（市政工程专业论文）山西省煤矿区矿井水涌水量预测模型研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 山西省煤矿区矿井水涌水量 预测模型研究 摘要 矿井涌水量的预测模型主要分两方面：基于灾变的突水量预测模型和 基于趋势的涌水量预测模型。国内外基于灾变的预测模型各有所长，但大 多需要详细的地质、水文、气象、煤矿开采等各方面的资料，且预测模型 复杂，预测精度要求高，预测模型针对性强，其主要应用于矿井突水灾害 防治；基于趋势的涌水量预测模型其预测精度要求较低，预测模型适应面 广，主要应用于矿井水资源化。 矿井涌水量受水文、地质、气象、开采状况等复杂影响因素的作用， 各个影响因素包含许多子影响因素。这些影响因素相互作用使矿井涌水量 表现出极大的随机性和偶然性，给矿井涌水量预测带来难度。矿井涌水的 这种特点使灰色系统理论在其应用上具有优势。本论文即利用灰色系统理 论与方法对涌水量原始数据进行处理，弱化原始数据的随机性和波动性， 为预测模型的建立提供中间信息。 本文查阅了大量文献，调查收集了丰富详实的数据，对山西省矿井水 及其利用现状作了全面细致的描述；对不同类型矿井水资源化的不同途径 进行了有针对性的讨论；对影响矿井涌水量的各种因素作了深入全面的分 析；重点对矿井水涌水量的不同预测模型作了全面详细的讨论和分析，并 提出了基于涌水量变化趋势，适合矿井水资源化的涌水量预测模型。 本文在比较分析各类预测方法的基础上，建立了面向矿井涌水量趋势 预测的灰色预测模型g m ( 1 ，1 ) 模型。该模型是利用灰色系统理论与 方法建立起的动态预测模型，以c 程序语言为计算平台。同其他预测模型相 比该模型结构简单，计算简捷，模型适应性较强，可信度较高。 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文应用该模型对山西各矿井涌水量作了趋势预测，预测2 0 1 0 年山西 省国有重点煤矿和地方煤矿矿井涌水量合计31 4 3 8 2 万m 3 ，通过预测精度判 断，在1 8 组预测数据中，有1 组预测结果“不合格”，有1 组预测结果“勉 强合格 ，其他1 6 组数据预测结果为“好”或“及格”。预测结果表明该 模型在实现矿井水资源化的涌水量趋势预测方面具有较好的可靠性和实用 性。为山西矿井水资源化的研究提供了水量方面的数据。 关键词：矿井水，涌水量，预测模型，灰色模型，资源化 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ef o r e c a s tm o d e lo fn 、j e 姗r d i s c h a r g e sr e s e a r c ha b o u t c o a lm 叮虹n ga r e ai ns h a n x i a b s t r a c t t h e r ea r et w om a i nt y p e sa b o u tt h em i n ew a t e ri n f l o wf o r e c a s t i n gm o d e l ： t h em o d e lb a s e do nt h es u d d e nd i s a s t e rp r e d i c t i o na n dt h em o d e lb a s e do nt h e t r e n do fi n f l o wf o r e c a s t a th o m ea n da b r o a d ，t h ef o r e c a s t i n gm o d e l sp l a y e d t h e i ra d v a n t a g ei nt h ep r e d i c t i o nf o rt h ed i s a s t e r ，m o s to ft h em o d e l sd e p e n d e d o nt h ed e t a i l e di n f o r m a t i o na n dm u c hd a t ao ng e o l o g i c a l ，h y d r o l o g i c a l ， m e t e o r o l o g i c a l ，c o a lm i n i n ga n dt h em o d e lw a so f t e nv e r yc o m p l e x ，t h e i r a c c u r a c yi sn o th i g h t h em o d e lb a s e do nd i s a s t e rp r e d i c t i o nc a nb eu s e dt o t r e n d sp r e d i c t i o n ，a n dt h e yc a nm e e tt h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t s i nt h ep a p e r ，w i t hag r e a td e a lo fl i t e r a t u r ea n dd e t a i l e dd a t aa v a i l a b l e ， c o m p r e