洪勇

曲線擬合法在煤礦礦坑涌水量預(yù)測中的應(yīng)用研究

洪勇

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350000）

摘要本文在廣泛調(diào)查、研究、收集資料的基礎(chǔ)上，分析礦區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，研究了礦區(qū)礦坑涌水量的影響因素，采用回歸分析方法中的曲線擬合方法建立各影響因素與涌水量間的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行涌水量預(yù)測。

關(guān)鍵詞礦坑涌水量預(yù)測曲線擬合法應(yīng)用

1　前言

礦坑涌水量是礦山制定疏干排水設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。礦坑涌水量的大小，直接影響礦山基建工程的投資規(guī)模、煤炭生產(chǎn)成本和礦山生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的高低，也影響著礦山治水方案的確定?；诘V坑涌水量預(yù)測的重要性，通過對(duì)涌水量預(yù)測理論的研究與礦區(qū)礦坑涌水量及其影響因素多年的實(shí)測資料，本文通過曲線擬合方法，采用最小二乘原理建立了礦坑涌水量與各影響因素間的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)湖南省某煤礦開采至更深水平時(shí)礦坑涌水量大小進(jìn)行預(yù)測。

2　工程概況

本文所研究的煤礦礦區(qū)位于湖南省寧鄉(xiāng)縣，礦區(qū)面積約29.5平方公里。是湖南省著名的產(chǎn)煤主力礦區(qū)，主要由躍進(jìn)、西峰侖、竹山塘、五畝沖四個(gè)煤礦組成，礦區(qū)煤產(chǎn)量約在90萬噸/年。

該礦是聞名全國的巖溶大水礦區(qū)之一。區(qū)內(nèi)地形屬于丘陵緩坡類型，地勢西北低，東南高，屬侵蝕溶蝕堆積地貌。評(píng)估區(qū)內(nèi)植被較發(fā)育，溝谷中有大片稻田，山坡上樹木較多。

礦區(qū)內(nèi)地層從新到老依次為第四系的覆蓋層；白堊系的砂礫巖；上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤系地層；長興組的灰?guī)r；下二疊統(tǒng)棲霞組、茅口組及中上石炭統(tǒng)壺天群的灰?guī)r。礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育有斷層和褶皺。礦區(qū)主要構(gòu)造平面詳見圖1。

3　礦區(qū)地下水的補(bǔ)、徑、排情況

區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，溈水及其支流由西向東流經(jīng)礦區(qū)南部，黃材灌渠、洋泉湖灌渠、五畝沖水渠、煤炭壩小河等呈放射狀分布，構(gòu)成自然灌溉網(wǎng)。礦區(qū)各礦礦界及地表水系詳見圖2。

圖1　礦區(qū)主要構(gòu)造平面圖

圖2　　礦區(qū)各礦礦界及地表水系

本區(qū)地下水極其豐富，根據(jù)地下水的賦存空間將地下水分為孔隙水、裂隙水和巖溶水。地下水通過一定的通道進(jìn)入礦坑。礦井充水通道主要為地下水集中徑流帶，采礦造成的裂隙通道，斷層破碎帶通道，其次還有疏干引起的塌陷洞通道和鉆孔通道等?？傊?，礦區(qū)各含水層已經(jīng)形成了一個(gè)統(tǒng)一的聯(lián)系體，對(duì)礦坑充水產(chǎn)生綜合影響。

因此，礦區(qū)的水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，邊界條件較難確定，預(yù)測礦坑涌水量難度較大。

4　曲線擬合法預(yù)測礦坑涌水量

4.1參數(shù)選取

一般來說，巖溶地區(qū)礦坑涌水量主要與礦坑的開拓面積、地下水位降深及降雨量有關(guān)。根據(jù)礦區(qū)多年的觀測數(shù)據(jù)［1］（如表1），經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，建立礦坑涌水量與其影響因素之間的相關(guān)分析表（表2），從表中可以發(fā)現(xiàn)，礦坑涌水量與礦坑開拓面積、地下礦坑開拓水平、年降雨量的相關(guān)系數(shù)（r）分別為0.99、0.961、0.301。說明年降雨量與礦坑涌水量相關(guān)性弱。

