陕西某煤矿涌水量预测.pdf

第 4 2卷 第 7期 2 O 1 6年 7月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o mat i o n V0 l | 4 2 NO ． 7 J u 1 ． 2 O l 6 ‘ _ ◆◆◆◆ 经验交流 _．◆ Ⅲ ◆ ’ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 7 0 0 6 6 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 1 6 张耀 文 ， 李 海君 ， 张莉 丽 ， 等． 陕 西某 煤矿 涌水 量预 测 [ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 7 6 6 6 9 ． 陕西某煤矿涌水量预测 张耀 文 ， 李 海君 ， 张 莉丽 ， 孔 慧敏 防灾 科 技学 院 地震 科学 系 ， 河北 廊坊0 6 5 2 0 1 摘要 根据 陕 西某 煤矿 的水 文地质 条 件 ， 分 析 了影响 该 矿 井 涌 水量 的 主要 因素 及 指 标 ， 运 用 B P神 经 网 络 和 大 井法分 别预 测其 二 、 三 采 区的 不 同工作 面涌 水量 ， 并对 计 算结 果进行 比较 分析 。分析 结果表 明 ， B P神 经 网络模 型 的预 测 结果较 为 准确 ， 可将 其作 为该 矿 井制 定疏 水 降压方 案 的依 据 。 关 键词 涌水量 预测 ； B P神 经 网络 ；大 井法 中图分 类号 H 7 4 2 ． 1 文献 标 志码 A 网络 出版 时问 2 0 1 6 0 7 0 5 1 5 0 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP． 2 0 1 6 0 7 0 5 ． 1 5 0 3 ． 0 1 6 ． h t ml Pr e di c t i o n o f wa t e r i nf l o w o f a c o a l mi n e o f Sh a a nx i Z HANG Ya o we n， I I Ha i i u n ， ZHANG L i l i ， KONG Hu i mi n De p a r t me nt o f Ea r t hq ua k e Sc i e nc e ，I n s t i t ut e o f Di s a s t e r Pr e ve nt i o n，I a n gf a ng 0 65 2 01，Chi n a Abs t r a c t M a i n f a c t or s a n d i nd i c a t o r s t ha t a f f e c t wa t e r i nf l o w o f a c o a l mi ne of Sh a a nx i we r e a n a l y z e d a c c o r d i n g t o i t s hyd r og e ol o gi c a l c o nd i t i o ns ．BP n e ur a l ne t wo r k a nd l a r g e we l l m e t ho d we r e u s e d t o pr e d i c t wa t e r i nf l ow o f di f f e r e nt wor ki n g f a c e s of t he s e c on d a n d t h i r d d i s t r i c t s ，a nd r e s u l t s o f t h e t wo m e t ho ds we r e c o mpa r e d． The a n a l y s i s r e s u l t s s ho w t ha t t he pr e d i c t r e s ul t o f BP ne u r a l n e t wo r k mod e l i