降水充水类型矿井涌水量预测方法研究

魏青峰，王 顺，史桃桃

(1.山西省晋城市古书院矿安全部，山西晋城 0480001;2.北京华安奥特科技有限公司，北京 100085)

0 引言

矿井涌水是影响煤矿安全生产的主要因素之一。矿井涌水量的准确预测对于防止矿井突水、淹井等矿井恶性事故发生、降低生产成本、保障矿山安全生产具有重要意义[1]。由于涌水量预测是一项复杂的工作，常规的计算方法并不是完全适用所有矿井[2]。特别是近些年来，随着矿井采深的不断加大，开采条件不断复杂化，为了保证煤矿安全生产，需要尝试针对不同充水条件的煤矿采取不同的矿井涌水量预计方法。在总结前人经验的基础上，以古书院矿为例，利用降水量与矿井涌水量之间变化规律，采用回归分析和水文频率分析法预计矿井涌水量，为降水充水类型矿井的涌水量有效预计提供新的计算方法。

1 大气降水对矿井涌水量影响

当煤矿井下涌水来源相对简单，地表水系不发达时，由于地下开采的不断疏干排水，矿区地下水的静储量逐渐减少，大气降水的渗透补给就成为矿井充水的主要来源[3]。以我国古书院矿为例，将1997～2012年的矿井涌水量、大气降水量以及累计采空区面积绘制成矿井涌水量与大气降水、累计采空区面积相关历时曲线图(图1)(注:缺失2007、2008年矿井涌水量资料)，在9号煤、15号煤分别于2002年和2009年投产后，矿井涌水量增大与大气降水及采空区面积的增加关系非常明显。由此判断大气降水、累计采空区面积与矿井涌水量三者之间关系密切。该矿在开采下伏煤层过程中，大气降水将通过上覆煤层采空区调蓄后充入下伏煤层的回采工作面或矿井，成为矿井充水的主要来源。因此可通过分析历年大气降水与矿井涌水量的关系，推导其定量函数关系式，以预测大气降水对矿井涌水量的影响程度[4]。除此之外，古书院矿矿井涌水量还受直接充水含水层K2灰岩的影响，但本次着重讨论大气降水对矿井涌水量的影响程度。

图1 矿井涌水量与大气降水、累计采空区面积相关历时曲线图

2 回归分析

为了进一步确定涌水量与降水量的定量关系，在经过大量的数理统计试验后，发现古书院矿水文年降水量与水文年矿井涌水量二者的对数呈很强的线性相关性。以该矿五年(2005、2006、2009、2010、2011年)的矿井水文年涌水量与水文年降水量(表1)为例，将水文年降水量取以10为底的对数值作为横坐标值，对同一水文年的涌水量取以10为底的对数值作为纵坐标值，绘制成散点图，并采用拟合回归公式法[5]绘制拟合曲线(图2)，发现五组数据呈很好的线性相关性，拟合曲线为直线。据此假设拟合曲线函数关系式为下式:

x——水文年降水量，mm;

Q——水文年涌水量，m3。

表1 水文年降水量和水文年涌水量统计表

采用最小二乘法推导公式(1)系数如表2:

表2 最小二乘法推导函数关系式参数列表

由表2知，利用最小二乘法[6]推导线性公式的相关系数、相关指数、残差平方和分别为0.997、0.994、0.0003，证明回归方程具有很强的相关性，回归效果很好。据此确定水文年降水量和水文年涌水量回归方程为:

x——水文年降水量，mm;

Q——水文年涌水量，m3。

同理统计五年(2005、2006、2009、2010、2011年)的月最大降水量和月最大涌水量，取对数后作图，发现也存在线性关系，用最小二乘法计算的关系式为:

x'——月最大降水量，mm;

Q'——月最大涌水量，m3。

3 频率分析[7]及涌水量计算

在确定了涌水量与降水量的定量关系式后，如何准确选取降水量参数，成为有效预测矿井涌水量的关键。在历年的大气降雨中，丰水年份的降水量多，河流水量大，年径流量大于多年平均值，降水入渗量增加，对矿井涌水量影响加大。因此可用丰水年的降水量预计正常状态下开采系统的最大涌水量。相反，平水年份的降水正常，河流水量与多年平均情况相当，径流量与多年平均值接近，因此，平水年的降水量适用于预计正常状态下开采系统的正常涌水量。一般不同水平年的水文频率划分标准为:频率p＜37.5%为丰水年;p＞62.5%为枯水年;37.5%≤p≤62.5%为平水年。

通过系统整理、分析古书院矿所在市气象局资料，对1997～2012年的年降水量和月降水量分别作频率分析(图3、图4)，依据上述频率划分标准，划分平水年、丰水年。将平水年的年平均降水量带入公式(1)、丰水年的月平均降水量值带入公式(2)，并结合实际情况和工作经验，由公式(1)求得矿井受大气降水影响的正常涌水量为563.11(m3/h)，通过公式(2)求得受大气影响的最大涌水量为647.33(m3/h)。

4 结论

当矿井在开采下伏煤层时，大气降水会通过上覆煤层采空区调蓄后充入下伏煤层的采煤工作面或矿井，成为矿井充水的主要来源时，可通过分析历年大气降水与矿井涌水量的关系，推算其定量函数关系式。对近几年的降水量进行频率分析，分别求出其平水年、丰水年的平均降水量，以此作为因变量代入大气降水与矿井涌水量的关系式，以达到预测矿井的正常涌水量和最大涌水量的目的。值得注意的是，由于煤矿水文地质条件的复杂性，影响矿井涌水量的主要充水水源可能不止一种，以古书院矿为例，该矿主要充水水源为大气降水，其次为K2灰岩岩溶水，在计算矿井受大气降水影响的涌水量之外，还应考虑K2灰岩岩溶水对涌水量的影响。综上所述，矿井涌水量一般是多种影响因素综合作用的结果，预计矿井涌水量也应多种充水因素综合考虑。

图3 年降水量频率曲线图

图4 月降水量频率曲线图

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