h e n s i v ea n dm e t i c u l o u sd e s c r i p t i o n s o nt h es h a n x im i n ew a t e ra n d u t i l i z a t i o nw e r ep u tf o r w a r d s ；d i f f e r e n tw a y so fu t i l i z a t i o nf o rd i f f e r e n tt y p e so f m i n ew a t e rw e r ed i s c u s s e d ；d e t a i l e dd i s c u s s i o n sa n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so n t h ei m p a c to ft h ev a r i o u sf a c t o r so fm i n ei n f l o ww e r eg i v e no u t ，e s p e c i a l l yo n t h ed i f f e r e n tp r e d i c t i o nm o d e lo fm i n ew a t e ri n f l o w ；a n dt h eg m ( 1 ，1 ) m o d e l b a s e do ni n f l o wt r e n do ft h ew a t e rw a sg a v eo u t t h em i n ei n f l o wi sa f f e c t e db yc o m p l e xf a c t o r s ，s u c ha sh y d r o l o g y ， g e o l o g y ，m e t e o r o l o g y ，m i n i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hi n c l u d e sm a n ys u b - f a c t o r s t h e m i n ei n f l o ws h o w sg r e a tr a n d o m n e s sa n dc h a n c eb e c a u s et h e s ef a c t o r si n f l u e n c e e a c ho t h e r ，r e s u l t i n gd i f f i c u l tt of o r e c a s tm i n ei n f l o w t h eg r e ys y s t e mt h e o r y h a sa d v a n t a g eo fa p p l i c a t i o ni nm i n ei n f l o wb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r s t h er a w d a t aw a sp r o c e s s e db yt h et h e o r yi nt h i sp a p e r , w h o s ep u r p o s e sa r et oe s t a b l i s ha 1 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 m o d e lt op r o v i d ei n t e r m e d i a t ei n f o r m a t i o na n dt ow e a k e nt h ev o l a t i l i t yo fr a w d a t a i nt h i sp a p e r ，t h em o d e lo fg m ( 1 ，1 ) w a se s t a b l i s h e db yu s i n gt h et h e o r yo f g r e y ，w h i c hb a s eo nc o m p a r i n ga n da n a l y z i n ge a c hk i n do f f o r e c a s tt e c h n i q u e s t h em o d e li sa d y n a m i cf o r e c a s tm o d e l w h i c h s t r i k e su pb yu s i n gt h et h e o r ya n d m e t h o do fg r a ys y s t e ma n ds u p p o r tb yt h ecp r o g r a ml a n g u a g e c o n t r a s tw i t h o t h e rf o r e c a s tm o d e l s ，i th a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，c a l c u l a t i o n e a s y ，b r o a d e ra p p l i c a b i l i t y ，a n dh i g h e rr