蔣知廷，張潤畦

(華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

礦井涌水量是在礦井建設和開采過程中，單位時間內(nèi)通過各種途徑涌入井巷的水量[1]。煤礦開采礦井涌水量預測對煤礦防治水及安全高效生產(chǎn)具有重要意義[2]，它伴隨礦井勘探、生產(chǎn)和閉坑的整個周期，是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)特別是防排水系統(tǒng)設計及其水害防治技術方案與技術路線選擇的基礎[3，4]。礦井涌水量預測和理論方法多種多樣，查明條件、選用有代表性的計算參數(shù)和選擇正確的數(shù)學模型是礦井涌水量預測的基礎[5]。目前關于涌水量預測的方法大致分為水文地質條件比擬法、統(tǒng)計學方法、解析法[6]、數(shù)值法等其他預測方法[7，8]。前人通過解析法對水泉礦礦井涌水量進行了預測，解析法需要理想化模型，但影響礦井涌水量的因素較多，具有不確定性，這種方法適用范圍有限，因此本文選用灰色預測法預測礦井涌水量[9]，為礦山建設提供技術資料。

1 礦井地質概況

水泉煤礦位于山陰縣城西北直距約26.5 km處的水泉溝村、王老溝村和東莊村一帶。面積為9.5298 km2，太原組4～9號煤層為全區(qū)主要可采煤層，生產(chǎn)規(guī)模為9×105t/a，開采方式為地下開采，開采深度為1550 m-1350 m標高。

1.1 礦區(qū)地質

井田內(nèi)地層由老至新依次為：奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組(O2x)，上馬家溝組(O2s)，石巖系中統(tǒng)本溪組(C2b)，上統(tǒng)太原組(C3t)，二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，下石盒子組(P1x)、新近系上新統(tǒng)(N2)，第四系中上更新統(tǒng)(Q2+3)，全新統(tǒng)(Q4)。井田總體構造形態(tài)為背、向斜相間的褶曲構造，基本走向為北東向轉向北西向。地層傾角一般為5°～15°，局部較陡最大達27°，共揭露斷層8條。井田內(nèi)主要可采煤層為4、6、9、10、11號煤層，其中9、11號煤層為穩(wěn)定的大部可采煤層；10號煤層為不穩(wěn)定局部可采煤層，4、6號煤層為穩(wěn)定的局部可采煤層，所有可采煤層均為太原組。

1.2 水文地質

1.2.1 含水層

井田內(nèi)含水層由新到老依次為第四系砂礫層孔隙含水層，富水性弱；二疊系下石盒子組砂巖裂隙含水層，富水性弱；二疊系山西組砂巖裂隙含水層，富水性弱；石炭系砂巖巖溶裂隙含水層，富水性弱；奧陶系碳酸鹽巖巖溶蝕裂隙含水層，富水性弱。

1.2.2 隔水層

(1) 本溪組隔水層組

巖性主要由鋁土泥巖、粉砂巖、泥巖、石英砂巖等致密巖層組成，厚26～30 m，其間的石英砂巖致密、堅硬、裂隙不發(fā)育，具有良好的隔水性能。

(2) 太原組、山西組隔水層組

主要為間夾于煤層與砂巖之間的泥巖、砂質泥巖及粉砂巖，厚度變化大，不穩(wěn)定。泥巖致密完整，使太原組、山西組各砂巖裂隙含水層、灰?guī)r裂隙含水層之間水聯(lián)系減弱，形成相對獨立的多個層間含水層，其隔水性能較好。

2 充水條件及充水因素

2.1 地表水及大氣降水

井田內(nèi)無大量地表水體，中部發(fā)育一條季節(jié)性排洪主沖溝—水泉溝，雨季匯集兩側支流洪水，水量稍大，由東北向西南排出井田。井田內(nèi)各煤層埋藏較淺，4、6號煤層大部被風化剝蝕，9、10、11號煤層也有局部風化帶，大氣降水、地表水可通過煤層露頭及隱伏露頭、第四系松散層或基巖風化裂隙以及開采形成的導水裂隙帶進入井下，從而對礦井充水產(chǎn)生影響。

2.2 含水層

(1) K3砂巖含水層：為4、6號煤層頂板，弱富水性，對礦井開采具有一定的影響。中西部K3層位以上砂巖，由于有厚層的泥巖、粉砂巖隔水層存在，且一般富水性弱，一般不會影響礦井開采。

(2) 砂巖裂隙含水層：根據(jù)井田內(nèi)ZK1103號鉆孔對山西組混合抽水試驗資料，單位涌水量為0.0085～0.0119 L/s·m，富水性弱，對9號煤層開采影響較小。但向斜軸部節(jié)理裂隙發(fā)育，富水性增強，可能會對礦井充水造成一定影響。

