（环境科学专业论文）谢一矿充水因素分析及矿井涌水量变化特征研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得佥目巴王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者签字营 字日期：, ；- o f 牛月争 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金照王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金起三些太 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 嘈钳 导师签名： 欲家恕 签字日期：z o 1 年- 斗月刁日 签字日期：力洲年牛月加日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 谢一矿充水因素分析及矿井涌水量变化特征研究 摘要 矿井水害是制约煤炭资源开发的重要因素，也是制约矿井安全生产的严重 灾害之一。谢一矿随着开采强度的增大和开采深度的延伸，矿井突水频率和矿 井涌水量增大，导致谢一矿水害问题越来越严重。为优化深部开采和煤矿安全 生产提供保障，本文基于矿井地质和水文地质条件，分析了矿井充水因素，并 根据1 9 8 4 1 9 8 9 、1 9 9 0 2 0 0 3 、2 0 0 4 - 2 0 0 9 年三阶段，空间上分18 0 2 5 0 ， 3 2 0 、3 7 0 、4 8 0 、6 6 0 、8 2 0 六个水平对矿井涌水量进行了研究，对矿井涌 水的变化规律进行了探索，得出主要结论如下： ( 1 ) 谢一矿是以岩溶含水层充水为主的矿井，煤系和太灰为直接充水含 水层，奥灰为间接充水含水层、大气降水为主要的间接充水水源；主要充水通 道为断层、原生节理、裂隙和岩溶通道、采煤冒落带、导水裂隙带、导水钻 孔、小井等；灰岩水对矿井的充水强度最大，煤系水的充水强度一般。 ( 2 ) 矿井涌水量大小与多种因素有关，其变化特征为：吨煤含水系 数、煤炭开采总量越大，矿井涌水量越大；开采至深部时，回采面积的增 大，对灰岩涌水量基本无影响，对煤系和总涌水量的影响较小；矿井涌水量 随大气降水呈现周期性的变化，并且存在滞后现象，灰岩涌水量与大气降水相 关度比煤系好，3 2 0 、3 7 0 、4 8 0 水平与大气降水关系密切，6 6 0 、8 2 0 水平 与大气降水相关度不高；涌水量随深度先增后减，涌水量在4 8 0 水平达到 最大值；当塌陷的隔水性能破坏，并存在导水通道及补给水源的条件下，随 着开采塌陷的增多，矿井涌水量越大；在同一煤层，随着开采深度的增加， 瓦斯含量越大，矿井涌水量越小。 ( 3 ) 建立了矿井涌水量的c a r 模型和b p 神经网络模型，以2 0 0 9 2 0 1 0 年的总涌水量、煤系涌水量、灰岩涌水量为建模数据，2 0 1 1 年1 3 月统计数 据作为预测样本，获得了c a r 模型的煤系涌水量、灰岩涌水量、总涌水量回 归方程。根据预测结果知，b p 模型要优于c a r 模型，b p 模型对谢一矿矿井 涌水量预测较为合适。 关键词：谢一矿；充水因素；涌水量；预测；c a r 模型；b p 神经网络模型 r w a t e r f i l l i n gf a c t o r sa n a l y s i sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i n e d i s c h a r g er e s e a r c ho fx i e y ic o a lm i n e a b s t r a c t m i n ew a t e rd a m a g ei sa ni m p o r t a n tf a c t o rt h a tr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to f c o a lr e s o u r c e s ，a n di sas e r i o u sd i s a s t e r t h a tc o n s t r a i n t sm i n es a f e t y w i t ht h e m i n i n gs t r e n g t ho fx i e y ic o a lm i n ei n c r e a s e sa n dt h ee x t e n s i o no fd e p t h ，t h em i n e w a t e ri n r u