本文是一篇工程硕士论文，论文收集了研究区的工程地质概况，分析了矿区水文地质条件与充水因素，构建出露天矿外围抽水条件下采场水位预测模型，并在计算了矿区含水层涌水量的基础上，提出了底板含水层防治水优化方案。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
中国自古以来就是一个煤炭资源极为丰富的大国，自新中国成立以来，煤炭资源一直是我国的主要供能能源，是维持国民经济平稳运行的重要基础。2015年国务院发布的《能源发展战略行动计划》[1]中已指出，到2020年，一次能源消费总量控制在48亿吨标准煤左右，煤炭消费总量控制在30亿吨左右。国家统计局2019年发布的煤炭与能源消费总量可知，煤炭消费总量已达28.01亿吨，占能源消费总量的60%以上，如图1所示。随着国内经济产业政策的改变和国家“一带一路”战略的实施，煤炭消费总量每年仍有小幅提升，表明煤炭作为我国主题能源的地位短时间内不会改变，煤炭资源安全、经济与高效的开采仍然是我国能源供应的重要保障。
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煤矿开采的方式一般分为井工开采与露天开采。随着我国煤矿开采深度的不断增加与煤矿安全事故的频发发生，同时由于露天煤矿开采具有生产成本低、生产能力强、资源的回采率高及安全程度高等优点，在多重因素的作用下，露天开采的煤炭总量占总出煤量的比例开始不断的提升，并受到煤炭企业关注和重视。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 地下水位动态预测研究现状
地下水含水层中地下水的变化具有强烈的非线性和波动性，其水位的动态预测是十分复杂的动力学问题，对地下水位的预测精度提出了很大的挑战。在过去的许多年中，学者对煤矿开采时的矿区地下水位预测进行了大量的研究，总体来说，地下水位的预测方法可以分为两大类：确定性模型预测方法和非确定性（随机性）模型预测方法。
1.2.1.1 基于确定性模型的预测方法
确定性模型预测方法主要包括解析法、数值模拟法、水均衡法以及水文地质比拟法等。解析法利用了地下水运动方程来求解地下水问题，只适用于简单的地下水位预报。
法国工程师 Darcy[3]于1856年提出了达西定律，成为了渗流分析中最基本的定律，为地下水的定量计算提供了理论基础；C.V.Theis[4]在数学家的帮助下于1935年提出Theis公式，之后出现了很多地下水非稳定流的公式，其中又以泰斯公式的应用最为广泛，许多依据复杂的数值模型求解的结果，往往与泰斯公式所得的结果相接近，但是学界对于Theis公式的求参问题一直没有统一而精确的求解方法。张桂芳[5]等以五沟矿含水层单孔抽水恢复曲线为例，运用AquiferTest软件，依据Theis水位恢复法计算含水层的渗透系数K和贮水系数S。赵丹阳[6]等利用Hantush-Jacob直线图解法、Theis配线法、Dupuit单孔及多孔求参法，计算了含水层的渗透系数和给水度，得出了Hantush-Jacob直线图解法最优的结论；邱淑纬[7]人以Theis公式和叠加原理为理论基础，再利用遍历搜索算法对水文参数进行求取局部最优解，精度更高，但对函数中初始抽水试验数据的依赖性较高；王文川[8]等引入饥饿搜索（HGS）算法，采用实测降深与模拟降深的离差平方和均值达到最小为目标函数，有效地提高水文地质参数求解精度；刘国东[9]等利用人工神经网络求解水文地质参数，通过对网络的充分训练得到了降深序列与水文参数的对应关系，建立了非稳定流抽水试验的求参网络模型，但同样需要抽水试验进行反解。本文拟基于Theis公式及叠加原理，求解水文地质参数，再利用微粒群算法，结合Matlab编程对参数进行优化，构建目标优化模型，以提高参数的求解精度。
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2 研究区工程概况及地质条件
2.1 研究区区位及开采现状
2.1.1 交通位置