e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r ，at r e n df o r e c a s to fm i n ew a t e ri nd i f f e r e n tm i n e si ns h a n x i p r o v i n c ew e r em a d eb ya p p l y i n gt h em o d e l t h er e s u l t so f t h ep r e d i c t i o na r eu p t o314 38 2m i l l i o nm 3f o rt h em i n ew a t e ri nt h em a i ns t a t em i n e sa n dr e g i o n a l m i n e si ns h a n x ip r o v i n c e j u d g i n gb yt h ea c c u r a c y ，t h e r ew e r eo n eg r o u pr e s u l t i n d i c a t i n g “d i s q u a l i f i c a t i o n ，o n eg r o u pi n d i c a t i n g d i s q u a l i f i c a t i o n ，o t h e r s i n d i c a t i n g “g o o d o r “e x c e l l e n c e b e t w e e n18g r o u pr e s u l t s i ti n d i c a t e st h a tt h e m o d e lo ft h em i n et r e n df o r e c a s t i n gh a sag o o dr e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t ya s w e l la sp r o v i d e st h ed a t af o ru t i l i z a t i o no ft h em i n ew a t e rr e s o u r c e s k e yw o r d s ：m i n e w a t e r ，i n f l o w ，p r e d i c t i o nm o d e l ，g r e ym o d e l ，u t i l i z a t i o n i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： i 圣凶至肇 日期： 一器，多乙 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 细拶，彩， 导师签名：二篁丝篁磁：日期：匕翌：么：至 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景 1 1 1 全球水资源现状 第一章绪论 淡水资源是基础自然资源，是生态环境建设的控制因素，同时又是战略性经济资源， 为综合国力的有机组成部分。地球上水的储量很大，但淡水只占2 5 ，其中可供人类 使用的淡水不足1 。据专家最新估计，全球陆地上可更新的淡水资源约4 2 7 5 万亿m 3 ， 其中易于使用的淡水资源约1 2 5 - - - - 1 4 5 万亿m 3 。按1 9 9 5 年人口统计，全球人均淡水资 源约7 4 5 0m 3 ，其中易于使用的淡水人均约2 1 8 0 2 4 4 0 m 3 ，且淡水资源分布不平衡，世 界上约6 5 的淡水资源集中在不到1 0 个国家里，而占世界人口4 0 的8 0 个国家严重缺 水，其余2 6 个国家的水资源也较少1 1 1 。据联合国调查，全球约有4 6 亿人生活在用水高 度紧张的国家或地区内，还有1 4 人口即将面临严重用水紧张的局面【2 j 。 水的需求随人口的增长和经济的发展而迅速增加。从1 9 4 0 1 9 9 0 年的5 0 年时间内， 全球总用水量增加了4 倍。1 9 9 5 年全球用水总量已达3 6 0 0 0 亿m 3 ，人均用水6 2 8m 3 ， 约占易用淡水资源量的2 7 - - - 3 0 。而且随着人口的增长以及工农业的发展，生活污水、 工业废水以及被农药化肥污染的地表水等污水的排放量猛增。这些污水大多不经过妥善 处理后就直接排入江河湖海，对河流、湖泊、地下水层等淡水资源造成极大的污染，使 有限的水资源遭到破坏。水的过分消耗使水资源短缺成为一个世界性大问题。严重的水 污染使可供利用的淡水资源减少，更加重了水资源的供需矛盾【3 , 4 1 。 1 1 2 我国水资源现状 根据上世纪8 0 年代水利部估算，全国多年平均降水量约6 4 8 m m ，降水总量6 2 万 亿m 3 。通过水循环形成可更新的地表水和地下水的水资源总量合计约2 8 万亿m 3 。但 人均水资源占有量偏少。1 9 9 7 年人1 ：3 统计，我国人均水资源量2 2 2 0m s ，相当于世界人 均水资源占有量的3 1 ；亩均水资源量为1 4 4 2m 3 - 卣，相当于世界平均亩均( 2 3 5 3m 3 亩) 的6 1 。另外，时空分布很不均衡，水土资源分布不相匹配也是水资源现状的一大 特点。