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2009 年 3 月第 29 卷第 1 期 地质学报 Vol.29 No.1 Mar.,2009 70 矿井涌水量预测方法综述矿井涌水量预测方法综述∗ 杜敏铭，邓英尔，许模 （成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059） 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; 确定性分析; 不确定性分析 中图分类号P641.47 文献标识码A 文章编号1006-0995（2009）01-0070-04 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，更是煤矿生产设计部 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，正确预计矿井涌水量是矿井水文地质工作的重要任务。目前矿井涌水量预测方法多种多样，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 测模型进行分类（图1） 。 1 常用预测方法 1 常用预测方法 目前矿井涌水量预测大体上可以分为确定性分 析方法和不确定性（随机）分析方法两类 [2]。确定性 分析包括解析法、模拟法、数值法、水均衡法；非 确定性分析法包括水文地质比拟、相关分析、模糊 数学模型、 灰色系统、 BP 神经网络和时间序列分析等。 1. 1 确定性分析方法 1. 1. 1 解析法 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。具有对井巷类型适应能力强、快速、简便、经 济等优点，是最常用的基本方法。又分稳定井流解析 法（应用于矿坑疏干流场处于相对稳定状态的流量预 测）和非稳定解析法。前者包括①在已知某开采水平最大水位降条件下的矿坑总涌水量；②在给定某 开采水平疏干排水能力的前提下，计算地下水位降深（或压力疏降）值。后者用于矿床疏干过程中地下 水位不断下降，疏干漏斗持续不断扩展，非稳定状态下的涌水量预测。 1. 1. 2 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 [3]。 1. 1. 3 数值模拟法 采用偏微分方程表示实际水流系统的数学模型，一般无精确解，只能求得近似解，简称数值解。在 电子计算机上用数值方法求数学模型的解，模拟实际系统的状态。由于数值法能使考虑的数学模型更接 收稿日期收稿日期2008-07-08 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目40202036，40572163 作者简介作者简介杜敏铭（1984） ，女，四川南充人，硕士研究生，从事环境地质研究 图1 矿井涌水量预测模型类型划分 涌水量预测模 确定性预测方法非确定性预测方法 解析法 稳定井流公式 非稳定井流公式 物理模拟法 数值模拟法 水均衡法 有限元法 有限差分法 水文地质比拟 回归 （相关） 分析 模糊数学模型 灰色系统理论 BP人工神经网络 时间序列分析 频域分析 时域分析 单位涌水量 法 富水系数法 Q-S曲线法 矿井涌水量预测方法综述 71 近于实际的水文地质条件，所以其价值不低于作了许多概化的精确解。因此，自数值解问世以来， 已经解决了许多解析解难以解决的复杂问题 [1]。数值法按基于有限元或有限差分的思想，分为有限元法和 有限差分法，分别通过 Visual Modflow [4]、Feflow[5]两地下水数值模拟软件实现。 1. 1. 4 水均衡法 是应用水均衡原理来预测矿井涌水量的一种方法。它是通过对地下水动态规律的研究，建立矿区在 某一期间（均衡期）地下水各收支部分间的变化关系，以建立均衡方程来预测开采地段的涌水量。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。因此，查明矿区范围内地下水补给、排泄条件， 研究矿区在疏干过程中将要产生的变化，合理确定均衡项目和取得各项目数据，方能进行水的均衡计算。 董兴文运用此法实现了对红岩煤矿南茅口坑道 1968 年 7 月最大涌水量预测 [6]，相对误差最大为 9。 1. 2 非确定性分析方法 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模糊性、信息的不完全 性和未确定性。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。矿井涌水量代表 着地下水系统的输出特征，其动态过程是含水层的水文地质结构、补给来源、联系通道和人工扰动程度 等因素的综合反映。所以，确定性分析方法不能满足要求时，用矿井涌水量序列进行不确定性分析来预 测未来涌水量是可行的。 