趙各莊礦礦井涌水量預(yù)測(cè)方法分析

趙志偉

（河北省煤田地質(zhì)勘查院，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概況

礦井涌水量是指在礦山建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)流入礦井（包括各種巷道和開(kāi)采系統(tǒng)） 的水量，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)礦井的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)有很大的影響，同時(shí)也是礦山設(shè)計(jì)部門(mén)確定排水設(shè)備和制定防治水措施的主要依據(jù)。礦井涌水量預(yù)計(jì)方法大致分為兩類：第一類為確定性的數(shù)學(xué)模型法，其中具有代表性的方法為水均衡法、解析法、數(shù)值法；另一類為統(tǒng)計(jì)分析方法，如水文地質(zhì)比擬法、涌水量降深曲線方程法、相關(guān)分析法、時(shí)間序列分析等。近年來(lái)也不斷出現(xiàn)一些新的方法，尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多智能型的方法，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是最具有代表性和革命性的方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，將勘探階段預(yù)測(cè)的礦井涌水量與開(kāi)采后礦井實(shí)際涌水量相比，誤差小于30%的僅有10%，80%的礦區(qū)超過(guò)50%，有的甚至誤差達(dá)到數(shù)十倍。造成礦井涌水量預(yù)測(cè)誤差大的原因主要有水文地質(zhì)條件未查清、選用的水文地質(zhì)參數(shù)缺乏代表性和數(shù)學(xué)模型選擇不當(dāng)3 個(gè)方面。本文對(duì)趙各莊礦自1977 年以來(lái)歷次礦井生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告和水文地質(zhì)報(bào)告采用的含水系數(shù)法、相關(guān)分析法、時(shí)間序列法、解析法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等礦井的涌水量預(yù)測(cè)方法合理性進(jìn)行分析，以期達(dá)到為其它水文地質(zhì)條件相似礦井涌水量預(yù)測(cè)方法選擇提供依據(jù)的目的。

2 預(yù)測(cè)方法分析

2.1 地質(zhì)背景

趙各莊礦位于河北省唐山市東北古冶區(qū)，開(kāi)平煤田開(kāi)平向斜之東北端。煤層集中分布于山西組（大苗莊組） 和太原組上段（趙各莊組），可采及局部可采煤層共7 層（5、7、9、11、12-1、12-2、12 煤層），第7、9、12-1、12-2、12 煤層為主采煤層。煤層傾角由緩傾斜區(qū)18°，發(fā)展到西翼急傾斜區(qū)的90°，直至反山區(qū)為倒轉(zhuǎn)70°。受采掘破壞或影響的含水層為5 煤層至12 煤層砂巖裂隙承壓含水層、12 煤層至14 煤層砂巖裂隙承壓含水層、14 煤層至唐山石灰?guī)r砂巖裂隙承壓含水層以及奧灰?guī)r溶含水層。

2.2 含水系數(shù)法

趙各莊礦1977 年的生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告采用含水系數(shù)法對(duì)礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。含水系數(shù)法認(rèn)為涌水量同產(chǎn)量有線性相關(guān)性。

通過(guò)對(duì)趙各莊礦1978—1982 年涌水量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1），誤差均大于30%。該方法僅考慮原煤產(chǎn)量這一單一因素，未考慮開(kāi)采方法、范圍、進(jìn)度等方面因素的影響，故采用該方法對(duì)涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)精度較低，應(yīng)用范圍受到限制，但其原理簡(jiǎn)單，計(jì)算方便。有人提出將彼此獨(dú)立的各影響因素變量綜合成一個(gè)系統(tǒng)，考慮各影響因素的彼此干擾與涌水量的滯后響應(yīng)等，在比擬法基礎(chǔ)上建立應(yīng)用范圍更廣的礦井涌水量預(yù)報(bào)模型[5]。

表1 原煤產(chǎn)量、涌水量預(yù)測(cè)值、實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)Table 1 Rawcoal production,water inflowpredicted value,measured value statistics

2.3 相關(guān)分析法

趙各莊礦1998 年的生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告采用相關(guān)分析法對(duì)涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)[7]。報(bào)告中認(rèn)為涌水量主要隨開(kāi)采深度變化而變化，同開(kāi)采深度具有某種線性相關(guān)關(guān)系，建立了涌水量隨開(kāi)采深度的變化曲線，對(duì)各水平的涌水量峰值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

預(yù)測(cè)十一水平、十二水平、十三水平、十四水平正常涌水量峰值分別為2.72 m3/min、2.91 m3/min、3.10 m3/min、3.28 m3/min。趙各莊礦十一水平正常涌水量實(shí)測(cè)峰值為3.5 m3/min（2002 年），誤差22%；十二水平正常涌水量實(shí)測(cè)峰值為4.64 m3/min（2013 年），誤差37%；十三水平正常涌水量實(shí)測(cè)峰值為3.82 m3/min（2013 年），誤差19%；十四水平涌水量還未達(dá)到峰值。誤差在可接受的范圍內(nèi)。

