煤礦地下水庫安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用＊

曹志國 李全生 何瑞敏 王興鋒

（1.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司科技發(fā)展部，北京市東城區(qū)，100011；2.神東煤炭集團(tuán)煤炭技術(shù)研究院，陜西省榆林市，719315；3.神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西省榆林市，719315）

1 引言

煤炭是我國的主要能源，其生產(chǎn)量和消費(fèi)量占能源總量的2／3左右，在未來一段時(shí)期內(nèi)，煤炭主體能源的地位不會(huì)發(fā)生改變。目前，我國東部淺埋煤層已基本開采殆盡，煤炭開采已戰(zhàn)略西移，西部已成為煤炭主產(chǎn)區(qū)。2012 年，晉、陜、蒙、甘、寧這5個(gè)省 （區(qū)）煤炭產(chǎn)量占全國的71%，但其水資源僅占全國的3.9%，特別是能源 “金三角”地區(qū)，其煤炭產(chǎn)量占全國的27%，但水資源僅占0.37%，水資源短缺已成為西部地區(qū)煤炭開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展面臨的重大技術(shù)難題。

與此同時(shí)，西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，年蒸發(fā)量是降雨量的6倍左右，煤炭開采產(chǎn)生的大量礦井水一旦外排，將很快蒸發(fā)損失，傳統(tǒng)的礦井水外排地表方式造成了地下水資源的大量損失。為了保護(hù)有限的地下水資源，神華集團(tuán)經(jīng)多年技術(shù)探索，提出了煤炭開采地下水資源井下儲(chǔ)存利用技術(shù)，構(gòu)建了煤礦地下水庫的井下礦井水儲(chǔ)用技術(shù)體系，將過去的礦井水疏排轉(zhuǎn)變?yōu)榈V井水儲(chǔ)用，實(shí)現(xiàn)了礦井水資源的保護(hù)利用，但大量的礦井水儲(chǔ)存井下對(duì)井下人員和設(shè)備安全提出了挑戰(zhàn)。

地面水庫安全監(jiān)控技術(shù)完善，包括各種壩體監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，如大壩安全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)條件、混凝土壩和土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程等，此外水利部還制定了若干安全管理法規(guī)，有效地保障了地面水庫的運(yùn)行安全。同時(shí)，不同學(xué)者也對(duì)水庫應(yīng)急安全進(jìn)行了探討，如王冰和馮平等人提出了梯級(jí)水庫聯(lián)合防洪應(yīng)急調(diào)度模式，以崗南和黃壁莊梯級(jí)水庫為例，制定了水庫應(yīng)急調(diào)度規(guī)則和評(píng)估方法；張士辰和李雷等分析了水庫潰壩預(yù)見性含義，采用層次分析法制定了評(píng)價(jià)方法，對(duì)某水庫安全應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行了評(píng)價(jià)；王曉航、徐華和周克發(fā)等針對(duì)潰壩突發(fā)事件，對(duì)潰壩事件分析和預(yù)警技術(shù)、潰壩洪水分析技術(shù)、潰壩后果評(píng)價(jià)技術(shù)、應(yīng)急組織體系、應(yīng)急處置措施、應(yīng)急保障體系以及應(yīng)急預(yù)案的可行性與有效性評(píng)價(jià)技術(shù)等應(yīng)急管理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析等。

上述研究為地下水庫安全監(jiān)控提供了借鑒，但是由于煤礦地下水庫不同于地面水庫，壩體受到庫內(nèi)水壓、上覆巖層壓力、采動(dòng)和礦震的復(fù)合作用，且由于地下水庫上方巖層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦大片垮落，將對(duì)壩體形成很大沖擊，影響壩體穩(wěn)定性。為了保障地下水庫安全運(yùn)行，在充分借鑒地面水庫安全監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了煤礦地下水庫安全監(jiān)測控制系統(tǒng)總體框架，對(duì)地下水庫運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，保障壩體安全，實(shí)現(xiàn)地下水庫安全控制。經(jīng)過工程實(shí)踐，證實(shí)了該系統(tǒng)的可靠性，能夠保障地下水庫長期安全運(yùn)行。

2 煤礦地下水庫運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件工程設(shè)計(jì)方法對(duì)煤礦地下水庫安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了總體邏輯設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理，并在此基礎(chǔ)上建立可視化平臺(tái)，以該平臺(tái)為載體實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可視化、預(yù)測預(yù)警和安全運(yùn)行智能控制。煤礦地下水庫運(yùn)行安全監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 煤礦地下水庫運(yùn)行安全監(jiān)測系統(tǒng)框架

