納林河二號礦井井上下水情自動實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉毅濤，方 剛，梁向陽，黃 浩

（1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077；4.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054）

納林河二號礦井位于東勝煤田納林河勘查區(qū)的西部，行政區(qū)劃隸屬于鄂爾多斯市烏審旗無定河鎮(zhèn)管轄。井田面積約180.67km2，礦井煤炭地質(zhì)資源量為1507.65Mt，可采儲量為796.38Mt，設(shè)計生產(chǎn)能力8.0Mt/a，服務(wù)年限71.1 年，采用立井式開拓，綜合機械化開采。

礦井主采3-1煤層，其上覆有第四系松散含水層、白堊系洛河組含水層、侏羅系直羅組含水層和延安組含水層，根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件分析，礦井的直接充水水源為煤層上覆的侏羅系直羅組和延安組砂巖孔隙裂隙含水層水[1]。

礦井在勘探期間留設(shè)有白堊系洛河組含水層和侏羅系延安組含水層地面、井下觀測孔及相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)需增設(shè)專門對侏羅系直羅組含水層進(jìn)行實時動態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，即可實現(xiàn)礦井主要充水含水層的全方位監(jiān)測，同時完成礦井排水系統(tǒng)的水倉、排水管、水溝的流量及水壓監(jiān)測點增設(shè)及統(tǒng)一系統(tǒng)入網(wǎng)管理，進(jìn)而對礦井整體的水情水害等實時立體掌握[2-3]。

1 水情實時監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)礦井水情監(jiān)測的現(xiàn)場需要和預(yù)期目標(biāo)，該系統(tǒng)要實現(xiàn)的主要功能包括實時水文數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理以及系統(tǒng)管理等。從系統(tǒng)建設(shè)方面來說，主要分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)[4-5]。

1.1 硬件系統(tǒng)

為實現(xiàn)以上目標(biāo)，采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司集電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體研發(fā)的KJ117 水情水害實時監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)為此次設(shè)計的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上數(shù)據(jù)集成，數(shù)據(jù)傳送，使得水文數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上共享，方便維護(hù)及查詢。利用無線GSM 網(wǎng)和INTERNET 網(wǎng)相結(jié)合，實現(xiàn)全集團(tuán)范圍內(nèi)的水文信息共享，該系統(tǒng)實質(zhì)是一個覆蓋整個公司的網(wǎng)絡(luò)化水文數(shù)據(jù)庫。

該系統(tǒng)采用物理三層結(jié)構(gòu)：底層的數(shù)據(jù)采集層（即各種礦用本安型水文監(jiān)測分站）、中間數(shù)據(jù)處理層（即遠(yuǎn)程通訊適配器）、上層水文數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布層（即WEB服務(wù)器）。同時，該系統(tǒng)可以采用組合的方式構(gòu)成獨立運行的系統(tǒng)模式，能夠構(gòu)建的系統(tǒng)模式如下：（1）底層系統(tǒng)+中間層系統(tǒng)；（2）底層系統(tǒng)+中層系統(tǒng)+上層系統(tǒng)。

1.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)由實時監(jiān)測軟件（Server）、WEB 服務(wù)軟件（Web Server）、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器軟件（Database Server）組成。為了便于與其他系統(tǒng)集成，監(jiān)測系統(tǒng)軟件提供了OPC 接口功能（見圖1）。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)軟件應(yīng)用部署示意圖

2 礦井水文地質(zhì)實時監(jiān)測技術(shù)

2.1 地面實時監(jiān)測方案

地面監(jiān)測方案的核心是由地面監(jiān)測中心站、遠(yuǎn)程通信適配器、地面鉆孔遙測站（即YJSY（A）遙測儀分站）、GSM 通信單元及被測物理量傳感器組成（傳感器類型由實際情況做相應(yīng)調(diào)整）的地面監(jiān)測系統(tǒng)（見圖2）。該地面系統(tǒng)是基于GSM/GPRS 國家公網(wǎng)構(gòu)成的無線監(jiān)測系統(tǒng)，因此無地域限制，GSM/GPRS 國家公網(wǎng)信號覆蓋之地都是可以監(jiān)測的范圍，地面觀測站的個數(shù)根據(jù)需要安裝，數(shù)量不受限制。

圖2 地面遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)工作原理：無線監(jiān)測系統(tǒng)是以手機短消息形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)工作方式可分為主叫應(yīng)答或定時自動上傳兩種方式。即地面監(jiān)測中心站通過遠(yuǎn)程通信適配器里的GSM 通信模塊發(fā)送指令呼叫、地面鉆孔遙測站應(yīng)答發(fā)送短消息（數(shù)據(jù)）或預(yù)置地面鉆孔遙測站時鐘，定時自動發(fā)送短消息（數(shù)據(jù)），經(jīng)遠(yuǎn)程通信適配器中繼后由地面監(jiān)測中心站接收。

地面遙測儀分站由儀器主機，儀器保護(hù)罩和傳感器三部分組成。安裝時，把配備的儀器保護(hù)罩（管徑為150mm）焊接到監(jiān)測孔的孔口上，連接好傳感器和儀器（見圖3）。

