煤礦井上下一體化水文監(jiān)測預警系統研究與應用

姜 鵬，葉錦嬌，李 健

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(北京) 能源與礦業(yè)學院，北京 100083；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

煤礦水害是煤炭資源開采中一種常見災害，我國煤炭資源豐富且地域分布遼闊，各煤田區(qū)域水文地質條件差異性較大，礦井水害呈現多樣性，其中華北區(qū)以老空水、底板奧灰水害為主，華東區(qū)以沖積層水、底板巖溶水害為主，華南區(qū)以地表水、老空水、溶洞水害為主，其它區(qū)以老空水害為主，是世界上礦山水害最嚴重的國家之一[1-5]。從2005年到2018年14年間，水害事故總起數556起，水害事故死亡總人數2544人，雖總體呈下降趨勢，但重大事故仍然多發(fā)，甚至出現反彈，其中自2012年以來，全國煤礦共發(fā)生水害事故97起、死亡422人(其中，較大及以上水害事故54起、死亡352人，分別占煤礦水害事故總量的61.4%、死亡人數的86.5%)，平均每年有60名礦工生命被水患吞噬。隨著近年來煤炭資源開采深度、開采規(guī)模、開采范圍及開采強度的不斷加大，大量小煤礦關閉后形成的積水區(qū)不斷增加，煤礦開采的水文地質條件變得越來越復雜，水害危害程度將更加突出，突水頻率和突水強度將不斷加大，礦井水害防治將會面臨更大挑戰(zhàn)。因此，預防突水事故是我國煤礦安全生產的必要保證，如何有效遏制礦井突水事故的發(fā)生，是目前亟待解決的重大問題[6-8]。

隨著物聯網技術的發(fā)展，利用無線傳感器網絡技術和數據通訊技術，研發(fā)基于物聯網技術的水文監(jiān)測預警系統，通過監(jiān)測設備的接入和質量管理，能夠實現及時、快速、高效地獲取礦井水文動態(tài)監(jiān)測，能夠保證高精度、自動化實時長期數據采集，能夠動態(tài)地、全面地掌握礦區(qū)內，特別是容易發(fā)生水害區(qū)域的水文變化情況，并根據實時數據進行主動預警，提前采取相應防治措施，防患于未然。國內專家學者對煤礦水害監(jiān)測指標及預警模型[9]、監(jiān)測預警技術及裝備[10-15]及現場應用效果[16-18]等進行了不同程度的分析研究，基于國內研究現狀，進行煤礦井上下一體多參數水文監(jiān)測系統設計研究，并進行現場實際應用。

1 煤礦水害關鍵影響因素分析及監(jiān)測參數選擇

1.1 煤礦水害關鍵影響因素分析

目前國內主要水害類型為三大類：頂板水害、底板水害及老空區(qū)水害。

1)頂板水害關鍵影響因素分析。頂板水害發(fā)生主要是由于開采煤層頂板運動產生。上覆巖層的移動和破壞，形成了充水通道，使上部水體中的水滲入或潰入井下，形成災害。頂板水害發(fā)生有兩個因素：頂板含水層及導水通道。頂板含水層可以通過對含水層水位進行監(jiān)測，掌握其水位變化情況，判斷頂板富水區(qū)是否有下泄工作面情況。

2)底板水害關鍵影響因素分析。底板水害發(fā)生主要是由于煤層開采中由于采動裂隙與底板承壓含水層直接導通，或者由于隱伏構造與承壓含水層直接連通，導致底板災害。判斷底板帶壓開采水害危險性的常用方法為《煤礦防治水細則》中的“突水系數”法[19]，此方法關鍵在于底板承壓水的水壓及底板隔水層厚度。因此，可以通過監(jiān)測底板含水層的水位變化，掌握其水壓大小，進行判斷。

3)采空區(qū)水害關鍵影響因素分析。采空區(qū)水害的發(fā)生主要存在兩種：一種是工作面回采過程中，采動裂隙直接波及采空積水區(qū)，積水瞬間涌入工作面；第二種采空區(qū)密閉墻體破裂，采空區(qū)積水直接涌入巷道，發(fā)生水災。避免第一種情況水害發(fā)生，需采用物探及鉆探手段在工作面回采前對周邊的可疑采空區(qū)進行探測及驗證，而第二種采空區(qū)水害情況可以通過監(jiān)測密閉墻體結構變化進行提前預防，密閉墻體結構變化可通過墻體內部應力及位移判斷。

1.2 煤礦水文監(jiān)測參數選擇

1.2.1 參數選取原則

煤礦突水監(jiān)測，主要目的是通過對水文參數的動態(tài)監(jiān)測，能夠實現及時、快速、高效地掌握礦區(qū)內，特別是容易發(fā)生水害區(qū)域的水文變化情況，并根據實時數據進行主動預警，為礦區(qū)提供有效的水害基礎數據，通過分析各個突水點的形成原因與影響因素、與其他突水點的位置關系、對涌水量及水位變化的影響，提前采取相應防治措施，防止形成突水威脅。因此，每一個監(jiān)測元素，必須具有合理性、科學性、可監(jiān)測性及時效性。