s mo r e a c c ur a t e，i t c a n be us e d a s b a s i s f o r d e v e l op me nt o f m i n e dr a i n a ge a nd p r e s s ur e de c r e a s i ng p r og r a m ． Ke y wo r d s p r e d i c t i on o f wa t e r i n f l o w ；BP n e ur a l ne t wor k；l a r ge we l l me t ho d 0 引言 陕西某 煤矿 自 2 0 0 6年建 成投 产 以来 ， 涌水 量 总 体 呈 逐年增 加 趋势 ， 最 大涌水 量 为 5 4 5 8 m。 ／ h ， 正 常 涌水 量为 5 0 0 0 ～5 2 0 0 m ／ h ⋯ ， 水 文地 质类 型 为极 复杂 。 目前 煤 层开 采导 致 的顶板 水 害问题 突显 为该 矿井 的主要 安 全 隐患 ， 因此 准 确 预 测 该 矿 井顶 板 涌 水 量 对其 制定 防治 水 措 施 、 保 证 矿 井 安 全 生产 具 有 重要 意义 。 矿井 涌水 量预 测 的准确 性不 仅取 决 于对矿 井 充 水 条件 的正确 分析 和 计 算 参 数 的 合 理选 取 ， 也 与 预 测方 法 的科 学 性密 切相 关[ 。 】 。 目前常用 的矿井 涌 水 量 预测方 法 可大致 归 为确定 性 方法 和非 确定性 方 法 两 大类 ， 其 中确定 性 方 法 包 括解 析 法 、 水 均衡 法 、 数 值法 、 物理 模 拟法 等 ， 非 确定 性方 法包 括水 文地 质 比 拟法 、 相 关 分 析 法 、 B P 神 经 网 络 、 灰 色 系 统 理 论 等 l 2 j 。本 文采用 B P神 经 网络 和大 井 法分 别 计 算 了 陕西 某煤 矿 二 、 三 采 区的 5个工 作 面涌水 量 ， 并 对 预 测结 果进 行 了 对 比分 析 ， 最 终 选 用 B P神 经 网 络 的 预测 结果 作 为制定 该 矿井疏 水 降压 方案 的依 据 。 1矿 井水 文地质 概况 该 煤矿 位 于 陕 西黄 土 高 原北 端 、 毛 乌素 沙 漠 东 南缘 。矿 区以风 沙地 貌 为 主 ， 所 处 水 文地 质 单 元 为 收稿 日期 2 O 1 6 0 1 - 2 2 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 5 2 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 防灾减灾青 年科技 基金项 目 2 0 1 2 0 1 ； 河北省教育厅高等学校科学研究计划项 目 Z 2 0 1 3 0 2 7 。 作者简介 张耀文 1 9 8 6 ， 女， 内蒙古乌拉特前旗人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要从事水文地质方面的教学丁作 ， E ma i l z h a n g y a 0 we n 9 9 9 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 6年 第 7期 张耀 文等 陕西 某煤矿 涌水 量预 测 6 7 秃 尾河 流域 ， 水 资源 极为 丰 富 。矿 区构 造 简单 ， 地层 平坦， 总体趋势为一个 缓缓 向北 、 西倾斜 的单斜构 造 。该 区地 表绝 大 部 分 被 第 四系 沉 积物 覆 盖 ， 地层 由老至 新依 次 为 三 叠 系上 统 永 坪 组 T。 ， 侏 罗 系 中统延 安 组 J 、 直 罗 组 J ， 第 三 系上 新 统 保 德 组 N。 ， 第 四系 中更新 统 离石 组 Q 。 ， 上更 新 统 萨 拉 乌苏 组 Q。 、 全 新 统 风 积 沙 Q 及 冲 积 层 Q 。区内含 煤地 层 为 延 安组 ， 现 主采 煤 层 为 3 1 煤 层 ， 平均厚 度 约 3 ． 