基于生产因素相关性分析的矿井涌水量预测*

樊发旺,郭爱江,芦 震,王 鹏

(1.宁夏回族自治区煤炭地质局,宁夏 银川 750000;2.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司红柳煤矿,宁夏 银川 750000)

0 引言

矿井涌水量是评价矿床水文地质条件复杂程度、事关煤矿安全生产、决定煤矿生产成本的重要指标[1-3]。矿井涌水预测经过多年的探索研究,已经形成了诸如水文地质比拟法、Q-S曲线外推法、相关分析法、解析法、数值模拟法等较为丰富的预测计算体系[4-6]。选取宁夏宁东煤田某煤矿作为研究对象,基于生产过程中矿井涌水量与生产因素相关性分析,开展矿井涌水量预测及分析。

1 研究区概况

1.1 地质及水文地质

井田内大部分地区被第四系地层覆盖,基岩在井田西南部有零星出露。由老至新依次有T3s、J2y、J2z、J3a、E3q及Q地层。井田内主要含煤地层是侏罗系中统延安组,钻孔揭露厚度为261.21～377.28 m,平均331.21 m。岩性由灰色、灰白色长石石英砂岩,深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、煤和少量含铝质泥岩组成,底部以一套浅白色或黄色带红斑的粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩与下伏三叠系上统上田组呈假整合接触[7]。

研究区内含水层按岩性组合特征及地下水水力性质、埋藏条件等,由上而下划分为5个含水层组,具体见表1。其中直罗组下段“七里镇”砂岩为泥质胶结,胶结程度较差,局部遇水振荡或手捻可散,全井田分布,中等富水性,成为影响井田首采区的主要直接充水含水层。

表1 含水层划分及特征一览表

1.2 含煤性

研究区含煤地层为侏罗系延安组,含煤层27层,其中：编号煤层20层,自上而下编号为2、3-1、3-2、3、3下、4-1、4-2、4-3、5、6、10、12、13、14、15-1、15、15-2、16、17-1、17-2及17、18-1、18-2煤层。井田可采煤层1层、大部可采煤层11层、局部可采煤层2层、不可采煤层6层。可采煤层平均厚26.67 m,可采含煤系数8.0%。

1.3 开采水平

研究区为煤层群开采,根据煤层间距、煤层厚度及稳定程度将井田煤层群分为3组。上组煤由2号煤层、3号煤层、3-1煤层、3-2煤层及4-1煤层、4-2煤层、4-3煤层组成,中组煤由6、10、12号煤层组成,下组煤由15号煤层及15-1、16、17-1、17-2、18-1、18-2煤层组成。全井田设3个水平,上组煤为一水平,中组煤为二水平,下组煤为三水平。采煤方法为综采采煤法。

2 涌水量预测分析

2.1 涌水水源分析

研究区矿井涌水量主要由各采区工作面采空区涌水量、各采区疏放水钻孔水及巷道淋水、设备用水、除尘、巷道喷雾等组成。一水平煤层直接充水水源主要为2号煤层顶板侏罗系直罗组下段中、粗粒砂岩含水层中的水,含水层平均厚度98.33 m,岩性以中、粗粒砂岩为主,富水性中等,渗透性相对较强。由于采动破坏了煤层与围岩的原始平衡关系,煤层顶板岩体因自身成分与结构形态的不同而呈现出不同的运移状态,最终形成新的结构与构造形态,以使自身趋于稳定,与周围地质体形成新的平衡。因而,工作面回采后在采空区上部就会形成冒落带、裂隙带和弯曲带。其中冒落带和裂隙带组成导水裂隙带,导水裂隙带波及到上覆含水层,将会引起上覆含水层地下水沿裂隙带涌入矿井。

2.2 预测方案

相关分析[8]是根据用水量与主要生产因素之间相关关系的密切程度建立回归方程,结合采掘计划,预测矿井涌水量。根据对实际资料的统计,多元复相关预测比单相关预测效果好,其回归方程表达的影响因素更为全面。基于资料收集成果,本次采用相关分析法进行预测与拟合。本次收集了煤矿2014年1月至2022年12月逐月矿井涌水资料,确定了预测及拟合方案。首先选取典型工作面,进行生产要素与涌水量相关性分析,确定显著相关的生产要素;然后将数据分为2个时间段,第一时间段为2014年1月至2020年12月,第二时间段为2021年1月至2022年12月,并应用多要素相关(回归)分析法对第一时间段的数据进行分析,确定回归方程;然后将第二时间段逐月生产要素数值代入,预测第二时间段逐月涌水量,与第二时间段逐月实际涌水量拟合;最后,进行预测结果准确性判定及分析。

