矿井涌水量预测方法

林刘军

摘 要：正确预测未来矿井涌水量，是一项重要而复杂的工作，是矿床水文地质调查的主要任务之一。它是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一，对矿床的经济技术评价有很大的影响。因此，要求在矿床水文地质调查时，根据获得的资料，按精度要求正确地评价未来矿山开发各个阶段的涌水量。

关键词：矿井涌水量；矿井涌水量预测；灰色系统理论

前言

矿井涌水量预测其内容与要求包括以下四个方面：（1）矿井的正常涌水量，指开采系统达到某一标高（水平或中段）时，正常状态下保持相对稳定时的总涌水量，通常是指平水年的涌水量；（2）矿井最大涌水量，指正常状态下开采系统在丰水年雨季的作大涌水量；（3）开拓井巷涌水量，指包括井筒和巷道在开拓过程中的涌水量；（4）疏干工程的排水量，指在规定的疏干时间内，将水位降到某一规定标高时所需的疏干排水强度。而我们这次需要预测的仅仅是矿井正常涌水量，即指平水年的涌水量。

1 矿井涌水量预测的基本原则

由于煤矿井下复杂的水文地质条件及特殊工作环境，影响煤矿井下涌水量大小的因素众多，大气降水、地表水、含水层水、岩溶陷落柱水、断层水，以及旧巷和老空积水都有可能涌入煤矿井下的生产空间，矿井开采煤矿的赋存条件、水文地质条件，开采之后形成的断裂带高度，以及煤层本身与围岩的孔隙和裂隙的大小，都在一定的程度上影响着矿井涌水量的大小，这就给煤矿生产过程中的涌水量预测带来了很大的困难，但是矿井涌水量预测时，必须遵循三个基本原则：（1）查清条件；（2）计算参数要有代表性；（3）正确选择数学模型。

2 矿井涌水量预测的常用方法简介。

2.1 水文地质比拟法

是在水文地质条件相似的情况下，从已知涌水量推测未知涌水量 。其应用条件最主要的是新、老矿井的水文地质条件要基本相似；老矿井要有长期的详尽的矿井水文资料。

2.2 相关分析法

是应用数理统计的方法，研究矿井涌水量与影响之间的概率规律，从而列出合乎客观规律的数学方程式，借以达到预测矿井涌水量的目的。其特点是精度较高，同时计算过程中，避开各种水文地质参数，使计算显得简便，是生产矿井预测涌水量的好方法。

2.3 水均衡法

水均衡法是通过对地下水动态与补给、排泄条件的研究，建立矿区在一定时间地下水补给量（A）与相应的排泄量（B）和变化量（C）关系的数学表示式，即A=B+C。从而达到涌水量预测的目的。因此，查明矿区范围内地下水补给、排泄条件，研究将来矿井输降排水过程，可能产生的水量的变化，合理确定均衡项目和取得各项目的数据，才能进行水均衡计算。

2.4 解析法

解析法又称地下水动力学法，它是对地下水运动的微分方程式给予定解条件进行解析解，得出一个公式，再用这个公式解决实际生产问题。运用解析法计算涌水量需要很实际的参数：（1）渗透系数（k）；（2）含水层厚度（m）；（3）引用半径（ro）；（4）引用补给半径（Ro）；（5）设计水位降深（s）和含水层水头值（H）；（6）导水系数（T）；储水系数（S）；导压系数（a）。我们要正确合理的利用这些参数去预测矿区的涌水量值。

2.5 灰色系统理论

灰色系统理论届系统论的范畴，灰色指信息不完全，灰色系统是信息不完全的系统，灰色系统理论以信息不完全系统的行为表现、行为内函、行为关系、行为环境的选取性、动态性、信息性、量化性等为主要目的。灰色系统目前已应用到农业、经济、社会、生态、气象、医学、控制、地理、历史、体育、管理、政法、水利、地质、地震、环境等多个领域。尤其是军事领域，灰色系统理论与应用的研究，发展快，涉及面广；成果也多。它涉及到军事预测与决策；战赂与战术，信息与信息处理，军事目标识别等。

