矿井涌水量（精选九篇）
矿井涌水量 篇1
四矿位于禹州煤田虎头山正断层南侧, 西部边界位于杨园 - 三峰山中峰 - 宋家寨一线;东部边界位于苏王口 -三峰山东峰 - 后袁一线;北部边界位于寨北 - 苏沟 - 刘垌 - 五二0粮店一线;南部边界位于山杨 - 山李 - 后袁- 东大沟一线。建井初期, 受各种因素的影响和制约, 其开采主要集中在六2、七2煤层, 同时将排水系统布置在-20m水平, 现在该煤层已经停止开采。目前, 开采的矿井主要集中在二1煤层, 其排水系统主要布置在 -270m水平, 并且矿井呈现出延深至主下山采区的趋势, 在这种情况下, 其排水系统布置在 -400m水平。这次矿井涌水量预测分 -270m和 -400m水平分别计算。二1煤层顶板含水层富水性弱, 水文地质条件简单, 底板含水层富水性中等, 水文地质勘查类型属底板进水为主的水文地质条件中等
的岩溶充水矿床。
2 水文地质边界条件
从实际情况来看, 整个矿区的东、西、南都属于自然边界, 北部属于虎头山正断层, 该矿井具备导水性的特点, 通常情况下, 可以视为一个透水边界。
3 涌水量预测
在矿井涌水量测量方面, 通常情况下, 根据开采时的实际矿井涌水量资料, 分别采用比拟法及大井法对二1煤层 -270m水平和 -400m水平进行相应的预测处理。
3.1 比拟法
3.1.1公式选择。据矿井调查资料分析, 矿井涌水量与疏排降深成正比, 随巷道系统控制面积的增大而增大。矿井涌水量预测选用公式如下:
Q———矿井预测涌水量 (m3/h) ;Q0———矿井实际涌水量 (m3/h) ;S———预测水平降深;S0———实际水平降深 (m) ;F——预测巷道系统控制面积 (m2) ;F0———已采掘巷道系统控制面积 (m2) 。
3.1.2参数选择。1Q0取2005年矿井涌水量实测平均值138.10m3/h。2S0采用矿区周边平均水位标高-40.00m, 降至 -270m的疏排降深230.00m。S为预测时水位降至 -270m水平的疏排降深230.00m, 水位降至-400m水平的疏排降深360.00m。3F0为2005年巷道系统的控制面积, 从采掘平面图上量取, 约960000m2。4F为 -270m水平巷道系统的控制面积, 从二1煤层底板等高线及资源储量图上量取2930000m2, -400m水平巷道系统控制面积由二1煤底板等高线及资源储量图计算而得4190000m2。
将参数代入公式1进行计算。-270m水平矿井正常涌水量为182.5m3/h;-400m水平矿井正常涌水量 为312.4m3/h。
3.2 大井法
3.2.1公式选择。根据矿区水文地质边界条件, 大井法预测矿井涌水量, 选择公式如下:
Q———预测矿井涌水量 (m3/h) ;K———含水层渗透系数 (m/d) ;M———含水层厚度 (m) ;H———顶板含水层的水柱高度 (m) ;S——至预测水平的疏排降度 (m) ;R———大井影响半径 (m) ;R0———大井这算半径 (m) 。
将上述参数代入公式2或3进行计算。-270m水平:顶板水:3606.1m3/d (100.1m3/h) 。底板水:2825.1m3/d (104.1m3/h) 。-400m水平:顶板水:4506.7m3/d (133.4m3/h) 。底板水:3521.1m3/d (136.7m3/h) 。-270m水平正常矿井涌水量为204.2m3/h, -400m水平正常矿井涌水量 为270.1m3/h。上述两方法计算的矿井正常涌水量有一定差异, 可选用比拟法计算的矿井涌水量作为矿井正常涌水量, 最大涌水量取正常涌水量的1.7倍即可。矿井 -270m水平正常涌水量取182.5m3/h, 最大涌水量取310.3m3/h;-400m水平正常涌水量取312.4m3/h, 最大涌水量取531.1m3/h;上述正常涌水量和最大涌水量可作为矿井疏排的依据。
摘要：通过分析矿井水文地质情况, 进而对二1煤层底板灰岩含水层为主要充水水源的水文地质条件等进行确定, 同时分别采用比拟法和大井法两种方法, 计算了-270m、-400m水平的涌水量, 预测了矿井生产中最大涌水量, 为矿井水害防治和安全生产提供了参考。
关键词：煤矿,涌水量,比拟法,大井法
参考文献
[1]苗永亮.平禹六矿水文地质特征及充水因素分析[J].西部探矿工程, 2010 (07) .
[2]常辉, 李锦鑫.禹州煤田梁北二井矿井涌水量计算与评价[J].黑龙江科技信息, 2010 (21) .
矿井涌水量 篇2
长沟峪煤矿矿井涌水量受降雨影响显著,曾经因降雨造成淹井事故.文章分析了长沟峪煤矿矿井充水因素及其影响程度,建立了矿井涌水量预测的`BP网络模型,通过对和+141水平和+20水平矿井最大涌水量预测验证了该模型的可行性,并据此对不同降雨条件下的矿井涌水量进行了预测.
作 者：梁冰 李刚 王宗林 LIANG Bing LI Gang Wang Zong-lin 作者单位：梁冰,王宗林,LIANG Bing,Wang Zong-lin(辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新,123000)
李刚,LI Gang(辽宁工程技术大学安全科学及工程学院,辽宁阜新,123000)
矿井涌水量 篇3
摘 要：文章采用高效脱氟剂NY-Z02对广西某矿井涌水进行了深度除氟处理工艺研究。小试结果表明，常温下，调节废水pH=6～7，NY-Z02用量0.5‰，反应时间15 min，然后采用PAM进行絮凝、沉淀后的处理出水中氟浓度由6.2 mg/L降低至0.54 mg/L。中试结果表明，在其他条件不变的情况下，NY-Z02用量降低至0.4‰时，即可将矿井涌水中氟浓度降低至0.58 mg/L，满足排放要求，此时吨水处理的药剂成本仅为0.69元。
关键词：含氟废水；NY-Z02；深度处理；矿井涌水
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0173-02
1 概 述
氟（F）属卤族元素，在元素周期表中原子序数为9，原子量为19。融点-220 ℃，沸点-188 ℃，在20 ℃条件下为淡白-黄色的气体。
氟是人体生命活动必需的一种微量元素，具有多方面的生理作用。但如果人体摄入过量的氟及其化合物，将会对人体产生一系列毒副作用。氟及其化合物能抑制酶的催化功能，此外，还能使血清钙下降，抑制凝血机制[1]。过量吸入氟化氢或内服氟化钠，会引起急性中毒，导致咳嗽、发热、咳嗽、胸部紧迫感、血压下降等，使心脏和呼吸受到抑制，甚至导致死亡。饮用水中氟含量超过1 mg/L，能够使居民患“氟斑牙”的症状，浓度达到4～6 mg/L，小儿将全部都患“氟斑牙”，更高的氟浓度还能导致严重的佝偻病。氟及其可溶性化合物等对植物也有极大危害。针对以上情况，我国规定地表水中氟含量限值为1.0 mg/L[2]。
广西贺州市某选矿厂原矿开采过程中所产生的矿井涌水含氟超标，不能直接进行排放，需进行除氟处理，达到《地表水环境标准》（GB 3838-2002）标准后才能外排。本文对此废水展开了除氟试验研究，在小试基础上，进一步展开扩大化试验，取得了比较满意的处理效果。
2 实验部分
2.1 废水来源及水质
试验水样取自广西贺州市某选矿厂原矿开采过程中产生的矿井涌水，废水水质如下：F-6.2 mg/L，SS 54 mg/L，pH 7.2。
2.2 试剂和仪器
仪器：HJ-4A型数显恒温多头磁力搅拌器；AY220型电子天平；pH-3C型精密pH计； PF-2-01氟离子选择电极；MS-3型微波消解COD测定仪。
试剂：盐酸、氢氧化钠均为分析纯。NY-Z02为长沙依诺环保科技有限公司专用除氟剂，聚丙烯酰胺（PAM）为工业级产品。
2.3 实验方法