全国十个流域可合并划分为南方、北方及西北三个明显不同类型区，如表1 - 1 所 示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 表卜1 我国水资源分布情况跚 t a b l e1 1d i s t r i b u t i o no f w a t e rr e s o u r c e si nc h i n a 占全国 人均水资源 亩均水资源 分区 水资源人口耕地 g d p ( m 3 )( m 3 ) 南方区 8 0 45 3 63 5 ，25 5 53 4 8 l4 3 1 7 北方区1 4 74 4 35 9 24 2 87 4 74 7 l 西北区4 62 15 71 74 8 7 61 5 8 9 全国1 0 01 0 01 0 01 0 02 2 2 21 8 8 8 我国水资源的开发利用状况也存在很大的问题。我国的供水能力从1 9 4 9 年的1 0 0 0 多亿m 3 增加到2 0 0 2 年的5 4 7 9 亿m 3 。其中地表水供水量约4 4 0 4 亿m 3 ；地下水开采量 1 0 7 2 亿m 3 。随着用水量的增加，用水效率逐年有所提高。但与经济发达的高收入国家 相比，我国单方水的g d p 产出量仍低于发达国家，如表1 2 所示。它表明随着经济实 力的增长，通过经济结构的调整，用水效率的提高，节水尚有较大潜力。 表卜2 水资源单位消耗量情况跚 t a b l ei - 2t h ec o n s u m p t i o no f w a t e rr e s o u r c e si nu n i t 项目 1 9 8 01 9 9 31 9 9 72 0 0 02 0 0 12 0 0 2 人均g p d 0 2 90 5 0o 6 50 7 1o 7 5o 8 0 人均用水量4 5 04 4 3 4 5 04 3 0 4 3 6 4 2 8 万元g d p 用水量 3 0 2 81 0 1 77 4 46 1 05 8 05 3 7 亩均用水量 5 8 35 3 95 1 64 7 94 7 94 6 5 城市 1 1 71 7 82 2 02 1 92 1 82 1 9 人均生活 农村 7 17 38 48 99 29 4 工业万元 产值 6 3 51 9 01 3 67 8 用水量 增值2 6 82 4 1 1 9 9 5 年全球人口5 7 3 5 亿，用水3 6 0 0 0 亿m 3 ，人均用水6 2 8 m 3 ，其中：农业人均 用水4 3 7m 3 ( 占6 9 6 ) ；工业1 3 1m 3 ( 占9 7 ) ；生活6 0m 3 ( 相当1 6 4 u 日，占2 1 ) 。 我国的人均用水量低于世界水平，仅为美国用水量的2 4 ，如表1 3 所示。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 - 3 各国水资源消耗情况陋1 t a b l e1 - 3t h ec o n s u m p t i o no fw a t e rr e s o u r c e si nt h ew o r l d 人均g d p ( 1 9 9 5 ) 人均用水 单方水g d p 产出 单方水工业增值 国家 美元 p p p m 3 年份美元 p p p 美元 p p p 日本 4 0 8 4 62 1 9 3 0 7 3 51 9 9 05 5 62 9 86 3 83 4 3 德国 2 9 6 0 72 0 1 2 0 5 8 01 9 9 15 13 4 72 7 8 1 8 9 法国2 6 4 3 72 1 1 8 06 6 5 1 9 9 03 9 73 1 81 5 6 1 2 5 美国2 6 0 2 62 6 9 8 01 7 6 11 9 9 51 4 8 1 5 3 8 38 6 加拿大 1 9 3 5 0 2 1 9 0 01 6 0 21 9 9 l1 2 11 3 71 61 8 1 英国 1 9 0 4 0 1 9 3 0 02 0 41 9 9 19 3 39 4 63 8 83 9 3 意大利 1 9 0 0 12 0 1 8 0 9 8 61 9 9 01 9 32 0 52 2 12 3 5 澳大利亚 1 9 5 2 21 8 5 9 69 3 31 9 8 52 0 9 2 3 5 平均9 3 33 7 03 3 o2 7 52 0 6 中国 7 2 9 3 6 4 34 5 01 9 9 71 2 68 15 32 6 7 1 1 3 我国煤矿区水资源现状 我国淡水资源贫乏，水资源的分布又极不平衡，而且水资源与其它资源的匹配也 不平衡。全国水资源的8 1 分布在长江以南地区，而该地区耕地面积仅占全国的3 6 ， 煤炭资源占2 5 。淮河以北的广大地区水资源仅占全国的1 9 ，耕地面积占全国的6 4 ， 煤炭资源却占全国总量的7 5 。因此形成了北方地区的富煤贫水格局。北方国有重点煤 矿的缺水现象更为严重，人均生活用水量每天不足0 0 6 m 3 ，只有正常用水指标的1 2 ，有 些矿区每日供水不足2 h ，严重制约了矿山生产和影响煤炭职工的日常生活【6 】。 矿区能源开发与水资源紧张的矛盾已严重制约了煤矿工业的发展，也制约了我国 国民经济的总体发展。