煤礦防治水4 種基礎(chǔ)臺(tái)賬建立與數(shù)據(jù)應(yīng)用

呂玉廣，李明振，胡發(fā)侖，劉 爽

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116；2.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和整理是技術(shù)工作的基礎(chǔ)，碎片化的數(shù)據(jù)幾乎等同于無(wú)效數(shù)據(jù)[1-2]，有效的數(shù)據(jù)必須具備完整性、持續(xù)性、準(zhǔn)確性、規(guī)范性等特征?！睹旱V防治水細(xì)則》(簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)第十五條規(guī)定：礦井應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況建立16 種基礎(chǔ)臺(tái)賬，并至少每半年整理完善一次[3-4]。由于煤礦井下涌水形式不同、主要涌水地點(diǎn)不同、排水方式不同、側(cè)重點(diǎn)也不同，因此，《細(xì)則》沒(méi)有給出統(tǒng)一的臺(tái)賬格式。2020 年山西省煤炭地質(zhì)工程協(xié)會(huì)以團(tuán)標(biāo)形式發(fā)布的《煤礦防治水基礎(chǔ)臺(tái)賬編制方法》，采用Microsoft Word 表格臺(tái)賬格式，該臺(tái)賬格式在計(jì)算功能和繪圖功能方面有明顯欠缺。電子表格在計(jì)算、篩選、排序、繪制趨勢(shì)線等功能上較Word 表格強(qiáng)大得多，以Microsoft Excel 2007 為例，一張表格共有 1 048 576 行、16 384 列，可以滿足建立各種臺(tái)賬的需要。因此，筆者提出基于Excel 格式的煤礦防治水4 種基礎(chǔ)臺(tái)賬的建立方法，創(chuàng)建可供煤礦參考使用的模板；舉例說(shuō)明利用臺(tái)賬數(shù)據(jù)解決具體問(wèn)題的方法，旨在拓展思路，供工程技術(shù)人員借鑒。

1 礦井涌水量臺(tái)賬及其數(shù)據(jù)應(yīng)用

1.1 數(shù)據(jù)收集與臺(tái)賬建立

1) 數(shù)據(jù)收集

礦井涌水量分為全礦井涌水量、水平涌水量、采區(qū)涌水量、工作面涌水量以及集中出水點(diǎn)涌水量等[5]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，涌水量觀測(cè)可選擇浮標(biāo)法、堰測(cè)法、容積法、明渠水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀法、管卡式超聲波流量計(jì)法、水泵銘牌額定值法等[6]。

礦井各地點(diǎn)的涌水經(jīng)過(guò)采區(qū)泵房、水平排水系統(tǒng)，最后進(jìn)入中央泵房水倉(cāng)。由于各排水點(diǎn)排水時(shí)間不統(tǒng)一，不宜在水倉(cāng)入口處設(shè)置觀測(cè)站觀測(cè)礦井總涌水量。有的煤礦企業(yè)將各點(diǎn)實(shí)測(cè)涌水量相加得到全礦井涌水量，由于測(cè)量時(shí)間節(jié)點(diǎn)不統(tǒng)一、測(cè)量方法不統(tǒng)一、散點(diǎn)水難以實(shí)測(cè)等原因，導(dǎo)致礦井涌水量數(shù)據(jù)誤差較大。推薦在礦井中央泵房主排水管路上安裝超聲波流量計(jì)，盡量保持每天某一固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)(如夜里零時(shí))水倉(cāng)內(nèi)水位一致，以使中央泵房排水量與礦井當(dāng)天的涌水量基本一致，即使有一定誤差，但在大尺度時(shí)間跨度上，這種誤差對(duì)涌水量變化趨勢(shì)可以忽略不計(jì)。

2) 臺(tái)賬建立

涌水量數(shù)據(jù)每年占用1 張電子表格，設(shè)置為A3 號(hào)紙張大小，打印裝訂成冊(cè)即為礦井涌水量臺(tái)賬，表格形式和內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 礦井涌水量臺(tái)賬(××年)Table 1 Account of mine water inflow(××year)

礦井每天的涌水量(m3)按日期錄入表格內(nèi)，表格底部對(duì)應(yīng)單元格內(nèi)輸入公式，自動(dòng)計(jì)算月度平均涌水量(m3/h)、月度最大涌水量(m3/h)、月度總排水量(m3)、年度平均涌水量(m3/h)、年度最大涌水量(m3/h)、年度總排水量(m3)以及歷年累計(jì)排水量(m3)，年度內(nèi)平均涌水量可視為礦井正常涌水量。