取原废水200 mL于烧杯中，置于磁力搅拌器上进行搅拌，加入专用除氟剂NY-Z02（配制浓度10%），5 min后，缓慢加入氢氧化钠调节废水的pH值，达到预定值后，继续搅拌反应一定时间，随后加入一定量PAM（配制浓度1‰）对沉淀进行絮凝，继续搅拌约30～60 s后，静置沉降，取上层清液，对残余氟离子浓度进行测定分析。
2.4 分析方法
氟离子采用氟离子选择电极法测定。
3 结果与讨论
3.1 除氟剂NY-Z02投加量对除氟效果的影响
取原水200 ml，加入不同剂量的除氟剂NY-Z02（配制浓度：10%），反应5 min后，缓慢加入氢氧化钠调节水样的pH=7.0、磁力搅拌反应30 min。现象：加入除氟剂NY-Z02后，均有不同程度的沉淀生成，且随着NY-Z02投加量的增加，沉淀量随之增大。NY-Z02投加量对处理效果的影响，如图1所示。
由图1可知，随着除氟剂NY-Z02投加量的增加，处理后出水中F-浓度逐渐降低，当NY-Z02投加量增加至0.5‰时，出水F-浓度趋于稳定，F-浓度由6.2 mg/L降低至1.15 mg/L，此时继续加大药剂投加量至0.7‰，出水F-浓度仅由1.15 mg/L降低至0.72 mg/L，而此时药剂成本却增加了将近1倍，因此，从节约药剂成本的角度考虑，后续实验取NY-Z02的最佳药剂投加量为0.5‰。
3.2 pH值对处理效果的影响
在NY-Z02投加量0.5‰，反应时间30 min条件下，不同pH值对处理效果的影响，如图2所示。
由图2可知，pH值对F-的去除存在显著影响。当pH=4时，废水中F-的浓度为3.2 mg/L，当pH上升至6时，处理后的出水中F-浓度降至0.83 mg/L，随后，在pH=6～7的范围内，处理出水中F-浓度变化不大，约为0.52～0.81 mg/L。当pH值进一步提高至8时，处理出水中F-浓度显著升高，达到2.8 mg/L。这说明此时被沉淀吸附的F-，发生了解吸，从而使F-出现返溶现象。因此，除F-反应pH值既不宜过酸，也不宜过碱，应控制在pH=6～7左右。
3.3 反应时间对去除效果的影响
在NY-Z02投加量0.5‰，调节反应pH=6.5的条件下，不同的吸附反应时间对处理效果的影响，如图3所示。
由图3可知，处理出水中F-浓度随着反应时间的延长而降低。当反应进行至15 min时，出水中F-浓度降低至0.54mg/L，继续增加反应时间，出水F-浓度趋于稳定，故确定最佳反应时间为15 min。
3.2 中试试验
根据上述试验结果，确定的矿井涌水除氟最佳工艺条件为：向废水原水中投加专用除氟剂NY-Z02 0.5‰，反应5 min后用氢氧化钠调节废水pH值至6～7，搅拌反应15 min，然后投加PAM进行絮凝沉淀，出水中F-浓度降低至0.54 mg/L。
为了进一步为技术的工程化应用奠定坚实基础，我们在广西贺州某矿井实地展开了为期3天的中试试验，设计处理能力2 t/h，72 h连续运行。试验过程中，每隔1h取样一次，取样8次后，将样品混合，测定混合样中的F-浓度。根据测定结果对工艺参数（主要为除氟剂NY-Z02用量）进行调整优化，达到节约运行成本、优化工艺的目的。试验结果，见表1。
从表1可知，中试试验所取得的结果优于小试结果。小试结果表明，除氟剂NY-Z02用量需达到0.5‰，处理水中F-浓度才能降低至0.54 mg/L，而中试结果表明，当除氟剂NY-Z02用量仅为0.4‰时，处理水中氟浓度即达到0.58 mg/L，可以达标排放。
根据中试结果，我们对药剂成本进行了核算，在最佳处理条件下吨水处理成本约为0.69元，具体见表2。
3.3 工艺设计
根据中试试验确定的最佳工艺参数，确定工艺流程，如图4所示。
生产废水经调节池对来水的水质、水量进行调节，然后进入除氟反应池，采用加药泵向池中投加专用除氟剂NY-Z02和NaOH，控制反应池pH值6～7范围，，反应时间15～20 min，反应池出水进入絮凝池，通过投加PAM使反应池形成的细小絮体形成大的絮体后进入斜管池进行沉淀分离，出水经清水池储存后回用或达标排放。
4 结 语
①专用除氟剂NY-Z02具有优异的除氟效果，在其他条件不变的情况下，NY-Z02用量越大，出水中残余的F-浓度越低。
②小试实验中，在NY-Z02投加量为0.5‰，氢氧化钠调节废水pH值至6～7，搅拌反应15 min，然后投加PAM进行絮凝沉淀，出水中F-浓度降低至0.54 mg/L。
③中试试验结果表明，当除氟剂NY-Z02用量为0.4‰时，处理出水中氟浓度即降至0.58 mg/L，可以达标排放；中试试验所取得的结果优于小试结果。
④小试和中试结果表明，采用专用除氟剂NY-Z02进行废水除氟，效果好、运行费用低，具有良好的工程应用前景。
参考文献：
[1] [Machoy Mokrzynska：A .Fuorine in toxicology，medicine，and environment protection，Fluorine Vol.32，No.4 248～250，1999.
矿井涌水量时间序列预测方法研究 篇4
当前, 矿井涌水是造成矿产开采工人、设备安全的主要问题。然而, 随着开采深度、强度、速度的增加, 矿井漏水问题日益严重, 给人民生命财产造成重大损失, 严重影响和制约着矿山的安全生产。因此, 开展矿井涌水预测理论及技术研究[1~2], 对于采动岩体涌水预测与防治、开采方法的改进、安全度的评价具有重大理论意义和实际价值。
2矿井涌水量预测方法概述
矿井涌水量是指流入矿井巷道内的地表水、裂隙水、老窑水、岩溶水等的总量。矿井涌水量的大小常用每小时或每分钟的流量表示。矿井涌水量是煤矿开发的一个重要技术条件, 在地质勘探工作中应查明水文地质条件和预计开采矿井的涌水量, 以便在建井和生产时采取相应的流、排、堵、防等措施[3]。近年来, 常用的矿井涌水量预测方法主要包括以下几种。
2.1 突水系数法
突水系数法始用于1964年, 利用突水系数法能够分析底板涌水规律, 是预报底板涌水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值, 表达式为:
式中, P代表作用于底板的水压, MPa;M代表底板厚度, m。用突水系数评价底板稳定性的关键在于确定临界突水系数Ts, 可定义为每米隔水层厚度所能承受的最大水压。若T<Ts说明底板稳定, 涌水可能性小;反之, T>Ts则说明底板不稳定, 发生底板涌水的可能性大。
2.2 阻水系数法
阻水系数法是通过现场底板钻孔水压致裂法底板岩石的平均阻水能力, 计算公式为:
式中, Z为阻水系数, R为裂缝扩展半径, 一般取R=40~50, P为岩体破裂压力, P=3σ2-σ1+σT-P0;σ2、σ1为底板岩层最大、最小主应力;σT为岩体抗拉强度;P0为岩体孔隙压力。
利用阻水系数法预测底板突水性的原则是:岩石破裂压力大于水压, 则不产生突水;若岩石破裂压力小于水压, 则用水压与有效隔水层总阻力能力Z总 (Z总=Zh) 相比, 如果有效隔水层总阻力能力大于水压, 则不会发生突水, 否则, 有突水可能性。
2.3 矿井直流电法
直流电法勘探是以煤、岩层的导电性差异为基础, 通过人工向地下供入稳定电流, 观测大地电流场的分布规律, 从而确定岩、矿体物性 (如贫、富水区域) 的分布规律或地质构造的特征。
直流电法灵活, 根据不同探测目的, 可以采用多种工作装置形式。井下探测通常应用对称四极测深装置、三极测深装置和三点三极超前探装置。直流电法具有理论成熟、仪器简便、抗干扰能力强的优点, 可用于探测巷道掘进工作面前方富水体范围、划分顶底板岩层贫富水区域、确定工作面回采时的易突水地段、评价工作面回采时的水害安全性等。
2.4 其它方法
除了上述3种预测方法外, 还有“地质-电法-测温”多参数综合超前探测技术、核磁共振煤矿涌水监测技术、基于神经网络的煤矿底板涌水预测等涌水量预测方法, 然而上述方法均只能判断是否涌水, 而无法准确预测涌水量大小, 并且存在预测、发现不及时等问题。
3 时间序列预测理论
3.1 时间序列预测概述