我国煤炭系统每年排水大约在2 2 亿m 3 左右1 7 ，其中中性水约占 7 0 - 一8 0 ，硬度符合饮水要求的占4 0 - - 一5 0 ，这是数量相当可观的水资源，但长期 以来由于技术所限和认识不足，矿井水被当成水害加以预防和治理，许多矿井水被白白 排放掉而未加以综合利用和保护。目前矿井水的利用率平均只有2 2 ，其中北方国有煤 矿每年矿井水的排放量达1 4 亿吨，而利用率却不足2 0 1 8 1 。毫无节制的排水不仅大大增 加了吨煤成本，还引起了一系列的环境问题：严重污染地面环境，破坏了地表景观，造 成土壤板结或盐碱化；污染水源，引起水质恶化，抑制了水生生物的生长和繁衍，影响 了农林渔牧业的生产和发展。随着我国煤矿建设战略向西北推进，矿区缺水问题将越来 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 越突出。 1 2 矿井水利用现状 1 2 1 国外矿井水处理利用现状 在国外，矿井水被视为一种煤矿开采的伴生资源得到了很好开发和利用，其综合 利用率达到了很高的程度。据统计，美国早在上个世纪矿井水的利用率就已经达到8 1 ； 俄罗斯顿巴斯煤矿的矿井水利用率更是高达9 蹴【9 】。国外对矿井水的利用一部分经适当 处理，达到排放标准后排入地表水系；另一部分回用于煤矿生产和生活用水。由于国外 对矿井处理和利用技术的研究与应用较早，积累了许多经验，取得了可喜的成果，许多 成熟的技术值得我们去研究和应用。 对于矿井水中的高悬浮物，俄罗斯煤矿环保研究院研究用气浮法净化矿井水，采 用净化水部分循环工作方式，循环水在压力箱中剩余压力的作用下充满空气，较好地形 成轻浮选剂。俄罗斯采煤建井和劳动组织所研究的电絮凝法，是以直流电通过金属电极 处理矿井水，在电化学、电物理综合作用下，使矿井水杂质颗粒水和微气泡形成松散团， 增强了分离效果【l o l 。 对于矿井水高硫酸盐问题，美国m 凯特( 1 9 9 7 年) 提出了硫酸盐还原菌法。对于酸性 矿井水，加拿大拉瓦尔大学的k 法陶斯( 1 9 9 7 ) 提出利用慢速释放丸剂形式施加杀菌剂， 控制黄铁矿的氧化，从源头抑制酸性矿井水的产生【l l 】；美国俄亥俄大学的r u d i s e l l ( 2 0 0 0 ) 研究中，利用管道烟气脱硫副产物将废弃矿井与周围环境隔绝封闭起来，减少对环境的 污染，这一方法对处理废弃矿井的酸性矿井水问题具有显著的理论和实践意义【1 2 1 。生物 化学法处理含铁酸性矿井水是目前国内外研究比较活跃的处理方法，在美国、日本等国 已进行了实际应用【1 3 j 。利用氧化亚铁硫杆菌在酸性条件下将水中f e 2 + 氧化成f e 3 + ，然后 再用石灰石进行中和处理，以实现酸性矿井水的中和及除铁【1 4 1 5 1 。 在土地资源充足的地区，土地处理作为一种投资省、运行费用低、易于管理的矿 井水处理方式得到了很好的重视【l6 】。2 0 世纪8 0 年代前后，美国和一些欧洲国家先后开展 了采用人工湿地处理矿井水的实验研究，取得了一些可喜的成果，目前己逐步应用于生 产，并收到了良好的效果。美国已经在煤矿系统建设t 4 0 0 多座人工湿地处理系统【1 7 1 。 在全球水资源日益紧张的今天，开展矿井水的综合利用，已经是全球各产煤大国 的共识。世界上许多国家都对矿井水处理利用进行了深入的研究和实践，取得了很多理 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 论成果，并积累了许多丰富的经验。但是由于矿井水成份的复杂和地域的差异，对矿井 水的处理利用工艺应根据其水质特征和回用目的而定。 1 2 2 国内矿井水处理利用现状 与国外相比，我国煤矿矿井水处理与回用研究起步较晚，并且综合利用率低。据 统计，2 0 0 4 年我国矿区矿井水排放量约为3 8 亿m 3 ，占全国废水排放量的9 ，占全国工 业废水排放总量的1 5 以上，而综合利用率还不到2 0 f 1 8 1 。应该说在我国矿井水的利用 潜力巨大，前景广阔。 近年来，随着水资源问题的加剧和国民环保意识及水资源综合利用意识的提高， 矿井水作为一种煤矿开采伴生的潜在可利用资源得到越来越多的重视。全国各主要产煤 省纷纷出台矿井水综合利用方面的政策法规。同时设立矿井水综合利用研究的专项基 金，促进了矿井水的综合利用。各煤矿对矿井水的处理，尤其是深度处理方面的工作已 逐步展开，环保工作者也积极研究矿井水处理和合理利用的有效途径。许多矿区都进行 了不同程度的综合利用工作。根据不同的情况，我国矿井水的综合利用现状也不同。由 于煤矿矿井水成分的复杂性和地域特点等因素，矿井水在综合利用时需要综合考虑各种 因素，应根据各煤矿和当地的实际情况开发研究工艺简单，技术可靠，管理方便，运行 稳定，经济合理的新工艺、新设备、新药剂。目前国内对矿井水的利用主要分如下几种 情况： ( 1 ) 矿井水不经处理直接利用。这种情况的前提条件是矿井水中不含有毒有害元 素，或含有少量，但不超过外排标准。 ( 2 ) 矿井水经过常规的混凝、沉淀和过滤处理，处理后或者供工业使用或者饮用 或者外排。这种情况下矿井水中必须不能含有毒有害元素，或含量小于饮用标准，p h 值 接近中性，含盐量也不高。 ( 3 ) 矿井水必须首先进行特殊处理，才能进行常规处理，进一步处理为工业或饮 用水。