礦井涌水量預測方法

林劉軍

摘 要：正確預測未來礦井涌水量，是一項重要而復雜的工作，是礦床水文地質調查的主要任務之一。它是確定礦床水文地質條件復雜程度的重要指標之一，對礦床的經濟技術評價有很大的影響。因此，要求在礦床水文地質調查時，根據獲得的資料，按精度要求正確地評價未來礦山開發各個階段的涌水量。

關鍵詞：礦井涌水量；礦井涌水量預測；灰色系統理論

前言

礦井涌水量預測其內容與要求包括以下四個方面：（1）礦井的正常涌水量，指開采系統達到某一標高（水平或中段）時，正常狀態下保持相對穩定時的總涌水量，通常是指平水年的涌水量；（2）礦井最大涌水量，指正常狀態下開采系統在豐水年雨季的作大涌水量；（3）開拓井巷涌水量，指包括井筒和巷道在開拓過程中的涌水量；（4）疏干工程的排水量，指在規定的疏干時間內，將水位降到某一規定標高時所需的疏干排水強度。而我們這次需要預測的僅僅是礦井正常涌水量，即指平水年的涌水量。

1 礦井涌水量預測的基本原則

由于煤礦井下復雜的水文地質條件及特殊工作環境，影響煤礦井下涌水量大小的因素眾多，大氣降水、地表水、含水層水、巖溶陷落柱水、斷層水，以及舊巷和老空積水都有可能涌入煤礦井下的生產空間，礦井開采煤礦的賦存條件、水文地質條件，開采之后形成的斷裂帶高度，以及煤層本身與圍巖的孔隙和裂隙的大小，都在一定的程度上影響著礦井涌水量的大小，這就給煤礦生產過程中的涌水量預測帶來了很大的困難，但是礦井涌水量預測時，必須遵循三個基本原則：（1）查清條件；（2）計算參數要有代表性；（3）正確選擇數學模型。

2 礦井涌水量預測的常用方法簡介。

2.1 水文地質比擬法

是在水文地質條件相似的情況下，從已知涌水量推測未知涌水量 。其應用條件最主要的是新、老礦井的水文地質條件要基本相似；老礦井要有長期的詳盡的礦井水文資料。

2.2 相關分析法

是應用數理統計的方法，研究礦井涌水量與影響之間的概率規律，從而列出合乎客觀規律的數學方程式，借以達到預測礦井涌水量的目的。其特點是精度較高，同時計算過程中，避開各種水文地質參數，使計算顯得簡便，是生產礦井預測涌水量的好方法。

2.3 水均衡法

水均衡法是通過對地下水動態與補給、排泄條件的研究，建立礦區在一定時間地下水補給量（A）與相應的排泄量（B）和變化量（C）關系的數學表示式，即A=B+C。從而達到涌水量預測的目的。因此，查明礦區范圍內地下水補給、排泄條件，研究將來礦井輸降排水過程，可能產生的水量的變化，合理確定均衡項目和取得各項目的數據，才能進行水均衡計算。

2.4 解析法

解析法又稱地下水動力學法，它是對地下水運動的微分方程式給予定解條件進行解析解，得出一個公式，再用這個公式解決實際生產問題。運用解析法計算涌水量需要很實際的參數：（1）滲透系數（k）；（2）含水層厚度（m）；（3）引用半徑（ro）；（4）引用補給半徑（Ro）；（5）設計水位降深（s）和含水層水頭值（H）；（6）導水系數（T）；儲水系數（S）；導壓系數（a）。我們要正確合理的利用這些參數去預測礦區的涌水量值。

2.5 灰色系統理論

灰色系統理論屆系統論的范疇，灰色指信息不完全，灰色系統是信息不完全的系統，灰色系統理論以信息不完全系統的行為表現、行為內函、行為關系、行為環境的選取性、動態性、信息性、量化性等為主要目的。灰色系統目前已應用到農業、經濟、社會、生態、氣象、醫學、控制、地理、歷史、體育、管理、政法、水利、地質、地震、環境等多個領域。尤其是軍事領域，灰色系統理論與應用的研究，發展快，涉及面廣；成果也多。它涉及到軍事預測與決策；戰賂與戰術，信息與信息處理，軍事目標識別等。