灰色系统目前的主要内容包括：

（1） 灰观念：如认识无穷尽公理，灰性不灭原理，层次无限可分原理，自性相对原理、解的非唯一性、信息可补充性等。

（2） 灰生成：如层次转换，互补规律引用，内涵显露与转化、量化。

（3） 灰关联：建立整体比较机制，克服两两比较的局限性。吸收距离空间的量化特性，吸收点集拓扑空间的整体比较内涵，升华成为灰关联空间。态灰父联空间中，可辨别系统因子的权重，确定因子的序化关系，划分系统主行为。

（4） 灰建模：在厅列的基础上，建立近似灰色微分方程模型.因为微分方程是以连续可微函数为背景的、作为序列不可能“连续”“可徽”。为此灰色系统理论：从序列角度剖析一般微分方程的构成条件“，然后对那望逐倔巡镐定上述条件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，记为GM灰模型可以只用四个数据建立。

（5） 预测：以灰色模型GM入门：为基础，对事物的时间分布，数值分布进行预测、灰预测包括：数列硕酗，即一般的数列预测，是灰色预测的一种通用方法；灾变预洲、即异常疽时间分布规律的预测：如洪灾、旱灾等；季节灾变预测，发生在特定时区内的异常值，做时间分布的预测；拓扑预测，一个离乱的，非单调变化波形，按不同拓扦基确定阀点进行预洲；系统预测，系统在多种因子作用下，对其发展变化进行预测。

（6） 灰决策：灰决策一般指测度空间的决策。测度空间是目标极性一致化的空间。测度是目标样本的油象，在测度空间，测度大，可以代表效益好也可以代表损耗小，可以代表“样本”适中。所以测度的转换，是多目标到单目标的转换。灰决策一般可分为，灰局势决策，灰层次决策，灰规划，灰多维规化等。

（7） 灰控制：目前主要是灰色预测控制。这是单序列建模的控制，每个采样时刻建立一个实时动态模型，因而时间变、模型变、参数变t行为变、控制变以适应不同叹音、不同参数、不同要求、克服了处理复杂随机过程的困难，提高了控制的实时性和精度，增加了适应性。

3 研究区涌水量的预测

3.1 相关分析法

我们收集研究区历年涌水量和开采面积资料，经过整理、修正后得出涌水量-开采面积关系曲线及其公式、相关系数R2。

从以上分析我们将开采面积与历年涌水量经过拟合得出关系如上图，并且用公式Y=27.347*Ln（X）+45.342计算结果得出其最大偏差值-14.515M3/h，最小偏差值-0.36257M3/h，还有其相关系数R2=0.7101。我们可以看出涌水量与开采面积关系密切，在今后的工作中我们可以参考此公式进行预测矿区涌水量。

3.2 解析法

我们用“大井法”预测研究区O灰含水层的涌水量，把整个矿井作为一个大井，以便利用地下水动力学公式计算涌水量。

研究区的水文地质有关参数：O灰含水层厚度M=310m；含水层平均水头H=444～447m；渗透系数K=0.00635～2.7米/日；矿区周长P=21275m。

根据上述条件，采用大井法预测涌水量，由于开采过程中煤层被断层所隔开，承压水应降至隔水底板以下，所以用承压转无压公式，即：

Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/（lgR0-lgr0）

K：渗透系数；H：平均水头高度；M：含水层厚度；h：自含水层底板算起的井中动水位高度；R0：引用补给半径；r0：引用半径

由于矿区为不规则多边形，因此引用半径用以下公式：

r0=P/2π=6772.04m

从而得：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

此数据为整个矿区总涌水量。

参考文献

[1]张长文，付斌，等.矿井突水问题得研究[J].煤炭科技，2004.

