礦區采煤工作面實時涌水量預測分析

蔡江林 張紫瑤 周川江 張歷彩 馮紹輝

（六盤水師范學院礦業與土木工程學院，貴州六盤水 553004）

0 引言

煤礦礦井水的預測是井下排水系統設置的重要依據，也是水害發生后及時逃生的關鍵，更是煤礦智能化建設的核心技術。目前，礦井涌水量仍舊受到多方面因素的制約，如水文特征、氣候影響、地貌特征、構造斷裂、地層巖性等，這些相關影響因素難以準確給出。且礦區地下水流速極其緩慢，這就給采煤工作面實時涌水量預測帶來了挑戰，普通用于測量水流速度尺度較大的測量裝置無法用于礦區地下水領域。這就給由多種因素構造而成的礦井涌水量非線性預測模型與實際情況之間帶來了非常大的阻礙。目前，礦區涌水量非線性預測主要有以下幾種方法：一是基于流域間的相同性，將情況類似的流域水文資料沿用到該研究領域的比擬法，此方法具有簡單、經濟使用等優點。但是，由于各地礦區的水文地質條件不盡相同，特別是充水因素變化莫測，會因時而異、因地而異。因此，對于比擬法的計算公式的修正較為模糊，且比擬法缺少地質條件相似性的認識；二是利用水文地質條件，運用模擬公式進行工作面涌水綜合計算，此方法具有適應能力強、快捷簡便等優點；三是采用地下水模擬計算軟件GMS 中M ODFLOW 計算模塊、PEST 參數反演模塊及其強大的前處理、后處理功能以及卓越的三維可視效果，對礦區礦坑涌水量進行模擬預測。此模擬方法常用于研究預測礦坑的涌水量中，不僅可信度高，而且運用便捷。以上幾種方法在長期運用中均不同程度的存在以下幾種問題：（1）比擬法缺少地質條件相似性的認識；（2）解析法設置的解析條件過于苛刻，實際無法滿足；（3）數值法缺少水文地質參數；（4）統計法缺少歷史資料的積累。

1 礦區涌水量預測方法發展趨勢

水文地質比擬法是指以礦坑的涌水量結果為依據，并在現有的生產礦井的水文地質資料基礎之上，類比推算、預測出其余地質條件類似的礦區涌水量的方法[1]。此方法擁有計算較簡單、經濟等優點。然而，影響礦區涌水量的因素非常多，比如地質構造、地應力、含水層的水頭壓力以及富水性等多種其他因素[2]。且各個因素直接聯系非常復雜。因此，在使用該方法時，必須通過多次的水文數據采集和分析研究來確定影響礦區涌水量的主要因素，且選擇合適的涌水量計算公式和適當的修正參數才可能使計算量同實際涌水量的差值最小。在后續的發展中，對相似度的準確定位以及對各個影響因素的修正系數的準確度是一個可能的發展趨勢。礦區涌水量曲線模擬方程法的原理是利用鉆孔抽水實驗得出涌水量與水位的關系曲線圖，再通過曲線圖推測計算出未來一段時間內的涌水量狀況。此方法的優勢在于其可以適用于較為復雜的礦井水文地質條件，值得注意的是，其使用要求在于待開采的礦井條件要與鉆孔抽水的水文地質條件類似[3]。地下水模擬系統（簡稱“GMS”）是一款目前世界使用較為廣泛的地下水數值模擬軟件，此軟件由美國楊百翰大學的環境模型研究實驗室基于Modflow、Modpath 等已有地下水模型上研發而成的一個具有綜合模擬地下水的圖形界面軟件[4]，該方法是通過GMS 中的modflow 計算模塊，將復雜地形的地下水情況呈現出來，反映地下水的真實狀況，然后利用軟件回饋的數值來計算工作面的涌水量。此方法的優點是可以建立三維的地質模型、模擬三維真實含水層，得出的數據較真實可靠。

2 現有礦區涌水量預測方法存在的問題

礦井涌水量是用于評價水文地質條件復雜程度的重要指標，對于指導礦井的排水設施建設、保障煤礦安全生產有著不可替代的重要價值，而影響礦井涌水量的因素多而雜[5]。且預測礦井水涌水量的方法或多或少都存在一定的局限性。如果要正確的準確的去預測煤礦的出水量，我們需要完整的去了解預測礦井涌水量的各種方法，了解每種方法的不足之處，在之后去找出對應的解決方式，使其適應性更強。

相關分析法是一種統計分析方法，利用礦井涌水量和各種影響因素的統計關系，建立回歸方程[6]。但是其要使用許多更全面且實地考察得來的數據，其好的地方在于此類方法與其它方法相比較，其不需要使用水文地質參數；一些額外的因素也不能對其造成一定的擾動。這種方式有他的好處，同樣也有他限制的地方。例如在擬定相應的回歸方程時，使用的每一個參數可能或多或少都存在著一定的制約關系。并且在礦井掘進進度的加快時，各個因素也在不同程度的變化，以此就會在不同掘進深度產生不同的計算公式。計算公式就難以做到相統一，這會使得我們在進行礦區涌水量計算時，針對不同的礦區，我們更需要去因地制宜，對不同的礦區的地層條件，地質構造做出進一步的選擇，去使用當地礦區不同的地質條件擬定適用于該礦區的綜合涌水量計算公式。這樣才能有效的、準確的對該礦區的涌水量進行預測，切不可盲目的使用其它礦區或者前人已有的經驗公式進行預測，應該根據實際的情況進行調整或者重新擬定相應的預測公式。

總的來說，礦井涌水量的預測方法多種多樣，且每種方式都存在各自的長短，值得注意的是，他們都要通過取得實地水文地質數據，去構建理論模型。此時就存在一定的取長補短的關系，將其結合起來使用到不同礦區之中，也許能更好的完成對不同礦區礦井水的預測。隨著科技的發展，在該領域也涌現出很多新型的預測手段。這些方式大多都伴隨著科技創新，使用一些自主研發的或已有的機械設備并通過計算機系統以顯示各種礦區的實時涌水量的預測，并且一些研發較好的設備還能對礦區礦井水實時流速和流向的監測，做到真正的實時監測，能有效的對礦區安全生產、保水采煤提供保障。