s hf r e q u e n c ya n dm i n ed i s c h a r g ei n c r e a s e ，l e a d i n gt ot h ep r o b l e mo f m i n ew a t e rd a m a g ei sg e t t i n gw o r s e i no r d e rt oo p t i m i z ed e e pm i n i n ga n dc o a l m i n e p r o d u c t i o ns a f e t y t o p r o v i d ep r o t e c t i o n ，b a s e do ng e o l o g i c a la n d h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，w a t e rf i l l i n gf a c t o r sw a sa n a l y s i z e da n dm i n ed i s c h a r g e w a ss t u d i e df r o m19 8 4t o2 0 0 3 ，f r o m2 0 0 4t o19 8 9 ，f r o m19 9 0t o2 0 0 9i nt h r e e p h a s e s ，一18 0 - 2 5 0 ，- 3 2 0 ，一37 0 ，- 4 8 0 ，- 6 6 0 ，- 8 2 0s i xl e v e l s c h a r a c t e r i s t i c so f m i n ed i s c h a r g ew a se x p l o r e d ，t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ( 1 ) x i e y ic o a lm i n ei sam i n eo fk a r s tw a t e r - f i l l e da q u i f e r , c o a la n dt a i y u a n l i m e s t o n ea q u i f e r sa sd i r e c tf i l l i n gw a t e ra q u i f e r s ，o r d o v i c i a nl i m e s t o n ea q u i f e ra s i n d i r e c tf i l l i n gw a t e ra q u i f e r s ，p r e c i p i t a t i o na st h em a i ni n d i r e c tw a t e r f i l l e ds o u r c e m a j o rw a t e r f i l l e dc h a n n e li sf a u l t ，n a t i v ej o i n t s ，f r a c t u r e sa n dk a r s tc h a n n e l s ，c o a l c a v i n gz o n e ，w a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n e ，w a t e rf l o w i n gd r i l l i n g ，s l i m ，e t c l i m e s t o n ea q u i f e r sp l a yt h em a j o rr o l eo nw a t e rf i l l i n gs t r e n g t h ，c o a la q u i f e rp l a y s g e n e r a lr o l e ( 2 ) m i n ed i s c h a r g eh a sar e l a t i o n g s h i pw i t hm a n yf a c t o r s ，i t sc h a r a c t e r s t i c sa r e d r a w na sf o l l o w s ( 至) t o n so fc o a lw a t e rc o e f f i c i e n t ，t h ec o a lm i n i n gt o t a la r eg r e a t e r , m i n ed i s c h a r g ei sl a r g e r ( 窑) w h e nm i n i s t r yo fd e e pm i n i n g ，t h ei n c r e a s eo fm i