根據(jù)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)框架，系統(tǒng)模塊包括數(shù)據(jù)管理部分、地下水庫可視化部分、安全預(yù)警模塊、安全應(yīng)急控制模塊和系統(tǒng)管理5個(gè)部分。煤礦地下水庫安全監(jiān)控系統(tǒng)模塊組成如圖2所示。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊

煤礦地下水庫運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括井巷工程數(shù)據(jù)、壩體空間和結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)備空間和屬性數(shù)據(jù)、入庫出庫水量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、庫內(nèi)水位水壓和壩體應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及監(jiān)控人員空間和時(shí)間信息等，具有多源、異質(zhì)、多維、動(dòng)態(tài)、異構(gòu)和海量等特征，為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更加高效的儲(chǔ)存管理、便于數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)挖掘以及為后續(xù)監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)防控提供數(shù)據(jù)支持，利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理方法，發(fā)展數(shù)據(jù)儲(chǔ)存優(yōu)化技術(shù)和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，包括地下水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分類組織、分類儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式、數(shù)據(jù)編碼方式、高效檢索以及快速更新等，建立適合于地下水庫多源異質(zhì)數(shù)據(jù)集成與共享方式以及數(shù)據(jù)讀取方式且獨(dú)立于應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)組織形式尤為重要。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊應(yīng)具備數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)修改和數(shù)據(jù)挖掘等功能。通過對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼，制定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，將其錄入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，建立多種查詢方式，如以年度進(jìn)行查詢、按設(shè)備和監(jiān)測數(shù)據(jù)屬性等；要具備數(shù)據(jù)更新功能，針對(duì)井下安全監(jiān)控設(shè)備的不斷更換調(diào)整，對(duì)其空間和屬性信息進(jìn)行快速更新；煤礦地下水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有不確定性，有必要建立數(shù)據(jù)挖掘接口，便于采用粗糙集、支持向量機(jī)、云理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等不確定信息分析方法，分析地下水庫運(yùn)行的不確定性，從海量數(shù)據(jù)中挖掘有用信息，發(fā)現(xiàn)隱含規(guī)律，認(rèn)識(shí)煤礦地下水庫未知現(xiàn)象和進(jìn)行預(yù)測等，為其安全提供決策支持。

圖2 煤礦地下水庫安全監(jiān)控系統(tǒng)模塊組成

2.2 地下水庫可視化模塊

隨著計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)及其在礦上領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，將三維可視化技術(shù)引入煤礦地下水庫運(yùn)行安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管理監(jiān)控方式由二維向三維的轉(zhuǎn)變，克服二維空間在數(shù)據(jù)處理和圖形顯示中信息表達(dá)不充分和缺乏直觀可視性等缺陷，實(shí)現(xiàn)地下水庫空間可視化。利用三維可視仿真技術(shù)，以數(shù)據(jù)倉庫為基礎(chǔ)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤礦地下水庫各種屬性信息的可視化查詢、地下水庫水量動(dòng)態(tài)可視化、設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)控可視化和監(jiān)測信息可視化，進(jìn)而動(dòng)態(tài)反映地下水庫的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位水量、壩體應(yīng)力應(yīng)變、泵閥開關(guān)狀態(tài)、入庫出庫水量和水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化等各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，為其安全運(yùn)行提供支持。

2.3 安全預(yù)警模塊

煤礦地下水庫位于地下具有空間 “黑箱”特征，與地面水庫相比，無法直接觀測到水庫運(yùn)行狀態(tài)，且由于巖層運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，上覆巖層土突然垮落會(huì)對(duì)水庫壩體造成破壞性沖擊，且水庫補(bǔ)給無法準(zhǔn)確監(jiān)控，為此必須在現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過對(duì)庫內(nèi)水位水壓、壩體應(yīng)力應(yīng)變、圍巖變形和滲透監(jiān)測等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析地下水庫運(yùn)行狀態(tài)，重點(diǎn)對(duì)壩體安全性進(jìn)行評(píng)估，建立安全預(yù)測預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)地下水庫安全預(yù)警。