[2]张人权.水文地质学基础[Z].2011.endprint

摘 要：正确预测未来矿井涌水量，是一项重要而复杂的工作，是矿床水文地质调查的主要任务之一。它是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一，对矿床的经济技术评价有很大的影响。因此，要求在矿床水文地质调查时，根据获得的资料，按精度要求正确地评价未来矿山开发各个阶段的涌水量。

关键词：矿井涌水量；矿井涌水量预测；灰色系统理论

前言

矿井涌水量预测其内容与要求包括以下四个方面：（1）矿井的正常涌水量，指开采系统达到某一标高（水平或中段）时，正常状态下保持相对稳定时的总涌水量，通常是指平水年的涌水量；（2）矿井最大涌水量，指正常状态下开采系统在丰水年雨季的作大涌水量；（3）开拓井巷涌水量，指包括井筒和巷道在开拓过程中的涌水量；（4）疏干工程的排水量，指在规定的疏干时间内，将水位降到某一规定标高时所需的疏干排水强度。而我们这次需要预测的仅仅是矿井正常涌水量，即指平水年的涌水量。

1 矿井涌水量预测的基本原则

由于煤矿井下复杂的水文地质条件及特殊工作环境，影响煤矿井下涌水量大小的因素众多，大气降水、地表水、含水层水、岩溶陷落柱水、断层水，以及旧巷和老空积水都有可能涌入煤矿井下的生产空间，矿井开采煤矿的赋存条件、水文地质条件，开采之后形成的断裂带高度，以及煤层本身与围岩的孔隙和裂隙的大小，都在一定的程度上影响着矿井涌水量的大小，这就给煤矿生产过程中的涌水量预测带来了很大的困难，但是矿井涌水量预测时，必须遵循三个基本原则：（1）查清条件；（2）计算参数要有代表性；（3）正确选择数学模型。

2 矿井涌水量预测的常用方法简介。

2.1 水文地质比拟法

是在水文地质条件相似的情况下，从已知涌水量推测未知涌水量 。其应用条件最主要的是新、老矿井的水文地质条件要基本相似；老矿井要有长期的详尽的矿井水文资料。

2.2 相关分析法

是应用数理统计的方法，研究矿井涌水量与影响之间的概率规律，从而列出合乎客观规律的数学方程式，借以达到预测矿井涌水量的目的。其特点是精度较高，同时计算过程中，避开各种水文地质参数，使计算显得简便，是生产矿井预测涌水量的好方法。

2.3 水均衡法

水均衡法是通过对地下水动态与补给、排泄条件的研究，建立矿区在一定时间地下水补给量（A）与相应的排泄量（B）和变化量（C）关系的数学表示式，即A=B+C。从而达到涌水量预测的目的。因此，查明矿区范围内地下水补给、排泄条件，研究将来矿井输降排水过程，可能产生的水量的变化，合理确定均衡项目和取得各项目的数据，才能进行水均衡计算。

2.4 解析法

解析法又称地下水动力学法，它是对地下水运动的微分方程式给予定解条件进行解析解，得出一个公式，再用这个公式解决实际生产问题。运用解析法计算涌水量需要很实际的参数：（1）渗透系数（k）；（2）含水层厚度（m）；（3）引用半径（ro）；（4）引用补给半径（Ro）；（5）设计水位降深（s）和含水层水头值（H）；（6）导水系数（T）；储水系数（S）；导压系数（a）。我们要正确合理的利用这些参数去预测矿区的涌水量值。

2.5 灰色系统理论

灰色系统理论届系统论的范畴，灰色指信息不完全，灰色系统是信息不完全的系统，灰色系统理论以信息不完全系统的行为表现、行为内函、行为关系、行为环境的选取性、动态性、信息性、量化性等为主要目的。灰色系统目前已应用到农业、经济、社会、生态、气象、医学、控制、地理、历史、体育、管理、政法、水利、地质、地震、环境等多个领域。尤其是军事领域，灰色系统理论与应用的研究，发展快，涉及面广；成果也多。它涉及到军事预测与决策；战赂与战术，信息与信息处理，军事目标识别等。