n i n g a r e ah a v en oe f f e c t so nc o a ld i s c h a r g e ，h a v eal i t t l ee f f e c to nl i m e s t o n ed i s c h a r g e a n dt o t a ld i s c h a r g e w i t hp r e c i p i t a t i o nc h a n g e ，m i n ed i s c h a r g eh a st h ec y c l i c a l c h a n g e s ，a n dt h e r ei sl a g ，c o r r e l a t i o nb e t w e e nl i m e s t o n ew a t e ra n dp r e c i p i t a t i o ni s b e t t e rt h a nc o a lw a t e r , - 3 2 0 ，一3 7 0 ，- 4 8 01 e v e l si sc l o s e l yr e l a t e dt or a i n f a l l c o r r e l a t i o nb e t w e e n 6 6 0 ，一8 2 0l e v e l sa n dr a i n f a l li sn o th i g h d i s c h a r g ew i t ht h e d e p t hf i r s ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e s ，d i s c h a r g eb a s i c a l l yr e a c h e dt h em a x i m u m o nt h e 一4 8 0l e v e l ( 重) w h e nt h ec o l l a p s eo ft h ec o n f i n i n gp r o p e r t i e sd e s t r o y e d ，a n d t h e r ei s u n d e r g r o u n dw a t e r c o u r s ea n dr e c h a r g ew a t e rs o u r c e ，w i t ht h ei n c r e a s eo f m i n i n gs u b s i d e n c e ，m i n ed i s c h a r g e i s g r e a t e r i nt h es a m ec o a ls e a m ，w i t ht h e i n c r e a s eo fm i n i n gd e p t h ，g a sc o n t e n tg e t sm o r e ，m i n ed i s c h a r g eg e t ss m a l l e r ( 3 ) t h ee s t a b l i s h m e n to fc a r m o d e la n db pn e u r a ln e t w o r km o d e l ，a n db a s e d o n2 0 0 9t o2 010 s t a t i s t i c a ld a t af o rm o d e l i n g ，t h e t o t a l q u a n t i t y o fm l n e d i s c h a r g e ，t h eq u a n t i t yo fc o a lw a t e ra n dt h eq u a n t i t y o fl i m e s t o n ew a t e rf r o m j a n u a r vt om a r c hi n2 01 1w e r ep r e d i c t e d ，a n dt h ec a r m o d e lr e g r e s s i o ne q u a t i o n s o fc o a l 1 i r a e s t o n ea n dt h et o t a ld i s c h a r g e w e r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ef o r e c a s t r e s u l t s b pm o d e li sb e t t e rt h a nt h ec a rm o d e l ，s ob pm o d e li sm o r ea p p r o p n a t e t h a nt b ec a rm o d e l k e y w o r d s ：x i e y ic o a lm i n e ： m o d e l ；b pn e u r a l w a t e rf i l l i n gf a c t o r s ；d i s c h a r g e ；f o r e c a s t ；c a r n e t w o r km o d e l 致谢 本论文得以完成，首先要感谢我的导师钱家忠教授。