杨丽美 孟云芳.2
(1. 银川能源学院,建筑工程技术教学团队,宁夏永宁 750105;2.宁夏大学,土木与水利工程学院,宁夏银川 750021)
王洼煤矿矿井涌水量预测探析
杨丽美1孟云芳1.2
(1. 银川能源学院,建筑工程技术教学团队,宁夏永宁 750105;2.宁夏大学,土木与水利工程学院,宁夏银川 750021)
本文以王洼煤矿实测排水资料为依据,建立了最小二乘法预测公式对技改后矿井涌水量进行了预测,同时在井田水文地质及充水因素分析的基础上,给出了舍弃“大井法”采用最小二乘法在王洼煤矿涌水量的预测中的合理性。
王洼煤矿 最小二乘法 矿井涌水量 预测
在水资源极度短缺的形势下，将矿井水计入具有一定可靠保障的水资源，对矿井水涌水量进行科学预测分析显得十分重要。本文在其他学者对王洼煤矿矿井涌水分析研究的基础上，利用现有排水资料，采用最小二乘法进行数值计算，力求获得更加准确的矿井涌水量预测值。
1 煤矿概况
王洼煤矿位于宁夏彭阳县王洼镇境内。井田面积10.26km2，可采储量1.05亿t，原设计能力21万t/a，经2003年技术改造后，05年核定生产能力近45万t/a，06年实际产量近60万t/a。09年该矿再次进行技改，设计生产能力120万t/a，服务年限92.6a。
图1 矿井涌水量与原煤产量的关系
表1 最小二乘法对该矿矿井涌水量及产量分析
2 井田主要含水层特征分析
2.1 水文地质条件
(1)中奥陶系平原群分布于井田西部外围及煤系地层下部，埋深于95.49～514.52m以下。含裂隙-溶洞承压水，水位较深(160.40m)，水量小，单位涌水量为0.0028L/s·m，渗透系数0.0011m/d，为涌水量很小的岩层。(2)上三迭统延长群分布于井田西部及南部，埋深于248.27～589.53m以下，无涌漏水现象，含水不大。(3)侏罗系分布于井田内部。单位涌水量0.00347～0.00012L/S·m，渗透系数为0.000110～0.00261m/d。(4)下白恶统六盘山群分布较广，埋深于87.8～272.80m之下，含水微弱。(5)第三系在全矿井普遍发育，埋深于0～224.23m以下，钻孔揭露最大厚度160.03m，含孔隙—裂隙承压水。(6)第四系遍布全矿井，具多孔性，垂直透水性较好，水平透水性较差，普遍含孔隙潜水。
2.2 充水因素分析
矿井充水水源主要有大气降水、地表水和地下水。
大气降水：多集中7～9月，多年平均降水量441.9mm，最大降水量613.5mm均渗入地下，为间接充水水源。
地表水：仅有3个小水库，煤层开采形成的冒裂带、导水裂隙带可能与这些水体沟通，而导致采煤时矿井充水强度增大，但不同地段差别很大。
地下水：直接充水水源为松散岩类孔隙水及各煤层顶板基岩裂隙水，煤层开采后在王洼背斜以西导水裂隙带可能沟通上覆第四系松散岩类孔隙水，由间接充水水源变为矿井直接充水水源，而在王洼背斜以东的绝大部分地段导水裂隙带均未与上覆第四系潜水沟通，通过补给煤系地层之上碎屑岩类裂隙水成为矿井间接充水水源。
矿井充水通道主要是煤层开采后所形成的冒落带和导水裂隙带。矿坑充水强度主要取决于直接充水水源的富水程度和冒落带及导水裂隙带发育程度两个因素，并受隔水层明显影响。王洼煤矿矿井涌水量比较稳定，在强降水时涌水量无明显增加。
3 最小二乘法对矿井涌水量的计算
3.1 最小二乘法公式建立
王洼煤矿属技改项目，矿井水文地质条件比较稳定，具有一定期的矿井涌水量与原煤产量统计资料。表1中给出了王洼煤矿2004-2008年矿井涌水量和原煤产量统计数据。根据以上资料，建立矿井涌水量Q和原煤产量Ti之间的最小二乘法经验公式，见图1。求得比拟参数，进而推出新开拓规模下的预测涌水量。
