矿井涌水量预测方法适用性选择研究初探*

张楠 李皓冰 杜凯 郭欣伟 李昭悦

(黄河水利委员会黄河水利科学研究院 郑州 450003)

0 引言

据发改委和国家能源局联合印发《矿井水利用发展规划》中明确指出：2015年我国煤矿矿井水排放量约71亿m3，占各类矿井水排放总量的80%以上。顾大钊等[1]指出：我国煤炭行业年矿井水利用率仅有25%左右，每年损失的矿井水量约60亿m3，而我国每年工业和民用缺水总量约100亿m3。对不缺水的地域来说，矿井水就是废水，但是对于缺水的地域来说，矿井水是宝贵的资源[2]。

为贯彻“绿水青山就是金山银山”“加快生态文明建设进程”等思想理念，一系列改革措施先后实行，在缺水地区加强矿井水等非常规水多元、梯级和安全利用，强制推动非常规水纳入水资源统一配置，逐年提高非常规水利用比例。

现阶段，我国对已建矿井采取计量监测数据统计矿井涌水量、外排水量；对规划建设煤矿采用预测方法进行预测，因矿井涌水量影响因素较多且较为复杂，预测难度相对较大，易导致计算误差偏大。据统计，预测矿井涌水量与开采后矿井实际涌水量相比，误差小于30%的矿区仅有10%，80%的矿区误差超过50%，部分矿区误差高于100%，严重时相差10倍以上[3-4]。预测涌水量与实际涌水量相差较大具有以下几方面的原因：矿井水文地质条件未查清或认识不足、水文地质参数空间差异性造成求参存在误差或取值不妥、预测方法或数学模型选择不当等。

预测量的误差一方面给水资源论证、取水许可审批带来较大的困难，另一方面直接关系到企业的安全生产和经济效益。综上，厘清矿井涌水量影响因素，梳理我国矿井涌水量已有计算方法的特点及其适用性，有助于降低管理部门水资源论证、取水许可审批风险，有助于企业实现矿井水变废为宝，实现非常规水资源纳入水源统一配置，缓解水资源供需矛盾，提高区域水资源配置效率。

1 矿井涌水量的影响因素

1.1 水文地质条件

矿井水文地质条件是影响矿井涌水量的关键因素，一是反映在含水层厚度、裂隙岩溶发育情况、富水性和补给来源，一般情况下他们与矿井涌水量呈正相关关系；二是反映在开采煤层与当地侵蚀面、区域地下水位关系，当位于其以下，补给关系密切，则矿井涌水量较大；三是与入渗系数大小呈正相关关系。

1.2 地质构造特征

矿井涌水量的大小与地质构造特别是褶曲断层有直接关系，地质构造对地下水、地表水起到连接、导水的作用，局部兼有阻滞溢作用，作用大小主要取决于褶曲断层补给来源丰富程度和断层两盘含水层、隔水层对接情况。

1.3 煤层开采阶段

煤矿开采的不同阶段，矿井涌水量变化差异明显，一般分为4个阶段：第一阶段煤矿开采初期，即由基建到达产期间，揭露的含水层相对较多，各含水层处于自然饱和状态，随着开采工作面的不断扩大，煤层上覆各类补给水源的直接渗入矿坑，补给量较大，矿井涌水量逐渐增大；第二阶段在煤矿开采达到一定时期后，一般不会大面积揭露新的含水层，由于开采时间的增加，含水层水位不断降低，部分含水层由承压转变为无压，矿井涌水量处于补、径、排平衡状态；第三阶段在煤矿开采进入后期，含水层部分被疏干，导水裂隙带逐步被充填，入渗补给量逐步减少，矿井涌水量逐步减少；第四阶段当煤矿开采进去末期(停采)，矿井涌水量变小，由于煤层底部隔水层的存在，逐步积水形成“地下水库”。

1.4 大气降水

大气降水和地表水是矿井水的补给源之一。开采第一阶段，降水量与矿井涌水量呈同向关系；开采第二阶段，矿井涌水量处于补、径、排平衡状态，降水量与矿井涌水量关系并不明显；开采第三、四阶段，降水量与矿井涌水量关系呈反向关系。

1.5 开采面积

受开采规划的影响，煤矿开采面积逐年增加，矿井涌水量与开采面积关系和开采阶段规律相同，即开采第一阶段，随着开采面积的增大，矿井涌水量增大；第二、三、四阶段，矿井涌水量处于补、径、排平衡状态再到补小于排状态，开采面积和矿井涌水量并无直接对应关系。

1.6 开采煤层厚度

开采煤层厚度与矿井涌水量关系密切，开采煤层厚度越大，“上三带”(冒落带、裂隙带、弯曲下沉带)影响越大，导水裂隙带贯通上覆含(隔)水层相对越多，上覆补给水量增大，矿井涌水量增大。