灰色系統目前的主要內容包括：

（1） 灰觀念：如認識無窮盡公理，灰性不滅原理，層次無限可分原理，自性相對原理、解的非唯一性、信息可補充性等。

（2） 灰生成：如層次轉換，互補規律引用，內涵顯露與轉化、量化。

（3） 灰關聯：建立整體比較機制，克服兩兩比較的局限性。吸收距離空間的量化特性，吸收點集拓撲空間的整體比較內涵，升華成為灰關聯空間。態灰父聯空間中，可辨別系統因子的權重，確定因子的序化關系，劃分系統主行為。

（4） 灰建模：在廳列的基礎上，建立近似灰色微分方程模型.因為微分方程是以連續可微函數為背景的、作為序列不可能“連續”“可徽”。為此灰色系統理論：從序列角度剖析一般微分方程的構成條件“，然后對那望逐倔巡鎬定上述條件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，記為GM灰模型可以只用四個數據建立。

（5） 預測：以灰色模型GM入門：為基礎，對事物的時間分布，數值分布進行預測、灰預測包括：數列碩酗，即一般的數列預測，是灰色預測的一種通用方法；災變預洲、即異常疽時間分布規律的預測：如洪災、旱災等；季節災變預測，發生在特定時區內的異常值，做時間分布的預測；拓撲預測，一個離亂的，非單調變化波形，按不同拓扦基確定閥點進行預洲；系統預測，系統在多種因子作用下，對其發展變化進行預測。

（6） 灰決策：灰決策一般指測度空間的決策。測度空間是目標極性一致化的空間。測度是目標樣本的油象，在測度空間，測度大，可以代表效益好也可以代表損耗小，可以代表“樣本”適中。所以測度的轉換，是多目標到單目標的轉換。灰決策一般可分為，灰局勢決策，灰層次決策，灰規劃，灰多維規化等。

（7） 灰控制：目前主要是灰色預測控制。這是單序列建模的控制，每個采樣時刻建立一個實時動態模型，因而時間變、模型變、參數變t行為變、控制變以適應不同嘆音、不同參數、不同要求、克服了處理復雜隨機過程的困難，提高了控制的實時性和精度，增加了適應性。

3 研究區涌水量的預測

3.1 相關分析法

我們收集研究區歷年涌水量和開采面積資料，經過整理、修正后得出涌水量-開采面積關系曲線及其公式、相關系數R2。

從以上分析我們將開采面積與歷年涌水量經過擬合得出關系如上圖，并且用公式Y=27.347*Ln（X）+45.342計算結果得出其最大偏差值-14.515M3/h，最小偏差值-0.36257M3/h，還有其相關系數R2=0.7101。我們可以看出涌水量與開采面積關系密切，在今后的工作中我們可以參考此公式進行預測礦區涌水量。

3.2 解析法

我們用“大井法”預測研究區O灰含水層的涌水量，把整個礦井作為一個大井，以便利用地下水動力學公式計算涌水量。

研究區的水文地質有關參數：O灰含水層厚度M=310m；含水層平均水頭H=444～447m；滲透系數K=0.00635～2.7米/日；礦區周長P=21275m。

根據上述條件，采用大井法預測涌水量，由于開采過程中煤層被斷層所隔開，承壓水應降至隔水底板以下，所以用承壓轉無壓公式，即：

Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/（lgR0-lgr0）

K：滲透系數；H：平均水頭高度；M：含水層厚度；h：自含水層底板算起的井中動水位高度；R0：引用補給半徑；r0：引用半徑

由于礦區為不規則多邊形，因此引用半徑用以下公式：

r0=P/2π=6772.04m

從而得：R0=R+r0=28648.58m

所以，

Q=1.366×1.353175[（2×445.5-310）×310-0]/（lg28648.58-lg6772.0

4）=504427.27米3/日

此數據為整個礦區總涌水量。

參考文獻

[1]張長文，付斌，等.礦井突水問題得研究[J].煤炭科技，2004.