时间序列是按时间顺序排列的观测样本值的集合, 比如一周之中每1h的矿井涌水量就构成一个时间序列。时间序列预测即采用数据建模或时间序列建模方法达到对时间序列未来变化趋势进行预测或预报的目的。根据大量的观测数据对系统进行分析, 其主要原因正是为了能够预测出系统在未来的特性, 以便对系统的特性进行处理或控制。
3.2 自回归滑动平均模型
系统中某一因素变量的时间序列数据没有确定的变化形式, 也不能用时间的确定函数描述, 尽管其不直接含有时间变量, 但由于隐含时间因素, 且变量在相邻时间的取值具有一定的关系, 所以可以用回归或随机模型近似反映其变化规律。该模型主要包括自回归模型 (AR) 、滑动平均模型 (MA) 、自回归滑动平均模型 (AR-MA) 以及自回归求和滑动平均模型 (ARIMA) 几种, 它们是分析时间序列变化规律, 并预测其变化趋势的最常用模型结构。由于AR、MA均为ARMA的特例, 因此这里只研究ARMA模型一种。
自回归滑动平均ARMA (p, q) 模型:
式中符号含义为p和q是模型的自回归项阶数和移动平均项阶数;φ和θ是不为零的未知系数, 需要通过数据拟合计算确定;εt为误差, 表示随机干扰, 这里假设其为白噪声即均值为0、常方差为σ2。
该模型物理意义为影响时间序列变化的因素既包括确定性因素也包含随机性因素, 因此时间序列未来变化趋势通过该时间序列变量的历史观测值以及历史时刻随机干扰或预测误差的线性组合来预测
4 基于ARMA的矿井涌水量时间序列预测
4.1 序列平稳化处理
平稳性即序列变化的统计分析保持一定的均值, 根据时间序列理论, 平稳的序列完全可以运用ARMA模型对其进行分析预测。
对非平稳的时间序列, 在建立模型前先对数据进行分处理, 处理步骤一般为, 画出序列的时序图。通过时序图观察序列的基本特征, 包括是否有周期性、趋势性, 初步判断是平稳序列还是非平稳序列;若是非平稳序列可以通过差分运算消除序列本身的周期性和趋势性;计算原始序列的自相关函数 (ACF) 和偏自相关函数 (PACF) , 观察ACF衰减的速度, 还有就是通过ADF等准则确定时间序列的平稳性。如果是非平稳序列, 通过差分运算消除序列的不平稳性, 使之变为平稳序列。
4.2 模型识别
通过序列的自相关函数和偏自相关函数来定阶, 是ARMA模型很常用的一种定阶方法。利用自相关函数和偏自相关函数无法得到 (p, g) 准确的最优值, 可利用赤池信息量准则 (Akaike information criterion, 简称AIC) 进行定阶。它的基本思想:增加模型的参数变量会减少模型估计值与实际值的偏离程度, 使模型更好的拟合原始数据, 但是参数变量数量的增多会增加模型的复杂程度, 于是应该对增加变量带来的代价进行惩罚。
AIC的基本公式定义如下:
AIC准则定阶方法可写为:
其中, n为样本数量, σ2为拟合残差平方和, p, q为待确定的模型阶次。k=p+q为ARMA模型中的参数个数, 由上式可知, 当样本容量确定时, 随着p, q的不断增加, 左边项的值会减少, 右边项的值会增大。当p, g能取到一对值, 使得AIC (变化趋势与哪一随机过程最为接近。另外需要注意的是只有当样本量足够大时, 样本的自相关函数才非常接近母体的自相关函数。
4.3 参数估计
确定模型阶数后, 应对ARMA模型进行参数估计。参数估计方法一般为最小二乘法、智能优化算法等, 本文应用集群智能优化算法-粒子群算法优化模型参数。需要注意的是, MA模型的参数估计相对困难, 应尽量避免使用高阶的移动平均模型或包含高阶移动平均项的ARMA模型。
4.4 模型检验
完成模型的识别与参数估计后, 应对估计结果进行诊断与检验, 以求发现所选用的模型是否合适。若不合适, 应该知道下一步作何种修改。一是检验模型参数的估计值是否具有显著性;二是检验模型的残差序列是否为白噪声。参数估计值的显著性检验是通过t检验完成的Q检验的零假设是H0:ρ1=ρ2=…=ρk即模型的误差项是一个白噪声过程。Q统计量定义为Q=T (T+2) , 近似服从x2 (k-p-1) 分布, 其中T表示样本容量, rk表示用残差序列计算的自相关系数值, k表示自相关系数的个数, p表示模型自回归部分的最大滞后值, q表示移动平均部分的最大滞后值。用残差序列计算Q统计量的值。显然若残差序列不是白噪声, 残差序列中必含有其他成份, 自相关系数不等于零。则Q值将很大, 反之Q值将很小。判别规则是:若Q≤xα2 (k-p-q) , 则接受H0;若Q>xα2 (k-p-q) , 则拒绝H0。
5 结语
当前矿井涌水严重影响和制约着矿山的安全生产。因此, 开展矿井涌水预测理论及技术研究具有重大理论意义和实际价值。本文首先概述了当前常用的几种矿井涌水量预测方法, 分析了其中存在的缺陷与不足, 在此基础上, 提出了基于ARMA模型的矿井涌水量时间序列预测方法, 从而为精确预测矿井涌水量提供了技术途径。
摘要：指出了精确预测矿井涌水量对于提高矿产开采安全具有重要意义。概述了当前常用的几种矿井涌水量预测方法, 分析了其中存在的缺陷与不足, 在此基础上, 提出了基于ARMA模型的矿井涌水量时间序列预测方法, 从而为精确预测矿井涌水量提供技术参考。
关键词：矿井,涌水量,预测
参考文献
[1]杜敏铭, 邓英尔, 许模.矿井涌水量预测方法综述[J].四川地质学报, 2009 (1) .
[2]刘北战, 梁冰.基于SVM降雨充水矿井涌水量预测[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版, 2010 (1) .
矿井涌水量 篇5
1 井田主要含水层特征分析
1.1 奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水
奥陶系中统马家沟组岩性为灰岩、角砾状灰岩及白云质灰岩,区域厚度64.84～119.74 m,本井田及外围曾进行多次抽水试验,钻孔单位涌水量0.000 38～4.914 00 L/(s·m),渗透系数0.003 6～11.010 0 m/d,水位标高+375.75～+243.58 m,地下水位西高东低、南高北低,±0水平以上岩溶裂隙发育,属强富水性含水层,含岩溶裂隙承压水。600～1 000 m岩溶裂隙发育程度小于浅部,23021,2601,2603′孔穿见本层,最大揭露厚度73.58 m,地下水位标高+228.61 m,富水性弱于浅部地段,属于中等富水性含水层。本层水质为HCO3-CaNa类型,矿化度888 mg/L,总硬度401 mg/L,pH值为7.80。
1.2 太原组灰岩岩溶裂隙承压水
太原组地层的下部和中上部夹多层薄层灰岩,一般发育3层,灰岩平均总厚度15.73 m。L7灰岩普遍发育,厚度2.60～7.98 m,平均厚度5.12 m。井田及外围地段进行过多次抽水试验,平均钻孔单位涌水量为0.005 69 L/(s·m),平均渗透系数为0.082 7 m/d,水位标高+338.09～+207.94 m,个别钻孔单位涌水量在1 L/(s·m)以上。由于裂隙发育不均,因此具有非均匀质各向异性的特点,含水层富水性浅部强于深部,含岩溶裂隙承压水。地下水位标高+305.71 m,为中等富水性含水层。本层水质为HCO3-CaNa类型,矿化度580 mg/L,pH值为7.80。L7层灰岩顶距二1煤层底板8.67～17.14 m,平均为13.15 m,为二1煤层底板直接充水含水层。
1.3 山西组砂岩水
主要由山西组二1煤层顶部的大占砂岩和香炭砂岩组成,多为中粒砂岩,大占砂岩平均厚度11.99 m,裂隙不发育。浅部新安井田抽水试验结果:钻孔单位涌水量为0.016 80～0.000 25 L/(s·m),渗透系数为0.066 500～0.000 964 m/d,地下水位标高在+324.48～+198.75 m。本井田2603′孔及主、副井检查孔抽水试验结果:单位涌水量为0.001 810～0.000 681 L/(s·m),渗透系数0.012 30～0.003 44 m/d,地下水位标高+226.41～+349.88 m,为弱富水性含水层。含裂隙承压水,为二1煤层顶板直接充水含水层。本层水质为HCO3-Ca类型,矿化度725 mg/L,pH值为7.80。