三年来，在学术研究 上，他自始至终给予悉心地指导，在生活中给予关心和照顾。一直以来，钱老 师一丝不苟的工作作风、严谨的治学态度、以及忘我的工作态度，渊博的知 识，都激励着我。本论文得以完成都与钱老师在编写过程中的悉心照顾和耐心 指导相关。在此谨向钱老师表示由衷的感谢。 感谢资源与环境工程学院的领导和其他老师为我们的毕业实习和论文设计 提供了良好的环境和服务，研究生三年来他们为培养我们都一直辛勤地工作， 在此向学院领导和老师们表示深深的感谢。 感谢吕纯、关秋红、马雷、张春雷、潘婧等师兄师姐及同门周小平、林曼 利、高志强、杨丹丹、祝翠、杜奎、周春寅、闫珍等同学在项目工作及论文写 作过程给予的帮助。 感谢淮南矿业集团李佩全教授级高工、刘登宪教授级高工、武兴楼老师、 感谢谢一矿王起宏副总、胡志华工程师在论文的数据采集和现场认识方面给予 的关心与帮助，在此表示由衷的感谢。 感谢我的父母及亲人在我学习过程中给予的支持和关爱。 再次向所有帮助过我的人们表示由衷的谢意，谢谢他们在我的研究生就读 期间给予的关心和帮助，愿身体健康，万事如意! 作者：曹雪春 2 0 11 年4 月2 5 日 目录 第1 章绪论o 1 1 1 研究课题的意义与目的1 1 2 国内外研究现状j 2 1 3 研究内容及技术路线3 1 4 本文的创新点4 第2 章矿井地质与水文地质。5 2 1 矿井概况- 5 2 1 1 自然地理条件5 2 1 2 矿井开拓开采现状7 2 2 矿井地质条件8 2 2 1 地层8 2 2 2 构造15 2 3 矿井水文地质条件1 3 2 3 1 含水层与隔水层13 2 3 2 地下水的补迳排1 5 第3 章矿井充水因素分析1 8 3 1 矿井充水水源分析- 1 8 3 2 矿井充水通道分析2 0 3 3 矿井充水强度分析2 1 第4 章矿井涌水量变化特征研究2 3 4 1 煤炭产量与矿井涌水量的关系2 3 4 2 开采面积与涌水量的关系2 4 4 3 降水量对矿井涌水量的影响。2 6 4 4 开采深度与涌水量的关系一3 3 4 5 突水量与深度的关系3 7 4 6 开采塌陷与矿井涌水量的关系3 8 4 7 煤层瓦斯含量与深度以及矿坑涌水量关系。3 8 4 8 本章小结3 9 第5 章矿井涌水量预测4 0 5 1c a r 模型4 0 5 1 1 c a r 模型原理4 0 5 1 2 c a r 模型建模流程4 0 5 1 3 c a r 模型预测结果- 4 2 5 2 b p 神经网络模型4 3 5 2 1 人工神经网络的原理：4 3 5 2 2 b p 神经网络学习一：4 4 5 2 3 b p 神经网络模型预测结果4 5 5 3 涌水量预测结果评价4 7 第6 章结论与展望4 9 6 1 结论。；4 9 6 2 展望4 9 插图清单 图2 1 谢一矿1 9 8 2 2 0 0 9 年年降雨量直方图：5 图2 2 谢一矿1 9 8 2 2 0 0 9 年月平均降雨量百分比直方图6 图2 3 谢一矿交通位置图7 图2 4 公山地质图1 0 图2 5 井田断裂构造图：1 l 图2 - 6 灰岩水位动态变化与降雨量的关系1 6 图2 7 奥灰、太灰水样t d s 等值线图1 7 图3 1 矿井涌水量与灰岩水量、煤系水量的相关关系2 2 图4 1 吨煤含水系数与涌水量关系图2 3 图4 2 煤炭总产量与涌水量关系图2 4 图4 3 月总水量与涌水量关系图2 4 图4 42 0 0 9 2 0 1o 年降雨量、涌水量与总回采面积的关系2 5 图4 52 0 0 9 年2 0 l o 年涌水量与b + c 组煤回采面积的关系2 5 图4 62 0 0 9 年- - 2 0 1 0 年降雨量、涌水量与a 组煤回采面积的关系2 5 图4 71 9 8 4 1 9 8 9 年矿井涌水量与降雨量关系图3 0 图4 81 9 8 4 1 9 8 9 年煤系各水平涌水量与降雨量关系图3 0 图4 91 9 8 4 1 9 8 9 年灰岩各水平涌水量与降雨量关系图- 3 0 图4 1 019 9 0 2 0 0 3 年矿井涌水量与降雨量关系图3 1 图4 1 119 9 0 2 0 0 3 年煤系各水平涌水量与降雨量关系图3 1 图4 1219 9 0 2 0 0 3 年灰岩各水平涌水量与降雨量关系图3 1 图4 1 32 0 0 4 2 0 0 9 年矿井涌水量与降雨量关系图3 2 图4 1 42 0 0 4 2 0 0 9 年煤系各水平涌水量与降雨量关系图3 2 图4 1 52 0 0 4 2 0 0 9 年灰岩各水平涌水量与降雨量关系图“。