水泉矿基于灰色预测模型的矿井涌水量预测

蒋知廷，张润畦

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

矿井涌水量是在矿井建设和开采过程中，单位时间内通过各种途径涌入井巷的水量[1]。煤矿开采矿井涌水量预测对煤矿防治水及安全高效生产具有重要意义[2]，它伴随矿井勘探、生产和闭坑的整个周期，是矿井生产系统特别是防排水系统设计及其水害防治技术方案与技术路线选择的基础[3，4]。矿井涌水量预测和理论方法多种多样，查明条件、选用有代表性的计算参数和选择正确的数学模型是矿井涌水量预测的基础[5]。目前关于涌水量预测的方法大致分为水文地质条件比拟法、统计学方法、解析法[6]、数值法等其他预测方法[7，8]。前人通过解析法对水泉矿矿井涌水量进行了预测，解析法需要理想化模型，但影响矿井涌水量的因素较多，具有不确定性，这种方法适用范围有限，因此本文选用灰色预测法预测矿井涌水量[9]，为矿山建设提供技术资料。

1 矿井地质概况

水泉煤矿位于山阴县城西北直距约26.5 km处的水泉沟村、王老沟村和东庄村一带。面积为9.5298 km2，太原组4～9号煤层为全区主要可采煤层，生产规模为9×105t/a，开采方式为地下开采，开采深度为1550 m-1350 m标高。

1.1 矿区地质

井田内地层由老至新依次为：奥陶系中统下马家沟组(O2x)，上马家沟组(O2s)，石岩系中统本溪组(C2b)，上统太原组(C3t)，二叠系下统山西组(P1s)，下石盒子组(P1x)、新近系上新统(N2)，第四系中上更新统(Q2+3)，全新统(Q4)。井田总体构造形态为背、向斜相间的褶曲构造，基本走向为北东向转向北西向。地层倾角一般为5°～15°，局部较陡最大达27°，共揭露断层8条。井田内主要可采煤层为4、6、9、10、11号煤层，其中9、11号煤层为稳定的大部可采煤层；10号煤层为不稳定局部可采煤层，4、6号煤层为稳定的局部可采煤层，所有可采煤层均为太原组。

1.2 水文地质

1.2.1 含水层

井田内含水层由新到老依次为第四系砂砾层孔隙含水层，富水性弱；二叠系下石盒子组砂岩裂隙含水层，富水性弱；二叠系山西组砂岩裂隙含水层，富水性弱；石炭系砂岩岩溶裂隙含水层，富水性弱；奥陶系碳酸盐岩岩溶蚀裂隙含水层，富水性弱。

1.2.2 隔水层

(1) 本溪组隔水层组

岩性主要由铝土泥岩、粉砂岩、泥岩、石英砂岩等致密岩层组成，厚26～30 m，其间的石英砂岩致密、坚硬、裂隙不发育，具有良好的隔水性能。

(2) 太原组、山西组隔水层组

主要为间夹于煤层与砂岩之间的泥岩、砂质泥岩及粉砂岩，厚度变化大，不稳定。泥岩致密完整，使太原组、山西组各砂岩裂隙含水层、灰岩裂隙含水层之间水联系减弱，形成相对独立的多个层间含水层，其隔水性能较好。

2 充水条件及充水因素

2.1 地表水及大气降水

井田内无大量地表水体，中部发育一条季节性排洪主冲沟—水泉沟，雨季汇集两侧支流洪水，水量稍大，由东北向西南排出井田。井田内各煤层埋藏较浅，4、6号煤层大部被风化剥蚀，9、10、11号煤层也有局部风化带，大气降水、地表水可通过煤层露头及隐伏露头、第四系松散层或基岩风化裂隙以及开采形成的导水裂隙带进入井下，从而对矿井充水产生影响。

2.2 含水层

(1) K3砂岩含水层：为4、6号煤层顶板，弱富水性，对矿井开采具有一定的影响。中西部K3层位以上砂岩，由于有厚层的泥岩、粉砂岩隔水层存在，且一般富水性弱，一般不会影响矿井开采。

(2) 砂岩裂隙含水层：根据井田内ZK1103号钻孔对山西组混合抽水试验资料，单位涌水量为0.0085～0.0119 L/s·m，富水性弱，对9号煤层开采影响较小。但向斜轴部节理裂隙发育，富水性增强，可能会对矿井充水造成一定影响。