1.7 煤炭开采量

开采量与矿井涌水量具有一定的相关性，煤水共存。在一定的水文、地质、气象条件下，矿井涌水量与煤炭开采量正相关。开采第一阶段，矿井涌水量与煤炭开采量正相关；开采第二阶段，随着含水层逐步打开，含水层逐步被疏干，开采量的增加与矿井涌水量逐步呈负相关性；第三、四阶段，开采量进入稳定时期，矿井涌水量相对比较平稳。

通过上述矿井涌水量影响因素分析发现：矿井涌水量受矿区水文地质、气象、开采状况等多因素影响，涌水量往往因某个因素的变化而发生突变，但在煤矿开采的某一个阶段内，矿井涌水量变化明显。

2 矿井涌水量的计算方法及评述

2.1 计算方法梳理

梳理我国现有矿井涌水量计算预测方法[5-8]，主要有确定性和非确定性2大类。受理论和资料的限制，不同的预测方法均存在一定的局限性，在实际计算预测中需要根据勘测、水文地质、气象条件、生产阶段等实际情况选取适宜的计算方法。各预测方法的特点及局限性如表1所示。

表1 不同矿井水涌水量计算预测方法的特点及局限性

续表1

2.2 不同阶段预测方法综述

(1)勘探阶段

通过水文地质勘探获取的水文地质条件详实程度较低，参数较少，是对矿区水文地质条件的最初认识。该阶段矿井属于未建阶段，适用方法主要为解析法、水均衡法和比拟法。

解析法一般根据矿区资料确定边界条件，概化水文地质模型，能够达到勘探预测精度的需求；水均衡法仅能利用矿区所在区域边界内水均衡数据资料进行矿区水均衡计算，一般精度不高；比拟法适用于周边已经存在投产运营矿井，并且其水文地质条件相似、开采方法基本相同的矿井。

(2)井巷开拓阶段

该阶段矿井属于已建阶段，根据施工过程中涌水量及周边观测孔监测数据(水位降深)等情况可以全面查明井巷周边水文地质条件。该阶段获取的水文地质参数可靠性较高。该阶段利用解析法计算预测矿井涌水量精度较高。

(3)采掘阶段

该阶段矿井属于已建阶段，即1.3节所述煤层开采4个阶段。因开采过程相对较长，可以获取长序列涌水量监测数据资料。非确定性方法如灰色系统理论、时间序列分析、神经网络等计算预测方法在该阶段可以发挥其数据要求。该阶段水文地质条件和边界条件已经明确，也可为确定性方法中数值模拟法提供充分的涌水量及相应的水位变化等资料情况。

3 矿井涌水量预测遵循的原则及预测过程

3.1 遵循的原则

(1)基础：查明开采煤矿的充水因素、水文地质条件、排泄方式。

(2)过程：贯穿矿区水文地质勘探及其生产全过程。

(3)程度：在对水文地质、气象等条件的不断深入中不断修正、完善。

(4)精度：在全面掌握监测数据资料、利用临近相似水文条件矿井的相关资料的基础上，分析充水条件，选择适宜的预测方法。

3.2 预测过程

依据矿井涌水量遵循原则及不同阶段矿井水预测方法适用性，系统考虑矿井水影响因素，形成矿井水漏水量计算预测流程，如图1所示。

图1 矿井水涌水量计算预测流程

4 结论及建议

4.1 结论

(1)矿井涌水量主要由水文地质条件、地质构造特征、煤层开采阶段、大气降水、开采面积、采煤厚度、开采量等影响因素决定；矿井涌水量的计算预测方法主要有确定性(数值模拟法、解析法、水均衡法)和非确定性(比拟法、模糊数学法、灰色系统、时间序列法、相关分析法、神经网络法)预测方法。

(2)勘探阶段适用方法主要为解析法、水均衡法和比拟法；井巷开拓阶段适用方法主要为解析法；采掘阶段当明确水文地质条件、边界条件时适用方法为数值模拟法，而开采程度低、水文地质条件简单的矿井，适用方法主要为灰色系统理论、时间序列分析、神经网络等非线性预测方法。

4.2 建议

2019年《国家节水行动方案》(发改环资规[2019]695号)中明确提出：在缺水地区加强矿井水等非常规水多元、梯级和安全利用，强制推动非常规水纳入水资源统一配置，逐年提高非常规水利用比例，并严格考核；2019年《关于进一步加强和规范非常规水源统计工作的通知》(节办约[2019]241号)中强调：要明确非常规水源利用量的统计口径。面对这些要求，各级技术部门应根据矿井实际情况，选择合理的计算预测方法，进行阶段性预测管理，降低预测误差。此举一方面有助于降低管理部门水资源论证审批风险，另一方面有助于企业矿井水综合利用管理。此外，在梳理我国矿井水预测方法适用条件的同时，建议水行政主管等部门在《建设项目水资源论证导则》《采矿业建设项目水资源论证导则》等的相关技术要求修订中推荐在不同开采阶段合理选择预测方法，做到精准化预测，以实现非常规水资源纳入水源统一配置，缓解水资源供需矛盾，提高区域水资源配置效率。