3 2 图4 1 6 各水平涌水量随时间变化组图3 4 图4 1 71 9 8 4 1 9 8 9 年谢一矿涌水量与开采水平的关系图3 5 图4 1819 9 0 2 0 0 3 年谢一矿涌水量与开采水平的关系图3 6 图4 192 0 0 4 2 0 0 9 年谢一矿涌水量与开采水平的关系图：3 6 图4 2 0 岩石全应力应变过程的一般渗透曲线3 7 图，4 2 1 层间空间的三种状态一3 7 图4 2 2 突水量与深度关系的散点图3 8 图4 2 3 谢一矿瓦斯含量随深度变化散点图：3 8 图4 2 4 谢一矿瓦斯含量和矿坑涌水量随深度变化图3 9 图5 1c a r 模型实测值与预测值拟合图_ 4 3 图5 2b p 网络结构示意图4 4 r 一 图5 3b p 预测涌水量与实测涌水量对比图：一4 6 图5 4 矿井涌水量影响因子输入图4 7 图5 5 矿井涌水量输出结果图：4 7 图5 - 6 实测、c a r 预测、b p 预测对比图4 8 图5 7c a r 预测、b p 预测相对误差对比图4 8 、 插表清单 2 1 含煤情况表：9 2 2 落差大于3 0 m 的断层一览表1 2 2 3 各含水层( 组) 特征简表1 5 3 12 0 0 9 年末谢一矿范围内小煤井开采情况一览表2 0 3 2 灰岩水量占谢一矿总涌水量统计( 年平均) 2 2 4 11 9 8 4 1 9 8 9 年降雨量、矿井涌水量、各水平涌水量p e a r s o n 相关性2 7 4 21 9 9 0 2 0 0 3 年降雨量、矿井涌水量、各水平涌水量p e a r s o n 相关性2 7 4 32 0 0 4 2 0 0 9 年降雨量、矿井涌水量、各水平涌水量p e a r s o n 相关性2 8 4 4 三阶段矿井涌水量多年平均值( m 3 h ) 3 5 5 1c a r 预测涌水量与实测涌水量对比表4 2 5 2b p 预测涌水量与实测涌水量对比表4 5 表表表表表表表表表表表 第1 章绪论 1 1 研究课题的意义与目的 随着我国经济建设的高速发展，煤炭资源供不应求现象越来越严重。淮南 煤田是我国重要的煤炭生产基地。淮南矿业集团计划在2 0 0 8 2 0 10 年期间原 煤产量达到8 0 0 0 万吨年。如此高的需求和生产目标给煤矿发展带来了新的机 遇，同时也给煤矿安全生产带来了严峻的挑战。 矿井水害是制约煤炭资源开发的重要因素，也是制约矿井安全生产的严重 灾害之一，在矿井建设和生产时期，随着对地下岩层的开拓与延伸，地下含水 层位动态平衡受到破坏，常常会诱发突水事故。轻者增加排水费用、增加煤矿 能耗，从而使煤炭生产成本增加，并造成采区持续紧张，影响煤矿稳定生产； 重者直接危害职工生命安全和国家财产安全，造成人员伤亡或突水、淹井事 故，严重影响矿井的正常生产 1 - 4 】。肥城煤田自开发建设至2 0 0 6 年底共发生各 类水害事故2 9 1 次，其中突水量大于6 0 m 3 h 的有1 4 9 次，大于6 0 0 m 3 h 的有 2 2 次1 5 1 ；2 0 1 0 年3 月1 日，内蒙古神华骆驼山煤矿发生特大透水事故，涌水 量最大时达7 2 万m 3 h ，造成3 2 人死亡；2 0 1 0 年3 月2 8 日，王家岭煤矿北 翼盘区1 0 1 回风巷顺槽发生透水事故，1 5 3 人被困井下，死亡3 8 人，透水事 故抢险搜寻耗资已远超1 个亿。矿井水灾( 通常称为透水，也称突水) 是由于 矿井涌水量超过正常排水能力造成的【6 】，矿井水灾除了需要准确快速的判别突 水水源【7 。1 4 1 ，准确预测矿井涌水量对煤矿安全生产和经济效益同样具有重要的 意义【l 引，能够对矿井水害的防治起到指导作用。影响矿井涌水量的因素繁 多，如地质条件、开采方法、降雨量、煤体结构和煤层厚度、含水层性质及矿 井管理等，在这些影响因素的综合作用下矿井涌水表现出不同的规律。 谢一矿自开采至今，共发生突水事件4 5 起，其中底板灰岩突水共1 7 起， 顶板砂岩突水9 起，老塘老硐水1 2 起，给矿井的安全开采带来严重危害。随 着谢一矿深部a 组煤的开采，矿井涌水量出现了较大的变化，1 9 7 7 年以前矿 井实际涌水量为2 0 0 m 3 h 左右，1 9 8 9 年1 0 月原谢一、三矿合并后，涌水量扩 大到1 1 7 0 1 3 1 0 m 3 h ，2 0 0 3 年1 2 月原谢家集一、二矿合并后，2 0 0 3 年矿井涌 水量最大达到1 1 5 8 m 3 h 。