矿井涌水量预测方法评述

矿井涌水量预测方法评述

马雷

（中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北省石家庄市050000）

摘要：从确定和不确定性分析的角度，综述了工程实践中常用的矿井涌水量预测方法，评述了各评价方法的主要特点及适用性。在分析各常用预测方法存在问题和预测方法的最新研究进展基础上给出了对矿井涌水量预测方法的展望。

关键词：矿井涌水量预测；确定性预测方法；非确定性预测方法

1、引言

矿井涌水量大小不仅是对矿井建设进行技术经济评价、合理开发的重要指标，更是矿山生产设计部门制定采掘方案、确定矿井排水能力、制定疏干措施、防止重大水害和利用地下水资源的重要依据[1]。因此，正确预测矿井涌水量是矿井水文地质工作的重要任务。

2、矿井涌水量常用预测方法

目前矿井涌水量预测方法有多种，根据当前矿床水文地质计算中常用各种数学模型地质背景特征及对水文地质模型概化的要求，可将矿井涌水量预测方法进行分类，如图1所示[2]。

图1矿井涌水量预测模型分类

2.1、确定性预测方法

确定性预测方法是利用水力学、地下水动力学等方面的理论，通过数学演绎，推导出矿井涌水量与环境地下水、围岩渗透性、地下水补给面、时间等因素的定量关系，得出一系列理论解析式，以预测计算矿井的涌水量，这类方法包括解析法、水均衡法、物理模拟法和数值模拟法等。

2.1.1、解析法

解析法是根据解析解的建模要求，通过对实际问题的合理概化，构造理想化模式的解析公式，用于矿坑涌水量预测。该方法具有对巷道类型的适应能力强、简便、快速、经济等优点，是最长用的基本方法。该方法又分为稳定井流解析法和非稳定解析法。稳定井流解析法用于矿坑疏干流场处于相对稳定状态的流量预测；非稳定解析法用于矿床疏干过程中地下水位不断下降、疏干漏斗不断扩展的非稳定状态下的涌水量预测[3]。米金科等[4]应用解析法对兴隆庄煤矿的静储量进行了预测，预测结果为34万m3，根据不同参数值进行分区，得到十采区工作面不同推进速度下的涌水量。

虽然，解析法是预测矿坑涌水量比较常用的方法，但在工程实践中，边界条件概化的失误是导致解析解失真的主要原因之一，理想化要求常与实际条件相差甚远，这已成为解析法应用中的难点。

2.1.2、水均衡法

水均衡法是利用水均衡原理预测矿井涌水量的一种方法，它通过研究某一均衡期矿区地下水各收支项目之间的关系，建立地下水均衡方程，从而计算矿井涌水量。水均衡法适用于地下水运动为非渗流型且水均衡条件简单的充水矿床，对于这类矿床，可宏观地、近似地预测矿井的正常涌水量和最大涌水量[5]。当施工段涌水补给源有限时，也可以作为核对其他方法计算结果的一种补充性计算方法。运用水均衡法的关键是正确圈定均衡区域、选择均衡期及测定均衡要素。但在解决上述问题时会遇到一个问题，那就是建立在天然条件下的水均衡关系常会在矿床开采过程中遭到强烈的破坏，如强烈的降压疏干使地下水运动的速度和水力坡度降增大等。

2.1.3、物理模拟法

用近似分割原理摆脱解析法处理实际问题时的严格理想化要求，更接近实际，主要用于水文地质条件复杂的大水矿床。依据大流量抽放水试验为其对水文地质条件整体暴露，提供建模、模型识别、大降深疏干预测的各种信息资料。模拟是按照不同的、且更加方便的比例再现某种现象变化过程的技术。常用的有电模拟法、运用增长曲线数学模型模拟矿井涌水量的变化规律等。

2.1.4、数值法

数值法是随着电子计算机的出现而迅速发展起来的一种近似计算方法。这种方法适合解决复杂条件下的水文地质问题。随着计算机技术和工程应用软件的开发和发展，数值法也逐渐走向成熟，成为求解大型地下水流问题的主要方法。应用时，可以采用水文地质参数分区处理非均质及各向异性问题。通过实际矿区的地下水流系统离散化，将求解流场上的连续水头分布转化为计算各节点的水头，把偏微分方程及边界条件转化为线性代数方程组，通过求解，得到各节点的水头近似值，最后计算矿井涌水量。数值法可以很方便地处理解析法难以解决的问题，适用于水文地质的很多领域，如水量计算、水质模拟等。