煤礦地下水庫安全預(yù)警模塊應(yīng)具有對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制定安全應(yīng)急方案兩項(xiàng)功能。通過對(duì)水庫壩體參數(shù)監(jiān)測，分析壩體穩(wěn)定性狀況，對(duì)上覆巖層應(yīng)力變形進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)測巖層垮落情況，通過水庫壩體滲流量監(jiān)測和評(píng)估滲漏情況。利用水庫安全評(píng)估方法對(duì)水庫實(shí)時(shí)運(yùn)行進(jìn)行安全評(píng)估和預(yù)測分析，為安全應(yīng)急提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 安全應(yīng)急控制模塊

安全應(yīng)急控制模塊包括泵閥控制和應(yīng)急預(yù)案制定，煤礦地下水庫不同于地面水庫，由于其儲(chǔ)水空間為冒落區(qū)巖體空隙，四周壩體由煤柱壩體和人工壩體組成，無法進(jìn)行開閘泄水保障安全，為此在構(gòu)筑人工壩體時(shí)，優(yōu)選施工地點(diǎn)，建立應(yīng)急泄水孔，實(shí)現(xiàn)泄水降壓保障安全。

安全應(yīng)急控制硬件措施包括庫間水閥控制，利用自動(dòng)控制技術(shù)，通過對(duì)水泵開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同水庫之間調(diào)水，保障水庫安全。針對(duì)巖層突然垮落導(dǎo)致庫內(nèi)水壓突然增大的情況，通過在人工壩體上應(yīng)急泄水孔安裝水壓監(jiān)測裝置監(jiān)測庫內(nèi)水壓突變，一旦突破壩體安全閾值就自動(dòng)打開實(shí)現(xiàn)泄水降壓，從而保障特殊工礦下的壩體安全。

2.5 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輔助功能管理，包括系統(tǒng)維護(hù)和系統(tǒng)用戶權(quán)限管理，并通過對(duì)不同用戶的操作權(quán)限進(jìn)行規(guī)定。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水庫日常運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測技術(shù)

水庫日常運(yùn)行參數(shù)包括庫內(nèi)水位水壓、壩體應(yīng)力應(yīng)變、入庫出庫水質(zhì)以及上方巖層位移變化等。由于煤礦地下水庫是封閉儲(chǔ)水空間，且?guī)斓赘叱滩灰?，因此須在多處設(shè)置水位監(jiān)測儀，采用壓力式水位計(jì)測量庫內(nèi)水位；變形監(jiān)測是對(duì)人工壩體和煤柱壩體連接部位位移進(jìn)行觀測，采用振弦式基巖變位計(jì)，每個(gè)擋水壩布置4支基巖變位計(jì)，位于墻體四個(gè)角，通過鉆孔進(jìn)行埋設(shè)安裝；應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測是對(duì)人工壩體應(yīng)力應(yīng)變和山巖壓力進(jìn)行觀測，采用振弦式應(yīng)變計(jì)，每個(gè)擋水壩體布置4支應(yīng)變計(jì)，位于墻體上頂、下底、左側(cè)和右側(cè)的中部，垂直于墻體與圍巖交接面，按4個(gè)方向布設(shè)；滲流監(jiān)測目的是對(duì)地下水庫的水位和滲漏進(jìn)行觀測；管道壓力和流量監(jiān)測是通過輸水管道壓力觀測掌握地下水庫水位的變化，利用在人工壩安裝的輸排水管道上設(shè)置壓力傳感器進(jìn)行庫水壓力的觀測，同時(shí)在管道上設(shè)置流量計(jì)對(duì)水庫輸排水流量進(jìn)行觀測。

此外，水庫日常運(yùn)行監(jiān)測還包括礦震監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測和視頻監(jiān)控。礦震監(jiān)測目的是對(duì)礦震和煤層開采產(chǎn)生的地震波和地震動(dòng)力進(jìn)行觀測，用于分析評(píng)估擋水壩受震動(dòng)破壞的影響，采用震動(dòng)記錄分析儀 （內(nèi)置三向加速度計(jì)）在人工壩體周邊布置；水質(zhì)監(jiān)測的目的是掌握地下水庫入庫和出庫水質(zhì)，包括通過輸排水管道進(jìn)水和出水的水質(zhì)進(jìn)行觀測，采用移動(dòng)式水質(zhì)監(jiān)測儀人工監(jiān)測為主、固定式自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測儀為輔的監(jiān)測方式；視頻監(jiān)控是對(duì)地下水庫擋水建筑物、排水溝和輸排水系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行圖像采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，在關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置一套防爆紅外網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

