突水灾害性流量阈值预警的研究

邵银川　张承斌

【摘 要】围绕常村煤矿二1煤层的突水问题，经过收集资料、现场调研，建立了灰色预报GM（1，1）模型，对各区域进行了突水量预测，并结合该矿的排水能力，建立了突水灾害性流量阈值预警模型，构建了流量预警指标体系库，从而实现了该矿二1煤层突水灾害性流量阈值预警系统的研究。

【关键词】突水预警；灰色预报模型；流量阈值；指标体系库

【Abstract】In view of the water inrush from coal mine in the coal mine， the data were collected and the field investigation was carried out. The grey forecasting GM （1，1） model is established. The water inrush in each region was predicted. Combined with the drainage capacity of the mine， water inrush disaster flow forewarning model was established. Flow forewarning index system was constructed. Finally， the research of water inrush disaster flow early-warning system is realized.

【Key words】Inrush early warning； Grey forecasting model； Flow threshold； Index system of library

0 前言

随着煤矿开采深度的加大，地下水成为威胁煤矿安全生产的重要因素，对地下水实时监测和动态发布已显得刻不容缓。此次以龙门煤业常村煤矿为背景。该矿于2005年3月21日开工建设，2009年5月22日试产，2009年8月16日正式投产。主采煤层为二1煤，地质储量6370万t，设计生产能力45万t/a，服务年限38.5年。而水害监测是该矿生产中一项长期的基础性任务，但一直以来，对水文地质监测数据的研究和应用主要集中在管理方面，很少对实时监测数据进行分析和相关研究。

本文在研究区域发生突水时，通过监测各区域的涌水量大小，比较流量阈值，对矿井致灾程度进行预警，从而实现了该矿二1煤层底板突水灾害性流量阈值预警系统的研究。

1 突水灾害性流量阈值预警模型

在研究区域发生突水时，通过监测各区域的涌水量大小，比较流量阈值，对矿井致灾程度进行预警。

1.1 日常涌水量

（1）常村煤矿开采第一水平为-310米。曾由河南省煤田地质局二队编制的储量核查地质报告中，对其正常涌水量进行预测可达800m3/h。根据矿区正常涌水量与最大涌水量的关系，丰水季节涌水量是正常涌水量的1.4～2倍计算，最大涌水量为1120～1600 m3/h。

邻近的龙门矿井其开采条件、自然条件均与常村煤矿类似，为此可采用富水系数法进行常村煤矿一水平矿井涌水量预计。

根据现在的龙门煤矿年开采量45万吨，年排水量6，534，840m3/a，其富水系数为14.52187。常村煤矿设计正常开采量为年50万吨，为此，预计常村煤矿一水平最终正常涌水量为852 m3/h。

（2）依据常村煤矿矿井测水报表统计得出，2014年1月到7月之间其总涌水量在895～944m3/h范围之间（见表1、图1）。随着开采工作逐步进行，矿井总涌水量具有总体上升趋势。

（3）根据2008～2014年观测资料，常村煤矿涌水量主要由煤层顶底板砂岩水及底板灰岩水组成，涌水量变化较大。常村煤矿目前排水系统比较简单，经常观测的位置是井底水仓入口处及各主要涌水巷道水沟处。目前，11采区基本稳定在380m3/h左右，12采区总涌水量为167m3/h，构成东翼总排水量约550 m3/h；而西翼总排水量为380 m3/h，但西翼并未有工作面开采。因此在设置流量阈值时，西翼涌水量增长范围应大于东翼的。

总之，该矿在生产过程中的总涌水量930m3/h，据煤矿防治水规定，其水文地质属于复杂类型，正常涌水量600

1.2 灰色预测突水量

将矿井突水量视为在一定区间和时间内变化的灰色量原始序列，采用累加生成序列方法对离散的原始数据进行处理，使其变成规律性强的累加生成序列，并在其基础之上建立灰色预报GM（1，1）模型。

（2）GM模型突水量预测

依据常村煤矿突水点台账记录，并结合发生时间和地点，将分为4个区域经行灰色理论灾变突水量预测。分别建立其GM（1，1）模型，进行预测值与原始值检验比较，经过残差模型矫正。由修正后预测值与原始值比较分析，若残差结果有明显的减小，低于允许误差要求，则运用修正后的预测模型，预测下次突水量。

①第一区域集中于11采区回风轨道上山，预测下次突水量为61.4 m3/h。

②第二区域集中于11采区的1103、1105、1106岩石集中运输回风巷。由修正后预测值与原始值比较分析，残差结果没有明显的变化，不符合误差要求，不对其进行预测突水量。

③第三区域集中于东西翼运输大巷，预测该区域下次突水量为14.5 m3/h。

④第四区域集中于12采区轨道上山，预测该区域下次突水量为25.1 m3/h。

1.3 排水能力

井下设内、外水仓，两水仓容量之和为7500m3，其中外水仓容量约4000m3，内水仓容量约3500m3，满足矿井8小时的正常涌水量要求。

本矿井主排水设备选用5台MD580-60×9型矿用耐磨离心式排水泵，配3趟D377×13无缝钢管排水管路。正常涌水期2台工作，2台备用，1台检修；最大涌水期4台工作，1台备用。矿井最大排水能力达3000m3/h，满足矿井最大突水量2479 m3/h的要求。

2 流量预警指标体系库

通过对全矿井进行区域划分，监测其涌水量，明确各区域的涌水量大小，并结合该矿历史突水量和排水能力，确定流量阈值并发出相应级别警报。见表2、表3。

表2 区域涌水量阈值预警指标

绿色预警信号表示东翼涌水量小于历史最大涌水量550m3/h（西翼涌水量小于历史最大涌水量380m3/h），说明无突水、区域安全；蓝色预警信号表示东翼涌水量在550～640m3/h范围，考虑东翼预测突水量 （西翼涌水量在380～400m3/h范围，考虑西翼预测突水量），说明可能发生小突水但区域仍较安全；黄色预警信号表示东翼涌水量大于640 m3/h（西翼涌水量大于400m3/h），属于过渡区，以发生突水，需警惕。

绿色预警信号表示矿区涌水量小于930m3/h，说明无突水、区域安全；蓝色预警信号表示矿区涌水量在930～1040m3/h范围，考虑矿区预测突水量，说明可能发生小突水但区域较安全；黄色预警信号表示矿区涌水量在1040～2100m3/h范围，以《煤矿防治水规定》复杂水文地质条件的最大正常涌水量，属于过渡区，发生突水但不造成淹井；橙色预警信号表示矿区涌水量在2100～3000m3/h范围，以该矿最大排水能力为界，属于较危险区，发生突水可能造成淹井；红色预警信号表示矿区涌水量大于3000m3/h，已超过该矿的排水能力，极度危险，发生突水会淹井。

3 主要结论

1）以常村煤矿为例，对突水灾害性流量阈值预警系统进行了研究探讨，经过现场调研、资料分析，实现了该矿突水灾害性流量阈值预警系统的研究。

2）统计了东翼大巷、西翼大巷、矿井水仓的历史涌水量，预测了矿井各区域突水量，并结合该矿的排水能力，构建了流量预警指标体系库，其中矿井水仓涌水量大小为安全区[0，930]，较安全区（930，1040]、过渡区（1040，2100]、较危险区（2100，3000]、危险区大于3000m3/h。

3）应用流量阈值进行预警，缺乏大量的资料和监测点支持，需增加井下涌水量监测仪，并记录数据；另外，灰色预测突水量的精度不够高，从而影响了涌水量阈值的确定。

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[责任编辑：杨玉洁]