基于相關分析法的煤礦涌水量預測

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

1 地質概況

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

1.1 含水層特征

井田范圍內的含水層共計7層，其水文地質特征見表1。其中富水性最強的為洛河組砂巖裂縫含水層，該層全區分布，通過計算導水裂縫帶發育高度，一般情況下，導水裂縫帶不會達到洛河組底面。但由于實際地質、水文地質條件的復雜性，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含水層的可能，開采時應注意防范。

表1 井田內含水層情況一覽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水裂縫帶進入礦井，增大礦井涌水量。另外井筒穿越含水層段，上部含水層可進入井巷，重點要注意洛河組砂巖含水層，應防止人為因素導致地表水、上部洛河砂巖含水層地下水進入礦井。

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，煤層保存完整，形態較為規則。可采范圍內煤層厚度雖橫跨薄、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，1.30 m以下的薄煤層均分布于隆起區和波峰頂部及礦井邊緣一帶。中厚煤層區和厚煤層區約占全區煤層可采面積的90%以上。綜上，2號煤層屬厚度穩定的中厚-厚煤層，煤層穩定程度為“簡單”。

2 涌水量預測

2.1 方法選擇

進行礦井涌水量預測的方法眾多，但其各自適用條件及優缺點不盡相同，目前主要方法有地下水動力學解析法、數值模擬法、水文地質比擬法、水均衡法以及相關分析法[4-6]。地下水動力學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測礦井涌水量，但此方法適用于地下水補給較充分的近似穩定流。然而礦井充水通常以含水層非穩定疏干過程為特征，所以用解析法預測礦井涌水量通常誤差較大、精度較低。數值模擬法多用來預測非穩定流的礦井涌水量，對水文地質參數要求較高。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，且預測精度不高。相關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參數不確定引起的預測誤差，能夠彌補水文地質勘查程度不高或水文地質參數缺乏的不足，提高了礦井涌水量預測的精度[7-9]。因此，本次選用相關分析法進行礦井涌水量的預測。

2.2 相關分析法基本原理

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關系，但是卻存在某種統計關系。相比起其他方法，統計模型不僅避免了水文地質參數不全或不確定性對預測準確度的影響，而且還能利用2組數據建立統計預測模型[10-12]。利用數理統計皮爾遜相關系數分析礦井涌水量與其相關因素之間的密切程度，如式(1)所示。

(1)

2.3 相關程度分析

采用SPSS軟件進行礦井涌水量與煤炭產量、掘進進尺與工作面斷面面積之間的相關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量、掘進進尺的皮爾遜相關系數分別為0.833和0.817，說明礦井涌水量與煤炭產量、掘進進尺之間密切相關，與工作面斷面面積的皮爾遜相關系數僅為0.469，小于0.8，說明沒有相關性，舍去。相反，假設礦井涌水量與煤炭產量、掘進進尺不相關，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屬于小概率事件，同時也說明，礦井涌水量與煤炭產量、掘進進尺之間呈線性相關。

表2 礦井涌水量與相關因素的相關程度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量、掘進進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量、掘進進尺與工作面斷面面積之間呈線性相關，假設礦井涌水量為Q，掘進進尺為X1，煤炭產量為X2，利用SPSS軟件，得出礦井涌水量預測方程分別為

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

Q=133.954X1+3 699.37

(2)

Q=0.54X2-262

(3)

由于掘進進尺影響著煤炭產量，掘進進尺的誤差會影響掘進進尺回歸方程的礦井涌水量預測的準確性。因此，本次采用式(3)作為礦井涌水量預測的依據。為了驗證預測的精度，采用標準差σ來表示各實測數據偏離回歸方程的程度[13]。

(4)

2.5 結果預測

3 結論

(1)在分析煤礦含隔水層特征及水文地質條件的基礎上，選用相關分析法進行礦井涌水量預測。

(2)利用SPSS軟件建立了礦井涌水量與煤炭產量、掘進進尺及工作面斷面面積之間的相關關系并建立回歸方程，分析了礦井涌水量預測方程的預測精度。

(3)在分析預測精度的基礎上，利用礦井涌水量與煤炭產量之間的預測方程進行了礦井涌水量預測，預測的涌水量大小為145.85 m3/h。

(4)采用相關分析法進行礦井涌水量預測簡單有效、可行性強，彌補了水文地質參數缺乏等不足，在大部分礦井具有很高的實際應用價值。