3.2 煤礦地下水庫三維可視化平臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)煤礦地下水庫安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化，增強(qiáng)用戶交互性，便于展示地下水庫運(yùn)行狀態(tài)，研發(fā)地下水庫三維可視化技術(shù)，采用組態(tài)平臺(tái)內(nèi)置的3D 引擎，開發(fā)出矢量化的360°，可隨意縮放，隨意旋轉(zhuǎn)的三維實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控、場景漫游、故障定位和設(shè)備巡檢等功能，同時(shí)利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維動(dòng)態(tài)效果，實(shí)現(xiàn)所見即所得的可視化效果，更加直觀形象的反映各個(gè)水庫的水文狀態(tài)以設(shè)備運(yùn)行情況。

在地下水庫實(shí)體與監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)上，利用可交互的操作儀表盤和控制面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有可控設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停操作，配合視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)以及遠(yuǎn)程操作控制，能夠通過三維系統(tǒng)在三維場景中遠(yuǎn)程控制單個(gè)設(shè)備或一組設(shè)備的開停等操作，如遠(yuǎn)程開停水泵和閥門等。實(shí)現(xiàn)各水庫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有序流動(dòng)進(jìn)行管理，以標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口和信息協(xié)議交換數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行綜合分析、分類處理。該平臺(tái)能夠?qū)⒏髯酉到y(tǒng)三維場景轉(zhuǎn)換為HTML 或XML，支持Web發(fā)布，以便于公司安全監(jiān)測中心等相關(guān)部門進(jìn)行調(diào)閱瀏覽，同時(shí)具備程序語言的設(shè)計(jì)、變量定義管理、連接設(shè)備的配置、開放式接口配置、系統(tǒng)參數(shù)配置和第三方數(shù)據(jù)庫的管理等功能。

此外，該平臺(tái)能夠整合工業(yè)電視信號(hào)，集中控制平臺(tái)軟件內(nèi)完成攝像頭的管理、瀏覽和錄像查詢，將實(shí)時(shí)視頻信號(hào)集成在實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)現(xiàn)場視頻布置在一個(gè)畫面。具備視頻和三維監(jiān)控的聯(lián)動(dòng)，具備在線數(shù)據(jù)回放功能，通過簡單鼠標(biāo)操作，即可完成監(jiān)控畫面上進(jìn)行數(shù)據(jù)回放操作，在監(jiān)控畫面不變的情況下，完成歷史數(shù)據(jù)的播放，可以做到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和視頻信息同步回放。具備調(diào)度聯(lián)控功能，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控畫面和工業(yè)電視、調(diào)度大屏的聯(lián)合調(diào)度控制。

該平臺(tái)具備海量數(shù)據(jù)管理功能，能夠?qū)⒔尤氲母髯酉到y(tǒng)信息通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換方式與數(shù)據(jù)集成平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，并將各子系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合處理，可以將實(shí)時(shí)、歷史及綜合分析后的信息提供給用戶，具有良好的可靠性，兼容性和擴(kuò)容性；可以為用戶提供各類監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)警信息并記錄，包括超限報(bào)警、開關(guān)報(bào)警以及系統(tǒng)在接設(shè)備的故障報(bào)警，并可設(shè)定組合報(bào)警；具備遠(yuǎn)程控制功能，通過接口和通訊協(xié)議的設(shè)備，獲得授權(quán)的人員可通過集中控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程開停操作?？筛鶕?jù)預(yù)先設(shè)置的控制邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的自動(dòng)遠(yuǎn)程控制。

3.3 預(yù)測預(yù)警分析方法

由于煤礦地下水庫構(gòu)筑、所處環(huán)境和運(yùn)行工況的特殊性，不同于地面水庫，可以通過氣象監(jiān)測預(yù)報(bào)、地球物理勘探和安全監(jiān)測等方式預(yù)測預(yù)報(bào)水庫未來所處工況，并提前準(zhǔn)備應(yīng)急方案，地下水庫必須通過對(duì)安全監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，采用不確定性分析方法，充分利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)水庫運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測水庫運(yùn)行工況條件，判斷風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

3.4 水庫運(yùn)行安全應(yīng)急技術(shù)