塔尔煤田II区块位于巴基斯坦境内塔尔沙漠西南部，所在行政区划为巴基斯坦信德省塔尔帕克县ISLAMKOT镇所属，西距ISLAMKOT（伊斯兰姆考特）30km，塔尔帕克县县城mithi(米提)75km，距信德省省会卡拉奇410km。图2-1为场地交通位置图。对于II区块，南与煤田I区块相接，西为煤田IV区块，东与煤田Ⅷ区块毗邻，南部距卡其沼泽（Rann of Kutch）25km。
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2.1.2 地形地貌
塔尔煤田属干旱、半干旱的沙漠地貌。南部、西部和北部地形复杂，多为起伏较大的风成沙丘，走向一般为近东西向，最大标高为140m；中部和东部为较平坦沙漠区，最低标高为66.30m，一般标高为70-80m之间。露天矿首采区位于东南部平坦沙漠区，区内地表有少量树木和灌木类植物覆盖。
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2.2 研究区地质构造及工程地质条件
2.2.1 钻孔布置情况
首采区地表境界范围内布置了87个钻孔，钻孔主要集中在首采区东侧，钻孔分布区内含有六条水文勘探线，南北、东西向各三条。
2.2.2 地层
露天矿区主要地层为大面积的第四系沙丘、第三系上新统河湖相冲积物、第三系古新统Bara地层和先寒武系基底杂岩。
地层由老至新描述如下：
（1）基底杂岩
基底杂岩位于先寒武系煤系地层的底部，岩石类型为花岗岩，并含有少量的流纹岩和闪长岩等侵入岩和粒变岩。
花岗岩顶部岩石由于强烈的风化作用变成了高岭土，形成似层状的、厚度为0-13.50m的高岭土层，高岭土层是区分上覆煤系地层和花岗岩层的标志层。
（2）Bara层
该地层为本矿的含煤地层，全区分布，根据其含煤性划分为三段：
下段：以灰、灰白色中、粗砂岩为主，顶部为不稳定的薄层泥岩，为煤层的直接底板。砂岩成分主要是石英和少量的铁镁矿物质，分选较差，棱状-半圆形，含有结构松散的粘土矿物，局部也为煤层的直接底板。3-1、3-2、和3-3煤为砂岩中夹杂的薄煤层，煤岩含有少量的腐殖质和木质组织。该段地层厚度为13.60-56.90m，平均厚度为38m。
中段：为主要含煤段，以煤层、泥岩、炭质泥岩为主。含煤6层，分别为2-1、2-2、2-3、2-4、2-7、2-8煤层，其中2-1、2-2为零星可采薄煤层，物性特征明显，形成与上段明显的对比界限，2-3、2-4、2-7和2-8为本区主要可采煤层，煤层为褐黑色或灰黑色，块状、质轻，有时见木质结构，常见大量的黄褐色松香颗粒和团块，含少量黄铁矿和菱铁矿结核，煤层中偶夹泥岩和炭质泥岩薄层。各煤层间由泥岩充填。本段地层厚度为25.10-51.70m，平均为厚度35m。
上段：该段主要为灰褐色、灰黑色泥岩夹薄煤层，少数是灰白色粉砂岩。泥岩体积大且质软，含少量碳化植物化石、腐殖质。含夹层的薄煤层为1-1和1-2煤层，煤块大且光泽暗淡，含腐殖质、黄铁矿和菱铁矿结核。该段厚度为7.40-17.60m，平均厚度为12.00m。
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3 基于外围开口型群井抽水的开采区水位动态预测方法 .................. 22
3.1 井群抽水作用下含水层降水机理................................... 22
3.2 粒子群算法概述................................................. 24
4 基于开口型群井抽水的开采区涌水量预测 ........................... 45
4.1 采区涌水量的计算............................................... 45
4.2 大气降水径流量的计算........................................... 45
5 露天矿开采底板防治水方案的优化研究 ............................. 67
5.1 地下水疏干措施的优化研究....................................... 67