灰色系统目前的主要内容包括：

（1） 灰观念：如认识无穷尽公理，灰性不灭原理，层次无限可分原理，自性相对原理、解的非唯一性、信息可补充性等。

（2） 灰生成：如层次转换，互补规律引用，内涵显露与转化、量化。

（3） 灰关联：建立整体比较机制，克服两两比较的局限性。吸收距离空间的量化特性，吸收点集拓扑空间的整体比较内涵，升华成为灰关联空间。态灰父联空间中，可辨别系统因子的权重，确定因子的序化关系，划分系统主行为。

（4） 灰建模：在厅列的基础上，建立近似灰色微分方程模型.因为微分方程是以连续可微函数为背景的、作为序列不可能“连续”“可徽”。为此灰色系统理论：从序列角度剖析一般微分方程的构成条件“，然后对那望逐倔巡镐定上述条件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，记为GM灰模型可以只用四个数据建立。

（5） 预测：以灰色模型GM入门：为基础，对事物的时间分布，数值分布进行预测、灰预测包括：数列硕酗，即一般的数列预测，是灰色预测的一种通用方法；灾变预洲、即异常疽时间分布规律的预测：如洪灾、旱灾等；季节灾变预测，发生在特定时区内的异常值，做时间分布的预测；拓扑预测，一个离乱的，非单调变化波形，按不同拓扦基确定阀点进行预洲；系统预测，系统在多种因子作用下，对其发展变化进行预测。

（6） 灰决策：灰决策一般指测度空间的决策。测度空间是目标极性一致化的空间。测度是目标样本的油象，在测度空间，测度大，可以代表效益好也可以代表损耗小，可以代表“样本”适中。所以测度的转换，是多目标到单目标的转换。灰决策一般可分为，灰局势决策，灰层次决策，灰规划，灰多维规化等。

（7） 灰控制：目前主要是灰色预测控制。这是单序列建模的控制，每个采样时刻建立一个实时动态模型，因而时间变、模型变、参数变t行为变、控制变以适应不同叹音、不同参数、不同要求、克服了处理复杂随机过程的困难，提高了控制的实时性和精度，增加了适应性。

3 研究区涌水量的预测

3.1 相关分析法

我们收集研究区历年涌水量和开采面积资料，经过整理、修正后得出涌水量-开采面积关系曲线及其公式、相关系数R2。

从以上分析我们将开采面积与历年涌水量经过拟合得出关系如上图，并且用公式Y=27.347*Ln（X）+45.342计算结果得出其最大偏差值-14.515M3/h，最小偏差值-0.36257M3/h，还有其相关系数R2=0.7101。我们可以看出涌水量与开采面积关系密切，在今后的工作中我们可以参考此公式进行预测矿区涌水量。

3.2 解析法

我们用“大井法”预测研究区O灰含水层的涌水量，把整个矿井作为一个大井，以便利用地下水动力学公式计算涌水量。

研究区的水文地质有关参数：O灰含水层厚度M=310m；含水层平均水头H=444～447m；渗透系数K=0.00635～2.7米/日；矿区周长P=21275m。

根据上述条件，采用大井法预测涌水量，由于开采过程中煤层被断层所隔开，承压水应降至隔水底板以下，所以用承压转无压公式，即：

Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/（lgR0-lgr0）

K：渗透系数；H：平均水头高度；M：含水层厚度；h：自含水层底板算起的井中动水位高度；R0：引用补给半径；r0：引用半径

由于矿区为不规则多边形，因此引用半径用以下公式：

r0=P/2π=6772.04m

从而得：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

此数据为整个矿区总涌水量。

参考文献

[1]张长文，付斌，等.矿井突水问题得研究[J].煤炭科技，2004.