2 矿井充水因素分析
井田内地表水系不发育,地表水对矿井开采影响较小。黄河小浪底水库坝址距本井田5 km,蓄水后水位标高+275 m,将造成井田北侧淹没面积0.09 km2。由于煤层埋深较大,采掘冒裂带不能通达地表造成水体下渗溃入矿井。
煤层开采过程中,充水来源主要是煤层顶底板山西组砂岩直接充水含水层的地下水和煤层底板太原组薄层灰岩直接充水含水层中的地下水,二1煤层顶板砂岩及太原组薄层灰岩均为弱—中等富水性充水含水层。煤层开采后,这2层水主要通过导水裂隙进入巷道。开采初期以贮水量为主,随着长期疏干、降压,补给水便取代贮水量进入矿井。根据对矿井涌水量的计算,这2层水量有限,矿井开采中易于疏排。当顶板水导水裂隙带通达下石盒子组含水层时,增加了间接充水含水层的矿井水补给来源。
浅部新安煤矿12161工作面回风巷掘进曾发生奥灰水突入矿井,突水点标高+32.46 m,涌水量为1 068 m3/h,最高达4 275 m3/h,造成全矿被淹。突水水源为奥陶系灰岩地下水直接突出,突水条件是由于落差4 040 m的F3断层。奥灰水沿F3断层破碎带导水通道上升至二1煤层附近潜伏,当12161工作面回风巷掘进至此处,原有的压力平衡遭到破坏,在构造、水压和矿压的综合作用下,导致矿井突水,突水系数为0.806。
奥陶系灰岩为中等富水性的间接充水含水层,距二1煤层底板60 m以上。正常情况下,对开采二1煤层影响较小。但由于岩溶裂隙发育不均,局部仍有富水地段的可能,且随着煤矿开采,奥灰水由静态水变为动态水,对二1煤层开采威胁将越来越大。特别是在构造破坏造成煤层底板隔水层减薄的情况下,如F29断层上盘煤层的井巷工程及采掘时,应防止下盘奥灰水涌入井巷,造成水患。
3 矿井涌水量计算
本次分别采用地下水动力学公式的狭长地沟法和生产矿井富水系数法计算先期开采地段(-400 m水平)矿井预计涌水量。煤层开采过程中,需要疏排顶板含水层地下水,因此采用地下水动力学公式时选用承压转无压水公式;疏降底板含水层地下水采用承压水公式计算。富水系数法是利用邻近生产矿井的水文地质资料,以富水系数比拟类推新井预计矿井涌水量。
狭长地沟法:
顶板 Q=BK(2H-M)M/R
底板 Q=2BKMS/R
富水系数法:Q=KBP
式中,Q为矿井-400 m水平预计涌水量,m3/h;B为巷道走向水平长度,6 100 m;K为渗透系数,当顶板含水层P1x时采用风井检查孔抽水试验资料0.008 86 m/d, P1s时采用2603′孔第Ⅰ次抽水试验资料0.012 3 m/d,底板采用2603′孔第Ⅱ次抽水试验资料0.566 m/d;M为含水层厚度,P1x时根据风井检查孔资料为33.35 m,其余根据2603′资料,P1x时为12.80 m/d, 底板C3t的L7灰岩为6.10 m;H为-400 m水平以上水柱高度,采用与K值对应的抽水试验层水位标高分别计算,P1x时为547.47 m,P1s时为616.41 m,C3t时为705.71 m;S为最大水位降深,S=H,m;R为影响半径,采用undefined计算,P1x时为515 m,P1s时为695 m,C3t时为5 309 m;KB为富水系数,根据毗邻的新安煤矿资料计算,该矿接近设计生产能力的2002年1月至2003年3月,平均日产煤炭2 849 t,同期平均矿井涌水量270.29 m3/h,据此计算富水系数KB=2.277 m3/h;P为新井设计采煤量,年产90万t。经计算得出以下结果。
(1)狭长地沟法。
顶板含水层 P1x: Q=155 m3/hP1s:Q=71 m3/h底板含水层 C3t:Q=233 m3/h
Qcp=304 m3/h,Qmax=459 m3/h
(2)富水系数法。
正常涌水量:Q=KBP=234 m3/h。
根据新安煤矿1993～2002年间的资料统计,最大涌水量是平均涌水量的1.86倍,据此计算正村井田矿井最大涌水量Qmax=435 m3/h。
4 结语
(1)通过分析研究,确定了奥陶系灰岩水、太原组灰岩水和山西组砂岩水的赋存规律。
(2)确定了井田内岩石裂隙的主要涌水通道,断层为次要导水通道。
(3)计算出矿井最大涌水量。
摘要：分析了新安煤田正村井田地下水赋存特征,奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水含水层为强富水性含水层,太原组灰岩裂隙岩溶水承压水含水层为中等富水性含水层,山西组砂岩裂隙承压水含水层为弱富水性含水层。矿井开采过程中,充水来源主要是煤层顶板直接充水含水层的地下水及底板水,即太原组灰岩中的地下水。遇断层时,应防止奥陶系灰岩水突入矿井。介绍了用狭长地沟法及富水系数法计算矿井涌水量。
关键词：承压水,含水层,充水因素,矿井涌水量
参考文献
[1]李义昌,郑伦素.水文地质及工程地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.
矿井涌水量 篇6
矿井涌水量是指在矿山建设和开采过程中, 单位时间内涌入矿井的总水量[1]。矿井涌水量的大小是划分矿井水文地质类型的重要依据之一, 直接关系到矿山的生产成本, 并且涌水量数据是制定矿井防治水方案和确定排水设备的重要依据, 也是评价矿井安全的主要指标, 因此对矿井涌水量的预测具有非常重要的意义[2,3]。
对矿井涌水量的预测一直以来都困扰着勘探工作者, 也是一个难解决的问题。如今已有很多种计算方法, 但是如何根据实际情况选择一种合适的矿井涌水量计算方法非常重要。在砂岩裂隙含水层的矿井中, 在不存在大的联通管道的情况下, 采用“大井法”对其进行计算是合适的。在此以贵州省遵义市某煤矿为例, 进行矿井涌水量预测, 为类似矿井选择计算方法提供参考, 也为该矿井的排水系统的设计提供依据。
1 研究区水文地质特征
1.1 矿区概况
矿区内主要为侵蚀、剥蚀岩溶山地地貌, 地形切割较大, 在山麓中发育有冲沟及断续分布有近南北向的陡崖体, 缓坡坡度多在10°~20°, 陡崖多在60°~80°, 岩溶洼地、漏斗、落水洞、溶洞等较发育。地形总体上西部高、东部低, 最高海拔标高1 856 m (矿区北部破罗岗) , 最低处于东部斜坡上部, 标高约1 000 m, 相对高差856 m。
1.2 研究区含、隔水层岩组水文地质特征
1.2.1 第四系 (Q) 孔隙含水层
主要分布于矿区内的洼地、缓坡和沟谷地带, 主要类型为耕植土、粘土和碎石土。土层厚度极不均一, 厚度为0~50 m, 分布差异性大。该层地形条件有利于排泄, 具弱透水性, 季节性含水, 且富水性弱。
1.2.2 三叠系下统茅草铺组 (T1m) 岩溶裂隙含水层
该岩层主要出露于矿区西部, 北部有零星出露。主要为灰色中至厚层状细晶灰岩, 夹薄层泥灰岩及泥质灰岩, 厚度大于350 m。
总体上讲, 地表岩溶发育, 补给面积大, 大气降水以集中注入或灌入方式补给地下水, 补给条件好。地下水接受补给后, 由北向南运移, 最后于南部冲沟内排泄, 富水性强。
1.2.3 三叠系下统夜郎组九级滩段 (T1y3)
该段岩性为碎屑岩夹碳酸盐岩。按不同岩性组成可分为3个亚段, 根据各自不同的水文地质特征由上至下分述如下:
(1) 第三亚段 (T1y3-3) 隔水层。在矿区北部有零星出露。岩性为紫红泥岩、泥质粉砂岩及少量薄至中厚层泥灰岩, 厚度大于28 m。该层地形为斜坡, 具自然排水条件, 补给条件差, 富水性弱, 相较而言, 可视为隔水层。