这种情况是指对酸性矿井水的处理，酸性矿井水在我国分布较广，而且酸性矿井 水的危害较大，必须经过处理才能排放。 ( 4 ) 高矿化度矿井水的综合利用。只有少数几种工业用水能直接用高矿化度水， 在多数的情况下必须经过脱盐处理，脱盐处理之前必须经过常规处理去除大部分除盐之 外的污染物，才能进入脱盐设备。由于脱盐设备造价较高，运行费用也高，所以脱盐工 序只是在淡水缺乏的矿区得到了应用。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 总体说来我国煤矿区矿井水利用率还很低，我国煤矿矿井水中普遍含有以煤粉和 岩粉为主的悬浮物，以及一些可溶的无机盐类，有机污染物很少，一般不含有毒物质， 多数矿井水是中性水，碱性水很少，有一定量的酸性水。可见，我国矿井水水质较好， 但利用率不高。全国范围内，只有平顶山矿务局、大同矿务局、鲍店煤矿、古汉山矿等 的矿井水处理工作做的相对较好，这些煤矿区矿井水利用一般采用混凝、沉淀、过滤、 消毒等工艺，但处理成本较高，且出水未达到饮用水卫生标准。存在的主要问题是：所 用药剂及药剂投加量不合理，处理设施落后，工艺不尽合理，缺少深度处理单元，且科 学化管理水平低【1 9 1 。 1 2 3 课题的提出 随着科学的发展和人们环境保护意识的提高，现在对矿井水有了新的认识，开始 将矿井水作为一种潜在的水资源加以处理利用，即矿井水资源化。矿井水资源化是在解 决煤炭产区严重缺水和矿井水污染环境两大难题的基础上提出的。矿井水的资源化是解 决矿井水直接排放污染环境问题和矿区水资源短缺闯题的最佳选择，可以达到环境、经 济和社会三个效益的统一。 开展矿井涌水量预测方面的研究对实现矿井水资源化具有重要意义，它不仅关系着 矿井水资源化工程设计的成败。实现矿井水资源化必须掌握可利用矿井水质、水量方面 的资料，为矿井水资源化工程设计提供设计依据。矿井涌水量预测模型包括基于灾变预 测的预测模型和基于趋势预测的预测模型。国内外学者在矿井水涌水量灾变预测研究方 面做了大量工作，有针对性地提出了不同的基于灾变的预测模型。这类模型一般具有下 列特点： ( 1 ) 模型针对性强，预测模型大多根据特定矿区，在其特定的地质、水文、气象、 矿井开采情况条件下建立的预测模型。 ( 2 ) 模型复杂，预测模型的建立需要目标矿区详细的地质、水文、气象、矿井开采 情况等方面资料，甚至需要定点长期采样观测，以获得大量实时数据。因此模型的建立 及计算依赖大量的数据资料，并依靠复杂的计算机软件模拟处理。 ( 3 ) 模型针对性强，由于模型是在特定目标矿井大量相关数据资料的基础上建立的， 模型的应用具有其局限性。在对新的目标矿井涌水量预测时不仅需要新矿区大量的相关 数据资料，还应根据影响矿井水涌水量的主因素的变化对模型进行较大的调整。 ( 4 ) 模型是基于灾变的预测模型，即这类模型为避免和减少矿井透水灾害，提前或 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 及时采取应对措施而建立的。 ( 5 ) 模型精度高，由于模型是基于灾变的预测模型，对矿井涌水的时间、地点、水 量、持续时间都需要有较高的预测精度。 基于趋势预测的预测模型是对中长期内矿井涌水量的趋势预测，在矿井水资源化 应用具有意义。这类模型相对于基于灾变的预测模型而言，最大的不同是预测精度要求 较低，需要对矿井中长期总涌水量进行趋势预测以满足矿井水资源化工程设计的需要。 虽然国内外学者在矿井水灾变预测方面做了大量研究，建立了许多模型，但这些模型在 矿井水资源化应用上具有明显局限性。为此本文在深入研究影响矿井涌水量因素的基础 上，分析比较各类预测模型的优缺点，并根据矿井水资源化对涌水量预测的要求，研究 建立一种不依赖大量数据资料，无需复杂的计算软件，计算简单且预测精度适合矿井水 资源化对涌水量预测要求的模型。 1 3 课题研究内容及意义 1 3 1 研究内容及方法 本文从我国水资源及矿井水资源现状角度出发，阐述了开展矿井水资源化的必要 性，并以山西省矿井水为研究对象，介绍了影响矿井涌水量的复杂因素，分析比较了各 种矿井涌水量的预测模型的优缺点，并在此基础上建立了以c 程序语言为计算平台的 g m ( 1 ，1 ) 灰色预测模型。 本文在研究方法上，理论与模拟预测相结合。同过查阅大量文献，调查采集大量 数据，分析各种涌水量预测模型的特点，结合矿井水资源化对工程设计的实际需要，建 立起计算简单，无需复杂的水文、地质、气象及开采状况资料的g m ( 1 ，1 ) 预测模型， 并以大量数据对该模型的可靠性进行了验证。验证结果表明该模型在面向矿井水涌水量 趋势预测方面精度可靠，满足矿井水资源化工程设计对水量数据的要求。 1 3 2 研究的意义 随着水资源问题的日益严峻和人们环境保护意识的不断提高，对矿井水也有了新 的认识，已经开始将其作为一种潜在的水资源加以综合利用，即矿井水资源化。矿井水 资源化是在解决煤炭产区严重缺水和矿井水污染环境这两个困绕煤炭行业的难题的基 础上提出的。矿井水资源化具有重要的意义。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 首先，随着煤炭开采量的增加和矿区经济的发展，生产和生活用水更趋紧张，以 致影响了当地居民的正常生产和生活。