[2]張人權.水文地質學基礎[Z].2011.endprint

摘 要：正確預測未來礦井涌水量，是一項重要而復雜的工作，是礦床水文地質調查的主要任務之一。它是確定礦床水文地質條件復雜程度的重要指標之一，對礦床的經濟技術評價有很大的影響。因此，要求在礦床水文地質調查時，根據獲得的資料，按精度要求正確地評價未來礦山開發各個階段的涌水量。

關鍵詞：礦井涌水量；礦井涌水量預測；灰色系統理論

前言

礦井涌水量預測其內容與要求包括以下四個方面：（1）礦井的正常涌水量，指開采系統達到某一標高（水平或中段）時，正常狀態下保持相對穩定時的總涌水量，通常是指平水年的涌水量；（2）礦井最大涌水量，指正常狀態下開采系統在豐水年雨季的作大涌水量；（3）開拓井巷涌水量，指包括井筒和巷道在開拓過程中的涌水量；（4）疏干工程的排水量，指在規定的疏干時間內，將水位降到某一規定標高時所需的疏干排水強度。而我們這次需要預測的僅僅是礦井正常涌水量，即指平水年的涌水量。

1 礦井涌水量預測的基本原則

由于煤礦井下復雜的水文地質條件及特殊工作環境，影響煤礦井下涌水量大小的因素眾多，大氣降水、地表水、含水層水、巖溶陷落柱水、斷層水，以及舊巷和老空積水都有可能涌入煤礦井下的生產空間，礦井開采煤礦的賦存條件、水文地質條件，開采之后形成的斷裂帶高度，以及煤層本身與圍巖的孔隙和裂隙的大小，都在一定的程度上影響著礦井涌水量的大小，這就給煤礦生產過程中的涌水量預測帶來了很大的困難，但是礦井涌水量預測時，必須遵循三個基本原則：（1）查清條件；（2）計算參數要有代表性；（3）正確選擇數學模型。

2 礦井涌水量預測的常用方法簡介。

2.1 水文地質比擬法

是在水文地質條件相似的情況下，從已知涌水量推測未知涌水量 。其應用條件最主要的是新、老礦井的水文地質條件要基本相似；老礦井要有長期的詳盡的礦井水文資料。

2.2 相關分析法

是應用數理統計的方法，研究礦井涌水量與影響之間的概率規律，從而列出合乎客觀規律的數學方程式，借以達到預測礦井涌水量的目的。其特點是精度較高，同時計算過程中，避開各種水文地質參數，使計算顯得簡便，是生產礦井預測涌水量的好方法。

2.3 水均衡法

水均衡法是通過對地下水動態與補給、排泄條件的研究，建立礦區在一定時間地下水補給量（A）與相應的排泄量（B）和變化量（C）關系的數學表示式，即A=B+C。從而達到涌水量預測的目的。因此，查明礦區范圍內地下水補給、排泄條件，研究將來礦井輸降排水過程，可能產生的水量的變化，合理確定均衡項目和取得各項目的數據，才能進行水均衡計算。

2.4 解析法

解析法又稱地下水動力學法，它是對地下水運動的微分方程式給予定解條件進行解析解，得出一個公式，再用這個公式解決實際生產問題。運用解析法計算涌水量需要很實際的參數：（1）滲透系數（k）；（2）含水層厚度（m）；（3）引用半徑（ro）；（4）引用補給半徑（Ro）；（5）設計水位降深（s）和含水層水頭值（H）；（6）導水系數（T）；儲水系數（S）；導壓系數（a）。我們要正確合理的利用這些參數去預測礦區的涌水量值。

2.5 灰色系統理論

灰色系統理論屆系統論的范疇，灰色指信息不完全，灰色系統是信息不完全的系統，灰色系統理論以信息不完全系統的行為表現、行為內函、行為關系、行為環境的選取性、動態性、信息性、量化性等為主要目的。灰色系統目前已應用到農業、經濟、社會、生態、氣象、醫學、控制、地理、歷史、體育、管理、政法、水利、地質、地震、環境等多個領域。尤其是軍事領域，灰色系統理論與應用的研究，發展快，涉及面廣；成果也多。它涉及到軍事預測與決策；戰賂與戰術，信息與信息處理，軍事目標識別等。