2.3 相关性分析

选取A工作面,统计了A工作面开采过程中生产因素(包括开采面积、原煤产量、采掘长度、采高)与涌水量相关数据,各生产因素与涌水量的散点图如图1所示,相关性分析结果见表2。

图1 矿井涌水量与生产因素散点图Fig.1 Scatter diagram of mine water inflow and production factors

表2 矿井涌水量与生产因素相关表

由图1和表2可以看出,矿井涌水量与开采面积、原煤产量、采掘长度具有显著相关性,采高对涌水量的影响相对不显著(相关系数为0.456)。

2.4 确立回归方程

采用2014年1月至2020年12月逐月矿井涌水量与开采面积、原煤产量、采掘长度等数据,进行多元相关计算,求得多元线性相关回归方程为

Q=0.128X1-0.015X2-1.115X3+64.76

(1)

式中,Q为矿井涌水量,万m3;X1为原煤产量,万t;X2为采掘长度,m;X3为开采面积,万m2。

将2021年1月至2022年12月生产因素数据代入式(1),即求得对应的矿井涌水预测值,预测值与实测值拟合程度如图2所示。由图可见,预测值与实测值拟合效果良好。

图2 涌水量预测值与实测值拟合程度Fig.2 Fitting degree between predicted and measured water inflow

2.5 准确性分析

矿井涌水量预测以数据统计为基础,数学计算为手段,不可避免地会出现观测误差、模型误差、截断误差、舍入误差等导致预测值与实际观测结果存在偏差,对这种偏差或者预测准确性的判定,可以评价相关预测成果的科学性和可靠程度[9-11]。贺晓浪等[12]开展矿井涌水量预测方法的改进及结果准确性判定,论述了矿井涌水量预测结果准确性判定的绝对差值法和相对差值法2类基本判定方法,提出了涌水量准确性判定的经济型、安全型、偏离型的预测结果准确性等级分级标准,见表3。

表3 涌水量预测准确性等级判定标准

按照上述准确性判定方法对本次预测成果进行评价,见表4。

表4 预测结果评价一览表

由上述预测结果评价可以看出,矿井涌水量相对差值为-4.29%～31.14%;由预测准确性等级分级结果可以看出,经济型等级占比62.5%,安全型+经济型等级占比95.2%,偏离型等级占比4.2%。为进一步对预测结果精度进行分析,本次采用剩余标准差SE评估涌水量预测值的精度。剩余标准差也称均方差,反应预测值与实测值的离散化程度,即

(2)

3 结论

(1)基于典型工作面生产数据,开展矿井涌水量与生产因素相关性分析,最终确定采用与矿井涌水量具有显著相关性的开采面积、原煤产量、采掘长度等生产因素作为预测变量。

(2)选择相关(回归)分析法作为预测方法,采用2014年1月至2020年12月逐月矿井涌水量与开采面积、原煤产量、采掘长度等数据,经计算求得多元线性相关回归方程,将2021年1月至2022年12月生产因素数据代入回归方程,求得了对应的月度矿井涌水量预测值,预测值与实测值拟合效果良好。

(3)采用相对差值法及剩余标准差评价了预测结果,确定经济型等级占比62.5%,安全型+经济型等级占比95.2%;本次71%的预测值均落在实测值左右各一个剩余标准差范围内,说明在综合考虑开采面积、原煤产量、采掘长度等生产因素基础上求得多元线性相关回归方程的预测拟合良好,对煤矿同水平不同采区涌水量预测具有较高的参考价值。

(4)本次预测基于煤矿一水平生产数据,对于多水平同时开采时,开采条件下水文地质条件将更加复杂,预测难度也将增大,该多元线性相关回归方程的适用性及精度尚需生产验证。