礦井涌水量預測方法適用性選擇研究初探*

張楠 李皓冰 杜凱 郭欣偉 李昭悅

(黃河水利委員會黃河水利科學研究院 鄭州 450003)

0 引言

據發改委和國家能源局聯合印發《礦井水利用發展規劃》中明確指出：2015年我國煤礦礦井水排放量約71億m3，占各類礦井水排放總量的80%以上。顧大釗等[1]指出：我國煤炭行業年礦井水利用率僅有25%左右，每年損失的礦井水量約60億m3，而我國每年工業和民用缺水總量約100億m3。對不缺水的地域來說，礦井水就是廢水，但是對于缺水的地域來說，礦井水是寶貴的資源[2]。

為貫徹“綠水青山就是金山銀山”“加快生態文明建設進程”等思想理念，一系列改革措施先后實行，在缺水地區加強礦井水等非常規水多元、梯級和安全利用，強制推動非常規水納入水資源統一配置，逐年提高非常規水利用比例。

現階段，我國對已建礦井采取計量監測數據統計礦井涌水量、外排水量；對規劃建設煤礦采用預測方法進行預測，因礦井涌水量影響因素較多且較為復雜，預測難度相對較大，易導致計算誤差偏大。據統計，預測礦井涌水量與開采后礦井實際涌水量相比，誤差小于30%的礦區僅有10%，80%的礦區誤差超過50%，部分礦區誤差高于100%，嚴重時相差10倍以上[3-4]。預測涌水量與實際涌水量相差較大具有以下幾方面的原因：礦井水文地質條件未查清或認識不足、水文地質參數空間差異性造成求參存在誤差或取值不妥、預測方法或數學模型選擇不當等。

預測量的誤差一方面給水資源論證、取水許可審批帶來較大的困難，另一方面直接關系到企業的安全生產和經濟效益。綜上，厘清礦井涌水量影響因素，梳理我國礦井涌水量已有計算方法的特點及其適用性，有助于降低管理部門水資源論證、取水許可審批風險，有助于企業實現礦井水變廢為寶，實現非常規水資源納入水源統一配置，緩解水資源供需矛盾，提高區域水資源配置效率。

1 礦井涌水量的影響因素

1.1 水文地質條件

礦井水文地質條件是影響礦井涌水量的關鍵因素，一是反映在含水層厚度、裂隙巖溶發育情況、富水性和補給來源，一般情況下他們與礦井涌水量呈正相關關系；二是反映在開采煤層與當地侵蝕面、區域地下水位關系，當位于其以下，補給關系密切，則礦井涌水量較大；三是與入滲系數大小呈正相關關系。

1.2 地質構造特征

礦井涌水量的大小與地質構造特別是褶曲斷層有直接關系，地質構造對地下水、地表水起到連接、導水的作用，局部兼有阻滯溢作用，作用大小主要取決于褶曲斷層補給來源豐富程度和斷層兩盤含水層、隔水層對接情況。

1.3 煤層開采階段

煤礦開采的不同階段，礦井涌水量變化差異明顯，一般分為4個階段：第一階段煤礦開采初期，即由基建到達產期間，揭露的含水層相對較多，各含水層處于自然飽和狀態，隨著開采工作面的不斷擴大，煤層上覆各類補給水源的直接滲入礦坑，補給量較大，礦井涌水量逐漸增大；第二階段在煤礦開采達到一定時期后，一般不會大面積揭露新的含水層，由于開采時間的增加，含水層水位不斷降低，部分含水層由承壓轉變為無壓，礦井涌水量處于補、徑、排平衡狀態；第三階段在煤礦開采進入后期，含水層部分被疏干，導水裂隙帶逐步被充填，入滲補給量逐步減少，礦井涌水量逐步減少；第四階段當煤礦開采進去末期(停采)，礦井涌水量變小，由于煤層底部隔水層的存在，逐步積水形成“地下水庫”。

1.4 大氣降水

大氣降水和地表水是礦井水的補給源之一。開采第一階段，降水量與礦井涌水量呈同向關系；開采第二階段，礦井涌水量處于補、徑、排平衡狀態，降水量與礦井涌水量關系并不明顯；開采第三、四階段，降水量與礦井涌水量關系呈反向關系。

1.5 開采面積

受開采規劃的影響，煤礦開采面積逐年增加，礦井涌水量與開采面積關系和開采階段規律相同，即開采第一階段，隨著開采面積的增大，礦井涌水量增大；第二、三、四階段，礦井涌水量處于補、徑、排平衡狀態再到補小于排狀態，開采面積和礦井涌水量并無直接對應關系。

1.6 開采煤層厚度

開采煤層厚度與礦井涌水量關系密切，開采煤層厚度越大，“上三帶”(冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶)影響越大，導水裂隙帶貫通上覆含(隔)水層相對越多，上覆補給水量增大，礦井涌水量增大。