表1　礦區(qū)礦坑涌水量與其影響因素實(shí)測值

表2　礦坑涌水量與其影響因素的相關(guān)分析表

通常巖溶區(qū)的平均滲透系數(shù)隨著降深的增加而逐漸減小，越往深處開采，其平均滲透系數(shù)變化越緩慢。因此，在擬合礦區(qū)涌水量預(yù)測函數(shù)時(shí)可以不考慮降雨量的影響，也不考慮滲透系數(shù)變化帶來的影響，只考慮礦坑開拓面積與礦區(qū)地下水位降深對(duì)礦坑涌水量的影響。

4.2涌水量預(yù)測函數(shù)擬合模型［2］-［5］

由于礦區(qū)礦坑涌水量與礦坑開拓面積和礦坑開拓水平有關(guān)，故設(shè)礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測函數(shù)為：

其中：Q——礦坑涌水量（m3/h）；

S——礦井地下水位降深（m）；

F——礦井采空區(qū)面積（km2）；——待定參數(shù)。

用矩陣可表示為：

根據(jù)公式（2）矩陣化的函數(shù)模型，把表1中實(shí)測

數(shù)據(jù)代入式（2）中解得：

則：a0=182，a1=0.41，a2=0.23

因此該擬合函數(shù)可表示為

4.3擬合函數(shù)顯著性檢驗(yàn)及預(yù)測結(jié)果分析

根據(jù)擬合礦坑涌水量預(yù)測函數(shù)式（3），代入表1中的數(shù)據(jù)，建立擬合函數(shù)預(yù)測的礦坑涌水量與實(shí)測礦坑涌水量表（表3）。

表3　用擬合函數(shù)預(yù)測的礦坑涌水量與實(shí)測礦坑涌水量表

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件的計(jì)算，上述擬合函數(shù)的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)值和F值所對(duì)應(yīng)的相伴概率值分別如表4所示。

從表4可以看出，R2接近于1，F(xiàn)值所對(duì)應(yīng)的相伴概率小于給定的顯著水平（0.05），故可斷定所擬合的涌水量預(yù)測函數(shù)擬合程度較高，回歸方程顯著。

根據(jù)礦區(qū)開采末期的開發(fā)利用方案與礦區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量報(bào)告，該礦還可以開采約10年。10年之后礦區(qū)的開拓面積為12.095km2；地下水位將降至-461.7m，地下水動(dòng)態(tài)系數(shù)n=1.118（多年實(shí)測資料的平均值），故預(yù)測開采末期礦坑涌水量：Q正常=13590m3/h；Q最大=Q正?！羘=15193m3/h。

5　結(jié)論

（1）根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和礦山的開采狀況，擬合了礦坑涌水量預(yù)測函數(shù)：。通過回歸分析，證明擬合函數(shù)的擬合程度較好，回歸方程顯著性較高。

（2）利用曲線擬合法預(yù)測該煤礦開采末期礦坑涌水量為：Q正常=13590m3/h；Q最大=Q正常×n=15193m3/h。

（3）預(yù)測未來礦坑涌水量的目的主要是為了制定合理的疏干排水方案，避免發(fā)生淹井事故。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)?shù)V坑的正常涌水量大于1000m3/h時(shí)，主要水倉的有效容積應(yīng)能容納4h的礦坑正常涌水量，且滿足V水倉=2×（Q正常+3000）［6］。根據(jù)礦區(qū)的實(shí)際礦坑涌水狀況，建議礦區(qū)應(yīng)合理的布置水倉位置及水倉的容量。

參考文獻(xiàn)

［1］地質(zhì)部礦區(qū)水文地質(zhì)干部進(jìn)修班.礦坑涌水量預(yù)測方法.中國工業(yè)出版社，1963.9.

［2］劉曉莉，陳春梅.基于最小二乘原理的分段曲線擬合法.伊犁教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，17（3）

［3］工廣斌，劉義倫，金曉宏，何玉輝.基于最小二乘原理的趨勢項(xiàng)處理及其MATLAB的實(shí)現(xiàn).分析研究，2005（5）.

［4］劉曉莉，陳春梅.基于最小二乘原理的分段曲線擬合法.伊犁教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，17（3）.

［5］易芳.采用MATLAB的線性回歸分析.軟件技術(shù)，2004，23（1）.

［6］《安全生產(chǎn)、勞動(dòng)保護(hù)政策法規(guī)系列專輯》編委會(huì).煤礦安全規(guī)程.中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2003.

表4　擬合優(yōu)度檢驗(yàn)和F值所對(duì)應(yīng)的相伴概率值