(3) 02石灰岩含水层：井田内奥灰水水位标高为1197～1206 m，最下部的11号煤层底板最低标高为1333.43 m(ZK-5钻孔)，矿井不存在带压开采，奥灰水对9号煤层开采没有影响。

图1 地层综合柱状图

井田内采空区积水量共计12.02×105m3，其中4号煤层积水区1处，积水量约0.83×105m3，6号煤层积水区3处，积水量约3.39×105m3，9号煤层采空区积水区15处，积水量约7.80×105m3。井田内4、6、9号煤层均有开采，采空区内存在积水，对矿井充水影响较大。各煤层老空积水量估算见表1。

表1 各煤层老空积水量估算表

2.3 充水通道

对比煤层埋藏深度及煤层间距，开采4、6、9号煤层叠加后形成的导水裂隙带会达到地表从而成为大气降水、地下水进入井下的通道。采动形成的导水裂隙带会相互贯通，从而贯通上部采空区与开采层之间以及上覆各含水层之间的水利联系，成为上部煤层采空积水、顶板含水层裂隙水进入下部煤层工作面的充水通道。

3 涌水量构成

根据矿井水文地质条件分析，矿井涌水构成包括顶板含水层裂隙渗水、采空区积水及部分井下洒水防尘的生产用水、黄泥灌浆析水等。其中主要的是来自顶板含水层的裂隙渗水及采空区积水。本次收集了煤矿2020年矿井涌水量资料(表2)，根据统计近两年矿井正常涌水量10 m3/h，最大涌水量为15 m3/h。主要为9号煤巷道掘进及工作面回采期间矿井总涌水量，其水源构成为井下防尘用水、顶板砂岩水及打钻水。

表2 2020年矿井涌水量资料表

井田东部原东庄煤矿重组前开采9号煤层时，矿井生产能力15×105t/a，矿井正常涌水量为10 m3/d，最大涌水量为15 m3/d。井田东北部原山西山阴进鑫煤业有限公司重组前开采9号煤层时，矿井生产能力15×105t/a，矿井正常涌水量为60 m3/d，最大涌水量为85 m3/d。本次参照原山西山阴进鑫煤业有限公司矿井实际涌水量，采用灰色预测法来预算水泉煤矿开采9号煤层时的矿井涌水量。

4 灰色预测法

4.1 灰色预测法概述

(1) 原理

灰色预测模型是对系统内部事物的连续变化进行预测的模型。灰色系统是部分已知，部分未知的系统，该理论将随机过程看作与一定范围内变化与时间有关的灰色过程，将随机变量看作一定范围内的灰色量，经过数据处理，使复杂数据转换成有规律性的数据再做研究。

(2) 适用条件

影响矿井涌水量的充水因素具有不确定性，充水通道也具有多样性，可以将它看作一个灰色系统。灰色系统具有宏观决策与规划功能，分析判断效果较好。它对原始数据列长度要求不高，并重点研究系统的输出序列而非输入序列，因此可以用其预测矿井涌水量。

(3) 预测步骤

灰色预测模型主要基于GM(1,1)模型，将原始数据的累加生成一次累加序列，构造预测模型，在此基础上应用微分方程对原始数据序列进行拟合预测。

4.2 累加一阶序列生成

设x(0)(t)={x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(t)}为原始非负、涌水量时间序列。

4.3 GM(1,1)模型建立

式中，μ为内生变量，是待辨识参数；a为待辨识参数列。

(4) 预测模型

得出预测模型响应函数

最后求模拟值

采用MATLAB计算测试结果见图2和图3。

图2 测试

图3 灰色预测法走势

根据灰色预测法得出2021年1,2月份矿井涌水量分别为11.4605 m3/h，11.7327 m3/h。

5 结论

(1) 本文采用灰色预测模型GM(1,1)对水泉煤矿2020年1～12月矿井涌水量进行了预测，得出2021年1，2月份矿井涌水量分别为11.4605 m3/h，11.7327 m3/h，计算结果与其矿井实际涌水量相似。

(2) 灰色预测模型是一种单序列的一阶线性模型，是预测变化趋势，因此在今后进行矿井涌水量预测时，应利用数据结合数值模拟建立多种精确的数学模型进行计算及比较，并将提高预测的精准度作为未来的研究方向。