基于相關(guān)分析法的煤礦涌水量預(yù)測

王家樂，王施智，黃 倩

(陜西省煤田物探測繪有限公司 電磁法研究所，陜西 西安 710005)

0 引言

煤礦涌水是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一。某煤礦位于陜西北部，礦井生產(chǎn)能力8.0 Mt/a，含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，主采煤層2號煤。區(qū)內(nèi)含水層主要為孔隙潛水含水層及裂隙含水層，水文地質(zhì)類型為“中等”類型。礦井涌水量的預(yù)測，以及針對性的防治水方案對煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義[1-3]。

1 地質(zhì)概況

礦井內(nèi)地層由老至新有上三疊統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)；下侏羅統(tǒng)富縣組(J1f)，中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)；下白堊統(tǒng)洛河組(K1l)、環(huán)河-華池組(K1h)；第四系黃土及沖積層。煤礦位于黃陵礦區(qū)西北部，總體構(gòu)造為一傾向北西—北西西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般1°～5°。

1.1 含水層特征

井田范圍內(nèi)的含水層共計7層，其水文地質(zhì)特征見表1。其中富水性最強(qiáng)的為洛河組砂巖裂縫含水層，該層全區(qū)分布，通過計算導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，一般情況下，導(dǎo)水裂縫帶不會達(dá)到洛河組底面。但由于實際地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，加上開采情況的多變，在開采后的局部地段存在封閉不良鉆孔、油氣井等工程溝通洛河組或其它強(qiáng)含水層的可能，開采時應(yīng)注意防范。

表1 井田內(nèi)含水層情況一覽Table 1 Overview of aquifers in minefield

煤層頂板的延安組地下水為承壓水，雖具有較高的水頭壓力，但在天然狀態(tài)下其富水性極弱，易于疏干，為煤礦的主要和直接的充水水源，對煤層開采不會造成大的威脅。部分地段直羅組下段含水層地下水也可通過導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入礦井，增大礦井涌水量。另外井筒穿越含水層段，上部含水層可進(jìn)入井巷，重點要注意洛河組砂巖含水層，應(yīng)防止人為因素導(dǎo)致地表水、上部洛河砂巖含水層地下水進(jìn)入礦井。

1.2 煤層特征

主采煤層2號煤層厚度0.05～7.15 m，平均厚度3.31 m。主要賦存于礦井中部的波谷內(nèi)，煤層保存完整，形態(tài)較為規(guī)則。可采范圍內(nèi)煤層厚度雖橫跨薄、中厚及厚3個分級，但3.50 m以上的厚煤帶完全集中在向斜內(nèi)，1.30 m以下的薄煤層均分布于隆起區(qū)和波峰頂部及礦井邊緣一帶。中厚煤層區(qū)和厚煤層區(qū)約占全區(qū)煤層可采面積的90%以上。綜上，2號煤層屬厚度穩(wěn)定的中厚-厚煤層，煤層穩(wěn)定程度為“簡單”。

2 涌水量預(yù)測

2.1 方法選擇

進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測的方法眾多，但其各自適用條件及優(yōu)缺點不盡相同，目前主要方法有地下水動力學(xué)解析法、數(shù)值模擬法、水文地質(zhì)比擬法、水均衡法以及相關(guān)分析法[4-6]。地下水動力學(xué)解析法是將整個礦井充水概化成一口“大井”，利用地下水井流解析法預(yù)測礦井涌水量，但此方法適用于地下水補(bǔ)給較充分的近似穩(wěn)定流。然而礦井充水通常以含水層非穩(wěn)定疏干過程為特征，所以用解析法預(yù)測礦井涌水量通常誤差較大、精度較低。數(shù)值模擬法多用來預(yù)測非穩(wěn)定流的礦井涌水量，對水文地質(zhì)參數(shù)要求較高。水均衡法只能估算整個礦井的涌水量，不能用來計算單獨巷道的涌水量，且預(yù)測精度不高。相關(guān)分析法適用于開采時間較長、礦井涌水量觀測資料較多的礦井，它能夠有效減小因水文地質(zhì)參數(shù)不確定引起的預(yù)測誤差，能夠彌補(bǔ)水文地質(zhì)勘查程度不高或水文地質(zhì)參數(shù)缺乏的不足，提高了礦井涌水量預(yù)測的精度[7-9]。因此，本次選用相關(guān)分析法進(jìn)行礦井涌水量的預(yù)測。

