì)模型，能夠達(dá)到勘探預(yù)測精度的需求；水均衡法僅能利用礦區(qū)所在區(qū)域邊界內(nèi)水均衡數(shù)據(jù)資料進(jìn)行礦區(qū)水均衡計(jì)算，一般精度不高；比擬法適用于周邊已經(jīng)存在投產(chǎn)運(yùn)營礦井，并且其水文地質(zhì)條件相似、開采方法基本相同的礦井。

(2)井巷開拓階段

該階段礦井屬于已建階段，根據(jù)施工過程中涌水量及周邊觀測孔監(jiān)測數(shù)據(jù)(水位降深)等情況可以全面查明井巷周邊水文地質(zhì)條件。該階段獲取的水文地質(zhì)參數(shù)可靠性較高。該階段利用解析法計(jì)算預(yù)測礦井涌水量精度較高。

(3)采掘階段

該階段礦井屬于已建階段，即1.3節(jié)所述煤層開采4個階段。因開采過程相對較長，可以獲取長序列涌水量監(jiān)測數(shù)據(jù)資料。非確定性方法如灰色系統(tǒng)理論、時間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算預(yù)測方法在該階段可以發(fā)揮其數(shù)據(jù)要求。該階段水文地質(zhì)條件和邊界條件已經(jīng)明確，也可為確定性方法中數(shù)值模擬法提供充分的涌水量及相應(yīng)的水位變化等資料情況。

3 礦井涌水量預(yù)測遵循的原則及預(yù)測過程

3.1 遵循的原則

(1)基礎(chǔ)：查明開采煤礦的充水因素、水文地質(zhì)條件、排泄方式。

(2)過程：貫穿礦區(qū)水文地質(zhì)勘探及其生產(chǎn)全過程。

(3)程度：在對水文地質(zhì)、氣象等條件的不斷深入中不斷修正、完善。

(4)精度：在全面掌握監(jiān)測數(shù)據(jù)資料、利用臨近相似水文條件礦井的相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，分析充水條件，選擇適宜的預(yù)測方法。

3.2 預(yù)測過程

依據(jù)礦井涌水量遵循原則及不同階段礦井水預(yù)測方法適用性，系統(tǒng)考慮礦井水影響因素，形成礦井水漏水量計(jì)算預(yù)測流程，如圖1所示。

圖1 礦井水涌水量計(jì)算預(yù)測流程

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

(1)礦井涌水量主要由水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造特征、煤層開采階段、大氣降水、開采面積、采煤厚度、開采量等影響因素決定；礦井涌水量的計(jì)算預(yù)測方法主要有確定性(數(shù)值模擬法、解析法、水均衡法)和非確定性(比擬法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色系統(tǒng)、時間序列法、相關(guān)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法)預(yù)測方法。

(2)勘探階段適用方法主要為解析法、水均衡法和比擬法；井巷開拓階段適用方法主要為解析法；采掘階段當(dāng)明確水文地質(zhì)條件、邊界條件時適用方法為數(shù)值模擬法，而開采程度低、水文地質(zhì)條件簡單的礦井，適用方法主要為灰色系統(tǒng)理論、時間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性預(yù)測方法。

4.2 建議

2019年《國家節(jié)水行動方案》(發(fā)改環(huán)資規(guī)[2019]695號)中明確提出：在缺水地區(qū)加強(qiáng)礦井水等非常規(guī)水多元、梯級和安全利用，強(qiáng)制推動非常規(guī)水納入水資源統(tǒng)一配置，逐年提高非常規(guī)水利用比例，并嚴(yán)格考核；2019年《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)和規(guī)范非常規(guī)水源統(tǒng)計(jì)工作的通知》(節(jié)辦約[2019]241號)中強(qiáng)調(diào)：要明確非常規(guī)水源利用量的統(tǒng)計(jì)口徑。面對這些要求，各級技術(shù)部門應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)際情況，選擇合理的計(jì)算預(yù)測方法，進(jìn)行階段性預(yù)測管理，降低預(yù)測誤差。此舉一方面有助于降低管理部門水資源論證審批風(fēng)險，另一方面有助于企業(yè)礦井水綜合利用管理。此外，在梳理我國礦井水預(yù)測方法適用條件的同時，建議水行政主管等部門在《建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》《采礦業(yè)建設(shè)項(xiàng)目水資源論證導(dǎo)則》等的相關(guān)技術(shù)要求修訂中推薦在不同開采階段合理選擇預(yù)測方法，做到精準(zhǔn)化預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)非常規(guī)水資源納入水源統(tǒng)一配置，緩解水資源供需矛盾，提高區(qū)域水資源配置效率。