从(图1)可知，矿井涌水量和产量呈现线性关系，可以将近似公式设为：
现根据最小二乘法得出5年计算值与对应实测值进行对比分析。
由(表1)分析知，该法计算04年的理论与实测涌水量之间误差较大，根该矿开采实际情况分析，该煤矿在03年进行了技改，04年开采量和涌水量都不稳定，05年重新核定生产能力近45万t/a，06年实际产量近60万t/a。对于05-08年的计算值和实测值相对误差较小，在合理范围内。因此，本文将利用公式(2)进行该矿涌水量预测。
3.2 矿井涌水量预测
对于有监测资料的王洼煤矿，通过分析矿坑排水量资料的合理性、可靠性、排水量变化及其影响因素，选择了5年排水量变化稳定，能够代表技改后矿井相应年度的矿井涌水量均值，作为了矿井涌水量计算的依据。
根据建立的最小二乘法计算公式，王洼煤矿在技改后，年产120万t的情况下，矿井涌水量为
Qi=0.444×120-0.44=52.84万m3
3.3 预测值合理性分析
根据学者对该矿井涌水量的研究，稳定流大井法计算涌水量为1715.71m3/d[1]。稳定流大井法属解析法，其假定矿坑为中心的稳定流场，利用裘布依公式求解，假定条件：①地下水处于稳定流态、呈层流缓变运动，并遵循达西定律；②水流为承压转无压，静水位水平且降落漏斗的供水边界呈圆形；③含水层均值等厚，分布宽广，集水井为完整井。也有学者认为稳定流裘布依公式，在大降深、形状不规则的矿坑涌水量预测中不可盲目应用，应尽量采用数值模拟方法，辅以其他类比外推法[2]。
根据该矿实际条件分析，煤层开采后第四系松散岩类孔隙水在王洼背斜以西和以东充水情况不一，充水水源及速率不平稳；煤层开采时，冒落带和导水裂隙带将连通地表水体从而增大采煤时矿井充水强度，但不同地段差别很大，水流流态不稳定；根据水文地质资料参数知，中奥陶系埋深于95.49~514.52m以下，为涌水量很小的岩层，上三迭统延长群无涌漏水现象，侏罗系单位涌水量0.00347～0.00012L/S·m；下白恶统含水微弱；第三系埋深于0～224.23m以下，含孔隙—裂隙承压水，第四系普遍含孔隙潜水，各个含水层之间差异性大，并非均值等厚的无限边界。
由此，本报告对于有实测统计资料的王洼煤矿优先选择了运用实测资料进行矿井涌水量的预测，并根据实测资料的数值特征选择了最小二乘法，建立了矿井涌水量和原煤产量之间的关系式，求得比拟参数，进而推出了新开拓规模下的预测涌水量，具有一定的合理性。
4 结论
1)根据王洼煤矿矿井涌水量与原煤产量统计资料建立了最小二乘法计算公式，预测了技改后年产120万t情况下矿井涌水量为52.84万m3/a。
2)通过对稳定流大井法公式建立的假设条件和王洼煤矿水文地质及充水条件的分析，本文认为依靠最小二乘法建立预测方法，具有一定的合理性，而且计算简便。
[1]李金燕,张维江.宁夏王洼煤矿矿井涌水分析与涌水量计算[J].煤炭工程：研究探讨,2012,8：81-84.
[2]华解明.“大井法”预测矿井涌水量问题探讨[J].中国煤炭地质,2009,21(6)：45-47.
[3]陈江峰.许亚坤.芦沟煤矿水文地质特征及矿井涌水量计算[J].煤矿安全：技术经验,2009-11：39-42.
[4]郭天辉.宁夏冯记沟煤矿水文地质特征及矿井水利用分析[J].中国煤炭地质,2009,21(2)：39-42.
宁夏回族自治区级高等学校建筑工程技术教学团队基金项目(宁教高[2012]348);银川能源学院科研项目金费支持,项目编号：2013-KY-Y-16。
杨丽美(1987—)女,回族,硕士研究生,主要从事水资源理论与技术研究,宁夏永宁县王太堡银川能源学院建筑工程学院。
