蔡江林 張紫瑤 周川江 張歷彩 馮紹輝

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州六盤水 553004）

0 引言

煤礦礦井水的預(yù)測(cè)是井下排水系統(tǒng)設(shè)置的重要依據(jù)，也是水害發(fā)生后及時(shí)逃生的關(guān)鍵，更是煤礦智能化建設(shè)的核心技術(shù)。目前，礦井涌水量仍舊受到多方面因素的制約，如水文特征、氣候影響、地貌特征、構(gòu)造斷裂、地層巖性等，這些相關(guān)影響因素難以準(zhǔn)確給出。且礦區(qū)地下水流速極其緩慢，這就給采煤工作面實(shí)時(shí)涌水量預(yù)測(cè)帶來了挑戰(zhàn)，普通用于測(cè)量水流速度尺度較大的測(cè)量裝置無法用于礦區(qū)地下水領(lǐng)域。這就給由多種因素構(gòu)造而成的礦井涌水量非線性預(yù)測(cè)模型與實(shí)際情況之間帶來了非常大的阻礙。目前，礦區(qū)涌水量非線性預(yù)測(cè)主要有以下幾種方法：一是基于流域間的相同性，將情況類似的流域水文資料沿用到該研究領(lǐng)域的比擬法，此方法具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)使用等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于各地礦區(qū)的水文地質(zhì)條件不盡相同，特別是充水因素變化莫測(cè)，會(huì)因時(shí)而異、因地而異。因此，對(duì)于比擬法的計(jì)算公式的修正較為模糊，且比擬法缺少地質(zhì)條件相似性的認(rèn)識(shí)；二是利用水文地質(zhì)條件，運(yùn)用模擬公式進(jìn)行工作面涌水綜合計(jì)算，此方法具有適應(yīng)能力強(qiáng)、快捷簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)；三是采用地下水模擬計(jì)算軟件GMS 中M ODFLOW 計(jì)算模塊、PEST 參數(shù)反演模塊及其強(qiáng)大的前處理、后處理功能以及卓越的三維可視效果，對(duì)礦區(qū)礦坑涌水量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。此模擬方法常用于研究預(yù)測(cè)礦坑的涌水量中，不僅可信度高，而且運(yùn)用便捷。以上幾種方法在長(zhǎng)期運(yùn)用中均不同程度的存在以下幾種問題：（1）比擬法缺少地質(zhì)條件相似性的認(rèn)識(shí)；（2）解析法設(shè)置的解析條件過于苛刻，實(shí)際無法滿足；（3）數(shù)值法缺少水文地質(zhì)參數(shù)；（4）統(tǒng)計(jì)法缺少歷史資料的積累。

1 礦區(qū)涌水量預(yù)測(cè)方法發(fā)展趨勢(shì)

水文地質(zhì)比擬法是指以礦坑的涌水量結(jié)果為依據(jù)，并在現(xiàn)有的生產(chǎn)礦井的水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)之上，類比推算、預(yù)測(cè)出其余地質(zhì)條件類似的礦區(qū)涌水量的方法[1]。此方法擁有計(jì)算較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。然而，影響礦區(qū)涌水量的因素非常多，比如地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、含水層的水頭壓力以及富水性等多種其他因素[2]。且各個(gè)因素直接聯(lián)系非常復(fù)雜。因此，在使用該方法時(shí)，必須通過多次的水文數(shù)據(jù)采集和分析研究來確定影響礦區(qū)涌水量的主要因素，且選擇合適的涌水量計(jì)算公式和適當(dāng)?shù)男拚齾?shù)才可能使計(jì)算量同實(shí)際涌水量的差值最小。在后續(xù)的發(fā)展中，對(duì)相似度的準(zhǔn)確定位以及對(duì)各個(gè)影響因素的修正系數(shù)的準(zhǔn)確度是一個(gè)可能的發(fā)展趨勢(shì)。礦區(qū)涌水量曲線模擬方程法的原理是利用鉆孔抽水實(shí)驗(yàn)得出涌水量與水位的關(guān)系曲線圖，再通過曲線圖推測(cè)計(jì)算出未來一段時(shí)間內(nèi)的涌水量狀況。此方法的優(yōu)勢(shì)在于其可以適用于較為復(fù)雜的礦井水文地質(zhì)條件，值得注意的是，其使用要求在于待開采的礦井條件要與鉆孔抽水的水文地質(zhì)條件類似[3]。地下水模擬系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“GMS”）是一款目前世界使用較為廣泛的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，此軟件由美國(guó)楊百翰大學(xué)的環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室基于Modflow、Modpath 等已有地下水模型上研發(fā)而成的一個(gè)具有綜合模擬地下水的圖形界面軟件[4]，該方法是通過GMS 中的modflow 計(jì)算模塊，將復(fù)雜地形的地下水情況呈現(xiàn)出來，反映地下水的真實(shí)狀況，然后利用軟件回饋的數(shù)值來計(jì)算工作面的涌水量。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以建立三維的地質(zhì)模型、模擬三維真實(shí)含水層，得出的數(shù)據(jù)較真實(shí)可靠。