因此准确的预测矿井涌水量能够为谢一矿深部优化 开采和安全生产提供重要保障，同时为制定矿井防治水措施提供依据。本文根 据谢一矿的水文地质、地质及构造资料，分析研究区的水文地质条件，从矿井 充水水源、充水通道、充水强度三方面展开分析研究区的充水因素；收集地下 水动态观测资料，从水量和水质两个方面分析地下水的动态变化，分析矿井涌 水量的来源，并在多年收集矿井涌水量的基础上，从矿井涌水量时空分布与深 度关系方面研究矿井涌水量变化特征，并采用c a r 模型和b p 神经网络模型 对矿井涌水量进行预测，将其与实际涌水量资料进行拟合，对谢一矿拟定有效 1 防治水措施及安全开采都有非常重要的意义。 1 2 国内外研究现状 人类利用地下水有几千年的历史，但对地下水运动规律的认识却经历了漫 长的历史过程。1 9 世纪中叶，由于地下水开采规模的扩大，生产中有了计算 水井涌水量的要求。 正确预测矿井涌水量，是一项重要而复杂的工作，是矿井水文地质勘探的 重要组成部分【l6 1 。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，更是煤炭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 7 】。 由于各个矿井的地质因素、水文条件等不同，影响矿井涌水量变化的内在 机制也不尽相同，因此正确选择数学方法预测矿井涌水量，为矿井生产提供可 靠的水文地质依据，一直是人们探索的课题。目前矿井涌水量预测方法主要有 确定性数学方法和非确定性( 随机性) 的数学方法【l 引：确定性预测方法包 括：解析法【1 9 】( 稳定井流公式和非稳定井流公式) 、物理模拟法【2 0 1 、数值模 拟法【2 0 彩】( 有限差分法和有限单元法) 、水均衡法【2 4 】；非确定性预测方法包 括：水文地质比拟 2 5 】【l 7 】( 单位涌水量法、富水系数法和q s 曲线法) 、回归 ( 相关) 分析2 0 , 2 1 , 2 6 】、模糊数学模型【2 7 1 、灰色系统理论【2 8 1 、b p 神经网络 2 9 , 3 0 】 和时间序列分析 2 9 , 3 1 1 ( 时域分析和频域分析) 等。由于矿井水文地质条件的复 杂性，单一模型有其各自的优缺点和最佳适用环境，往往造成预测结果较大的 偏差。为了扩大单一模型的适用范围，提高模型的预测精度，体现矿井涌水量 变化序列的确定性趋势和随机性波动的变化特种，多种组合模型开始出现，如 灰色时序组合模型【3 2 】、灰色马尔科夫预测模型【3 3 1 。 随着计算机技术的发展和地下水三维流理论应用，在对复杂的含水层系统 中地下水运动及溶质运移进行模拟的同时，研究人员又不断的开发地下水模拟 软件，真实的模拟地下水动态变化，实现计算结果的可视化。 目前国际上地下水模拟软件有m o d f l o w 、m y 3 d m s 、m t 3 d 9 9 、 p e s t 、m o d p a t h 、u c o d 、p m w i n 、v i s u a lm o d f l o w 、g m s 、m s v m s 、 a r g u so n e 、f e f l o w 。由于地下水具有非常复杂的动态变化特征，而数值模 拟法可以较好地反映复杂条件下的地下水流状态，具有较高的仿真度，因此这 些软件在地下水数值模拟计算应用得到了广泛的应用【3 4 圳j 。 根据地质部水文地质研究所及有关院校对五十个大水煤矿进行调查，初步 总结出的预测的涌水量与实测的涌水量相比表明，误差小于3 0 的占1 0 ， 误差大于5 0 的占8 0 。从统计数字来看，各种预测模型都有其局限性，如 稳定流解析法预测一般将其含水层简化为等厚、均质、各向同性，存在含水层 段划分不够详细，未考虑含水层水量随时间及采掘影响呈现枯竭的动态变化， 进而不能完全反映矿井涌水量的动态变化；水文地质比拟法预测矿井涌水量要 求有相似的地质、水文地质条件的矿井存在，并且要求建立在较稳态的抽放水 试验资料的基础上；时间序列模型忽略了地下水系统的随机性、模糊性和不确 定性；灰色动态模型在矿井涌水量变化幅度大，数据数列少，采用该模型预测 的精度低【4 1 】；数值模拟在水文地质概念模型模拟范围的选取、含水层结构的 概化、边界条件的确定、补给和排泄项处理等约束条件的概化时人为定性的因 素大，并且难以建立数学模型，需反复调参以适合矿井的实际情况，耗时多， 要求矿井的基础资料齐全。 