相關(guān)分析法是一種統(tǒng)計(jì)分析方法，在計(jì)算過(guò)程中避開(kāi)了那些難以確定的水文地質(zhì)參數(shù)及一些未搞清的機(jī)理問(wèn)題，通過(guò)分析因變量與自變量之間的關(guān)系，有助于人們了解問(wèn)題的機(jī)理，從而有利于建立確定性預(yù)測(cè)。該方法的應(yīng)用也有一定的限制，如各因素之間的相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜時(shí)，難以擬定回歸方程。隨著開(kāi)采深度加大，各因素對(duì)涌水量的影響也會(huì)有所變化，難以形成可靠通用的計(jì)算式。由于不同礦區(qū)的充水影響因素不同，回歸方程具有地域性，應(yīng)用相關(guān)分析法時(shí)需要特別注意。

2.4 時(shí)間序列法

趙各莊礦2008 年生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告[8]中預(yù)測(cè)十三水平涌水量采用的是時(shí)間序列法。

報(bào)告中對(duì)多年涌水量觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為礦井深部各水平涌水量隨著開(kāi)采強(qiáng)度的增加達(dá)到最大值，此后，隨著下一個(gè)水平涌水量的增加，上一個(gè)水平涌水量逐漸衰減，而礦井總涌水量相對(duì)保持穩(wěn)定。由于十三水平含水層的涌水高峰期已過(guò)，雖然由于降雨、斷層和開(kāi)采影響，涌水量也會(huì)有所變化，但屬呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)下的鋸齒狀跳動(dòng)。取近10 a礦井正常涌水量的平均值2.61 m3/min 作為預(yù)測(cè)的礦井正常涌水量。

通過(guò)將2008—2012 年涌水量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，預(yù)測(cè)結(jié)果誤差均小于30%，見(jiàn)表2。分析認(rèn)為，此方法對(duì)涌水量中長(zhǎng)期變化規(guī)律性較強(qiáng)的礦井涌水量預(yù)測(cè)很有實(shí)效。

表2 十三水平正常涌水量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析Table 2 Comparison and analysis of predicted and measured values of normal water inflowat thirteenth level

2.5 解析法

趙各莊礦2013 年水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告采用解析法對(duì)十三水平涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓的完整井公式預(yù)計(jì)涌水量[9]。

預(yù)測(cè)十三水平正常涌水量為2.53 m3/min，而2013 年正常涌水量實(shí)測(cè)值3.82 m3/min，誤差34%。導(dǎo)致誤差偏大原因是裘布依涌水量方程的假設(shè)及簡(jiǎn)化條件是地下水為穩(wěn)定流，可將空間流簡(jiǎn)化為平面流，且處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。可是趙各莊礦地層傾角18°～90°，不能滿足承壓水頂?shù)装宄仕椒植嫉募僭O(shè)條件；報(bào)告中“大井法”預(yù)計(jì)十三水平礦坑涌水量時(shí)，計(jì)算水位降深百米以上，“大井”井壁水流早已不是緩變流，且由于不同富水性的多層含水層的復(fù)雜性，在大流量大降深條件下，很難處于穩(wěn)定流狀態(tài)。其物理模型已不符合裘布依涌水量方程的假設(shè)條件。

2.6 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

趙各莊礦2014 年生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告[11]采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)十三水平涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)十三水平正常涌水量4.08 m3/min，2015 年實(shí)測(cè)值3.69 m3min，誤差11%?；谥鞒煞址治鏊惴ㄅcBP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)于礦井涌水量預(yù)測(cè)具有一定的可行性，且精度較高，若原始數(shù)據(jù)集和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)良好，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可精確擬合結(jié)果[12]。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)涌水量適合于涌水量觀測(cè)資料積累豐富的區(qū)域，恰好趙各莊礦積累了多年的涌水量資料，適宜該方法的應(yīng)用。該方法充分考慮了開(kāi)采面積、降水量、奧灰水位、開(kāi)采深度和上水平開(kāi)采面積等涌水量影響因素，得到的涌水量預(yù)測(cè)值是有一定參考價(jià)值的。

3 結(jié)論

（1） 相關(guān)分析法和時(shí)間序列法比較適合預(yù)計(jì)開(kāi)采年代久遠(yuǎn)、有多年觀測(cè)資料的礦井涌水量，如趙各莊礦。

（2） 含水系數(shù)法原理簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，但是精度較低，該方法可以應(yīng)用在預(yù)測(cè)新建礦井的涌水量，即利用地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相似、開(kāi)采條件基本相同的生產(chǎn)礦井的涌水量觀測(cè)資料來(lái)預(yù)測(cè)新建礦井的涌水量。

（3） “大井法”一般適用于簡(jiǎn)化的勘探階段或水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的情況，對(duì)于開(kāi)采年代久遠(yuǎn)且地層傾角較大的趙各莊礦不適用。

（4） BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法全面考慮了各種涌水量影響因素，具有相當(dāng)好的應(yīng)用前景。但對(duì)實(shí)際生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，充水水源和通道經(jīng)常難以查清，需要時(shí)間序列資料的長(zhǎng)期累積，并且一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)往往只適用于某一特定的礦井，其他礦區(qū)則無(wú)法使用[13]。該方法有待于研究人員的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。