2 現(xiàn)有礦區(qū)涌水量預(yù)測(cè)方法存在的問題

礦井涌水量是用于評(píng)價(jià)水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)，對(duì)于指導(dǎo)礦井的排水設(shè)施建設(shè)、保障煤礦安全生產(chǎn)有著不可替代的重要價(jià)值，而影響礦井涌水量的因素多而雜[5]。且預(yù)測(cè)礦井水涌水量的方法或多或少都存在一定的局限性。如果要正確的準(zhǔn)確的去預(yù)測(cè)煤礦的出水量，我們需要完整的去了解預(yù)測(cè)礦井涌水量的各種方法，了解每種方法的不足之處，在之后去找出對(duì)應(yīng)的解決方式，使其適應(yīng)性更強(qiáng)。

相關(guān)分析法是一種統(tǒng)計(jì)分析方法，利用礦井涌水量和各種影響因素的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，建立回歸方程[6]。但是其要使用許多更全面且實(shí)地考察得來的數(shù)據(jù)，其好的地方在于此類方法與其它方法相比較，其不需要使用水文地質(zhì)參數(shù)；一些額外的因素也不能對(duì)其造成一定的擾動(dòng)。這種方式有他的好處，同樣也有他限制的地方。例如在擬定相應(yīng)的回歸方程時(shí)，使用的每一個(gè)參數(shù)可能或多或少都存在著一定的制約關(guān)系。并且在礦井掘進(jìn)進(jìn)度的加快時(shí)，各個(gè)因素也在不同程度的變化，以此就會(huì)在不同掘進(jìn)深度產(chǎn)生不同的計(jì)算公式。計(jì)算公式就難以做到相統(tǒng)一，這會(huì)使得我們?cè)谶M(jìn)行礦區(qū)涌水量計(jì)算時(shí)，針對(duì)不同的礦區(qū)，我們更需要去因地制宜，對(duì)不同的礦區(qū)的地層條件，地質(zhì)構(gòu)造做出進(jìn)一步的選擇，去使用當(dāng)?shù)氐V區(qū)不同的地質(zhì)條件擬定適用于該礦區(qū)的綜合涌水量計(jì)算公式。這樣才能有效的、準(zhǔn)確的對(duì)該礦區(qū)的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，切不可盲目的使用其它礦區(qū)或者前人已有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行調(diào)整或者重新擬定相應(yīng)的預(yù)測(cè)公式。

總的來說，礦井涌水量的預(yù)測(cè)方法多種多樣，且每種方式都存在各自的長(zhǎng)短，值得注意的是，他們都要通過取得實(shí)地水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，去構(gòu)建理論模型。此時(shí)就存在一定的取長(zhǎng)補(bǔ)短的關(guān)系，將其結(jié)合起來使用到不同礦區(qū)之中，也許能更好的完成對(duì)不同礦區(qū)礦井水的預(yù)測(cè)。隨著科技的發(fā)展，在該領(lǐng)域也涌現(xiàn)出很多新型的預(yù)測(cè)手段。這些方式大多都伴隨著科技創(chuàng)新，使用一些自主研發(fā)的或已有的機(jī)械設(shè)備并通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以顯示各種礦區(qū)的實(shí)時(shí)涌水量的預(yù)測(cè)，并且一些研發(fā)較好的設(shè)備還能對(duì)礦區(qū)礦井水實(shí)時(shí)流速和流向的監(jiān)測(cè)，做到真正的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能有效的對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)、保水采煤提供保障。