曲线拟合法在煤矿矿坑涌水量预测中的应用研究

洪勇

曲线拟合法在煤矿矿坑涌水量预测中的应用研究

洪勇

（福建省交通规划设计院，福州350000）

摘要本文在广泛调查、研究、收集资料的基础上，分析矿区的工程地质、水文地质条件，研究了矿区矿坑涌水量的影响因素，采用回归分析方法中的曲线拟合方法建立各影响因素与涌水量间的数学模型，并进行涌水量预测。

关键词矿坑涌水量预测曲线拟合法应用

1　前言

矿坑涌水量是矿山制定疏干排水设计的主要依据。矿坑涌水量的大小，直接影响矿山基建工程的投资规模、煤炭生产成本和矿山生产经济效益的高低，也影响着矿山治水方案的确定。基于矿坑涌水量预测的重要性，通过对涌水量预测理论的研究与矿区矿坑涌水量及其影响因素多年的实测资料，本文通过曲线拟合方法，采用最小二乘原理建立了矿坑涌水量与各影响因素间的数学模型，并对湖南省某煤矿开采至更深水平时矿坑涌水量大小进行预测。

2　工程概况

本文所研究的煤矿矿区位于湖南省宁乡县，矿区面积约29.5平方公里。是湖南省著名的产煤主力矿区，主要由跃进、西峰仑、竹山塘、五亩冲四个煤矿组成，矿区煤产量约在90万吨/年。

该矿是闻名全国的岩溶大水矿区之一。区内地形属于丘陵缓坡类型，地势西北低，东南高，属侵蚀溶蚀堆积地貌。评估区内植被较发育，沟谷中有大片稻田，山坡上树木较多。

矿区内地层从新到老依次为第四系的覆盖层；白垩系的砂砾岩；上二叠统龙潭组泥岩、砂质泥岩及煤系地层；长兴组的灰岩；下二叠统栖霞组、茅口组及中上石炭统壶天群的灰岩。矿区内地质构造发育，主要发育有断层和褶皱。矿区主要构造平面详见图1。

3　矿区地下水的补、径、排情况

区内地表水系发育，沩水及其支流由西向东流经矿区南部，黄材灌渠、洋泉湖灌渠、五亩冲水渠、煤炭坝小河等呈放射状分布，构成自然灌溉网。矿区各矿矿界及地表水系详见图2。

图1　矿区主要构造平面图

图2　　矿区各矿矿界及地表水系

本区地下水极其丰富，根据地下水的赋存空间将地下水分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。地下水通过一定的通道进入矿坑。矿井充水通道主要为地下水集中径流带，采矿造成的裂隙通道，断层破碎带通道，其次还有疏干引起的塌陷洞通道和钻孔通道等。总之，矿区各含水层已经形成了一个统一的联系体，对矿坑充水产生综合影响。

因此，矿区的水文地质条件极为复杂，边界条件较难确定，预测矿坑涌水量难度较大。

4　曲线拟合法预测矿坑涌水量

4.1参数选取

一般来说，岩溶地区矿坑涌水量主要与矿坑的开拓面积、地下水位降深及降雨量有关。根据矿区多年的观测数据［1］（如表1），经过统计分析，建立矿坑涌水量与其影响因素之间的相关分析表（表2），从表中可以发现，矿坑涌水量与矿坑开拓面积、地下矿坑开拓水平、年降雨量的相关系数（r）分别为0.99、0.961、0.301。说明年降雨量与矿坑涌水量相关性弱。

表1　矿区矿坑涌水量与其影响因素实测值

表2　矿坑涌水量与其影响因素的相关分析表

通常岩溶区的平均渗透系数随着降深的增加而逐渐减小，越往深处开采，其平均渗透系数变化越缓慢。因此，在拟合矿区涌水量预测函数时可以不考虑降雨量的影响，也不考虑渗透系数变化带来的影响，只考虑矿坑开拓面积与矿区地下水位降深对矿坑涌水量的影响。

4.2涌水量预测函数拟合模型［2］-［5］

由于矿区矿坑涌水量与矿坑开拓面积和矿坑开拓水平有关，故设矿区矿坑涌水量预测函数为：

其中：Q——矿坑涌水量（m3/h）；

S——矿井地下水位降深（m）；

F——矿井采空区面积（km2）；——待定参数。

用矩阵可表示为：

根据公式（2）矩阵化的函数模型，把表1中实测

数据代入式（2）中解得：

则：a0=182，a1=0.41，a2=0.23

因此该拟合函数可表示为

4.3拟合函数显著性检验及预测结果分析

根据拟合矿坑涌水量预测函数式（3），代入表1中的数据，建立拟合函数预测的矿坑涌水量与实测矿坑涌水量表（表3）。

表3　用拟合函数预测的矿坑涌水量与实测矿坑涌水量表

根据表3的数据，利用SPSS软件的计算，上述拟合函数的拟合优度检验值和F值所对应的相伴概率值分别如表4所示。

从表4可以看出，R2接近于1，F值所对应的相伴概率小于给定的显著水平（0.05），故可断定所拟合的涌水量预测函数拟合程度较高，回归方程显著。

根据矿区开采末期的开发利用方案与矿区煤炭资源储量报告，该矿还可以开采约10年。10年之后矿区的开拓面积为12.095km2；地下水位将降至-461.7m，地下水动态系数n=1.118（多年实测资料的平均值），故预测开采末期矿坑涌水量：Q正常=13590m3/h；Q最大=Q正常×n=15193m3/h。

5　结论

（1）根据矿区的水文地质条件和矿山的开采状况，拟合了矿坑涌水量预测函数：。通过回归分析，证明拟合函数的拟合程度较好，回归方程显著性较高。

（2）利用曲线拟合法预测该煤矿开采末期矿坑涌水量为：Q正常=13590m3/h；Q最大=Q正常×n=15193m3/h。

（3）预测未来矿坑涌水量的目的主要是为了制定合理的疏干排水方案，避免发生淹井事故。根据《煤矿安全规程》规定，当矿坑的正常涌水量大于1000m3/h时，主要水仓的有效容积应能容纳4h的矿坑正常涌水量，且满足V水仓=2×（Q正常+3000）［6］。根据矿区的实际矿坑涌水状况，建议矿区应合理的布置水仓位置及水仓的容量。

参考文献

［1］地质部矿区水文地质干部进修班.矿坑涌水量预测方法.中国工业出版社，1963.9.

［2］刘晓莉，陈春梅.基于最小二乘原理的分段曲线拟合法.伊犁教育学院学报，2004，17（3）

［3］工广斌，刘义伦，金晓宏，何玉辉.基于最小二乘原理的趋势项处理及其MATLAB的实现.分析研究，2005（5）.

［4］刘晓莉，陈春梅.基于最小二乘原理的分段曲线拟合法.伊犁教育学院学报，2004，17（3）.

［5］易芳.采用MATLAB的线性回归分析.软件技术，2004，23（1）.

［6］《安全生产、劳动保护政策法规系列专辑》编委会.煤矿安全规程.中国劳动社会保障出版社，2003.

表4　拟合优度检验和F值所对应的相伴概率值