2 m， 全 区可采 。 矿 区内主要 含 水层 组 自上 而下 为松 散层 孔 隙 潜 水含 水 层和 直罗 组孔 隙裂 隙 承压含 水层 。松 散 层 孔 隙潜 水 含水 层 的岩性 以细 砂 、 粉砂 为 主 ， 局部 含 粗 砂 及砂 砾 石 ； 含 水 层 厚 度 为 0 ～6 4 ． 1 0 I I 1 ， 单 位 涌 水 量 为 0 ． 0 6 ～0 ． 3 9 L ／ SiT I ， 渗 透 系 数 为 0 ． 8 1 3 ～ 4 ． 7 6 0 m／ d ， 富 水 性 为 弱一 中等 。直 罗 组 孔 隙 裂 隙 承压含 水 层 的岩性 以 中粗 粒 砂 岩 为 主 ， 局 部 夹 粉 细 砂 岩 ； 该含 水层 厚 度 为 0 ～8 3 ． 7 5 n l ， 由于 受 风 化 作 用 影 响 ， 岩 层 裂隙 发 育 ， 渗 透 性 及 储 水 条 件较 好 ， 单 位 涌水 量 为 0 ． 0 4 0 2 ～ 0 ． 6 6 6 L ／ Sm ， 渗 透 系 数 为 0 ． 1 4 2 ～0 ． 8 8 2 m／ d ， 富水 性 为 中等 。 2矿 井涌 水 量 的主 要影 响因 素分 析 1 充水 含 水层 。 目前该 矿井 主采 3 1煤层 的 充水 水源 主要 为地 下 水 ， 其 直接 充 水 水 源 为 直 罗 组 孔 隙裂 隙承压 水 ， 间接 充水 水 源为松 散 层孔 隙潜 水 ， 故直 罗组 孔 隙裂 隙承 压含水 层 的 富水性 强弱 将直 接 影 响涌水 量 的大小 。一般 而言 ， 充水 含 水层 的厚 度 、 渗透 系数 、 单 位 涌水 量 越 大 ， 含 水 层 的 富水 性 越 强 。 此外 ， 含水 层 的岩 性脆 塑性 比 岩性 脆性 岩 与塑性 岩 厚度 比 越大 或岩 芯采 取率 越 低 ， 说 明含 水层 的岩 石 裂 隙发育 程 度越 高 ， 渗透性 越 强 ， 含 水层 富水 性也 越 强l 3。因此 ， 根 据该 矿 井资料 ， 矿井 5个 工作 面充 水 含水 层 的渗 透系 数 、 含 水 层 厚 度 、 单 位 涌 水 量 、 岩 性 脆 塑性 比、 岩芯采 取 率 等 指 标 可 以 综 合 表征 直 罗 组 孔 隙裂 隙 承 压 含 水 层 的 富 水 性 强 弱 ， 并 直 接 影 响 5个工 作 面顶板 涌 水量 的 大小 。 2 采 动 裂 隙 。煤 层 开 采 以 后 ， 煤 层 顶 板 发 育 的 导水 裂 隙带 为矿井 充水 的人 为 通道 。当导水 裂 隙 带 发育 高度 达 到煤 层 顶 板 充水 含 水 岩 层 底 界 时 ， 导 水 裂 隙带将 沟通 上 覆 充 水 含水 层 ， 不 仅会 增 大其 分 布 范 围内 的充水 含 水 层 静储 量 ， 而 且 会增 加 充 水 含 水层 动储 量 ， 最 终 使 得 矿 井 涌水 量 显 著 增 加 。一 旦 导 水裂 隙带 发育 高 度 到 达 充水 含 水 层 底 界 ， 发 生 矿 井 突水 的可 能 性 非 常 大[ 。因此 ， 导水 裂 隙带 发 育 高度 到充 水含 水层 底界 的距 离这 项指 标很 大程 度上 影 响着矿 井 涌水量 的 大小 。二采 区 2个工 作 面的导 水 裂隙带 发 育 高 度 到 充 水 含 水 层 底 界 的 距 离 均 为 0 ， 即导水 裂 隙 带 已 导 通 直 罗 组 孔 隙 裂 隙 承 压 含 水 层 ， 很有 可 能增大 矿 井 涌 水 量 ， 造 成 矿 井 突水 ， 应提 前 做好相 应 的 防治水措 施 。三采 区 3个工 作 面的 导 水 裂隙带 发 育高度 到充 水含 水层 底界 的距 离均 大 于 4 m， 导水 裂 隙 带应 不会 成 为 充水 通 道 ， 基本 不 影 响 矿 井涌水 量 。 3 构 造 断 裂 。该 矿 区 内未 发 现 褶 皱 ， 目前 仅 发 现小 型宽 缓 的波 状 起 伏 和 3条 高 角 度 正 断层 ， 断 层 破碎 带宽 度为 几米 至十几 米 ， 断层 裂 隙较发 育 ， 可 沟 通上 覆充 水含 水层 ， 为 本 矿井 局 部 地 段 重 要 的 充 水 通道 。