1.2.2 監(jiān)測參數選擇

國內目前的水文監(jiān)測系統功能不一，實現了礦井的水文地質因素水位、水壓、水溫和流量等部分因素的監(jiān)測，未能將水害相關因素進行有效的全面監(jiān)測，該系統設計擬實現地面及井下主要水害因素一體聯合監(jiān)測。根據各類水害關鍵影響因素分析和參數選取原則[20]，考慮到當前技術水平，此次主要選取的監(jiān)測參數為水位、水溫、水壓、流量、位移及應力。其中水位、水溫參數可通過地面水文長觀孔實現含水層的監(jiān)測，水壓、水溫參數可通過井下觀測孔進行頂、底板承壓含水層變化的監(jiān)測，水位參數還可用于水倉水位變化監(jiān)測，流量參數可用于排水管排水量的監(jiān)測，位移及應力參數可用于采空區(qū)密閉墻體結構變化的監(jiān)測。由于國內各地區(qū)礦井水文地質條件差距很大，影響突水的因素很多，是否存在其他更合適的監(jiān)測參數，需在實踐應用中不斷驗證，并隨著相關技術的不斷突破，進而增加完善監(jiān)測參數。

2 水文監(jiān)測預警系統功能

2.1 系統硬件功能

煤礦水文監(jiān)測系統主要實現“地面—井下”的全方位多指標的實時水文監(jiān)測，硬件部分主要包含地面、井下兩個部分，地面部分包括地面數據采集及數據傳輸設備，井下部分包括水位、水溫、水壓、水量、采空區(qū)密閉墻體的位移及應力等主要水文因素的監(jiān)測采集系統及井下數據傳輸系統。地面監(jiān)測數據以無線傳輸方式傳送至監(jiān)測中心服務器，井下各個監(jiān)測點將數據傳輸至其通訊分站，經過數據轉換后傳遞至監(jiān)測中心服務器。

1)地面水文監(jiān)測。具有地面水文長觀孔、水源井及地面水體的水位、水溫監(jiān)測功能，利用遙測自動記錄分站的水位水溫一體化傳感器，進行數據采集，通過無線網絡通訊系統傳回地面監(jiān)測主站。

2)井下水文監(jiān)測。具有井下水倉水位、水溫，水泵排水量，井下長觀孔水壓、水溫，井下疏放水孔管道流量、水溫等常用監(jiān)測功能。通過多個參數的監(jiān)測和綜合分析，實現對礦井監(jiān)測部位突水的可能性進行準確的預測和預報。

3)采空區(qū)密閉墻體監(jiān)測。監(jiān)測采空區(qū)密閉墻體內部的應力應變及密閉墻體相對位移變化，分析采空區(qū)密閉墻體的質量及抗采空區(qū)水壓能力，預防采空區(qū)密閉突水狀況。

2.2 系統軟件功能

水文監(jiān)測預警軟件主要由6部分構成：Web數據顯示、語音合成、客戶端數據展示、聯網發(fā)布OPC發(fā)布、雙機熱備、通訊程序，如圖1所示。主要實現功能如下：

圖1 監(jiān)測軟件組成

1)實時在線監(jiān)測分析井下水位、水溫、水壓、水量、采空區(qū)密閉墻位移、應力等多個指標。

2)實時在線監(jiān)測地面水位、水溫、水質、氣象(雨量、氣壓、風速、濕度等)多個指標。

3)系統監(jiān)測數據可自采集、自分析、自劃分、自備份，以圖表、曲線等模式將數據以數字化、圖像化形式動態(tài)顯示與輸出。

4)系統具有指標超限自報警、雙機熱備自動切換、人機對話、自診斷、軟件容錯、實時多任務等功能，系統誤碼率小于等于10-9，最大巡檢周期小于等于20s。

水文監(jiān)測預警軟件界面功能設計主要展現內容包括數據采集、數據處理，圖表查詢、實時超限示警及系統管理等。其中，實時超限示警的實現主要通過設定水文監(jiān)測數據變化范圍來進行閾值評判實時示警，在其原監(jiān)控系統里產生了報警記錄，并對危險源的實時和歷史數據進行專業(yè)的統計分析，水文監(jiān)測參數實時示警流程如圖2所示。