1. 2. 1 水文地质比拟法 又叫经验方程（或类比法） ，是利用地质和水文地质条件相似、开采方法基本相同生产矿井的排水资 料，来预测新建矿井的涌水量。该方法的前提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，以保证涌水量与各影响因素间数学表达式的可靠性。完整的比拟公式建立过程一般包括 下列步骤①根据涌水量与各临空面因素的对比分析选入基本相关因素；②建立涌水量与相关因素的数 学关系式雏形；③用最小二乘法、分组平均法等拟合有关参数；④公式的实际验证与评价。水文地质比 拟法包括单位涌水量法、富水系数法、涌水量-降深曲线法（Q-S 曲线法） 。 1. 2. 2 回归（相关）分析 是一种数理统计方法，它通过矿坑涌水量与主要影响因素间的统计建立回归方程，进行矿坑涌水量 预测。相关分析时需注意以下两点①要有足够的数据和较长的数据系列，若数据少，或者数据系列短， 则可能计算不准确；②以定性机理分析为基础，正确选择相关因子。统计方法所建立的方程必须正确地 反映充水条件，忽视条件分析，单凭数学上的推导和检验，有时会得出完全错误的结论。 1. 2. 3 模糊数学模型 模糊数学被广泛用于社会科学与自然科学各领域。 影响矿井涌水量的因素很多, 采用模糊综合评判法 预测涌水量时, 首先要建立起各影响因素对矿井水涌出的隶属函数, 并确定各影响因素对水涌出的影响 权值, 然后建立数学模型进行综合评判, 再根据最大隶属度原则, 判断涌水量的等级, 确定其危害程度, 给出防治措施。模糊综合评判过程用框图表示如图2 。 2001年张文泉等以南屯矿为对象， 运用模糊数学理论对矿 井顶板水作了等级预测 [7]，输出等级为三级，与实际情况 一致。 1. 2. 4 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。 用灰色系统理论来研究和预测涌水量非常广泛。1989 年杨 永国对四川南桐一井 1982～1987 年最大涌水量建立了 GM （1，1）模型，对未来 5 年的矿井最大涌水量作出了预测，最大预测相对误差是 6.19 [8]。1999 年李长青 等应用灰色系统理论对韩王矿 1986～1996 年的矿井最大涌水量资料建立 GM （1， 1） 模型， 对 1997～2001 该矿的最大涌水量进行了预测。1999 年邢爱国等对韩城矿区桑树坪煤矿 1990～1997 年的矿井涌水量，建 立了经过二阶残差校正的 GM（1，1）模型，最后对该矿 1998～2001 年的矿井涌水量进行了预测。结果 表明，该模型的精度高。2004 年肖有才等以平八矿为例，研究了灰色理论在预测深埋型矿井涌水量中的 应用。2007 年李树文等研究了描述矿井涌水系统的灰色数值模型，提出了求解这类模型的一整套灰色数 图2 模糊综合评判过程框图 因素 1 因素 2 权值 1 权值 2 综 合 评 判 预 测 结 果 防 治 对 策 因素 n 权值 n 2009 年 3 月第 29 卷第 1 期 地质学报 Vol.29 No.1 Mar.,2009 72 值算法，论证了灰色数值算法对灰色信息传递的正确性和模拟结果的合理性。在理论分析的基础上，用 实例分析研究得出运用灰色数值模型预测矿井涌水量时，只有使疏降水位“灰带”上界低于矿井生产的 设计安全水位，才能保证矿井生产的安全的结论。灰色模型的最大缺点是对波动强烈数据模拟效果不理 想，通常通过多模型组合（如灰色--周期外延组合预测模型等）来克服。 1. 2. 5 BP 人工神经网络 人工神经网络ANN是指用大量的神经元构成的非线性系统，在一定程度和层次上模仿人脑神经系统 的信息处理、存储及检索功能，具有学习、记忆和计算等智能处理功能。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，而比较可行的方法就是建立一个矿井充水因素与涌 水量的映射关系，BP 网络恰好体现了这方面的优点，不需要建立精确的数学模型，就能实现从输入空间 到输出空间的非线性映射，因此 BP 网络适用于矿井涌水量预测。1998 年赵向军等以南桐煤矿为例，应 用人工神经网络理论，提出了矿井涌水量预测的新方法。结果表明，该方法进行矿井涌水量预测，精度 高、自适应强；在数据不十分充足的情况下，效果尤其好于常用的自回归模型 [9]。2004 年王金国运用 MATLAB 神经网络工具箱，对涌水量预测实现了基于时序的神经网络动态预测方法。通过采用快速的 L M 算法, 提高神经网络训练的速度与精度， 实现煤矿安全监测数据的连续预测与提前预警， 以相对简单 的途径实现了神经网络这种复杂而有效的非线性预测方法。2007 年凌成鹏用非线形的 BP 神经网络建立 了徐州韩桥煤矿涌水量短期预测模型, 涌水量预测值与实测值吻合得较好。 1. 2. 6 时间序列分析 “时间序列分析”分为“时域分析”和“频域分析”两大部分，它提供了一系列具有科学理论根据 的动态数据处理方法，帮助人们科学地研究分析所获得的动态数据，从而由表及里地掌握客观现象的本 质和内在规律，达到进一步认识事物, 预测未来或自动控制的目的。