但 上述 导水 断层 并 未 影 响 到 二 、 三 采 区 的 充水含水层 ， 故本文计算二 、 三采区的工作面涌水量 时 暂不 考虑 该 因素 。 3矿 井涌 水量预 测 3 ． 1 BP神 经 网 络 模 型 预 测 方 法 3 ． 1 ． 1 B P神经 网络 原理 B P神 经 网络 是一 种 多层前 向型的神 经 网络 ， 能 够学习大量 的映射关系 ， 而不需要其他数学知识来 描述 ] 。对 于用 B P神经网络预测 涌水量而言 ， 只 要 存在 一定 数量 可 供 学 习 的 涌水 样 本 ， 网络 便 可 通 过 训 练建立 起矿 井涌 水量 与各 种影 响 因素之 间 的映 射 关 系 ， 通 过多 次 训 练 ， B P神 经 网 络模 型就 具 备 了 记 忆 功能 ， 可 以应 用 于 实 际矿 井 涌 水 量 的预 测 。通 过 分 析本矿 井 涌水 量 的 影 响 因 素 ， 将本 矿 井 涌 水 量 与其各 项影 响指标 的 映射关 系概 括为 。 Q 一 厂 M ， K， q， N， R， D 1 式 中 Q为矿 井 涌水量 ； M 为含 水 层 厚 度 ； K 为渗 透 系数 ； q为单 位 涌 水 量 ； N 为 岩 性脆 塑性 比 ； R 为 岩 芯采 取率 ； D 为导 水裂 隙带 高 度 到 充 水含 水 层 底 界 的距 离 。 3 ． 1 ． 2 B P神 经 网络 模 型 B P神 经 网络采 用 3层 结 构 ， 分 别 为 输 入 层 、 隐 含层 和输 出层 ， 其 中输入 层神 经元 包括 含水 层厚 度 、 渗透 系数 、 单 位涌 水 量 、 岩 性 脆 塑性 比 、 岩 芯采 取 率 及导 水裂 隙带 发育 高度 到充 水含 水层 底界 的距 离等 6个 矿 井 涌水 量 影 响 指 标 ， 输 出层 神 经元 为矿 井 涌 水量 。根据 Ko l mo g o r v o定理 ， 隐含层神 经元个数 取 1 0 。由此 ， 得到了网络结构 为 6 1 0 1的 B P神 经 网络模 型 图 1 。隐含 层 的传 递 函数 为 l o g s i g ， 输 出层 的传 递 函数为 p u r e l i n 。经过 反 复 试算 ， 发现 训 2 0 1 6年 第 7期 张耀 文等 陕 西某煤 矿 涌水 量预 测 6 9 将 各参 数代 人式 2 即可 得 到 预 测 工 作 面 的 涌 水 量 ， 具体 参数 值及 涌水 量计 算结 果见 表 2 。 表 2大井法涌水量预测结果 工 作 面 名 称 含 水 层 厚 度 ／ m 渗透 系数／ m d 1 疏 干水位 降深／ m 洲 m 涌水 量 ／ m3d 3 l 2 0 1 3 l 2 O 6 3 1 3 O 8 3 1 3 1 O 3 1 3 l 2 3 ． 3 矿 井涌 水量预 测 结果 分析 以上 2种方 法对 5个工 作 面涌水 量 的预 测结 果 对 比见 表 3 ， 三 采 区 的 3 1 3 0 8 、 3 1 3 1 0和 3 1 3 1 2工 作 面 涌 水 量 的 预 测 值 较 为 相 似 ， 但 对 于 二 采 区 的 3 1 2 0 1 和 3 1 2 0 6工 作 面 涌 水 量 的预 测 值 ， 这 两 种 方 法 计算 结果 有 一定误 差 。这 主 要 由于这 2个 采 区 的 煤层 顶 板导 水 裂隙 带 发 育 情 况 不 同 ， 根 据 矿 井 涌 水 量 影响 因素 分 析可 知 ， 三采 区 的导 水 裂 隙带 基 本 不 会 影 响矿井 涌水 量 的变 化 ， 而二 采 区 的导 水 裂 隙 带 已沟通 上覆 直 接充 水 含 水 层 直 罗组 孔 隙裂 隙承 压 含 水层 ， 考 虑 间接充 水 水源 松 散层 孔 隙潜水 很 有 可 能成 为增 加 的补 给 来 源 ， 导致 其 工 作 面涌 水 量 明 显增大 ， 故 B P神经 网络模型 的计算值更 符合实际 情况。同时， 根据正在开采的 3 1 2 0 1工作面实际涌 水量为 3 7 1 4 9 m。 ／ a ， 也可以证实 B P神经 网络模型 的计算 结果 更 为准 确 。 表 3矿 井 涌 水 量 预 测 结 果 对 比 B P神 经 网络模 型 建 立在 实 测 矿 井 涌 水 量 与 其 影 响指 标 之 问的 映射 关 系之 上 ， 综 合 考 虑 了含 水 层 厚度 、 渗透系数 、 单位涌水量 、 岩性脆塑性 比、 岩芯采 取率及导水裂隙带发育高度到充水含水层底界的距 离 6 个 影 响指 标 。而 大井法 则 对实 际水 文地 质条 件 做 了一 定 简化 ， 假 定实 际含 水层 全 为均质 各 向 同性 ， 而 本矿 井二 采 区 的导 水 裂 隙带 已导 通 充 水 含水 层 ， 即实 际含 水层 局部 存 在 人 为 充 水 通 道 ， 计 算 时 将 其 概 化 为均 质含 水 层 ， 导 致 预 测 结 果 有 一 定偏 差 。因 此 ， 对 于本 矿 井 而 言 ， 尤 其 是 二 采 区 ， 采 用 B P神 经 网络模 型 预测 矿井 涌水 量更 准确 。 4 结语 分析 了矿 井 涌 水 量 的主 要 影 响 因 素 ， 采 用 B P 神经 网络模 型 和 大井 法 分 别 计 算 了 陕西 某 煤 矿 二 、 三采 区 的 5 个 工作 面涌 水量 。分 析结 果表 明 ， B P神 经 网络模 型 比大井法 计算 结果 更 为可靠 、 准 确 ， 因此 推荐 采用 B P神经 网络 模型 计 算结 果 作 为 该矿 井 制 定疏 水 降压方 案 的 依 据 。经 计算 可知 ， 本矿 井 二 采 区 3 1 2 0 1 ， 3 1 2 0 6工 作 面 涌 水 量 为 4 3 7 9 5 ． 4 8～ 4 6 7 8 3 ． 5 7 m。 ／ a ， 三 采 区 3 1 3 0 8 ， 3 1 3 1 0 ， 3 1 3 1 2工 作 面涌 水量 为 8 6 9 5 ． 2 5 ～ 2 5 0 0 7 ． 2 1 m。 ／ a 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王生全 ， 牛建立 ， 刘洋 ， 等． 锦界煤矿水 文地质 特征 与矿 井充水危险性预测[ J ] ． 煤 田地质 与勘探 ， 2 O 1 4 ， 4 2 6 55 - 5 8． [ 2 ] 虎维岳． 矿山水害 防治理 论与 方法 [ M] ． 北 京 煤 炭工 业 出版 社 ， 2 0 0 5 1 6 1 7 ． [ 3 ] 武强 ， 樊振 丽 ， 刘守强 ， 等． 基于 GI S的信息融合型含水 层富水性评 价方法 富水性 指数法 [ J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 7 1 1 2 4 1 1 2 8 ． [ 4 ]武强 ， 黄 晓玲 ， 董东林 ， 等． 评价煤层顶板涌 突 水条件 的“ 三 图 一双 预 测 法”[ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 5 1 6 0 65 ． [ 5 ] 王小川 ， 史 峰 ， 郁磊 ， 等． MAT L AB 4 3个神经 网络案例 分析 [ M] ． 北 京 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ， 2 0 1 3 l1 15 ． [ 6 ] 凌成鹏 ， 孙 亚军 ， 杨兰 和 ， 等． 基 于 B P神经 网络 的孑 L 隙 充水矿井 涌水 量 预测 [ J ] ． 水 文地 质 工程 地 质 ， 2 0 0 7 ， 3 4 5 5 5 - 5 8． [ 7 ] 郭纯清 ， 田西昭． 岩溶隧道涌水量综合 预测 以朱家 岩岩溶隧道为例[ J ] ． 水文地 质工程地 质 ， 2 0 1 l ， 3 8 3 l 一 8． E 8 ]刘小满 ， 邢学 玲 ， 王心 义． 跃进矿 充水 因素分 析及 矿井 涌水量计算[ J ] ． 煤矿安全 ， 2 o 1 1 ， 4 2 1 o 1 2 1 - 1 2 4 ．