数值法是一种具有远大前景的方法，常用的数值方法有有限单元法、有限差分法、离散单元法和边界元法等，其中有限单元法和有限差分法是两种常用的方法。有限单元法是用三角形单元或四边形单元划分网格，便于灵活处理曲线边界与非均质各向异性问题；有限差分法具有物理概念清晰、计算方法简单等优点，尤其是不规则网格差分方法的出现，使对渗流区域的刻画更加精细，该方法有进一步改进的可能性。数值法摆脱了解析法求解微分方程时对水文地质条件的严格要求，能灵活的适应各种非均质地质结构和复杂边界条件下的矿井涌水量。理论上，数值法采用分区计算，能无限逼近真实的条件，通过反演计算，也可求取含水层水文地质参数。采用数值法计算矿井涌水量的前提条件是拥有丰富的水文地质勘探资料，最好有大型的抽放水资料。

李廷春等等运用有限差分软件FLAC3D对厦门海底隧道的涌水情况进行了流固祸合分析；王建秀等等用试算流量法计算隧道涌水量；宋业杰应用有限差分软件，以陕北某矿区为例，建立了该矿区的三维水文地质模型，预测了该矿采煤工作面的涌水量变化规律。

用数值法预测矿坑涌水量的优势是明显的，除了能较真实的刻画矿区复杂的水文地质条件外，还能刻画各种复杂开采条件下和各类疏干工程运行过程中水文地质条件的变化，因此它能根据不同水文地质条件和不同生产要求作出相应的预报，以实现包括解析法在内的传统计算方法难以实现的目标。

2.2、非确定性预测方法

矿坑水的补给条件、矿体围岩岩性和产状，矿床的开采方式及有关计算公式、参数的选择等都将影响矿坑涌水量预测的准确程度。因此，实际工程中存在着各种各样的不确定性。如把不确定因素作为确定因素来处理，会得到矛盾的和不合理的结果。所以，确定性分析方法不能满足要求时，用不确定性分析方法来预测矿井的涌水量是可行的。常用的不确定性矿井涌水量的预测方法有水文地质比拟法、回归分析法、模糊数学模型、灰色系统理论、BP人工神经网络法、时间序列分析法等。

2.2.1、水文地质比拟法

水文地质比拟法是利用地质和水文地质条件相似、开采方法基本相同的生产矿井的排水资料来预测新建矿井的涌水量，即以既有工程的涌水量计算拟建工程的涌水量。其预测精度取决于既有工程和拟建工程的相似性，两者越相似其预测精度越高。因此该法适用于拟建工程附近有类似工程，且其水文地质条件与既有工程相似。如刘大野等采用比拟法对风水沟煤矿一、二采区2007、2008、2009三年的涌水量进行了分析预测，结果表明，涌水量与实际疏干水量之间的误差分别为6.5%、8.7%和7.9%，预测精度较高；周汉江等采用比拟法对青山煤矿新水平的涌水量进行预测，预测结果与实测结果差值较小，预测结果可供类似矿井参考。

该方法的主要缺点是新建矿井与老矿井的条件基本相似，老矿井要有长期的水量观测资料，否则无法保证涌水量与各影响因素之间数学表达式的可靠性，从而使该方法的应用范围受到限制。

2.2.2、回归（相关）分析法

回归分析法是一种数理统计方法，它是通过矿坑涌水量与主要影响因素间的统计建立回归方程，进而预测矿井涌水量，其本质是根据矿井开采历史和当前的水文地质资料，建立矿坑涌水量与其影响因素之间的内在联系，并利用这种内在联系预测矿坑未来的涌水量及其状态变量的变化规律错误!未找到引用源。。沈慧珍等应用多元回归分析法对皖北任楼矿的涌水量进行预测，其预测涌水量为4063.62m3/d，实测涌水量为4130m3/d，预测值与实测值较为接近。

应用相关分析法时，要获得较准确的预测结果，需具备两个条件，一是需要有足够的数据和较长的数据系列，若数据较少或数据系列较短的话，预测结果可能不准确；二是正确选择相关因子。