采區(qū)涌水量臺(tái)賬可參照全礦井涌水量臺(tái)賬建立，采區(qū)涌水量、礦井涌水量足以反映全礦井的水情，一般沒(méi)有必要再建立水平涌水量臺(tái)賬。

1.2 應(yīng)用舉例

以時(shí)間為標(biāo)度的礦井涌水量數(shù)據(jù)反映出礦井過(guò)去涌水量變化特征，結(jié)合其他相關(guān)因素可以預(yù)測(cè)未來(lái)涌水量、判斷水力聯(lián)系、評(píng)價(jià)堵水效果等[7]。

1) 涌水量歷時(shí)曲線

臺(tái)賬只是數(shù)據(jù)保存的一種格式，在解決具體問(wèn)題時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)格式做適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)需要繪制礦井涌水量歷時(shí)曲線時(shí)，在電子表格第1 行第1 列(如A1)單元格內(nèi)輸入時(shí)間(如年月日)，下拉鼠標(biāo)得到時(shí)間序列；將臺(tái)賬(表1)中涌水量數(shù)據(jù)復(fù)制粘貼到此表的第2 列(如B 列)相應(yīng)的單元格內(nèi)，得到涌水量序列；如果需要計(jì)算每小時(shí)的涌水量，在第1 行第3 列單元格(如C1)內(nèi)輸入“=B1/24”，涌水量單位則由m3變換為m3/h，下拉鼠標(biāo)完成全部數(shù)據(jù)單位的轉(zhuǎn)換。選取第1 列+第2 列或第1 列+第3 列數(shù)據(jù)，電子表格可自動(dòng)插入涌水量(逐日)歷時(shí)曲線。按同樣方法輸入公式求取旬或月涌水量平均值，繪制逐旬或逐月涌水量歷時(shí)曲線。

圖1 為某煤礦涌水量(逐日)歷時(shí)曲線，可以看出，該礦井從2011 年11 月至2020 年11 月涌水量總體穩(wěn)定，正常涌水量約110 m3/h；礦井涌水量與開(kāi)采面積、掘進(jìn)進(jìn)尺等相關(guān)性不明顯；礦井涌水量出現(xiàn)過(guò)4 次異常性增加，第1 次異常對(duì)應(yīng)一次采煤工作面突水，第2 次異常對(duì)應(yīng)一次巷道底板突水，第3 次異常對(duì)應(yīng)一次井下單孔放水試驗(yàn)，第4 次異常對(duì)應(yīng)一次井下多孔放水試驗(yàn)。

圖1 某礦井涌水量(逐日)歷時(shí)曲線Fig.1 Duration curve of mine water inflow(day by day)

2) 井上下水力聯(lián)系判斷

大氣降水量臺(tái)賬是《細(xì)則》要求的16 種臺(tái)賬之一，利用臺(tái)賬數(shù)據(jù)繪制礦井涌水量與大氣降水量相關(guān)性曲線，如果雨后一段時(shí)間內(nèi)井下涌水量明顯增加，可判斷井上下存在水力聯(lián)系[8]。通常一年內(nèi)大氣降水集中在某個(gè)季節(jié)或某些月份，據(jù)此區(qū)分豐水季和枯水季，如果連續(xù)多年礦井涌水量沒(méi)有隨季節(jié)(或月份)有規(guī)律地增減，則說(shuō)明礦井涌水量與大氣降水(或地表水)之間沒(méi)有聯(lián)系。

上述某礦位于我國(guó)西北部地區(qū)，年降水量集中在7 月下旬至9 月上旬。根據(jù)涌水量臺(tái)賬數(shù)據(jù)(剔除2 次突水和2 次放水試驗(yàn)期間涌水量數(shù)據(jù))，按旬繪制礦井涌水量歷時(shí)曲線疊合圖(圖2)，可以看出，雨季礦井涌水量沒(méi)有明顯增加，枯水季涌水量也沒(méi)有明顯減少，多年均如此，說(shuō)明大氣降水對(duì)礦井涌水量沒(méi)有影響。

圖2 某礦井不同年份涌水量(逐旬)歷時(shí)曲線Fig.2 Superposition diagram of water inflow(every ten days) duration curves of a mine in different years