在我国北方地区，矿区能源开发与水资源紧张的 矛盾己严重制约了煤矿工业的发展，也制约了我国国民经济的总体发展，所以矿井水资 源化是解决煤矿供水严重短缺的最佳出路，具有明显的社会效益。 其次，从煤炭资源的开发战略来看，综合利用矿井水也有着重要意义。我国西部 地区煤炭储量占全国煤炭资源总储量的1 3 ，但是西部地区是我国水资源严重短缺的地 区。随着2 l 世纪煤炭发展战略向西北推进，煤炭缺水问题将日益突出，只有综合利用 矿井水，充分保护有限的水资源，才能解决矿区的生产和生活用水。因此矿井水资源的 综合利用和保护，影响到煤炭工业的持续、稳定、协调的发展，直接关系到我国煤炭资 源的开发战略，是事关全局的基础工作。 再次，从经济效益来说，综合利用矿井水，保护水资源也具有它的生命力。综合 利用矿井水，不仅本身具有很好的经济效益，还可以缓解因水资源短缺而造成的生产上 的不必要的损失，同时综合利用矿井水还可以极大限度地减少甚至消除矿井水的不达标 排放，可以免缴排污费和水资源损失费。 最后，因为煤矿矿井水中含有各种各样的污染物，据全国煤矿矿井水水质调查资 料表明，矿井水中普遍含有以煤粉和岩粉形成的悬浮物以及可溶的无机盐类，一些矿井 水中还含有有毒和有害物质以及放射性元素等，若未经过处理，直接排放，势必会造成 矿区周围环境的污染。 目前，我国地下水资源紧缺，而矿区又需大量用水，这使得矿区周围地下水供需 失衡，水位大幅度下降，同时由于大量排放有害矿井水对土地和水系造成直接的污染， 不仅使土壤性质变差，而且危及农作物，影响人畜健康，还造成地面裂隙、地面沉降、 海水入侵等环境污染问题。因此，矿井水资源化还可以缓解因矿井水污染导致的环境问 题。 矿井水的资源化不仅需要我们根据各煤矿和当地的实际需要开发研究工艺简单、 技术可靠、管理方便、运行稳定、经济合理的新工艺、新设备、新药剂。更需要为这些 工作提供水质水量方面真实可靠的数据，从而为矿井水的资源化提供可靠的水质水量方 面的依据。 矿井水资源化最重要的一步就是对可供开发利用的矿井水资源进行预测评估，为 矿井水综合利用的工程设计提供水量方面的数据。本文利用以c 程序语言为计算平台的 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 g m ( 1 ，1 ) 灰色预测模型对山西省各煤矿区矿井涌水量做了趋势预测，为煤矿区矿井 水资源化提供了水量方面的依据。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章山西省煤矿及矿井水概况 2 1 山西省水资源特点 2 1 1 水资源总体短缺 根据全省第二次水资源评价成果，全省多年平均水资源总量为1 2 3 8 亿曲3 、比第一 次评价的1 4 2 亿m 3 减少了1 8 亿m 3 ，减幅达n 1 2 9 。按照2 0 0 0 年山西省总人11 3 2 4 5 8 万人 计算，人均占有水资源量为3 8 2m 3 ，为全国平均值2 4 0 0m 3 的1 6 ，其绝对值大大低于国 际公认的人均5 0 0m 3 的严重缺水界限。亩均占有水资源量更少，只有1 9 0m 3 ，约为全国 平均水平的l 1 1 ，全国水资源指数排序居全国第2 9 位 2 0 l 。 2 1 2 地下水超采严重 据统计，全省每年超采地下水7 亿m 3 ，严重的超采导致了超采区面积逐年扩大。由 此引起岩溶大泉流量不断减少甚至断流，地下水位逐年下降，含水层疏干，水质恶化， 地面沉降和裂缝等一系列环境地质问题。 2 1 3 水资源分布不均 水资源时间、地区分布不均，空间丰枯同频。山西由于降水量分布不均及水文下 垫面条件的差异，使水资源在地区分布上很不均匀。总的趋势是东部山区和东南部地区 水资源相对丰富，占省境河川径流量的4 1 9 ；大同、忻定、太原、临汾盆地等腹部地 区，占3 6 6 ；西部地区占1 2 ；南部占7 6 ；西北部地区贫乏【1 9 1 。 据历史旱涝记载与实测资料空间、时间序列的分析，山西全省性同丰、同枯的存 在是河川径流水资源开发利用上极为不利的又一特征。这一特点，给省境内各地域间水 资源再分配和各水系间相互调水带来极大的困难。 2 2 山西省煤炭资源概况 山西省地层发育较为齐全，在华北陆台具有代表性。地层展布状况大致以五台山 一恒山一云中山一吕梁山、中条山、太行山出露的前“震旦”地层为核心，向四周依次 分布震旦亚界、寒武系、奥陶系和以大同云冈、宁武一静乐、沁水、陕甘宁等构造盆地 中央分布的v 侏罗系、三叠系为中心，向四周依次出露二叠系、石炭系。二者结合就是山 西省地层展布的基本格局。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 山西是煤炭大省，煤炭资源储量大、品种全、煤质优、埋藏浅、易开采。自北向 南分布有大同、宁武、西山、河东、沁水、霍西六大煤田和浑源、繁峙、五台、垣曲、 平陆五个煤产地。北部的大同煤田、宁武煤田和河东煤田北部，主要含煤地层为侏罗系 和石炭、二叠系地层，不含石灰岩及海相动物化石；南部的沁水煤田、西山煤田、霍州 煤田及河东煤田中南部，主要含煤地层为石炭系太原组及二叠系山西组地层，下石盒子 组煤层不发育，太原组灰岩层数多。山西六大煤田主要为向斜构造，仅河东煤田为单斜 构造，煤田含煤面积6 2 万k m 2 ，占山西省面积的4 0 4 t 1 9 1 。 