圖3 地面水位遙測儀安裝圖

2.2 井下實時監(jiān)測方案

主要由地面監(jiān)測中心站、遠(yuǎn)程通信適配器、井下數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、井下數(shù)據(jù)采集分站、被測物理量傳感器、井下防爆電源等構(gòu)成（見圖4）。

圖4 井下監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

井下線路布置：井下通信使用MHYVRP1×2×7/0.52（截面積為1.5mm2）通信電纜，通信電纜從監(jiān)測主站連接到井下各個監(jiān)測點，線路以樹形結(jié)構(gòu)敷設(shè)，分主干線路和分支線路，主干線路和分支線路之間用中繼器連接。各分站和中繼器配電源箱，就近使用127V 電源。

3 礦井KJ117 水情實時監(jiān)測系統(tǒng)

礦井KJ117 煤礦水文實時監(jiān)測系統(tǒng)是中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自主研發(fā)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，作為新型煤礦防治水技術(shù)設(shè)備，近年來已被許多國有大型煤礦廣泛應(yīng)用于對礦井水情的實時監(jiān)測。

該系統(tǒng)可自動、實時地觀測煤礦井下、地面不同區(qū)域、不同含水層（段）的水壓、水位、溫度、流量等與水文地質(zhì)相關(guān)的物理參數(shù)，可快速、準(zhǔn)確地反映煤礦水情動態(tài)變化情況。通過預(yù)警功能設(shè)置，系統(tǒng)能自動分析現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)輔助決策。實時監(jiān)測的水文數(shù)據(jù)、歷時數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫管理，通過企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)或INTERNET 可方便實現(xiàn)煤礦水文地質(zhì)信息的多級共享。

建立納林河二號礦井KJ117 煤礦水情實時監(jiān)測系統(tǒng)對加強煤礦礦井水害治理、提高煤礦防治水技術(shù)及保障煤礦安全生產(chǎn)具有極其重要意義。

4 水文監(jiān)測系統(tǒng)工程設(shè)計

如前所述，礦井水文實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測項目主要有以下方面：地面水文觀測孔水位；井下水文觀測孔孔口水壓；井下水倉水位；排水管路水壓及流量。

4.1 地面水文觀測系統(tǒng)

綜合分析納林河二號礦井各階段完成的勘探鉆孔，目前適合安裝水文監(jiān)測設(shè)備的鉆孔主要有1 號水文補勘孔和4 號水文補勘孔[6-7]，鑒于已經(jīng)在這2 個水文補勘孔安裝了水文監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)計中暫不考慮地面鉆孔水位監(jiān)測點的布設(shè)。

4.2 井下水文觀測系統(tǒng)

根據(jù)目前井下已掘巷道情況，計劃分別在31102 工作面回風(fēng)巷切眼附近、中央一號輔助運輸大巷（YF28測點附近的倒車硐室）、中央一號回風(fēng)大巷與中央帶式輸送機大巷之間聯(lián)巷（二號主水倉附近）布置三個水文觀測孔，觀測的目的層為直羅組底部砂巖含水層[8-9]，并將3 個水文觀測孔分別標(biāo)記為JX-01 孔、JX-02 孔、JX-03 孔（見圖5）。

圖5 井上下監(jiān)測孔布置圖

4.3 排水系統(tǒng)（水倉、排水管路）水文監(jiān)測系統(tǒng)

（1）水倉監(jiān)測。礦井排水系統(tǒng)為接力排水模式，在一盤區(qū)設(shè)計二號水倉，井底車場設(shè)計一號水倉。目前一號水倉3#、4#水倉已施工完成，2#水倉正在施工，1#水倉暫停施工。因此，本次設(shè)計安裝2 臺GUY30 型水倉液位傳感器，布置在3#、4#水倉，未來在一盤區(qū)二號水倉及永久水倉的2#水倉完成后再布置水位監(jiān)測裝置。

（2）排水管路監(jiān)測。一號主排水泵房到地面設(shè)計4趟Φ377mm 管路，副井、風(fēng)井到地面的各2 趟Φ377mm管路均已投入使用。

礦井二號主排水泵房到一號主排水泵房設(shè)計安裝4趟Φ377mm 管路，均安裝在中央二號回風(fēng)大巷，且均已投入使用。

此次設(shè)計安裝4 套礦用隔爆兼本質(zhì)安全型數(shù)字超聲波流量計，型號為LCZ-803，分別布置在副井至地面和二號主排水泵房經(jīng)風(fēng)井到一號主排水泵房。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過實施納林河二號礦井井上下水情自動實時監(jiān)測系統(tǒng)，一般情況下，基本可穩(wěn)定、可靠、高效地對井田內(nèi)目前采掘3-1 煤層范圍的主要充水含水層水、突水點水、礦井涌水量、采區(qū)涌水量等信息進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析處理，在準(zhǔn)確掌握地下水活動規(guī)律及空間數(shù)據(jù)變化的基礎(chǔ)上，合理有效地指導(dǎo)礦井的水文地質(zhì)及防治水工作。