灰色系統目前的主要內容包括：

（1） 灰觀念：如認識無窮盡公理，灰性不滅原理，層次無限可分原理，自性相對原理、解的非唯一性、信息可補充性等。

（2） 灰生成：如層次轉換，互補規律引用，內涵顯露與轉化、量化。

（3） 灰關聯：建立整體比較機制，克服兩兩比較的局限性。吸收距離空間的量化特性，吸收點集拓撲空間的整體比較內涵，升華成為灰關聯空間。態灰父聯空間中，可辨別系統因子的權重，確定因子的序化關系，劃分系統主行為。

（4） 灰建模：在廳列的基礎上，建立近似灰色微分方程模型.因為微分方程是以連續可微函數為背景的、作為序列不可能“連續”“可徽”。為此灰色系統理論：從序列角度剖析一般微分方程的構成條件“，然后對那望逐倔巡鎬定上述條件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，記為GM灰模型可以只用四個數據建立。

（5） 預測：以灰色模型GM入門：為基礎，對事物的時間分布，數值分布進行預測、灰預測包括：數列碩酗，即一般的數列預測，是灰色預測的一種通用方法；災變預洲、即異常疽時間分布規律的預測：如洪災、旱災等；季節災變預測，發生在特定時區內的異常值，做時間分布的預測；拓撲預測，一個離亂的，非單調變化波形，按不同拓扦基確定閥點進行預洲；系統預測，系統在多種因子作用下，對其發展變化進行預測。

（6） 灰決策：灰決策一般指測度空間的決策。測度空間是目標極性一致化的空間。測度是目標樣本的油象，在測度空間，測度大，可以代表效益好也可以代表損耗小，可以代表“樣本”適中。所以測度的轉換，是多目標到單目標的轉換。灰決策一般可分為，灰局勢決策，灰層次決策，灰規劃，灰多維規化等。

（7） 灰控制：目前主要是灰色預測控制。這是單序列建模的控制，每個采樣時刻建立一個實時動態模型，因而時間變、模型變、參數變t行為變、控制變以適應不同嘆音、不同參數、不同要求、克服了處理復雜隨機過程的困難，提高了控制的實時性和精度，增加了適應性。

3 研究區涌水量的預測

3.1 相關分析法

我們收集研究區歷年涌水量和開采面積資料，經過整理、修正后得出涌水量-開采面積關系曲線及其公式、相關系數R2。

從以上分析我們將開采面積與歷年涌水量經過擬合得出關系如上圖，并且用公式Y=27.347*Ln（X）+45.342計算結果得出其最大偏差值-14.515M3/h，最小偏差值-0.36257M3/h，還有其相關系數R2=0.7101。我們可以看出涌水量與開采面積關系密切，在今后的工作中我們可以參考此公式進行預測礦區涌水量。

3.2 解析法

我們用“大井法”預測研究區O灰含水層的涌水量，把整個礦井作為一個大井，以便利用地下水動力學公式計算涌水量。

研究區的水文地質有關參數：O灰含水層厚度M=310m；含水層平均水頭H=444～447m；滲透系數K=0.00635～2.7米/日；礦區周長P=21275m。

根據上述條件，采用大井法預測涌水量，由于開采過程中煤層被斷層所隔開，承壓水應降至隔水底板以下，所以用承壓轉無壓公式，即：

Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/（lgR0-lgr0）

K：滲透系數；H：平均水頭高度；M：含水層厚度；h：自含水層底板算起的井中動水位高度；R0：引用補給半徑；r0：引用半徑

由于礦區為不規則多邊形，因此引用半徑用以下公式：

r0=P/2π=6772.04m

從而得：R0=R+r0=28648.58m

所以，

Q=1.366×1.353175[（2×445.5-310）×310-0]/（lg28648.58-lg6772.0

4）=504427.27米3/日

此數據為整個礦區總涌水量。

參考文獻

[1]張長文，付斌，等.礦井突水問題得研究[J].煤炭科技，2004.

