矿区采煤工作面实时涌水量预测分析

蔡江林 张紫瑶 周川江 张历彩 冯绍辉

（六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州六盘水 553004）

0 引言

煤矿矿井水的预测是井下排水系统设置的重要依据，也是水害发生后及时逃生的关键，更是煤矿智能化建设的核心技术。目前，矿井涌水量仍旧受到多方面因素的制约，如水文特征、气候影响、地貌特征、构造断裂、地层岩性等，这些相关影响因素难以准确给出。且矿区地下水流速极其缓慢，这就给采煤工作面实时涌水量预测带来了挑战，普通用于测量水流速度尺度较大的测量装置无法用于矿区地下水领域。这就给由多种因素构造而成的矿井涌水量非线性预测模型与实际情况之间带来了非常大的阻碍。目前，矿区涌水量非线性预测主要有以下几种方法：一是基于流域间的相同性，将情况类似的流域水文资料沿用到该研究领域的比拟法，此方法具有简单、经济使用等优点。但是，由于各地矿区的水文地质条件不尽相同，特别是充水因素变化莫测，会因时而异、因地而异。因此，对于比拟法的计算公式的修正较为模糊，且比拟法缺少地质条件相似性的认识；二是利用水文地质条件，运用模拟公式进行工作面涌水综合计算，此方法具有适应能力强、快捷简便等优点；三是采用地下水模拟计算软件GMS 中M ODFLOW 计算模块、PEST 参数反演模块及其强大的前处理、后处理功能以及卓越的三维可视效果，对矿区矿坑涌水量进行模拟预测。此模拟方法常用于研究预测矿坑的涌水量中，不仅可信度高，而且运用便捷。以上几种方法在长期运用中均不同程度的存在以下几种问题：（1）比拟法缺少地质条件相似性的认识；（2）解析法设置的解析条件过于苛刻，实际无法满足；（3）数值法缺少水文地质参数；（4）统计法缺少历史资料的积累。

1 矿区涌水量预测方法发展趋势

水文地质比拟法是指以矿坑的涌水量结果为依据，并在现有的生产矿井的水文地质资料基础之上，类比推算、预测出其余地质条件类似的矿区涌水量的方法[1]。此方法拥有计算较简单、经济等优点。然而，影响矿区涌水量的因素非常多，比如地质构造、地应力、含水层的水头压力以及富水性等多种其他因素[2]。且各个因素直接联系非常复杂。因此，在使用该方法时，必须通过多次的水文数据采集和分析研究来确定影响矿区涌水量的主要因素，且选择合适的涌水量计算公式和适当的修正参数才可能使计算量同实际涌水量的差值最小。在后续的发展中，对相似度的准确定位以及对各个影响因素的修正系数的准确度是一个可能的发展趋势。矿区涌水量曲线模拟方程法的原理是利用钻孔抽水实验得出涌水量与水位的关系曲线图，再通过曲线图推测计算出未来一段时间内的涌水量状况。此方法的优势在于其可以适用于较为复杂的矿井水文地质条件，值得注意的是，其使用要求在于待开采的矿井条件要与钻孔抽水的水文地质条件类似[3]。地下水模拟系统（简称“GMS”）是一款目前世界使用较为广泛的地下水数值模拟软件，此软件由美国杨百翰大学的环境模型研究实验室基于Modflow、Modpath 等已有地下水模型上研发而成的一个具有综合模拟地下水的图形界面软件[4]，该方法是通过GMS 中的modflow 计算模块，将复杂地形的地下水情况呈现出来，反映地下水的真实状况，然后利用软件回馈的数值来计算工作面的涌水量。此方法的优点是可以建立三维的地质模型、模拟三维真实含水层，得出的数据较真实可靠。

2 现有矿区涌水量预测方法存在的问题

矿井涌水量是用于评价水文地质条件复杂程度的重要指标，对于指导矿井的排水设施建设、保障煤矿安全生产有着不可替代的重要价值，而影响矿井涌水量的因素多而杂[5]。且预测矿井水涌水量的方法或多或少都存在一定的局限性。如果要正确的准确的去预测煤矿的出水量，我们需要完整的去了解预测矿井涌水量的各种方法，了解每种方法的不足之处，在之后去找出对应的解决方式，使其适应性更强。

相关分析法是一种统计分析方法，利用矿井涌水量和各种影响因素的统计关系，建立回归方程[6]。但是其要使用许多更全面且实地考察得来的数据，其好的地方在于此类方法与其它方法相比较，其不需要使用水文地质参数；一些额外的因素也不能对其造成一定的扰动。这种方式有他的好处，同样也有他限制的地方。例如在拟定相应的回归方程时，使用的每一个参数可能或多或少都存在着一定的制约关系。并且在矿井掘进进度的加快时，各个因素也在不同程度的变化，以此就会在不同掘进深度产生不同的计算公式。计算公式就难以做到相统一，这会使得我们在进行矿区涌水量计算时，针对不同的矿区，我们更需要去因地制宜，对不同的矿区的地层条件，地质构造做出进一步的选择，去使用当地矿区不同的地质条件拟定适用于该矿区的综合涌水量计算公式。这样才能有效的、准确的对该矿区的涌水量进行预测，切不可盲目的使用其它矿区或者前人已有的经验公式进行预测，应该根据实际的情况进行调整或者重新拟定相应的预测公式。

总的来说，矿井涌水量的预测方法多种多样，且每种方式都存在各自的长短，值得注意的是，他们都要通过取得实地水文地质数据，去构建理论模型。此时就存在一定的取长补短的关系，将其结合起来使用到不同矿区之中，也许能更好的完成对不同矿区矿井水的预测。随着科技的发展，在该领域也涌现出很多新型的预测手段。这些方式大多都伴随着科技创新，使用一些自主研发的或已有的机械设备并通过计算机系统以显示各种矿区的实时涌水量的预测，并且一些研发较好的设备还能对矿区矿井水实时流速和流向的监测，做到真正的实时监测，能有效的对矿区安全生产、保水采煤提供保障。