(2) 第二亚段 (T1y3-2) 岩溶裂隙含水层。大面积出露于矿区内, 但不完整。灰色薄至中厚层状微~细晶灰岩及泥质灰岩, 厚145~158 m。调查岩溶现象点18个, 岩溶形态为落水洞、漏斗及溶洞等。标高为1 475~1 689 m。揭露钻孔有10个, 其中有9个见溶蚀, 全层溶蚀现象岩溶率为3%。总体上讲, 矿区及其附近区域地面岩溶发育, 处于补给区。大气降水主要以集中补给为主, 补给方式为注入或灌入。地下水存在两种类型, 一为上层滞水, 具当地补给当地排泄, 泉流量小, 富水性弱至中等;另一类为潜水, 主要以集中排泄为其特点, 富水性强。
(3) 第一亚段 (T1y3-1) 隔水层。矿区内出露完全。紫红、紫灰色泥岩、泥质粉砂岩夹钙质泥岩及少量泥灰岩、泥质灰岩, 厚96~132 m。该岩层出露地表处地形有利于排泄, 由于厚度较大, 隔水性能良好, 故定为一相对隔水层。
1.2.4 三叠系下统夜郎组玉龙山段 (T1y2) 和二叠系上统长兴组 (P3c) 岩溶裂隙含水层
玉龙山段和长兴组岩性和富水性相近, 且2层之间仅有11~19 m厚的沙堡湾段 (T1y1) 隔水层相隔, 岩性为浅绿色钙质泥岩。沙堡湾段 (T1y1) 受外力的作用下易发生变形和破坏, 并失去隔水性。故将玉龙山段和长兴组视为同一含水层来进行研究, 统称“T1y2+P3c”岩溶裂隙含水层。玉龙山段 (T1y2) :在矿区内出露完全, 呈长条形展布。岩性主要为浅灰~灰色灰岩, 中部偶夹薄层泥灰岩及泥质灰岩, 厚度为132~154 m。长兴组 (P3c) :在地表形成陡坡、陡崖, 岩性主要为灰~深灰色灰岩、含燧石结核灰岩, 厚度为78~88 m。
据玉龙山段 (T1y2) 和长兴组 (P3c) 混合抽水试验, 单位涌水量为0.002 7~0.009 2 L/s·m。根据区域水文地质普查、地表调查及钻孔简易水文地质观测资料可知, “T1y2+P3c”层地下岩溶较发育, 地表发育较差, 地形条件不利于大气降水的入渗补给, 补给条件总体差。矿区范围为地下水补给区, 富水性弱至中等。
1.2.5 二叠系上统龙潭组 (P3l) 裂隙含水层
该岩层在矿区内完整出露。主要为浅灰色泥岩夹细砂岩、粉砂岩、粘土岩;深灰、灰黑色泥岩、灰岩、泥灰岩、煤层及煤线等, 底为粘土质硫铁矿层, 厚度78~88 m。含稳定可采煤层C1, 厚度为1.39 m。矿区内所有钻孔均有揭露, 地下水位标高1 370.70~1 606.16 m。据上覆地层的混合抽水试验, 单位涌水量为0.001 7~0.003 2 L/s·m。抽水孔所反映出的富水性与该层富水性相吻合, 是弱富水性岩层, 分析认为抽水所取得参数可作为代表性资料。
根据钻孔简易水文观测、地表测绘及钻孔抽水试验资料, 该层露头区为斜坡, 具自然排水条件, 补给条件差, 含水空隙不发育, 含裂隙水, 富水性弱。由于可采煤层赋存于其中, 故构成了矿床顶板直接充水含水层。
1.2.6 二叠系中统茅口组 (P2m) 岩溶裂隙含水层
该岩层主要出露于矿区边界以东, 主要为浅灰色至深灰色中厚层状细晶灰岩、沥青质细晶灰岩, 中上部间夹燧石团块, 厚度大于250 m。隐伏区岩溶较发育, 地表岩溶发育较差, 矿区范围为地下水的补给区, 补给条件差, 富水性中等。
该层下伏于全区稳定可采煤层C1之下, 顶界距C1煤层间距为2.49~4.57 m的硫铁矿层 (隔水层) , 已构成了矿床的间接底板充水含水层。
1.3 地质构造
研究区位于菁坝向斜北段, 总体为一向斜构造, 沿向斜轴发育一条走向逆断层 (F1) , 该断层破坏了菁坝向斜轴并将向斜两翼分割为东、西两个单斜。
F1断层:位于菁坝向斜轴部, 断层走向近南北向, 平行向斜发育并破坏了向斜轴, 长约7 km。断层面倾向西, 为一逆断层, 倾角55°~85°, 断距80~200 m。该断裂发育于矿区外围, 未来采矿中不会触及断裂破碎带, 故与矿床充水无关。
1.4 充水条件分析
根据矿区水文地质条件以及矿内井巷的分布情况, 分析影响井田矿床充水的主要因素有大气降水、水地表水、地下水、老窑积水。
1.4.1 大气降水
大气降水是矿区地下水的主要补给来源, 顶板含水层接受大气降水的补给后, 通过导水裂隙带和采空塌陷区流入矿井, 对矿床进行充水, 所以成为矿床充水的间接影响因素。矿井涌水量将会随大气降雨的变化而成正比例关系变化, 但是矿井涌水量变化要滞后于大气降雨量的变化。
1.4.2 地表水
区内地表水体分布在E2~E4线之间的一些季节性冲沟。补给源主要为泉水, 每一条溪沟上部均出露一个或一个以上的由上层滞水形成的泉点, 泉水流量动态变化大;其次补给源为大气降水。地面径流量随降雨量的多寡而骤增骤减。沿北东向南西径流, 流经地层主要为三叠系九组滩段, 受未来采空塌陷影响的可能性小, 故对矿床充水的可能性亦小。
1.4.3 地下水
地下水主要是来自于龙潭组 (P3l) 的砂岩裂隙水, 虽然该岩层富水性弱, 但是在矿山开采过程中, 由于主要可采煤层以上地层的完整性受开采的破坏, 导致其内的地下水直接进入矿井, 而成为矿井充水的直接影响因素。而间接顶板的三叠系下统夜郎组玉龙山段和上统长兴组岩溶裂隙含水层, 由于导水裂隙带高度小于C1煤层以上隔水厚度, 故采空塌未影响到“T1y2+P3c”间接顶板完整性, 并且其下还有隔水层的存在, 故该岩层地下水对矿床充水的影响可能性小。底板的茅口组 (P2m) , 由于矿床均位于当地最低侵蚀基面及本层代表性排泄点之上, 未来开采中出现底板突水的可能性小。
1.4.4 老窑积水
矿区内煤层浅部老硐分布较多, 但是老窑采空区规模均较小。由于浅部区内存在老采空区和积水, 未来矿山建设中, 遇老窑和采空区将可能产生突水, 从而对开采造成影响。
2 矿井涌水量预测
根据矿区的水文地质条件, 矿井正常涌水量主要受龙潭组 (P3l) 的砂岩裂隙水的影响, 故P3l为本次矿井涌水量预算层位。南北分别以E7、E2勘探线为边界, 西侧以1 200 m标高为边界, 东侧则以露头线、矿界为边界。由于矿层基本上都在1200 m标高以上。由于煤层比较薄, 故矿井涌水量预算标高定为1 200 m。计算公式采用承压稳定井流裘布依公式[4]:
式中:Q—矿井正常涌水量, m3/d;
K—渗透系数, m/d;
M—含水层厚度, m;
S—水位降深, m;
R0—引用影响半径, m;
r0—“大井法”半径, m。
2.1 渗透系数计算
根据ZK705孔抽水试验资料, 钻孔最大降深时的涌水量为20.74 m3/d, 钻孔最大降深为74.99 m, 确定影响半径为50 m, 钻孔半径为0.046 m, 抽水孔含水层厚度为87 m。以上数据代入式 (1) 计算, K值为0.003 5 m/d。
2.2“大井法”中水位降深的确定
利用ZK2102、ZK601、ZK602、ZK2302、ZK11015个钻孔中简易水文地质观测资料, 可计算出该层平均地下水位标高为1 456.25 m, 预算矿井涌水量标高为1 200 m。
经计算, “大井法”中地下水位降深为256 m。
2.3 含水层厚度确定
取矿区含水层厚度的平均值, 为87 m。
2.4“大井法”半径的计算
采用下式计算[5]:
式中F为“大井法”范围面积, 3.22 km2。
根据式 (2) 计算出“大井法”半径为1 013 m。
2.5 引用影响半径计算
采用承压水西哈脱公式计算[5]:
根据式 (3) 计算得出引用影响半径为1 165 m。
将参数带入承压稳定井流裘布依公式计算得出矿井正常涌水量为3 510 m3/d。
3 结论
龙潭组为南方主要含煤地层, 其赋存地层中的砂岩含水层富水性不均匀, 在开采扰动和断裂构造的影响下, 地下水极易涌入采掘工作面, 引发水害, 所以对其进行用水量预测有着实际的工程意义。文章应用“大井法”对某矿进行了矿井涌水量预测, 详细地介绍了该方法中参数的求取和确定过程。为该矿制定矿井防治水方案和确定排水设备提供依据, 也可以为类似地区矿井选择涌水量预测方法提供一定的参考和依据。