[2]張人權.水文地質學基礎[Z].2011.endprint

摘 要：正確預測未來礦井涌水量，是一項重要而復雜的工作，是礦床水文地質調查的主要任務之一。它是確定礦床水文地質條件復雜程度的重要指標之一，對礦床的經濟技術評價有很大的影響。因此，要求在礦床水文地質調查時，根據獲得的資料，按精度要求正確地評價未來礦山開發各個階段的涌水量。

關鍵詞：礦井涌水量；礦井涌水量預測；灰色系統理論

前言

礦井涌水量預測其內容與要求包括以下四個方面：（1）礦井的正常涌水量，指開采系統達到某一標高（水平或中段）時，正常狀態下保持相對穩定時的總涌水量，通常是指平水年的涌水量；（2）礦井最大涌水量，指正常狀態下開采系統在豐水年雨季的作大涌水量；（3）開拓井巷涌水量，指包括井筒和巷道在開拓過程中的涌水量；（4）疏干工程的排水量，指在規定的疏干時間內，將水位降到某一規定標高時所需的疏干排水強度。而我們這次需要預測的僅僅是礦井正常涌水量，即指平水年的涌水量。

1 礦井涌水量預測的基本原則

由于煤礦井下復雜的水文地質條件及特殊工作環境，影響煤礦井下涌水量大小的因素眾多，大氣降水、地表水、含水層水、巖溶陷落柱水、斷層水，以及舊巷和老空積水都有可能涌入煤礦井下的生產空間，礦井開采煤礦的賦存條件、水文地質條件，開采之后形成的斷裂帶高度，以及煤層本身與圍巖的孔隙和裂隙的大小，都在一定的程度上影響著礦井涌水量的大小，這就給煤礦生產過程中的涌水量預測帶來了很大的困難，但是礦井涌水量預測時，必須遵循三個基本原則：（1）查清條件；（2）計算參數要有代表性；（3）正確選擇數學模型。

2 礦井涌水量預測的常用方法簡介。

2.1 水文地質比擬法

是在水文地質條件相似的情況下，從已知涌水量推測未知涌水量 。其應用條件最主要的是新、老礦井的水文地質條件要基本相似；老礦井要有長期的詳盡的礦井水文資料。

2.2 相關分析法

是應用數理統計的方法，研究礦井涌水量與影響之間的概率規律，從而列出合乎客觀規律的數學方程式，借以達到預測礦井涌水量的目的。其特點是精度較高，同時計算過程中，避開各種水文地質參數，使計算顯得簡便，是生產礦井預測涌水量的好方法。

2.3 水均衡法

水均衡法是通過對地下水動態與補給、排泄條件的研究，建立礦區在一定時間地下水補給量（A）與相應的排泄量（B）和變化量（C）關系的數學表示式，即A=B+C。從而達到涌水量預測的目的。因此，查明礦區范圍內地下水補給、排泄條件，研究將來礦井輸降排水過程，可能產生的水量的變化，合理確定均衡項目和取得各項目的數據，才能進行水均衡計算。

2.4 解析法

解析法又稱地下水動力學法，它是對地下水運動的微分方程式給予定解條件進行解析解，得出一個公式，再用這個公式解決實際生產問題。運用解析法計算涌水量需要很實際的參數：（1）滲透系數（k）；（2）含水層厚度（m）；（3）引用半徑（ro）；（4）引用補給半徑（Ro）；（5）設計水位降深（s）和含水層水頭值（H）；（6）導水系數（T）；儲水系數（S）；導壓系數（a）。我們要正確合理的利用這些參數去預測礦區的涌水量值。

2.5 灰色系統理論

灰色系統理論屆系統論的范疇，灰色指信息不完全，灰色系統是信息不完全的系統，灰色系統理論以信息不完全系統的行為表現、行為內函、行為關系、行為環境的選取性、動態性、信息性、量化性等為主要目的。灰色系統目前已應用到農業、經濟、社會、生態、氣象、醫學、控制、地理、歷史、體育、管理、政法、水利、地質、地震、環境等多個領域。尤其是軍事領域，灰色系統理論與應用的研究，發展快，涉及面廣；成果也多。它涉及到軍事預測與決策；戰賂與戰術，信息與信息處理，軍事目標識別等。

