曲線擬合法在煤礦礦坑涌水量預測中的應用研究

洪勇

曲線擬合法在煤礦礦坑涌水量預測中的應用研究

洪勇

（福建省交通規劃設計院，福州350000）

摘要本文在廣泛調查、研究、收集資料的基礎上，分析礦區的工程地質、水文地質條件，研究了礦區礦坑涌水量的影響因素，采用回歸分析方法中的曲線擬合方法建立各影響因素與涌水量間的數學模型，并進行涌水量預測。

關鍵詞礦坑涌水量預測曲線擬合法應用

1　前言

礦坑涌水量是礦山制定疏干排水設計的主要依據。礦坑涌水量的大小，直接影響礦山基建工程的投資規模、煤炭生產成本和礦山生產經濟效益的高低，也影響著礦山治水方案的確定。基于礦坑涌水量預測的重要性，通過對涌水量預測理論的研究與礦區礦坑涌水量及其影響因素多年的實測資料，本文通過曲線擬合方法，采用最小二乘原理建立了礦坑涌水量與各影響因素間的數學模型，并對湖南省某煤礦開采至更深水平時礦坑涌水量大小進行預測。

2　工程概況

本文所研究的煤礦礦區位于湖南省寧鄉縣，礦區面積約29.5平方公里。是湖南省著名的產煤主力礦區，主要由躍進、西峰侖、竹山塘、五畝沖四個煤礦組成，礦區煤產量約在90萬噸/年。

該礦是聞名全國的巖溶大水礦區之一。區內地形屬于丘陵緩坡類型，地勢西北低，東南高，屬侵蝕溶蝕堆積地貌。評估區內植被較發育，溝谷中有大片稻田，山坡上樹木較多。

礦區內地層從新到老依次為第四系的覆蓋層；白堊系的砂礫巖；上二疊統龍潭組泥巖、砂質泥巖及煤系地層；長興組的灰巖；下二疊統棲霞組、茅口組及中上石炭統壺天群的灰巖。礦區內地質構造發育，主要發育有斷層和褶皺。礦區主要構造平面詳見圖1。

3　礦區地下水的補、徑、排情況

區內地表水系發育，溈水及其支流由西向東流經礦區南部，黃材灌渠、洋泉湖灌渠、五畝沖水渠、煤炭壩小河等呈放射狀分布，構成自然灌溉網。礦區各礦礦界及地表水系詳見圖2。

圖1　礦區主要構造平面圖

圖2　　礦區各礦礦界及地表水系

本區地下水極其豐富，根據地下水的賦存空間將地下水分為孔隙水、裂隙水和巖溶水。地下水通過一定的通道進入礦坑。礦井充水通道主要為地下水集中徑流帶，采礦造成的裂隙通道，斷層破碎帶通道，其次還有疏干引起的塌陷洞通道和鉆孔通道等。總之，礦區各含水層已經形成了一個統一的聯系體，對礦坑充水產生綜合影響。

因此，礦區的水文地質條件極為復雜，邊界條件較難確定，預測礦坑涌水量難度較大。

4　曲線擬合法預測礦坑涌水量

4.1參數選取

一般來說，巖溶地區礦坑涌水量主要與礦坑的開拓面積、地下水位降深及降雨量有關。根據礦區多年的觀測數據［1］（如表1），經過統計分析，建立礦坑涌水量與其影響因素之間的相關分析表（表2），從表中可以發現，礦坑涌水量與礦坑開拓面積、地下礦坑開拓水平、年降雨量的相關系數（r）分別為0.99、0.961、0.301。說明年降雨量與礦坑涌水量相關性弱。

表1　礦區礦坑涌水量與其影響因素實測值

表2　礦坑涌水量與其影響因素的相關分析表

通常巖溶區的平均滲透系數隨著降深的增加而逐漸減小，越往深處開采，其平均滲透系數變化越緩慢。因此，在擬合礦區涌水量預測函數時可以不考慮降雨量的影響，也不考慮滲透系數變化帶來的影響，只考慮礦坑開拓面積與礦區地下水位降深對礦坑涌水量的影響。

4.2涌水量預測函數擬合模型［2］-［5］

由于礦區礦坑涌水量與礦坑開拓面積和礦坑開拓水平有關，故設礦區礦坑涌水量預測函數為：

其中：Q——礦坑涌水量（m3/h）；

S——礦井地下水位降深（m）；

F——礦井采空區面積（km2）；——待定參數。

用矩陣可表示為：

根據公式（2）矩陣化的函數模型，把表1中實測

數據代入式（2）中解得：

則：a0=182，a1=0.41，a2=0.23

因此該擬合函數可表示為

4.3擬合函數顯著性檢驗及預測結果分析

根據擬合礦坑涌水量預測函數式（3），代入表1中的數據，建立擬合函數預測的礦坑涌水量與實測礦坑涌水量表（表3）。

表3　用擬合函數預測的礦坑涌水量與實測礦坑涌水量表

根據表3的數據，利用SPSS軟件的計算，上述擬合函數的擬合優度檢驗值和F值所對應的相伴概率值分別如表4所示。

從表4可以看出，R2接近于1，F值所對應的相伴概率小于給定的顯著水平（0.05），故可斷定所擬合的涌水量預測函數擬合程度較高，回歸方程顯著。

根據礦區開采末期的開發利用方案與礦區煤炭資源儲量報告，該礦還可以開采約10年。10年之后礦區的開拓面積為12.095km2；地下水位將降至-461.7m，地下水動態系數n=1.118（多年實測資料的平均值），故預測開采末期礦坑涌水量：Q正常=13590m3/h；Q最大=Q正常×n=15193m3/h。

5　結論

（1）根據礦區的水文地質條件和礦山的開采狀況，擬合了礦坑涌水量預測函數：。通過回歸分析，證明擬合函數的擬合程度較好，回歸方程顯著性較高。

（2）利用曲線擬合法預測該煤礦開采末期礦坑涌水量為：Q正常=13590m3/h；Q最大=Q正常×n=15193m3/h。

（3）預測未來礦坑涌水量的目的主要是為了制定合理的疏干排水方案，避免發生淹井事故。根據《煤礦安全規程》規定，當礦坑的正常涌水量大于1000m3/h時，主要水倉的有效容積應能容納4h的礦坑正常涌水量，且滿足V水倉=2×（Q正常+3000）［6］。根據礦區的實際礦坑涌水狀況，建議礦區應合理的布置水倉位置及水倉的容量。

參考文獻

［1］地質部礦區水文地質干部進修班.礦坑涌水量預測方法.中國工業出版社，1963.9.

［2］劉曉莉，陳春梅.基于最小二乘原理的分段曲線擬合法.伊犁教育學院學報，2004，17（3）

［3］工廣斌，劉義倫，金曉宏，何玉輝.基于最小二乘原理的趨勢項處理及其MATLAB的實現.分析研究，2005（5）.

［4］劉曉莉，陳春梅.基于最小二乘原理的分段曲線擬合法.伊犁教育學院學報，2004，17（3）.

［5］易芳.采用MATLAB的線性回歸分析.軟件技術，2004，23（1）.

［6］《安全生產、勞動保護政策法規系列專輯》編委會.煤礦安全規程.中國勞動社會保障出版社，2003.

表4　擬合優度檢驗和F值所對應的相伴概率值