基于相关分析法的煤矿涌水量预测

2021-04-06王家乐王施智

陕西煤炭 2021年2期

王家乐，王施智，黄倩

(陕西省煤田物探测绘有限公司电磁法研究所，陕西西安 710005)

0 引言

煤矿涌水是威胁煤矿安全生产的重要因素之一。某煤矿位于陕西北部，矿井生产能力8.0 Mt/a，含煤地层为侏罗系中统延安组，主采煤层2号煤。区内含水层主要为孔隙潜水含水层及裂隙含水层，水文地质类型为“中等”类型。矿井涌水量的预测，以及针对性的防治水方案对煤矿安全生产具有十分重要的意义[1-3]。

1 地质概况

矿井内地层由老至新有上三叠统瓦窑堡组(T3w)；下侏罗统富县组(J1f)，中侏罗统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)；下白垩统洛河组(K1l)、环河-华池组(K1h)；第四系黄土及冲积层。煤矿位于黄陵矿区西北部，总体构造为一倾向北西—北西西的单斜构造，地层倾角一般1°～5°。

1.1 含水层特征

井田范围内的含水层共计7层，其水文地质特征见表1。其中富水性最强的为洛河组砂岩裂缝含水层，该层全区分布，通过计算导水裂缝带发育高度，一般情况下，导水裂缝带不会达到洛河组底面。但由于实际地质、水文地质条件的复杂性，加上开采情况的多变，在开采后的局部地段存在封闭不良钻孔、油气井等工程沟通洛河组或其它强含水层的可能，开采时应注意防范。

表1 井田内含水层情况一览Table 1 Overview of aquifers in minefield

煤层顶板的延安组地下水为承压水，虽具有较高的水头压力，但在天然状态下其富水性极弱，易于疏干，为煤矿的主要和直接的充水水源，对煤层开采不会造成大的威胁。部分地段直罗组下段含水层地下水也可通过导水裂缝带进入矿井，增大矿井涌水量。另外井筒穿越含水层段，上部含水层可进入井巷，重点要注意洛河组砂岩含水层，应防止人为因素导致地表水、上部洛河砂岩含水层地下水进入矿井。

1.2 煤层特征

主采煤层2号煤层厚度0.05～7.15 m，平均厚度3.31 m。主要赋存于矿井中部的波谷内，煤层保存完整，形态较为规则。可采范围内煤层厚度虽横跨薄、中厚及厚3个分级，但3.50 m以上的厚煤带完全集中在向斜内，1.30 m以下的薄煤层均分布于隆起区和波峰顶部及矿井边缘一带。中厚煤层区和厚煤层区约占全区煤层可采面积的90%以上。综上，2号煤层属厚度稳定的中厚-厚煤层，煤层稳定程度为“简单”。

2 涌水量预测

2.1 方法选择

进行矿井涌水量预测的方法众多，但其各自适用条件及优缺点不尽相同，目前主要方法有地下水动力学解析法、数值模拟法、水文地质比拟法、水均衡法以及相关分析法[4-6]。地下水动力学解析法是将整个矿井充水概化成一口“大井”，利用地下水井流解析法预测矿井涌水量，但此方法适用于地下水补给较充分的近似稳定流。然而矿井充水通常以含水层非稳定疏干过程为特征，所以用解析法预测矿井涌水量通常误差较大、精度较低。数值模拟法多用来预测非稳定流的矿井涌水量，对水文地质参数要求较高。水均衡法只能估算整个矿井的涌水量，不能用来计算单独巷道的涌水量，且预测精度不高。相关分析法适用于开采时间较长、矿井涌水量观测资料较多的矿井，它能够有效减小因水文地质参数不确定引起的预测误差，能够弥补水文地质勘查程度不高或水文地质参数缺乏的不足，提高了矿井涌水量预测的精度[7-9]。因此，本次选用相关分析法进行矿井涌水量的预测。

2.2 相关分析法基本原理

影响矿井涌水量的因素众多，虽然他们之间通常不存在某种确定的函数关系，但是却存在某种统计关系。相比起其他方法，统计模型不仅避免了水文地质参数不全或不确定性对预测准确度的影响，而且还能利用2组数据建立统计预测模型[10-12]。利用数理统计皮尔逊相关系数分析矿井涌水量与其相关因素之间的密切程度，如式(1)所示。

(1)

2.3 相关程度分析

采用SPSS软件进行矿井涌水量与煤炭产量、掘进进尺与工作面断面面积之间的相关程度分析和显著性分析，计算成果见表2。从表2中可以看出矿井涌水量与煤炭产量、掘进进尺的皮尔逊相关系数分别为0.833和0.817，说明矿井涌水量与煤炭产量、掘进进尺之间密切相关，与工作面断面面积的皮尔逊相关系数仅为0.469，小于0.8，说明没有相关性，舍去。相反，假设矿井涌水量与煤炭产量、掘进进尺不相关，双尾检验法的值分别为0和0.001，说明矿井涌水量与之不相关属于小概率事件，同时也说明，矿井涌水量与煤炭产量、掘进进尺之间呈线性相关。