各种预测模型之所以会差生误差，主要原因是矿井所处的特殊地质环境、 水文地质条件的高度复杂性，对矿井充水因素的分析有误，采用的参数缺乏代 表性。使得即使在当时开采规模和勘探条件下比较符合实际的矿井涌水量预测 模型，也会随着矿井开采深度的延伸、开采强度的增大和水文地质勘探信息的 变更，一些涌水量预测模型也会显示出不足，因此查明地质和水文地质条件， 正确分析矿井充水因素、合理选择水文地质参数、从空间和时间角度加强涌水 量变化特征研究显得十分必要。 1 3 研究内容及技术路线 本文结合淮南矿业集团委托项目“淮南矿业集团矿井水害防治信息与决策 系统 、“淮南矿井水文地质类型划分 、“淮南煤田地下水化学特征及其快 速判别信息系统( 2 0 0 5 0 3 0 1 ) ”、新世纪优秀人才计划项目( n c e t 0 6 0 5 4 1 ) 以及国家自然科学基金项目( 4 0 8 7 2 l6 6 ) 研究，以谢一矿为研究对象， 在分析查明井田地质和水文地质特征的基础上，运用所学专业知识，分析淮南 谢一矿矿井充水因素，并结合实测矿坑涌水量从时间和空间角度探索其变化特 征，并在详细分析谢一矿实测资料的基础上，运用c a r 模型和b p 模型预测 矿井涌水量。 ( 1 ) 收集与谢一矿有关的气象资料、地形地貌、地质构造、水文地质资 料研究谢一矿的地质和水文地质条件； ( 2 ) 基于矿井地质和水文地质条件，分析谢一矿的充水因素，包括充水 水源、充水通道、充水强度； ( 3 ) 掌握谢一矿的开采现状及全面收集谢一矿历年涌水量资料，从自然 因素与人为因素，时间和空间角度多方位分析，研究谢一矿矿井涌水量变化特 征； ( 4 ) 在上述分析的基础上，采用2 0 0 9 年2 0 1 0 年的涌水量统计数据作为 建模样本，运用c a r 模型和b p 模型预测2 0 11 年1 3 月矿井涌水量，比较分 析预测结果，选出适合谢一矿矿井涌水量的预测模型，为矿井防治水提供帮 助。 3 1 4 本文的创新点 本文在综合前人研究和谢一矿实际的基础上，有如下创新点： ( 1 ) 本文在谢一矿地质和水文地质基础上，从谢一矿实际分析了其充水 水源、充水通道和充水强度，而前人一般仅从水源上分析，而充水通道和充水 强度仅从理论角度考虑； ( 2 ) 本文结合谢一矿实际，根据其合并情况分三阶段对谢一矿矿井涌水 量变化特征进行研究；并将煤系和灰岩水分开，从各水平上分析了其动态变化 特征，根据相关分析，分析了降雨量对煤系和灰岩各水平和总涌水量的影响， 并且发现矿井涌水量在5 0 0 m 左右达到最大值，并从岩石应力应变、渗透系数 角度解释了深部矿井涌水量一般不增加或减少的原因； ( 3 ) 本文结合了瓦斯含量随深度增大的变化关系，从大孔、微孔的比孔 容积占总比孔容积的角度解释了矿井涌水量随深度减小，与瓦斯含量呈现负相 关性； ( 4 ) 本文根据谢一矿矿井涌水量相关因子，建立了c a r 模型和b p 神经 网络模型，获得了c a r 模型回归方程，发现吨煤含水系数对谢一矿涌水量的 贡献有显著性意义，其他各因子对涌水量存在一定的影响，但它们对涌水量的 贡献不具备显著性意义。 4 第2 章矿井地质与水文地质 2 1 矿井概况 2 1 1自然地理条件 1 、地形地貌 矿区地处八公山东北麓，为山前斜地与淮河河漫滩间的过渡地带，属山前 冲积平原。地势平坦，地面标高+ 3 5 + 2 2 m ，一般为+ 3 0 m + 2 5 m ，呈西高东低 形势。淮河经矿区东北部流过，距本矿约3 k m 。淮河在八公山区段的水位标高 一般在+ 1 7 + 1 8 m 左右，常见洪水位为+ 2 3 m ，历史最低水位为+ 1 2 3 6 m ( 2 0 0 4 年5 月1 1 日) ，百年来最高洪水位标高为+ 2 5 6 3 m ( 1 9 5 4 年7 月2 9 日) 。据 淮委统计资料，八公山区段淮河最大流量1 0 8 0 0 m 3 s 。 井田西、南两侧外围八公山属丘陵地貌，山峰高度以车路山为最，标高 + 1 9 7 5 8 8 m 。丘陵低山区由震旦、寒武、奥陶系裸露岩石组成，山势与地层走 向基本一致。山前煤系上覆第四系堆积物，第四系覆盖层厚度在15 3 5 m 之 间。 2 、气象 本区属过渡型气候，季节性明显，夏季炎热，冬季寒冷。年平均气温 l5 1 ，极端最高气温4 1 2 ( 19 6 6 年8 月8 日) ，极端最低气温2 2 8 ( 1 9 6 9 年1 月3 1 日) 。年平均降雨量9 2 6 3 m m ，最大17 2 3 5 m m ( 1 9 5 4 年) ，最小4 7 1 9 m m ( 19 6 6 年) ，日最大降雨量3 2 0 4 4 r a m ，小时最大降雨量 7 5 3 r a m ，降雨多集中在6 、7 、8 三个月，约占全年的4 0 ( 见图2 1 、图2 2 ) 。