[2]张人权.水文地质学基础[Z].2011.endprint

摘 要：正确预测未来矿井涌水量，是一项重要而复杂的工作，是矿床水文地质调查的主要任务之一。它是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一，对矿床的经济技术评价有很大的影响。因此，要求在矿床水文地质调查时，根据获得的资料，按精度要求正确地评价未来矿山开发各个阶段的涌水量。

关键词：矿井涌水量；矿井涌水量预测；灰色系统理论

前言

矿井涌水量预测其内容与要求包括以下四个方面：（1）矿井的正常涌水量，指开采系统达到某一标高（水平或中段）时，正常状态下保持相对稳定时的总涌水量，通常是指平水年的涌水量；（2）矿井最大涌水量，指正常状态下开采系统在丰水年雨季的作大涌水量；（3）开拓井巷涌水量，指包括井筒和巷道在开拓过程中的涌水量；（4）疏干工程的排水量，指在规定的疏干时间内，将水位降到某一规定标高时所需的疏干排水强度。而我们这次需要预测的仅仅是矿井正常涌水量，即指平水年的涌水量。

1 矿井涌水量预测的基本原则

由于煤矿井下复杂的水文地质条件及特殊工作环境，影响煤矿井下涌水量大小的因素众多，大气降水、地表水、含水层水、岩溶陷落柱水、断层水，以及旧巷和老空积水都有可能涌入煤矿井下的生产空间，矿井开采煤矿的赋存条件、水文地质条件，开采之后形成的断裂带高度，以及煤层本身与围岩的孔隙和裂隙的大小，都在一定的程度上影响着矿井涌水量的大小，这就给煤矿生产过程中的涌水量预测带来了很大的困难，但是矿井涌水量预测时，必须遵循三个基本原则：（1）查清条件；（2）计算参数要有代表性；（3）正确选择数学模型。

2 矿井涌水量预测的常用方法简介。

2.1 水文地质比拟法

是在水文地质条件相似的情况下，从已知涌水量推测未知涌水量 。其应用条件最主要的是新、老矿井的水文地质条件要基本相似；老矿井要有长期的详尽的矿井水文资料。

2.2 相关分析法

是应用数理统计的方法，研究矿井涌水量与影响之间的概率规律，从而列出合乎客观规律的数学方程式，借以达到预测矿井涌水量的目的。其特点是精度较高，同时计算过程中，避开各种水文地质参数，使计算显得简便，是生产矿井预测涌水量的好方法。

2.3 水均衡法

水均衡法是通过对地下水动态与补给、排泄条件的研究，建立矿区在一定时间地下水补给量（A）与相应的排泄量（B）和变化量（C）关系的数学表示式，即A=B+C。从而达到涌水量预测的目的。因此，查明矿区范围内地下水补给、排泄条件，研究将来矿井输降排水过程，可能产生的水量的变化，合理确定均衡项目和取得各项目的数据，才能进行水均衡计算。

2.4 解析法

解析法又称地下水动力学法，它是对地下水运动的微分方程式给予定解条件进行解析解，得出一个公式，再用这个公式解决实际生产问题。运用解析法计算涌水量需要很实际的参数：（1）渗透系数（k）；（2）含水层厚度（m）；（3）引用半径（ro）；（4）引用补给半径（Ro）；（5）设计水位降深（s）和含水层水头值（H）；（6）导水系数（T）；储水系数（S）；导压系数（a）。我们要正确合理的利用这些参数去预测矿区的涌水量值。

2.5 灰色系统理论

灰色系统理论届系统论的范畴，灰色指信息不完全，灰色系统是信息不完全的系统，灰色系统理论以信息不完全系统的行为表现、行为内函、行为关系、行为环境的选取性、动态性、信息性、量化性等为主要目的。灰色系统目前已应用到农业、经济、社会、生态、气象、医学、控制、地理、历史、体育、管理、政法、水利、地质、地震、环境等多个领域。尤其是军事领域，灰色系统理论与应用的研究，发展快，涉及面广；成果也多。它涉及到军事预测与决策；战赂与战术，信息与信息处理，军事目标识别等。