5.2 降水井区间布置方案的优化....................................... 73
5 露天矿开采底板防治水方案的优化研究
5.1 地下水疏干措施的优化研究
由于露天矿煤层底部含水层为矿区主要疏干含水层，含水量大且水压较高，地下水在高水压作用下容易从坑底涌入采掘场，因此通过对含水层水文参数与补给条件进行分析，确定地下水控制方式采用降水井预先疏干和管沟平行疏干两种疏干方式。
5.1.1 现行疏干设施的布置
根据矿区地下水流向和采场地下水降深要求，已在采场北帮、东帮（非工作帮）、南帮外侧共布置了26个降水孔。露天矿剥离工作开始后6个月左右降水孔开始工作。结合采场边坡的岩性及稳定性，为达到最佳疏干效果，确定北帮、东帮和南帮永久降水孔排距离采掘场地表境界150m左右，降水孔孔间距200m。随着的露天矿的进一步开采，在剥离工作开始后1.5年左右在采掘场内部平盘上布设了I1-1～I1-33个降水孔，以有效降低采掘场内地下水位，开采3年后，分别又在采掘场东北侧平盘逐步布置I4排和I5排降水孔，以达到内排土场预期的水位降深。
虽然I1～I5排降水孔疏干系统有效降低的含水层的水位，但会影响露天矿采掘工作。为降低疏干井对采区工作的影响，当首采区已经完成开采工作，将启用内排土场并向西推进开采的时候，应该逐步停止I排井的降水工作，重新布设新的降水井，届时可以将原有孔的降水设备、材料用于新的疏干孔。
由第三章的采场水位分析及预测可知，结合观测井实际数据，首采区的西侧即II区域水位仍然较高，由第三章水位预测模型可知水位大致维持在-80--85m左右，严重影响了采场的向西推进过程的开采工作，因此在重新布设内排井的同时，同样需要将外围抽水井进行延长布设，以达到降低采场西侧水位的目的。
工程硕士论文参考
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6 结论与展望
6.1 结论
塔尔煤田II区块露天矿位于塔尔沙漠西南部的巴基斯坦境内。随着露天矿开采推进过程中第三含水层的涌水问题严重影响了矿区的开采安全和内排土场的回填工作。论文收集了研究区的工程地质概况，分析了矿区水文地质条件与充水因素，构建出露天矿外围抽水条件下采场水位预测模型，并在计算了矿区含水层涌水量的基础上，提出了底板含水层防治水优化方案。论文的主要结论如下：
（1）根据露天矿开口型疏干井的布置形式，运用粒子群算法对基于群井干扰情况下的Theis公式的水文地质参数进行了反演，通过反演后的Theis公式对水位进行了计算与预测。通过含水层预测水位与观测井的水位相对比，两者相关系数大于0.9，其预测精度较高。
（2）基于采区I排疏干井的启用和关闭时间，计算了不同时间段的采区水位情况，通过引入神经网络LSTM模型，结合抽水井的抽水量与水位、观测井水位及抽水时间四个因素，采用粒子群算法进行水文参数优化，构建了基于神经网络的底板含水层水位预测模型，其预测值与实测值的相关系数达到0.95以上。
（3）研究了塔尔露天矿深部开采范围内水文地质条件，采用“大井法”、时间序列分析法及数值模拟法，计算和预测了采场涌水量。通过对计算结果的综合比对，对大井法的计算结果进行了校准，构建了适用于本矿区的“大井法”修正系数，最终得到优化后的采区总涌水量为36079m3/d。
（4）通过对含水层的渗透性进行分析，确定了地下水控制方式采用降水井预先疏干和管沟平行疏干方式。针对第三含水层水压过大，严重威胁矿区进一步生产开采的情况，依据工程现场已有疏干降水设施与材料，设计了四种不同的降水优化方案。即，第一为采用降水井来降低采区水位，建立以总抽水量最小为目标函数的降水优化模型；第二为采用明沟与降水井协同降水的方式降低水位，在已有降水井材料的前提下，通过明沟叠加降水井形成降水曲线的方式，寻求最佳井间距与明沟开挖深度；第三为直接开挖明沟降低水位，通过控制明沟推进距离与开挖深度和渗流量之间关系，分成2种不同的明沟布置方案以降低到目标水位。通过引入TOPSIS评价方法，设计4种决策指标，对4种排水方案进行综合对比分析，得出明沟开挖深度为8.76m、控制推进距离为125m的最佳布设方案。
参考文献（略）