2.2.3、灰色系统理论

灰色系统理论是将一随机变量看作一定范围内变化的灰色量，将随机过程看作一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程。与传统的建模方法相比，灰色模型具有所需样本量少、无需知道样本的分布规律、运算量小且运算时间短以及预测精度高等优点，具有一定的实用价值，肖有成等将其用于矿井涌水量的预测。但该方法也有一定的局限性，如只能预测一个序列，不能对多个序列同时预测，不能充分反映各个序列间的相互关系；对数据序列的规律性要求较高等。

2.2.4、人工神经网络法

在众多的智能型方法中，人工神经网络是最具代表性和革命性的方法。人工神经网络能同时处理众多影响因子具不确定性的信息，其在一定程度和层次上具有记忆性和人工智能性。由于水文地质条件的复杂性，很难用准确的数学模型对矿井涌水量进行有效预测，因此建立一个矿井充水因素与涌水量之间的映射关系是可行的。这种方法符合矿井涌水量的特点，可以在复杂水文地质条件下及有一定观测资料的矿井涌水量预测中应用。陈南祥等将偏最小二乘回归与神经网络耦合，建立了矿井涌水量预测模型；姜素等提出基于BP神经网络的矿井涌水量预测方法，对新安煤矿+25m开采水平的正常涌水量进行了预测，预测结果和实际观察结果能较好的吻合，表明采用人工神经网络预测矿井的涌水量是可行的；说明该模型具有一定的实用性；李春静等采用小波神经网络法对涌水量进行分析，预测指标满足了矿井涌水量排水的要求。

对于生产实际来说，矿井的充水水源和通道经常难以查清，需要时间序列资料的长期积累，并且一个神经网络系统往往只适用于某一特定的矿井，其他矿区则无法使用，该方法尚未达到成熟的程度。因此，当缺乏研究区水文地质条件，无法确切地得到地下水动态与其影响因素间的模型公式时，则可采用BP人工神经网络法。

2.2.5、时间序列分析法

时间序列方法也是一种统计分析方法]，着重研究具有随机性的动态数据，从频域和时域的角度对矿井涌水量时间序列的变化规律进行定量分析。近年来，不断有人应用该方法对矿井涌水量进行预测。如陈玉华等应用时间序列分析法对煤矿区1985年到2005年矿井涌水量进行时间序列分析，通过对比预测值与实测值，表明预测精度较高；高召宁等在小波分析和分析理论的基础上，提出了矿井涌水量时间序列分形维数的小波计算方法，对巷道涌水量和回采工作面涌水量时间序列的分维值进行了计算，并验证了该方法在提取矿井涌水量中所具有的分形特征信息是稳定和可靠的。

时间序列分析法也有其局限性，该方法受到实际观测数据的影响。并且由于时间序列处理本身的原因，会使随机性的波动被当做固定影响，而固定的影响被视为随机波动而剔除，这样会对精度产生不利影响。

3、常用涌水量预测方法存在的问题

目前矿井涌水量预测方法多种多样，不同方法各有其优点和最佳应用环境，简要概括几种方法，如表1-2所示。因各模型的构建思路不同，所以各方法具有互补的可能性，可以用综合分析的方法来对一些有条件的矿井进行比较研究。

表1-2常用矿井涌水量预测方法的优缺点

4、结语

目前已有的矿井涌水量预测方法，虽不能充分满足矿井生产要求，但其研究已经有了一定的理论基础。现有的矿井涌水量预测的理论与方法，多以孔隙介质渗流理论为基础，将预测时段内含水层的渗透系数设定为恒定值，没有考虑采动过程中渗透系数的动态可变性。在水量预测过程中多考虑渗流本身，没有将影响渗流的应力应变加以考虑，由于采动围岩的渗透特征受采动工程的显著影响，其渗透性随采动过程的变化而发生变化，这种变化受控于岩体中应力状态的变化。因此，只有将应力渗流有机结合起来进行耦合研究，才能更加准确的预测矿井的涌水量。

参考文献

[1]陈兆炎.煤田水文地质学[M].北京：煤炭工业出版社，1989.

[2]杜敏铭，邓英尔，许模.矿井涌水量预测方法综述[J].地质学报，2009，29(1)：70-73.

[3]王心义、李世峰、许光泉，等.专门水文地质学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

[4]米金科，王涛.解析法在兴隆庄煤矿工作面涌水量预测中的应用[J].中国煤炭地质，2011，23(3)：27-30.

[5]董兴文.矿井最大涌水量计算与参数确定[J].工程勘察，1995，(4)：24-28.