灰色系统目前的主要内容包括：

（1） 灰观念：如认识无穷尽公理，灰性不灭原理，层次无限可分原理，自性相对原理、解的非唯一性、信息可补充性等。

（2） 灰生成：如层次转换，互补规律引用，内涵显露与转化、量化。

（3） 灰关联：建立整体比较机制，克服两两比较的局限性。吸收距离空间的量化特性，吸收点集拓扑空间的整体比较内涵，升华成为灰关联空间。态灰父联空间中，可辨别系统因子的权重，确定因子的序化关系，划分系统主行为。

（4） 灰建模：在厅列的基础上，建立近似灰色微分方程模型.因为微分方程是以连续可微函数为背景的、作为序列不可能“连续”“可徽”。为此灰色系统理论：从序列角度剖析一般微分方程的构成条件“，然后对那望逐倔巡镐定上述条件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，记为GM灰模型可以只用四个数据建立。

（5） 预测：以灰色模型GM入门：为基础，对事物的时间分布，数值分布进行预测、灰预测包括：数列硕酗，即一般的数列预测，是灰色预测的一种通用方法；灾变预洲、即异常疽时间分布规律的预测：如洪灾、旱灾等；季节灾变预测，发生在特定时区内的异常值，做时间分布的预测；拓扑预测，一个离乱的，非单调变化波形，按不同拓扦基确定阀点进行预洲；系统预测，系统在多种因子作用下，对其发展变化进行预测。

（6） 灰决策：灰决策一般指测度空间的决策。测度空间是目标极性一致化的空间。测度是目标样本的油象，在测度空间，测度大，可以代表效益好也可以代表损耗小，可以代表“样本”适中。所以测度的转换，是多目标到单目标的转换。灰决策一般可分为，灰局势决策，灰层次决策，灰规划，灰多维规化等。

（7） 灰控制：目前主要是灰色预测控制。这是单序列建模的控制，每个采样时刻建立一个实时动态模型，因而时间变、模型变、参数变t行为变、控制变以适应不同叹音、不同参数、不同要求、克服了处理复杂随机过程的困难，提高了控制的实时性和精度，增加了适应性。

3 研究区涌水量的预测

3.1 相关分析法

我们收集研究区历年涌水量和开采面积资料，经过整理、修正后得出涌水量-开采面积关系曲线及其公式、相关系数R2。

从以上分析我们将开采面积与历年涌水量经过拟合得出关系如上图，并且用公式Y=27.347*Ln（X）+45.342计算结果得出其最大偏差值-14.515M3/h，最小偏差值-0.36257M3/h，还有其相关系数R2=0.7101。我们可以看出涌水量与开采面积关系密切，在今后的工作中我们可以参考此公式进行预测矿区涌水量。

3.2 解析法

我们用“大井法”预测研究区O灰含水层的涌水量，把整个矿井作为一个大井，以便利用地下水动力学公式计算涌水量。

研究区的水文地质有关参数：O灰含水层厚度M=310m；含水层平均水头H=444～447m；渗透系数K=0.00635～2.7米/日；矿区周长P=21275m。

根据上述条件，采用大井法预测涌水量，由于开采过程中煤层被断层所隔开，承压水应降至隔水底板以下，所以用承压转无压公式，即：

Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/（lgR0-lgr0）

K：渗透系数；H：平均水头高度；M：含水层厚度；h：自含水层底板算起的井中动水位高度；R0：引用补给半径；r0：引用半径

由于矿区为不规则多边形，因此引用半径用以下公式：

r0=P/2π=6772.04m

从而得：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

此数据为整个矿区总涌水量。

参考文献

[1]张长文，付斌，等.矿井突水问题得研究[J].煤炭科技，2004.

[2]张人权.水文地质学基础[Z].2011.endprint