煤礦地下水庫安全應(yīng)急技術(shù)包括防潰壩、防滲漏和防淤庫3個(gè)方面，礦井分布式地下水庫應(yīng)急保障技術(shù)包括以下3個(gè)部分：

（1）防潰壩技術(shù)。當(dāng)出現(xiàn)庫內(nèi)水壓水位、壩體應(yīng)力應(yīng)變和變形等指標(biāo)超過預(yù)警值，監(jiān)控中心通過庫間管道閥門或抽采管道對(duì)水庫內(nèi)水體進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，通過疏排水閥門等設(shè)備對(duì)水庫運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將水排泄至泄水空間或調(diào)節(jié)至其他水庫。同時(shí)，為保障特殊工況條件下的水庫安全運(yùn)行，在人工壩體上設(shè)立應(yīng)急泄水裝置，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急泄水降壓，一旦出現(xiàn)礦震或巖層突然垮落造成庫內(nèi)水壓突然增大，應(yīng)急泄水裝置自動(dòng)開啟，泄水降壓，保證壩體穩(wěn)定。

（2）防滲漏技術(shù)。建立煤柱壩體滲漏分級(jí)預(yù)警體系，通過對(duì)壩體滲漏量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過對(duì)當(dāng)前觀測值與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比分析、滲漏水的水質(zhì)和攜帶的雜質(zhì)含量比較，結(jié)合滲流壓力分析，綜合評(píng)價(jià)大壩的滲流安全。一旦超過滲流量限值，則可以通過庫間水體調(diào)運(yùn)技術(shù)將該水庫調(diào)至穩(wěn)定狀態(tài)，并對(duì)滲漏嚴(yán)重部位實(shí)施防滲工程。

（3）防淤技術(shù)。通過物理模型試驗(yàn)對(duì)礦井水運(yùn)移環(huán)境進(jìn)行模擬，對(duì)礦井水在運(yùn)移過程中攜帶的巖石顆粒和煤泥等雜物所引發(fā)水庫淤積的現(xiàn)象進(jìn)行模擬，總結(jié)其對(duì)水庫庫容的影響規(guī)律，提出水庫淤積的計(jì)算模型或方法；建立水庫淤積的預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)淤沙影響水庫超過預(yù)警值時(shí)進(jìn)行報(bào)警；應(yīng)用煤礦地下水庫的排沙減淤處理關(guān)鍵技術(shù)和相應(yīng)設(shè)備及時(shí)進(jìn)行處理。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

神東礦區(qū)位于西部能源 “金三角”核心區(qū)域，為神華集團(tuán)主力礦區(qū)之一，是世界首個(gè)2億噸級(jí)礦區(qū)。目前，應(yīng)用煤礦地下水庫技術(shù)，神東礦區(qū)在15 礦累計(jì)建成32 座煤礦地下水庫，儲(chǔ)水量達(dá)2900萬m3，達(dá)到供應(yīng)礦區(qū)用水總量的95%以上，為神東礦區(qū)煤炭開發(fā)提供了有力的水資源保障。地下水庫一方面實(shí)現(xiàn)了水資源保護(hù)和利用，同時(shí)也為井下安全提出了挑戰(zhàn)，現(xiàn)以大柳塔煤礦地下水庫為例，對(duì)其安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行詳述。

神東礦區(qū)大柳塔礦位于陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)，井田面積為126.9km2，主采1-2、2-2及5-2煤層，目前在采5-2煤層，礦井正常涌水量約為400m3／h。為了避免水資源外排而導(dǎo)致的地表蒸發(fā)浪費(fèi)，神東礦區(qū)大柳塔煤礦在采空區(qū)儲(chǔ)水設(shè)施基礎(chǔ)上，率先建成了煤礦地下水庫，包括2-2煤層1＃、2＃和3＃地下水庫以及5-2煤層在建的4＃地下水庫，且通過持續(xù)技術(shù)研發(fā)，建設(shè)了庫間連通管道，實(shí)現(xiàn)了地下水庫的相互連通，建設(shè)了世界首個(gè)煤礦分布式地下水庫，儲(chǔ)水量達(dá)到590萬m3，大柳塔煤礦分布式地下水庫示意圖如圖3所示。