摘要：矿井涌水量是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标。在砂岩裂隙含水层矿井中不存在大的联通管道的情况下, 选用“大井法”对矿井涌水量进行预测是简单可行的。以某煤矿为例, 介绍了“大井法”预测矿井涌水量参数的求取和确定过程, 对类似矿井选择涌水量预测方法具有参考价值。
关键词：西南地区煤矿,砂岩裂隙含水层,大井法,矿井涌水量预测
参考文献
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矿井涌水量 篇7
长期以来, 矿井涌水和突水一直是煤矿安全生产的重大隐患, 由其引发的各种事故给煤矿和国家造成了重大损失。影响矿井涌水量的因素主要有矿坑水的补给条件、矿体围岩的岩性和产状、矿床的开采方式以及所选计算参数[1], 所有这些因素错综复杂, 表现为典型的非线性特征[2]。在非线性预测方法中, 神经网络技术由于具有较强的学习、联想、容错、自适应、自组织及抗干扰能力, 成为一种用于处理非线性问题的主流方法。目前应用较广泛、效果较好的模型为误差反向传播神经网络模型——BP模型, 该模型是典型的单向多层次前馈模型, 能够学习大量的映射关系, 而不需要其他数学知识来描述输入—输出之间的映射[3]。
将神经网络应用于矿井涌水量预测时效果一直不理想, 一个较重要的原因是输入神经元的选取存在问题, 目前多采用两种方法对输入层神经元进行筛选[4]:一种是通过逐一比较输入层各神经元与隐含层之间连接权值进行筛选;另一种是通过分析输入层神经元与输出层神经元之间的物理关系进行筛选。前一种需要的样本空间太大, 且对样本空间分布规律要求较高, 实际建模较为繁杂;后一种则需要建模人员的专业经验, 掌握难度较大。在此以新集二矿为例, 利用灰色关联度对BP神经网络输入层神经元进行筛选, 选取相关程度高的钻孔作为输入神经元进行BP神经网络预测矿井涌水量, 计算较简单, 实用性更强。
1 矿井涌水状况
新集二矿井田属淮南复向斜的一部分, 位于谢桥向斜南翼。矿井主采煤层为13-1, 11-2, 8, 6-1和1煤层。矿井涌水量由煤层顶底板砂岩裂隙水, 少量相邻含水层渗入水和生产用水构成, 后期1煤层开采时, 主要受1煤顶板砂岩水和底板太灰水的影响。二叠系可采煤层顶板砂岩水是矿井的主要直接充水水源, 但其富水性不均, 6-1, 8煤顶板砂岩富水性弱, 补给条件差, 以静储量为主, 易疏干。11-2煤顶板砂岩厚度大, 且其南部露头局部与推覆体片麻岩接触, 富水性相对较强, 难以疏干。13-1煤顶板砂岩较薄, 其总体富水性较弱, 但由于其浅部与推覆体寒武系地层相接触, 将接受寒武系灰岩水的补给。目前由于钻孔数较少, 1煤层顶板砂岩和太灰的富水性有待进一步评价。但1煤层距太灰含水层较近, 加之奥灰水的补给关系, 开采该煤层时防治水工作难度相对较大, 因此矿井涌水量预测显得尤为必要。
矿井地面有9个长观孔, 其水位见表1, 钻孔的筛选主要依据:①矿井涌水量主要受二叠系砂岩裂隙水、寒武系灰岩水、奥陶系灰岩水及太原组灰岩水影响;②松散层发育3层含水层, 由于三隔厚度大, 在正常情况下可有效阻断与下伏含水层的水力联系, 在古地形隆起处第二、三含水层直接覆盖在基岩上, 但大部分地段松散层与主要可采煤层相距较远, 其间又有推覆体片麻岩、寒武系和夹片地层相隔, 因此地表水和新生界松散砂层水对矿井涌水量及水位影响较小, 所以剔除第二含水层水位观测孔0107-1、Q (Ⅱ) 及第三含水层Q (Ⅲ) 3个孔;③结合数据, 发现104、0307水位基本不变, 矿井涌水量与之无相关性, 所以再剔除这两个观测孔数据。
2 涌水量预测
2.1 涌水量灰色关联度分析
第一步, 确定分析矩阵, 选取涌水量作为母因素u0, 选取0503孔、0706孔、1304孔及TG-1孔的水位作为子因素x1, x2, x3, x4, 其分析序列如下:
为了更好地体现分析对象之间的差异性, 采用均值化方法对待决策矩阵进行处理, 得到均值化矩阵[5] (x′ij) n×m :
式中:1≤i≤n;1≤j≤m。
第二步, 计算关联系数, R = (ξi j) n×m, 其中:
式中ρ为分辨系数, 一般取0.5。
各因素关联度的权重为
通过对关联度的大小进行比较, 可得出各影响因素的关联程度, 其计算结果见表2。
一般关联度大于等于0.8时, 子序列与母序列关联度很好;介于0.6与0.8之间关联度好;小于0.5时, 基本上不相关[6]。表2中4个观测孔关联度属于好和很好, 与理论分析也相符合。
2.2 BP神经网络模型的建立
首先将数据进行归一化处理, 避免神经元出现饱和, 使各输入分量有同等重要地位, 通常用式 (1) 将数值换算为[0.1, 0.9]区间的值, 再用式 (2) 将数值换回[7]:
xi= (x′i-0.1) (xmax-xmin) / (0.9-0.1) +xmin (2)
式中:x′i为归一化后的数据;xi为未归一化的数据;xmin为数据中的最小值;xmax为数据的最大值。
在灰色关联度分析的基础上, 选用关联度好的x1, x2, x3, x4 4个长观孔水位作为神经网络的输入神经元, 输出节点为涌水量, 隐含层节点数参考经验公式:
式中:nh为隐含层节点数;ni为输入层节点数;n0为输出层节点数;a为校正参数, 取值1~10[8]。
由式 (3) 得到隐含层节点为4~12, 不妨取n=10, 最终得到一个4-10-1的3层BP神经网络模型。每一个输入向量的取值范围为[0.1, 0.9], 隐含层有10个神经元, 输出层有一个神经元, 隐含层的激活函数为logsig, 输出层的激活函数为tansig, 网络期望误差设为0.000 1, 网络学习速率Ir为0.1, 利用Matlab提供的神经网络工具箱进行可视化操作, 其具有直观、迅速的特点[9], 经过多次试验, 使用训练函数trainlm.m收敛速度最快, 拟合效果最好。
2.3 结果分析
基于以上BP神经网络模型分析结果, 选取关联度好的4个钻孔, 采用当月钻孔水位预测当月的矿井涌水量, 预测结果见表3。由表3看出涌水量实测值与预测值之间, 最小误差仅为0.012%, 最大误差为1.226%, 平均误差为0.259%。说明用水位预测涌水量能较好地排除其他因素的干扰, 预测精度高, 能较好地满足生产的需要, 所建立的灰色BP神经网络预测模型正确。
3 结语
在矿井涌水量与钻孔水位背景资料分析的基础上, 结合灰色关联度分析了钻孔水位与涌水量的关系, 运用BP神经网络技术对矿井涌水量进行了预测。从新集二矿来看, 预测结果精度较高, 证明该方法是有效的, 可为矿井排水方案的设计提供依据。
参考文献
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矿井涌水量 篇8
R/S分析法最早是由英国科学家赫斯特(H E Hurst)在研究尼罗河多年水文观测资料时提出的一种新的统计方法,后来经Mandelbrot与Wallis从理论上对该方法进一步补充完善,使其发展成为研究时间序列的分形理论[4]。近年来,该方法已经被大量应用于水文、气象、股市等诸多领域的时间序列预测中,取得了令人鼓舞的成果。但是R/S分析法在矿井涌水量预测方面的应用鲜有报道[1]。笔者将R/S分析方法应用于矿井涌水量时间序列特性分析,这对于进一步研究矿山地下水涌水量波动规律,如涌水量时间序列的长期记忆性及其矿山地下水系统演变趋势都有重要的理论意义,同时对防治矿井水害也具有一定的指导意义。
1 R/S分析法
1.1 R/S预测原理
R/S 的基本思想是改变样本序列的时间尺度,研究其在不同尺度范围内的统计规律,从而进行大小时间尺度间的相互转换[5]。该方法能从分形时间序列中区分出随机序列和非随机序列。同时,通过Hurst指数的判定,可以判定涌水量时间序列的分形结构和状态持续性,通过平均循环长度估算系统的记忆时间长度,为涌水量时序的复杂性演变提供一种有效的非线性科学预测方法。该思想可表述为