“时域分析”方法主要是通过对数据 序列进行预处理后建立 ARMA 或其衍生模型，根据最小信息量 AIC 法确定模型阶数，再运用平稳线性最 小方差预报等方法对未来作出预报 [10]。1991 年毛善君等运用“时域分析”方法对大同矿务局某矿的月平 均日涌水量数据建立了疏系数自回归模型（季节性乘积模型），在涌水量最大的 7 月预测相对误差最大 （13.65），其余的预测结果相对误差都小于 10，精度满足生产矿井的实际需求。“频域分析”方法 可用来研究涌水量时间序列的周期性，从而判断其影响因素，还可用来研究序列对其影响因素的置后性， 如涌水量对降雨量的置后时间等。1995 年杨永国等对四川南桐矿区降雨量与矿井涌水量序列进行了频谱 分析，揭示了各序列的周期特征和两序列之间的补给关系。 2 常用预测方法存在的问题与预测方法的最新进展 2 常用预测方法存在的问题与预测方法的最新进展 2.1 常用预测方法存在的问题 不同方法各有其优缺点和最佳应用环境，简要概括如表 1。 矿井涌水量预报内容包括涌水量的预测（量）、突水时间的预测（时间）与突水地点的预测（地 点）。其中量的预测包括正常涌水量和灾害涌水量，可用量化的形式与等级形式实现。 2.2 预测方法的最新研究进展 很多实例子已经证明矿井涌水量时间序列具有多重分形特征、非线形特征、混沌特征。由此，可以 通过计算序列的这一系列特征指数（Hurst 指数、Lyapunov 指数等）来判断序列隐含的特征、特性，对矿 井涌水量序列进行深入的分析。如对矿井涌水量的增量趋势作分形预测，根据 Hurst 指数对矿井涌水量的 增量趋势做出预测，利用混沌时间序列的全域预测法对历年涌水量建模分析预测等。 3 结 论 3 结 论 目前矿井涌水量预测方法多种多样，大体上可以将它们分为确定性分析方法和不确定性（随机）分 析方法两类。以上介绍的各种方法原理不同，结果表示方式不一，各有其优缺点和最佳应用环境。因而， 实际工程中，应根据矿井的具体特点，最好能同时应用多种方法进行综合分析、验证，力求得出一个更 加客观、可靠、合理的评价结果。 对涌水量预测的几点展望 矿井涌水量预测方法综述 73 1）建立组合模型，扩大单一模型的适用范围，提高模型的预测精度。最常见的组合模型是灰色模型 与其他多种模型的组合，如灰色周期外延组合预测模型、灰色马尔柯夫预测、灰色综合比拟法、灰 色时序组合模型、灰色与周期残差叠加模型等。 2）运用系统理论分析研究矿井涌水量。视整个矿区为一个系统，探讨从矿井涌水量时间序列中提取 反映矿区地下水系统特征的参数，以便为矿区地下水系统的管理和调控奠定基础。 参考文献 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〕杨永国, 韩宝平, 谢克俊, 等. 用多变量时间序列相关模型预测矿井涌水量[J]. 煤田地质与勘探. 1995, 236 38～42. 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The prospects of the s are put forward based on analysis of existing problems of the common s and advances in the s. Key wordsKey words prediction of water yield of mine; certainty analysis; uncertainty analysis 表 1 常用预测方法存在的问题表 方法 特点 优点 缺点存在问题 预测内容 解析法 合理概化再构造理想的解析公式 适应能力强、快速、简便、经济 边界的简化和计算参数的难选择 影响预测精度 量 模拟法 常用于水文地质条件复杂的矿井 运用近似分割原理，使其更接近 实际 缺少通用性 量 地点 数值法 必须借助电子计算机来进行 解决复杂问题,速度快 近似解， 用于工程控制程度较高的 复杂大水矿床 量 水均衡法 确定矿床充水的极限涌水量值 简单 均衡要素的测定困难 量 水文地质比拟法 有基本条件相似有长期的水量观 测资料的老矿井 其计算方法简单，经济实用 计算粗糙，是一种近似估计方法 时间 地点 量 回归/相关分析 一种数理统计方法 避开了难以确定的水文地质参 数与机理问题 要有足够的数据和较长的数据系 列；选择相关因子难度大 量 模糊数学模型 考虑多种因素的影响 综合性强 难以确定趋势性 量（等级） 地点 灰色系统理论 对系统的输出序列进行研究 对原始数据长度要求不高、概括 性强、简单、预测精度高 波动强烈的数据模拟效果不理想 量 BP 网络 非线性方法 持久性 适时预报性 必须针对具体类型的矿井进行分 析 量 时间序列分析 对系统的输出序列进行研究 适时预报性 简单 对原始数据列长度的要求高 量 时间