年平均蒸发量1 6 1 0 1 4 m m ，水面最大2 0 0 8 1 m m ( 19 5 8 年) ，最小 1 2 6 1 2 m m ( 19 8 0 年) ，蒸发量大于降雨量，湿润系数近0 5 。 5 图2 - 2 谢一矿1 9 8 2 2 0 0 9 年月平均降雨量百分比直方图 3 、水文 流经本矿的地表有淮河，矿内地表水体有排水沟积水和塌陷积水。淮河在 八公山区段的水位标高一般在+ 1 7 + l8 m 左右，常见洪水位为+ 2 3 m ，历史最低 水位为+ 1 2 3 6 m ( 2 0 0 4 年5 月11 日) ，百年来最高洪水位标高为+ 2 5 6 3 m ( 1 9 5 4 年7 月2 9 日) 。据淮委统计资料，八公山区段淮河最大流量 1 0 8 0 0 m 3 s 。主要排水沟有三条，一条在勘探线旁，流量一般在 1 0 0 0 m 3 h ，一条在v 线附近，流量一般在4 0 0 m 3 h ，流向均由西南至东北。 另一条在v 线与线之间，排水沟自西北流向东南，区内排水沟均纵贯或 横贯井田注入采空区塌陷大塘。塌陷积水主要来自大气降水，积水量与季节有 关。 4 、交通 区内交通便捷，水张铁路沿井田南缘通过，经水张线与淮南线相接，南到芜湖 裕溪口与长江航运相通，北至蚌埠与津浦路衔接，可直达北京、南京、上海等地。 合阜路经淮南至阜阳与京九路相通。淮河蜿蜒于井田东北，近处有应台孜、八公山 码头，沿淮河上行可至风台、正阳关、阜阳，顺流而下，可至蚌埠，经洪泽湖入运 河至长江，区内公路成网，四通八达( 如图2 3 所示) 。 6 2 1 2矿井开拓开采现状 1 、谢一井 谢一井南至与李一矿边界、北至原谢二与谢一技术边界深部到5 6 7 m 标 高，浅至煤层露头，目前开采4 5 采区，煤层b l l b 开采至- 3 2 0 m ，b l l 。开采至 3 0 0 m ，b l o 开采至3 0 0 m ，b 9 b 开采至3 2 0 m ，b s 开采至- 3 2 0 m ，b 7 以下煤层全 区未采。目前4 5 1 8 7 和4 5 2 b l o 工作面已经准备完毕，即将回采4 5 1 8 7 工作 面。f 1 3 8 断层上盘c 1 5 、c 1 3 已回采，仅剩余b l l b a i 煤层。 2 、望峰岗井 ( 1 ) 浅部( 6 6 0 m 以上) 浅部为斜井、分组集中大巷、分区石门开拓方式；先后投产了四个水平， 分别为6 2 m 、1 8 0 m 、一2 5 0 m 、6 6 0 m ，其中2 5 0 m 以上三个水平己收作报废， 现四水平( 6 6 0 m ) 为浅部主要生产水平。四水平现有3 个采区，分别为4 1 采区、4 2 采区、4 4 采区。 4 1 采区：b l l b 开采至5 0 5 m ，b l o 开采至一5 2 0 m ，b g b 开采至一5 4 0 m ，b s 开 采至5 4 0 m ，b 7 开采至5 4 0 m ，大部分为薄煤，b 6 开采至- 5 4 0 m ，b 4 开采至 6 0 0 m ，a 3 开采至4 8 0 m ，a l 开采至4 8 0 m ，目前暂无采掘活动。 4 2 采区：b l l b 开采至6 6 0 m ，b l o 开采完毕，b 9 b 开采完毕，b 8 开采至 6 6 0 m ，b 7 开采至6 6 0 m ( 南翼为薄煤) ，b 6 开采至一6 2 0 m ( 南翼为薄煤) ， b 4 开采至6 4 0 m ，a 3 开采至6 6 0 m ，a i 开采至6 6 0 m 。b s 以下剩余储量将与中 央斜井煤柱联合开采收采；目前4 2 7 1 b s 、4 2 7 2 8 7 和4 2 7 1 8 7 工作面正在掘进准 备。 7 4 4 采区：c 1 3 至b 4 开采完毕，a 3 、a l 开采至4 8 0 m 。4 4 7 1 ( s ) a 3 工作 面正在回采，4 4 7 2 a 3 、4 4 7 1 a l 、4 4 7 1 ( s ) a l 、工作面已经形成，4 4 7 2 a l 目前 正在准备。 ( 2 ) 深部 深部走向长8 1 k m ，矿井采用立井、分区石门、分组集中运输大巷、分区 开拓、分区通风、集中出煤的开拓方式；矿井共划分为3 个分区，即中央区、 北区、南区；其中中央区工业场地内初期布置5 个井筒，即主井、第一副井、 第二副井、2 撑风井、l 群风井。深部( 6 6 0 一1 2 0 0 m ) 设计延深水平三个，分别 为一8 2 0 m 、一9 6 0 m 、1 2 0 0 m ，其中9 6 0 m 以上两个水平共有8 个