圖2 水文監(jiān)測參數實時示警流程

3 水文監(jiān)測預警系統結構

3.1 地面水文監(jiān)測結構

地面水文監(jiān)測系統基于蜂窩的窄帶物聯網，設計NB-IoT水位、水溫一體傳感器，地面水文監(jiān)測系統構成如圖3所示，其工作原理為：

圖3 地面水文監(jiān)測系統構成

1)NB-IoT傳感器：儀表負責采集水位、溫度傳感器信息，并按照預設的間隔時間通過NB-IoT網絡上傳數據至云平臺。

2)云平臺：負責收集并保存?zhèn)鞲衅魃蟼鞯臄祿瑩碛型暾鴩乐數暮笈_協議，并可處理一定的業(yè)務邏輯。云平臺可以為私有云、物聯網云平臺以及第三方數據平臺。

3)應用端開發(fā)支持：提供簡潔的API接口，可通過API接口可快速實現用戶端web、PC、Android APP等應用程序開發(fā)，幫助客戶快速實現物聯網數據接入與數據分析能力。

3.2 井下水文監(jiān)測結構

井下水文采集設備，其終端主要功能是通過傳感器采集水文參數數據，具備可以通過數字接口采集信息和通過模擬信號采集信息的功能，然后通過總線網絡或者網絡將數據上傳。傳感器通過總線數字信號和模擬信號兩種方式采集。設計中需考慮功耗問題，對采用芯片和電路等方面都以降低功耗為基準進行設計。井下傳感器整個儀器由6部分組成，分別是殼體、主板、探頭、紅外接收、蜂鳴器、報警燈。水文監(jiān)測系統結構如圖4所示。

圖4 水文監(jiān)測系統結構

4 水文監(jiān)測系統在礦井中的應用

4.1 方案設計

板石煤礦位于吉林省琿春市琿春煤田河北區(qū)的西部，井田內主要含水層為第四系沖積洪積含水層、風化裂隙帶含水層及煤系層間承壓含水層。其中煤系層間承壓含水層富水性弱，且與上部風化裂隙含水層之間的水力聯系較差，對煤層開采基本不產生影響，第四系沖積洪積含水層及風化裂隙帶含水層富水性較強，在大斷層構造影響下，可能對煤礦安全開采產生影響。

在建設數字化礦山的基礎上，采用水文遠程監(jiān)測系統對板石煤礦礦井水文進行監(jiān)控預警?？紤]井田水文地質、采礦條件及可能的水害情況，對礦井主要進行以下幾方面監(jiān)測：①第四系含水層水位及溫度變化規(guī)律；②風化裂隙帶含水層水位及溫度變化規(guī)律；③井下三處水倉(-170水平水倉、-480水平主水倉及-585水平水倉)排水管路流量監(jiān)測，掌握礦井涌水量變化。

4.2 應用效果分析

考慮到風化裂隙帶含水層距離煤層相對較近，最可能對煤層安全開采產生影響，本文選取風化裂隙帶含水層水位、水溫變化及主水倉-485水平水倉的流量變化并進行應用分析，分析水文監(jiān)測預警系統的監(jiān)測功能。

水文監(jiān)測系統經數據處理分析后繪制的風化裂隙帶含水層水位、水溫變化曲線如圖5所示，-485水平水倉排水瞬時流量變化曲線如圖6所示，-485水平水倉排水累計流量變化曲線如圖7所示，含水層水位、水溫及瞬時流量變化曲線對比如圖8所示。

圖5 風化裂隙帶含水層水位、水溫變化曲線

圖6 -485水平水倉排水瞬時流量變化曲線

圖7 -485水平水倉排水累計流量變化曲線

圖8 含水層水位、水溫及瞬時流量變化曲線對比

通過圖5、圖6、圖7中可以清晰地看到含水層水位及溫度變化，水倉排水管路瞬時流量及累計流量變化情況，如曲線出現異常變化點，會根據設置的參數閾值，及時預警。通過圖8，利用含水層及井下流量對比變化曲線情況，可以實時分析工作面是否導通風化裂隙帶含水層，防患于未然。

5 結 論

1)基于合理性、科學性、可監(jiān)測性及時效性原則，結合對煤礦三大水害(頂板、底板及采空區(qū)水害)發(fā)生關鍵影響因素的系統分析，確定煤礦水文監(jiān)測重要監(jiān)測參數，從實用性考慮設計了水文監(jiān)測預警系統總體功能。

2)水文監(jiān)測預警系統通過地面及井下全方位一體集成化采集，實現了監(jiān)測數據自采集、自分析、自劃分、自備份，以圖表、曲線等模式將數據以數字化、圖像化形式動態(tài)顯示與輸出，并且具備指標超限自報警、雙機熱備自動切換、人機對話、自診斷、軟件容錯、實時多任務等功能。

3)通過水文監(jiān)測預警系統現場應用的監(jiān)測數據及曲線分析，可以全面了解礦井水文地質動態(tài)，掌握礦區(qū)的水文變化規(guī)律，及時獲得井下可能的突水原因，通過數字化手段實現對煤礦生產過程水害因素的有效監(jiān)測預警。