1.7 煤炭開采量

開采量與礦井涌水量具有一定的相關性，煤水共存。在一定的水文、地質、氣象條件下，礦井涌水量與煤炭開采量正相關。開采第一階段，礦井涌水量與煤炭開采量正相關；開采第二階段，隨著含水層逐步打開，含水層逐步被疏干，開采量的增加與礦井涌水量逐步呈負相關性；第三、四階段，開采量進入穩定時期，礦井涌水量相對比較平穩。

通過上述礦井涌水量影響因素分析發現：礦井涌水量受礦區水文地質、氣象、開采狀況等多因素影響，涌水量往往因某個因素的變化而發生突變，但在煤礦開采的某一個階段內，礦井涌水量變化明顯。

2 礦井涌水量的計算方法及評述

2.1 計算方法梳理

梳理我國現有礦井涌水量計算預測方法[5-8]，主要有確定性和非確定性2大類。受理論和資料的限制，不同的預測方法均存在一定的局限性，在實際計算預測中需要根據勘測、水文地質、氣象條件、生產階段等實際情況選取適宜的計算方法。各預測方法的特點及局限性如表1所示。

表1 不同礦井水涌水量計算預測方法的特點及局限性

續表1

2.2 不同階段預測方法綜述

(1)勘探階段

通過水文地質勘探獲取的水文地質條件詳實程度較低，參數較少，是對礦區水文地質條件的最初認識。該階段礦井屬于未建階段，適用方法主要為解析法、水均衡法和比擬法。

解析法一般根據礦區資料確定邊界條件，概化水文地質模型，能夠達到勘探預測精度的需求；水均衡法僅能利用礦區所在區域邊界內水均衡數據資料進行礦區水均衡計算，一般精度不高；比擬法適用于周邊已經存在投產運營礦井，并且其水文地質條件相似、開采方法基本相同的礦井。

(2)井巷開拓階段

該階段礦井屬于已建階段，根據施工過程中涌水量及周邊觀測孔監測數據(水位降深)等情況可以全面查明井巷周邊水文地質條件。該階段獲取的水文地質參數可靠性較高。該階段利用解析法計算預測礦井涌水量精度較高。

(3)采掘階段

該階段礦井屬于已建階段，即1.3節所述煤層開采4個階段。因開采過程相對較長，可以獲取長序列涌水量監測數據資料。非確定性方法如灰色系統理論、時間序列分析、神經網絡等計算預測方法在該階段可以發揮其數據要求。該階段水文地質條件和邊界條件已經明確，也可為確定性方法中數值模擬法提供充分的涌水量及相應的水位變化等資料情況。

3 礦井涌水量預測遵循的原則及預測過程

3.1 遵循的原則

(1)基礎：查明開采煤礦的充水因素、水文地質條件、排泄方式。

(2)過程：貫穿礦區水文地質勘探及其生產全過程。

(3)程度：在對水文地質、氣象等條件的不斷深入中不斷修正、完善。

(4)精度：在全面掌握監測數據資料、利用臨近相似水文條件礦井的相關資料的基礎上，分析充水條件，選擇適宜的預測方法。

3.2 預測過程

依據礦井涌水量遵循原則及不同階段礦井水預測方法適用性，系統考慮礦井水影響因素，形成礦井水漏水量計算預測流程，如圖1所示。

圖1 礦井水涌水量計算預測流程

4 結論及建議

4.1 結論

(1)礦井涌水量主要由水文地質條件、地質構造特征、煤層開采階段、大氣降水、開采面積、采煤厚度、開采量等影響因素決定；礦井涌水量的計算預測方法主要有確定性(數值模擬法、解析法、水均衡法)和非確定性(比擬法、模糊數學法、灰色系統、時間序列法、相關分析法、神經網絡法)預測方法。

(2)勘探階段適用方法主要為解析法、水均衡法和比擬法；井巷開拓階段適用方法主要為解析法；采掘階段當明確水文地質條件、邊界條件時適用方法為數值模擬法，而開采程度低、水文地質條件簡單的礦井，適用方法主要為灰色系統理論、時間序列分析、神經網絡等非線性預測方法。

4.2 建議

2019年《國家節水行動方案》(發改環資規[2019]695號)中明確提出：在缺水地區加強礦井水等非常規水多元、梯級和安全利用，強制推動非常規水納入水資源統一配置，逐年提高非常規水利用比例，并嚴格考核；2019年《關于進一步加強和規范非常規水源統計工作的通知》(節辦約[2019]241號)中強調：要明確非常規水源利用量的統計口徑。面對這些要求，各級技術部門應根據礦井實際情況，選擇合理的計算預測方法，進行階段性預測管理，降低預測誤差。此舉一方面有助于降低管理部門水資源論證審批風險，另一方面有助于企業礦井水綜合利用管理。此外，在梳理我國礦井水預測方法適用條件的同時，建議水行政主管等部門在《建設項目水資源論證導則》《采礦業建設項目水資源論證導則》等的相關技術要求修訂中推薦在不同開采階段合理選擇預測方法，做到精準化預測，以實現非常規水資源納入水源統一配置，緩解水資源供需矛盾，提高區域水資源配置效率。