(3) 02石灰?guī)r含水層：井田內(nèi)奧灰水水位標高為1197～1206 m，最下部的11號煤層底板最低標高為1333.43 m(ZK-5鉆孔)，礦井不存在帶壓開采，奧灰水對9號煤層開采沒有影響。

圖1 地層綜合柱狀圖

井田內(nèi)采空區(qū)積水量共計12.02×105m3，其中4號煤層積水區(qū)1處，積水量約0.83×105m3，6號煤層積水區(qū)3處，積水量約3.39×105m3，9號煤層采空區(qū)積水區(qū)15處，積水量約7.80×105m3。井田內(nèi)4、6、9號煤層均有開采，采空區(qū)內(nèi)存在積水，對礦井充水影響較大。各煤層老空積水量估算見表1。

表1 各煤層老空積水量估算表

2.3 充水通道

對比煤層埋藏深度及煤層間距，開采4、6、9號煤層疊加后形成的導水裂隙帶會達到地表從而成為大氣降水、地下水進入井下的通道。采動形成的導水裂隙帶會相互貫通，從而貫通上部采空區(qū)與開采層之間以及上覆各含水層之間的水利聯(lián)系，成為上部煤層采空積水、頂板含水層裂隙水進入下部煤層工作面的充水通道。

3 涌水量構成

根據(jù)礦井水文地質條件分析，礦井涌水構成包括頂板含水層裂隙滲水、采空區(qū)積水及部分井下灑水防塵的生產(chǎn)用水、黃泥灌漿析水等。其中主要的是來自頂板含水層的裂隙滲水及采空區(qū)積水。本次收集了煤礦2020年礦井涌水量資料(表2)，根據(jù)統(tǒng)計近兩年礦井正常涌水量10 m3/h，最大涌水量為15 m3/h。主要為9號煤巷道掘進及工作面回采期間礦井總涌水量，其水源構成為井下防塵用水、頂板砂巖水及打鉆水。

表2 2020年礦井涌水量資料表

井田東部原東莊煤礦重組前開采9號煤層時，礦井生產(chǎn)能力15×105t/a，礦井正常涌水量為10 m3/d，最大涌水量為15 m3/d。井田東北部原山西山陰進鑫煤業(yè)有限公司重組前開采9號煤層時，礦井生產(chǎn)能力15×105t/a，礦井正常涌水量為60 m3/d，最大涌水量為85 m3/d。本次參照原山西山陰進鑫煤業(yè)有限公司礦井實際涌水量，采用灰色預測法來預算水泉煤礦開采9號煤層時的礦井涌水量。

4 灰色預測法

4.1 灰色預測法概述

(1) 原理

灰色預測模型是對系統(tǒng)內(nèi)部事物的連續(xù)變化進行預測的模型?；疑到y(tǒng)是部分已知，部分未知的系統(tǒng)，該理論將隨機過程看作與一定范圍內(nèi)變化與時間有關的灰色過程，將隨機變量看作一定范圍內(nèi)的灰色量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，使復雜數(shù)據(jù)轉換成有規(guī)律性的數(shù)據(jù)再做研究。

(2) 適用條件

影響礦井涌水量的充水因素具有不確定性，充水通道也具有多樣性，可以將它看作一個灰色系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)具有宏觀決策與規(guī)劃功能，分析判斷效果較好。它對原始數(shù)據(jù)列長度要求不高，并重點研究系統(tǒng)的輸出序列而非輸入序列，因此可以用其預測礦井涌水量。

(3) 預測步驟

灰色預測模型主要基于GM(1,1)模型，將原始數(shù)據(jù)的累加生成一次累加序列，構造預測模型，在此基礎上應用微分方程對原始數(shù)據(jù)序列進行擬合預測。

4.2 累加一階序列生成

設x(0)(t)={x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(t)}為原始非負、涌水量時間序列。

4.3 GM(1,1)模型建立

式中，μ為內(nèi)生變量，是待辨識參數(shù)；a為待辨識參數(shù)列。

(4) 預測模型

得出預測模型響應函數(shù)

最后求模擬值

采用MATLAB計算測試結果見圖2和圖3。

圖2 測試

圖3 灰色預測法走勢

根據(jù)灰色預測法得出2021年1,2月份礦井涌水量分別為11.4605 m3/h，11.7327 m3/h。

5 結論

(1) 本文采用灰色預測模型GM(1,1)對水泉煤礦2020年1～12月礦井涌水量進行了預測，得出2021年1，2月份礦井涌水量分別為11.4605 m3/h，11.7327 m3/h，計算結果與其礦井實際涌水量相似。

(2) 灰色預測模型是一種單序列的一階線性模型，是預測變化趨勢，因此在今后進行礦井涌水量預測時，應利用數(shù)據(jù)結合數(shù)值模擬建立多種精確的數(shù)學模型進行計算及比較，并將提高預測的精準度作為未來的研究方向。