2.2 相關(guān)分析法基本原理

影響礦井涌水量的因素眾多，雖然他們之間通常不存在某種確定的函數(shù)關(guān)系，但是卻存在某種統(tǒng)計關(guān)系。相比起其他方法，統(tǒng)計模型不僅避免了水文地質(zhì)參數(shù)不全或不確定性對預(yù)測準(zhǔn)確度的影響，而且還能利用2組數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計預(yù)測模型[10-12]。利用數(shù)理統(tǒng)計皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析礦井涌水量與其相關(guān)因素之間的密切程度，如式(1)所示。

(1)

2.3 相關(guān)程度分析

采用SPSS軟件進(jìn)行礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺與工作面斷面面積之間的相關(guān)程度分析和顯著性分析，計算成果見表2。從表2中可以看出礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為0.833和0.817，說明礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺之間密切相關(guān)，與工作面斷面面積的皮爾遜相關(guān)系數(shù)僅為0.469，小于0.8，說明沒有相關(guān)性，舍去。相反，假設(shè)礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺不相關(guān)，雙尾檢驗法的值分別為0和0.001，說明礦井涌水量與之不相關(guān)屬于小概率事件，同時也說明，礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺之間呈線性相關(guān)。

表2 礦井涌水量與相關(guān)因素的相關(guān)程度Table 2 Correlation degree between mine water inflow and related factors

2.4 建立回歸方程

礦井涌水量與原煤產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺與工作面斷面面積之間的散點圖如圖1所示。由圖1可以看出礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺與工作面斷面面積之間呈線性相關(guān)，假設(shè)礦井涌水量為Q，掘進(jìn)進(jìn)尺為X1，煤炭產(chǎn)量為X2，利用SPSS軟件，得出礦井涌水量預(yù)測方程分別為

圖1 礦井涌水量與各相關(guān)因素散點圖Fig.1 Scatter diagram of mine water inflow and related factors

Q=133.954X1+3 699.37

(2)

Q=0.54X2-262

(3)

由于掘進(jìn)進(jìn)尺影響著煤炭產(chǎn)量，掘進(jìn)進(jìn)尺的誤差會影響掘進(jìn)進(jìn)尺回歸方程的礦井涌水量預(yù)測的準(zhǔn)確性。因此，本次采用式(3)作為礦井涌水量預(yù)測的依據(jù)。為了驗證預(yù)測的精度，采用標(biāo)準(zhǔn)差σ來表示各實測數(shù)據(jù)偏離回歸方程的程度[13]。

(4)

2.5 結(jié)果預(yù)測

3 結(jié)論

(1)在分析煤礦含隔水層特征及水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選用相關(guān)分析法進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測。

(2)利用SPSS軟件建立了礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺及工作面斷面面積之間的相關(guān)關(guān)系并建立回歸方程，分析了礦井涌水量預(yù)測方程的預(yù)測精度。

(3)在分析預(yù)測精度的基礎(chǔ)上，利用礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量之間的預(yù)測方程進(jìn)行了礦井涌水量預(yù)測，預(yù)測的涌水量大小為145.85 m3/h。

(4)采用相關(guān)分析法進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測簡單有效、可行性強(qiáng)，彌補(bǔ)了水文地質(zhì)參數(shù)缺乏等不足，在大部分礦井具有很高的實際應(yīng)用價值。