(R/S)n∝nH (1)
式中:(R/S)n为重标度极差;n为时间增量区间长度; H为Hurst指数。
具体操作步骤如下:
1) 定义长度为N的涌水量序列{rt},并将其分割成长度为n的A个连续子区间。将每一个子区间标为Ia(a=1,2,…,A),于是Ia中的点可以表示为rk,a(k=1,2,…,n)。对每一个长度为n的子区间Ia,其均值为
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2) 对单个子区间计算其累积均值离差:
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3) 定义单个子区间的极差:
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4) 计算每一个子区间的标准差:
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5) 对极差进行重标度化,计算每一个子区间的重标度极差RIa/SIa,由此,计算A个子区间平均的重标度极差:
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6) 对不同的分划长度n重复以上计算过程,最终得到该涌水量时间序列{rt}的重标度极差(R/S)n系列,而且满足式(1)。对式(1)两边取对数可得:
log(R/S)n=H log n+a (a为常数)
在log(R/S)n—log n散点图上,以最小二乘法估计得到散点的拟合直线,H指数的值则表现为该直线的斜率。
1.2 Hurst指数判定依据
Hurst 指数是R/S 分析法的一个十分稳定有效的统计量(0 ≤H ≤1),是现象的表征参数,其大小揭示了时间序列相关性强弱。若H=0.5,涌水量序列为随机序列;0 ≤H<0.5 ,则为一种反持久性序列,即如果时序先前有上升趋势,那么它将会有下降趋势;0.5
1.3 时间序列平均周期确定
为了定量表征系统的平均循环周期,引入统计量V(n):
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V(n)不仅可用于检验R/S稳定性,也可以很好地用于确定序列是否存在周期循环及估计周期长度[6]。对于独立随机过程的时间序列,统计量V(n)—log n曲线是平坦的;对于具有状态持续性H>0.5的过程,V(n)—log n曲线向上倾斜;反之,对于具有逆状态持续性H<0.5的过程,V(n)—log n曲线向下倾斜。当V(n)—log n曲线上V(n)随log n的变化趋势发生改变,即曲线出现明显转折时,历史状态对未来状态的影响消失,此时对应的时间跨度n就是系统的平均循环周期。平均循环周期表征了系统对初始条件的平均记忆长度,即系统通常在多长时间后完全失去对初始条件的依赖。
2 实例研究及结果分析
2.1 数据准备
运用上述研究方法,采用江西省武山矿区南矿带和北矿带的月涌水量资料(均为1997—2006 年10 a间各120 个观测数据)进行实例分析,见图1。大体上看,南矿带的涌水量大于北矿带的涌水量,都呈现出上下波动的分形特征。这种升降不是杂乱无章的,与季节或月份的周期有关系。当然,除了增加的趋势和季节等影响之外,还与一些无规律随机因素以及矿井涌水量内在某种机制的共同作用是分不开的。
2.2 涌水量时序R/S分析结果
2.2.1 Hurst指数
根据R/S分析的基本原理方法,计算得到江西省武山矿区南矿带和北矿带不同时间跨度n所对应的(R/S)n,绘制log(R/S)n—log n数据点,然后对其进行线性拟合(如图2—3所示)。最终得到矿区南矿带Hurst指数为0.862 4,相关系数为0.983 1;北矿带Hurst指数为0.889 4,相关系数为0.978 7。
由于其H值均大于0.5,说明武山矿区矿井涌水量既不属于纯粹的随机性时间序列,也不是完全确定的时间序列,表现出较为明显的持续效应。北矿带表现出的持续性成分强度高于南矿带。
2.2.2 平均循环周期
根据式(2)计算统计量V(n)并绘制V(n)—log n数据点,见图4—5。可见南矿带和北矿带V 统计量的曲线均呈现上升趋势,则序列中存在长期记忆,这种持久性是内在的,是矿井涌水系统复杂性所反映的事实。
曲线的拐点可以用来确定曲线出现明显转折的位置。拐点横坐标所对应的时间点即为系统的平均循环周期。南矿带在n=42时(箭头所示处)出现一突变点,说明南矿带涌水量序列的平均循环周期(记忆期)为42个月;北矿带在n=24时(箭头所示处)出现一突变点,说明北矿带涌水量序列的平均循环周期为24个月。也就是说,南矿带涌水量预测系统今天或未来的状态与前42个月状态持续相关;北矿带涌水量预测系统今天或未来的状态与前24个月状态持续相关。
在没有突发因素的情况下,矿井涌水量都将维持各自的持续性成分,2个矿带的平均循环周期不同意味着记忆长度不同。造成这种差别的主要原因是两矿带不处于同一个含水系统,其各自的地下水补给、径流、排泄条件不同,即内在的机制有所不同。
武山矿区北矿带直接充水岩层有黄龙组灰岩、栖霞组灰岩,在自然状态下,地下水的补给量不足,大部分地段充水岩层以存储量为主。南矿带主要含水层有三叠系嘉陵江大冶灰岩溶洞裂隙含水组,由于地形较低且有第四系覆盖,灰岩溶洞裂隙水呈微承压径流,与矿床外围地下水联系较为广泛。虽然南北矿带都以灰岩溶洞裂隙水为直接充水水源,但是,这两组灰岩溶洞裂隙含水组被页岩隔开,经过20 a开采,南北矿带的地下水位已经逐渐分开,而且水质分析、氢氧同位素测定也显示两者的地下水补给来源不同。说明南北矿带水文地质条件有差异,证实了R/S分析的正确性。另一方面,南矿带地下水径流途径比北矿带长,故南矿带各个影响因素反映到涌水量上的周期比北矿带长。这与南矿带平均循环周期(42个月)大于北矿带平均循环周期(24个月)的结论一致,从而再次说明R/S分析用于矿井涌水量预测的可行性。
3 结论及建议
1) 实例计算所得到的矿区南矿带Hurst指数为0.862 4,北矿带Hurst指数为0.889 4,表明武山矿区矿井涌水量系统的发展趋势与历史趋势之间呈现出较强的持续性。
2) 南矿带涌水量预测系统今天或未来的状态与前42个月状态持续相关;北矿带涌水量预测系统今天或未来的状态与前24个月状态持续相关。
3) 南矿带与北矿带的平均循环周期存在差异是内在系统不同机制的反映。
4) R/S分析法在该矿井涌水量自相关研究中表现出良好的效果,为矿井涌水量变化的非线性和复杂性研究提供了新的研究视角和实证结论,同时也为防治矿井水害提供了一种新思路和新方法。
5) R/S分析方法不考虑繁杂的因素分析,将历史数据看作是所有因素的集中作用结果,依靠历史数据对系统发展趋势进行预测。其优点[7]是过程简捷,容易操作,但需要尽量多的历史数据,不能实现完全定量预测,因此,建议与其他方法组合使用,可取得更加满意的预测效果。
参考文献
[1]陈江峰,崔金良,杜明清.矿井涌水量时间序列的R/S分析[J].煤矿安全,2003,34(5):38-40.
[2]燕爱玲,黄强,王义民.黄河流域径流演变的持久性测度[J].干旱区资源与环境,2007,21(11):27-30.
[3]燕爱玲,黄强,刘招,等.R/S法的径流时序复杂特性研究[J].应用科学学报,2007,25(2):214-217.
[4]冯新灵,罗隆诚,邱丽丽.成都未来气候变化趋势的R/S分析[J].长江流域资源与环境,2008,17(1):83-87.
[5]黄诒蓉,罗奕.论R/S分析法与股票市场的分形结构[J].现代管理科学,2006(1):105-107.
[6]陈金涛.基于分形市场假说对上证综指的实证分析[D].青岛:青岛大学,2007.