灰色系統目前的主要內容包括：

（1） 灰觀念：如認識無窮盡公理，灰性不滅原理，層次無限可分原理，自性相對原理、解的非唯一性、信息可補充性等。

（2） 灰生成：如層次轉換，互補規律引用，內涵顯露與轉化、量化。

（3） 灰關聯：建立整體比較機制，克服兩兩比較的局限性。吸收距離空間的量化特性，吸收點集拓撲空間的整體比較內涵，升華成為灰關聯空間。態灰父聯空間中，可辨別系統因子的權重，確定因子的序化關系，劃分系統主行為。

（4） 灰建模：在廳列的基礎上，建立近似灰色微分方程模型.因為微分方程是以連續可微函數為背景的、作為序列不可能“連續”“可徽”。為此灰色系統理論：從序列角度剖析一般微分方程的構成條件“，然后對那望逐倔巡鎬定上述條件的序列，建立近似的微分方程模型，即灰模型，記為GM灰模型可以只用四個數據建立。

（5） 預測：以灰色模型GM入門：為基礎，對事物的時間分布，數值分布進行預測、灰預測包括：數列碩酗，即一般的數列預測，是灰色預測的一種通用方法；災變預洲、即異常疽時間分布規律的預測：如洪災、旱災等；季節災變預測，發生在特定時區內的異常值，做時間分布的預測；拓撲預測，一個離亂的，非單調變化波形，按不同拓扦基確定閥點進行預洲；系統預測，系統在多種因子作用下，對其發展變化進行預測。

（6） 灰決策：灰決策一般指測度空間的決策。測度空間是目標極性一致化的空間。測度是目標樣本的油象，在測度空間，測度大，可以代表效益好也可以代表損耗小，可以代表“樣本”適中。所以測度的轉換，是多目標到單目標的轉換。灰決策一般可分為，灰局勢決策，灰層次決策，灰規劃，灰多維規化等。

（7） 灰控制：目前主要是灰色預測控制。這是單序列建模的控制，每個采樣時刻建立一個實時動態模型，因而時間變、模型變、參數變t行為變、控制變以適應不同嘆音、不同參數、不同要求、克服了處理復雜隨機過程的困難，提高了控制的實時性和精度，增加了適應性。

3 研究區涌水量的預測

3.1 相關分析法

我們收集研究區歷年涌水量和開采面積資料，經過整理、修正后得出涌水量-開采面積關系曲線及其公式、相關系數R2。

從以上分析我們將開采面積與歷年涌水量經過擬合得出關系如上圖，并且用公式Y=27.347*Ln（X）+45.342計算結果得出其最大偏差值-14.515M3/h，最小偏差值-0.36257M3/h，還有其相關系數R2=0.7101。我們可以看出涌水量與開采面積關系密切，在今后的工作中我們可以參考此公式進行預測礦區涌水量。

3.2 解析法

我們用“大井法”預測研究區O灰含水層的涌水量，把整個礦井作為一個大井，以便利用地下水動力學公式計算涌水量。

研究區的水文地質有關參數：O灰含水層厚度M=310m；含水層平均水頭H=444～447m；滲透系數K=0.00635～2.7米/日；礦區周長P=21275m。

根據上述條件，采用大井法預測涌水量，由于開采過程中煤層被斷層所隔開，承壓水應降至隔水底板以下，所以用承壓轉無壓公式，即：

Q=1.366K[（2H-M）M-h2]/（lgR0-lgr0）

K：滲透系數；H：平均水頭高度；M：含水層厚度；h：自含水層底板算起的井中動水位高度；R0：引用補給半徑；r0：引用半徑

由于礦區為不規則多邊形，因此引用半徑用以下公式：

r0=P/2π=6772.04m

從而得：R0=R+r0=28648.58m

所以，

Q=1.366×1.353175[（2×445.5-310）×310-0]/（lg28648.58-lg6772.0

4）=504427.27米3/日

此數據為整個礦區總涌水量。

參考文獻

[1]張長文，付斌，等.礦井突水問題得研究[J].煤炭科技，2004.

[2]張人權.水文地質學基礎[Z].2011.endprint