圖3 大柳塔煤礦分布式地下水庫示意圖

為了確保地下水庫安全運(yùn)行，大柳塔煤礦安裝布置了煤礦地下水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)目前運(yùn)行的2-2煤層的3座地下水庫的運(yùn)行狀況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心和井下監(jiān)測站組成。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測需求，共設(shè)立6個(gè)監(jiān)測站和地下水庫上方5個(gè)地下水位觀測孔，通過對(duì)地下水庫44處人工壩體工程進(jìn)行篩選，選取關(guān)鍵壩體和管道位置處，布置建設(shè)壩體應(yīng)力應(yīng)變和位移監(jiān)測傳感器、壓力傳感器、水位監(jiān)測儀、管道流量計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測、震動(dòng)記錄儀和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等設(shè)備，對(duì)壩體運(yùn)行狀況、水庫水量以及入庫出庫水質(zhì)等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過井下高速光纜或無線通訊手段，傳輸至數(shù)據(jù)采集單元，進(jìn)一步并入總光纜系統(tǒng)，傳輸至地面監(jiān)控中心，大柳塔煤礦地下水庫安全監(jiān)控總體結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 大柳塔煤礦地下水庫安全監(jiān)控總體結(jié)構(gòu)示意

目前，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不但滿足了地下水庫日常運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)情況獲取，而且通過自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急情況下的庫間水體調(diào)運(yùn)，保障了各個(gè)地下水庫安全運(yùn)行。針對(duì)冒落巖體突然垮落和礦震等特殊工況，通過壩體監(jiān)控一旦出現(xiàn)該情況，自動(dòng)打開應(yīng)急泄水孔排水降壓，保障壩體安全。

5 結(jié)語

煤礦地下水庫作為西部地區(qū)煤炭資源現(xiàn)代化開發(fā)與水資源協(xié)調(diào)的技術(shù)探索，通過20余年的技術(shù)提升和攻關(guān)，在神東礦區(qū)成功應(yīng)用，為礦區(qū)煤炭科學(xué)開發(fā)提供了有力的水資源 保障，同時(shí)煤礦地下水庫儲(chǔ)水也滿足了周邊產(chǎn)業(yè)需求，促進(jìn)了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的和諧發(fā)展。為確保煤礦地下水庫安全高效運(yùn)行，研發(fā)了安全監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)地下水庫運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測控制，利用自動(dòng)化控制技術(shù)和預(yù)測預(yù)警等方法，保障了各種工況條件下的壩體安全，確保了地下水庫穩(wěn)定運(yùn)行，通過在大柳塔煤礦地下水庫進(jìn)行工程實(shí)踐，取得了成功應(yīng)用。為了進(jìn)一步滿足建設(shè)數(shù)字礦山的要求，需要進(jìn)一步完善該安全監(jiān)測系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)與煤礦生產(chǎn)調(diào)度中心相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)互動(dòng)，更好地為煤炭生產(chǎn)服務(wù)。同時(shí)通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，將地下水庫運(yùn)行狀態(tài)利用可視化技術(shù)進(jìn)行展示，建設(shè)煤礦地下水庫演示平臺(tái)，更好地展示煤礦地下水庫先進(jìn)的保水開采技術(shù)，促進(jìn)西部地區(qū)煤炭資源與水資源協(xié)調(diào)開發(fā)。

［1］ 張軍，俞珠峰，李全生等.能源 “金三角”地區(qū)煤炭科學(xué)產(chǎn)能預(yù)測及分析 ［J］.煤炭工程，2013 （11）

［2］ 顧大釗，張建民.西部礦區(qū)現(xiàn)代煤炭開采對(duì)地下水賦存環(huán)境的影響 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012 （12）

［3］ 顧大釗.煤礦分布式地下水庫技術(shù)及其應(yīng)用 ［C］.第二屆”中國工程院／國家能源局”能源論壇，2013

［4］ 顧大釗.能源 “金三角”煤炭現(xiàn)代開采水資源及地表生態(tài)保護(hù)技術(shù) ［J］.中國工程科學(xué)，2013 （4）

［5］ 曹欣春.水庫大壩安全事故防范與除險(xiǎn)加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè) ［M］.北京：北京中軟電子出版社，2003

［6］ 王冰，馮平.梯級(jí)水庫聯(lián)合防洪應(yīng)急調(diào)度模式及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 ［J］.水利學(xué)報(bào)，2011 （2）

［7］ 張士辰，李雷.水庫潰壩應(yīng)急預(yù)案預(yù)見性評(píng)價(jià)方法研究 ［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2010 （3）