矿井涌水量 篇9
1.1 井田地质及构造
井田内地层由老至新依次有:奥陶系克里摩里组 (Ok) ;石炭系上统土坡组 (Ct) ;石炭二叠系太原组 (CPt) ;二叠系下统山西组 (Ps) 、石盒子组 (Psh) ;古近系 (E) 和第四系 (Q) 。
红一井田总体构造为一走向北北东向、西翼陡东翼缓的不对称背斜, 即红墩子三道沟背斜, 其西部发育有红墩子向斜, 再向西被黄河断裂所断。红墩子三道沟背斜西翼受红墩子断层切割, 红墩子断层落差30m~180m。井田内煤层大部赋存于红墩子三道沟背斜东翼。
1.2 井田水文地质
1.2.1 含水层划分及其特征
井田含水层划分为:第四系孔隙潜水层、古近系及基岩风化带孔隙裂隙含水层组、二叠系孙家沟组、石盒子组裂隙含水层组、山西组裂隙含水层组、太原组砂岩裂隙含水层组、土坡组砂岩裂隙含水层组、奥陶系裂隙含水层组。
其中山西组裂隙含水层、太原组砂岩裂隙含水层组为直接充水含水层, 石盒子组裂隙含水层组为间接充水含水层。下面简述以上三个含水层特征。
二叠系孙家沟组、石盒子组裂隙含水层:属直接充水含水层, 在全区较广泛分布, 厚度约在40~360m左右, 含多个子含水层, 为复合含水层。由粗粒砂岩、中粒砂岩及细粒砂岩构成, 分选磨圆中等, 颗粒支撑, 泥钙质胶结, 裂隙欠发育。根据抽水试验, 本含水层天然静水位埋深43.96m, 钻孔涌水量0.185L/s, 单位涌水量0.0011L/m·s, 渗透系数0.0034m/d, 为弱富水含水层。
山西组裂隙含水层:属直接充水含水层, 该含水层组在全区广泛分布, 厚度约在5~30m, 含3~9个子含水层。由陆相碎屑岩系的粗粒、中粒、细粒砂岩构成, 分选磨圆中等, 颗粒支撑, 泥钙质胶结, 裂隙发育不均匀。根据抽水试验, 本含水层天然静水位埋深58.23~73.09m, 钻孔涌水量0.510~2.396L/s, 单位涌水量0.0697~0.1008L/m·s, 渗透系数0.1407~0.2283m/d, 为弱富水~中等富水含水层。
太原组裂隙含水层:属直接充水含水层, 在全区广泛分布, 厚度约在10~35m, 含6个以上的子含水层。由碎屑岩、碳酸盐岩的海陆互交相岩系的粗粒、中粒、细粒砂岩、灰岩构成, 分选磨圆中等, 颗粒支撑, 泥钙质胶结, 裂隙发育不均匀。根据抽水试验, 本含水层天然静水位埋深70.17~73.39m, 钻孔涌水量0.039~4.571L/s, 单位涌水量0.0006~0.2681L/m·s, 渗透系数0.0015~1.4479m/d, 含水层天为弱富水含水层。
1.2.2 隔水层
隔水层主要有:古近系粘土隔水层;二叠系上部的粉砂岩、泥岩隔水层;二叠系石盒子组底部山西组顶部的煤层、泥岩、粉砂岩隔水层;二叠系山西组底部石炭系太原组顶部隔水层;石炭系太原组底部土坡组顶部的煤层、泥岩、粉砂岩隔水层。
1.2.3 地下水的补给 、径流及排泄条件
矿区地下水在浅部受古近系隔水层的影响补给条件差, 径流及排泄条件较好;深部由于古近系及基岩风化裂隙带含水层在煤层露头区超覆于煤层之上, 地下水补给条件相对较好, 径流、排泄条件受岩层渗透性及阻水断层等影响相对较差。
2 矿井涌水量预计
2.1 参数的选取
利用本次所有补充勘探钻孔渗透系数资料, 正常取值为所有该含水层所有渗透系数算术平均值。整理结果见表1。
2.2矿井涌水量预计
2.2.1涌水量计算择
(1) 集水廊道法
式中:Q———矿井涌水量, m3/d;K———渗透系数, m/d;B———集水廊边邦道总长, m;H———潜水含水层厚度或承压水头高度, m;S———水位降深, m;R———影响半径, m;M———承压含水层厚度, m;h0———剩余水柱厚度, m; (当水位降至含水层底板时h0=0) 。
集水廊道法计算矿井最大涌水量12240.03m3/d, 即510.00m3/h;矿井正常涌水量7147.76m3/d, 即297.82m3/h。
(2) “大井法”
根据地质、水文地质资料, 古近系段含水层水文地质条件概化为近似水平的无限承压含水层, 不考虑隔水边界的影响, 稳定流承压转无压的Dupuit公式 (式2、式3) 。
式中:Q—“大井”涌水量, m3/d;H0—天然水柱高度, m;Hw—剩余水柱高度, m;F—钻孔分布范围所圈定的面积, m2;rw—大井的引用半径, m;L、B—钻孔分布系统的长和宽, m;η—与B/L有关的系数。
根据前期勘探资料, 井田东部边界的黑梁断层为逆断层, 为压性断层, 可视为隔水边界。因此, 基岩段各含水层涌水量计算时将水文地质条件概化为一侧隔水, 含水层近似水平的承压含水层, 采用具有一个隔水边界的稳定流承压转无压的Dupuit公式的推导式 (4) 进行基岩段涌水量计算。
式中:Q———“大井”涌水量, m3/d;H0———天然水柱高度 , m;Hw———剩余水柱高度, m;d———“大井”距隔水边界的距离, m;rw———大井的引用半径, m。
大井法计算矿井最大涌水量24895.69m3/d, 即1037.32m3/h;矿井正常涌水量14466.41m3/d, 即602.77m3/h。
2) 计算方法对比及矿井涌水量预计
以上计算过程中, 各含水层厚度采用先期开采地段各钻孔揭露厚度的平均值, 天然水柱高度取天然静水位至隔水层底板的距离, 剩余水柱高度取0。
从以上两种方法适用条件来看: 井田内各含水层均属承压含水层, 当水位降至隔水层顶板以下时, 充水含水层由承压转为无压, 无限含水层的完整井的承压转无压条带基坑涌水量计算公式既为“集水廊道法”。在矿坑疏干过程中, 当矿坑及矿坑周围的水位降低呈现相对稳定的状态时, 即可以认为以矿坑为中心形成地下水辐射流场基本满足稳定井流的条件。理论上可将形态复杂的坑道系统看成一个大井在工作, 整个坑道系统的涌水量就相当于大井的涌水量, 从而可以近似应用Dupuit的稳定流基本方程计算矿坑涌水量既为“大井法”。从适用条件看, 大井法中疏干排水、坑道涌水量的计算更为切合实际, 较为准确。
本次“大井法”考虑边界条件及含水层的影响, 选用具有一个隔水边界的稳定流承压转无压的Dupuit公式的推导式进行计算。由于“集水廊道法”相对“大井法”未考虑隔水边界的影响, 局限性较大。因此, 认为利用“大井法”计算的先期开采地段的正常涌水量与最大涌水量与实际较为接近。另外, 根据周边矿井涌水量计算与实际涌水量的对比, 也证实了这一点。
红一煤矿矿井涌水量采用大井法计算结果 , 矿井最大 涌水量24895.69m3/d, 即1037.32m3/h; 矿井正常 涌水量14466.41m3/d, 602.77m3/h。根据前期勘探报告中 , 先期开采地段矿井正常涌水量482.30m3/h, 矿井最大涌水量按750m3/h, 与本次矿井涌水量计算结果差别较大。
通过对比分析, 首先勘探报告中石盒子组裂隙含水层组、山西组裂隙含水层组渗透系数K分别为0.0463m/d、0.0235m/d, 而本次所采用的渗透系数K分别为0.2305m/d、0.1625m/d。本次抽水试验均采用了带有观测孔的孔组抽水试验方法, 另外参数采用了稳定流和非稳定流的两类四种方法进行计算, 计算结果更接近实际。
3 结论及建议
矿井涌水量的计算是一项重要而复杂的工作, 不能简单、机械地使用公式, 应充分分析前期所取得的水文地质资料, 采用更加适合该矿井水文地质条件的方法计算用水量。
本次采用“大井法”进行矿坑涌水量预计, 对水文地质边界条件进了了合理概化, 并根据概化后的水文地质条件选用了适合的计算公式, 计算结果较为可靠。
矿井在煤层开采过程中, 除直接充水含水层外, 由于煤层开采产生的导水裂缝带会导通上部含水层, 尤其是山西组裂隙含水层以及二叠系孙家沟组、石盒子组裂隙含水层组, 该含水层组虽富水性弱, 但该矿为红墩子矿区首采矿井, 地下水赋存还处于天然状态, 水头压力大, 静储量较大, 充水强度会比较大, 对煤层开采有较大影响。此外, 在井田西部靠近煤层风氧化带区域及红墩子向斜轴部附近, 导水裂隙会与古近系及基岩风化带孔隙裂含水层导通, 该含水层厚度大, 富水性中等, 充水强度较大, 对矿井威胁较大。
摘要：矿井涌水量计算是煤矿水文补勘工程中的一项重要任务, 目前矿井涌水量预测主要以“大井法”、“集水廊道法”为主, 计算过程往往简单、机械, 不注重矿区水文地质条件及公式适用条件的分析。本文在分析红一煤矿地质及水文地质条件的基础上, 对研究区水文地质条件进行了概化, 最终选用具有一个隔水边界的稳定流承压转无压的Dupuit公式的推导式进行基岩段涌水量计算。
关键词：大井法,集水廊道法,涌水量,水文地质补充勘探
参考文献
[1]河北省地质局水文地质四大队.水文地质手册[M].北京:地质出版社, 1978.
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