2 2 1 山西煤炭资源储量 根据山西省国土资源厅2 0 0 3 年度煤炭资源储量简表和山西省第三次煤田预测资 料，全省煤炭资源储量6 5 5 1 9 8 亿t ( 2 0 0 0 m 以浅) ，在全省1 1 9 个县( 区、市) 中，9 4 个 县( 区、市) 有煤炭资源分布。截止2 0 0 3 年底，全省完成地质勘查面积覆盖全省含煤面 积的3 3 ，累计查明资源储量2 8 1 9 0 7 亿t ，其中基础储量1 2 0 5 2 5 亿t ，资源量1 6 1 3 8 2 亿t 。 山西煤炭累计查明资源量在全国各省、市、区排名第一位，占全国查明资源储量的 2 7 0 2 。在全省累计查明资源储量中，查明保有资源储量2 6 5 2 8 4 亿t ，其中按批准占用 情况分：生产和在建矿井占11 5 1 1 7 亿t ，尚未利用1 5 0 1 6 7 亿t ；按勘查程度分，勘探资源 储量分别为7 6 6 8 亿t 和1 8 8 6 0 4 亿t 。预测1 2 0 0 m 以浅潜在资源量1 2 9 2 4 5 亿t 。全省煤炭资 源储量状况见表2 1 。 表2 1 山西省煤炭资源储量状况【2 1 l t a b l e2 1s a t e so fc o a lr e s e r v ei ns h a n x ip r o v i n c e 资源 累舌。查明资源储量预测资源量 储量 基础储量资源量资源储量1 2 0 0 m 以浅1 2 0 0 m 以深至2 0 0 0 m 以浅 6 5 5 1 9 81 2 0 5 2 51 6 1 3 8 22 8 1 9 0 71 2 9 2 4 52 6 0 6 7 0 保有资源 生产、在建井占用资源储量尚未利用资源储量 储量 勘探非勘探合计勘探详查普查 找煤 合计 2 6 5 2 8 46 8 8 8 34 6 2 3 41 1 5 1 1 77 7 9 75 3 9 4 86 6 5 8 52 1 8 3 71 5 0 1 6 7 2 2 2 山西煤炭资源分布 在山西六大煤田中，大同煤田和宁武煤田主要赋存为动力煤，资源总量1 1 1 2 8 亿t ； 西山煤田和河东煤田、霍西煤田以炼焦煤赋存居多，资源总量2 5 1 1 5 3 亿t ；沁水煤田以 无烟煤、贫煤赋存为主，资源总量2 7 叻：6 9 亿t ，其他煤产地资源总量1 2 9 9 4 亿t 。六大煤 田煤炭资源储量状况见表2 2 。 1 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 , - l ：- 2 山西主要煤矿煤炭资源储量状况( 2 0 0 0 m 以浅) ) 【2 1 】 t a b l e2 2c o a lr e s o u r c e sr c s c l v es t a t u si nm a i nc o a lm i n ei ns h a n x i ( 2 0 0 0ms h a l l o w ) 2 3 煤炭开采对水资源的影响 2 3 1 造成的经济损失 煤炭开采对水资源造成的破坏是多方面的，有些损失可以用价值量加以表现，而有 些则是无法价值化的，更多的影响则可能在若干年后才能得到显示。采煤漏水造成经济 损失表现在以下几方面： ( 1 ) 采煤漏水造成人畜吃水困难的经济损失 据调查，截至至u 2 0 0 0 年，全省因采煤漏水造成1 6 7 8 个村庄的8 1 2 7 万人、l o 8 2 万头 大牲畜吃水困难。为解决人畜吃水问题，据估算需投资大约3 2 3 亿元用于开凿新的水井。 ( 2 ) 采煤漏水造成土地质量下降的经济损失 采煤造成地下水漏失，地表径流减少或干涸，使得大量土地质量下降，水浇地变 为旱地。据调查，至u 2 0 0 0 年，全省因采煤漏水已使9 7 8 0 0 亩水浇地变为旱地，粮食减产 严重，据统计平均减产达到5 0 以上，每亩减少至少2 0 0 元左右，据此估算，2 0 年来累 计水浇地变为旱地的直接经济损失达3 4 6 亿元。 ( 3 ) 采煤漏水造成水利设施破坏的经济损失 在受到影响的4 3 3 处水利工程中，水库4 0 座，提升泵站1 8 9 处，输水管道7 9 4 万米， 水渠4 3 5 7 万米。由于这些水库都为小型水库，容量有限，提水站也属于小型简易的，按 每座水库4 0 万元，提水站每个1 5 万元，输水管道、水渠每米2 0 元进行估算，水利工程被 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 破坏造成的经济损失为6 8 9 4 万元。 据统计，2 0 年来山西省为弥补煤炭开采对水资源所造成的水资源短缺，不得不投 资建设大量的水利设施，仅国有水利建设投资额高达1 1 0 亿元( 2 0 0 0 年统计资料) 。按 吨水投资1 9 元的标准计算，每年因采煤所造成的水资源损失量达2 2 5 亿t 。考虑n 5 5 的 净化回收利用，2 0 年为弥补采煤造成的水资源破坏而新增的投资损失达3 8 5 亿元【2 1 1 。 2 3 2 对生态环境的影响 ( 1 ) 扰乱地下水自然流场 由于煤炭和水资源共存于一个地质体中，在天然条件下各有自身的赋存条件及变化 规律。煤炭开采打破了地下水原有的自然平衡，形成以矿井为中心的降落漏斗，改变了 原有的补、径、排条件，使得地下水向矿坑汇流。在其影响半径之内，地