利用礦井涌水量臺(tái)賬數(shù)據(jù)還可以預(yù)測(cè)涌水量、評(píng)價(jià)注漿堵水效果等，限于篇幅不再舉例。

2 含水層水位臺(tái)賬及其數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集與臺(tái)賬建立

1) 數(shù)據(jù)采集

礦井主要含水層有井上或井下水文觀測(cè)孔，地面觀測(cè)孔內(nèi)可安裝NDCS 分布式控制的智能自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，水位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸[9]；井下水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)、GPRS 和GSM 等通信手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[10]。地面觀測(cè)含水層水位埋藏深度，經(jīng)過(guò)孔口高程換算成水位高程；井下觀測(cè)含水層水壓，通過(guò)水位與水壓關(guān)系換算成含水層水位高程。本文推薦，正常情況下，觀測(cè)頻率可設(shè)置為每隔8 h 發(fā)送1 個(gè)水位數(shù)據(jù)(如每天0:00、8:00、16:00 三個(gè)時(shí)間點(diǎn))，這樣便于臺(tái)賬建立、繪制趨勢(shì)線；井下出現(xiàn)水情時(shí)可加密觀測(cè)。

2) 臺(tái)賬建立

含水層水位數(shù)據(jù)臺(tái)賬見(jiàn)表2，臺(tái)賬包括觀測(cè)時(shí)間、水位埋深等，設(shè)置公式自動(dòng)換算成水位高程。單元格內(nèi)設(shè)置公式，求取當(dāng)日3 個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)日水位，用來(lái)繪制水位逐日歷時(shí)曲線；日升降幅度=當(dāng)日平均水位-前日平均水位，差值為正數(shù)代表水位上升，字體設(shè)置為黑色；差值為負(fù)數(shù)代表水位下降，字體設(shè)置為紅色，視覺(jué)上更加直觀。含水層水位日升降數(shù)列可用來(lái)繪制水位日升降條形圖，反映水位變化劇烈程度。觀測(cè)日期必須連續(xù)，當(dāng)儀器出現(xiàn)故障、數(shù)據(jù)有缺失時(shí)，應(yīng)保留空格，否則水位歷時(shí)曲線失真。需要做其他比較性計(jì)算時(shí)，表內(nèi)可隨時(shí)插入行或列。

表2 含水層水位數(shù)據(jù)臺(tái)賬Table 2 Standing book of aquifer water level data

2.2 應(yīng)用舉例

利用含水層水位臺(tái)賬數(shù)據(jù)，通過(guò)繪制各種曲線圖，可判斷含水層間水力聯(lián)系、預(yù)測(cè)突水災(zāi)害、評(píng)價(jià)疏放水效果，可判斷突水水源、補(bǔ)給水源和補(bǔ)給通道等[11]，下文舉例說(shuō)明。

1) 水位歷時(shí)曲線

鼠標(biāo)選取表2 中觀測(cè)日期和平均水位數(shù)據(jù)，電子表格插入功能可自動(dòng)生成水位歷時(shí)曲線。圖3 為某礦直羅組J1觀測(cè)孔自2012 年9 月11 日至2020 年7 月31 日期間的水位歷時(shí)曲線，可以看出，該含水層水位總體呈逐年下降趨勢(shì)；幾次較大的水位波動(dòng)對(duì)應(yīng)著幾次異常水情(突水或放水試驗(yàn)影響)。

圖3 某礦直羅組J1 孔觀測(cè)孔水位歷時(shí)曲線Fig.3 Water level duration curve of observation hole(hole J1) in Zhiluo Formation of a mine

2) 水位日升降幅度條形圖

選擇某礦寶塔山砂巖含水層B1 孔水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說(shuō)明，鼠標(biāo)選取表2 中“觀測(cè)日期”+“水位日升降幅度”數(shù)列，插入水位日升降幅度條形圖(圖4)，水位升降幅度反映了該含水層放水試驗(yàn)的全過(guò)程：2019 年6 月15 日以前水位有微小的升降，總體穩(wěn)定；2019 年8 月25 日至2019 年9 月15 日試放水，水位大幅度下降，最大日降1.2 m；2019 年9 月16 日至2019 年10 月10 日關(guān)閉閥門，水位快速恢復(fù)，最大日升0.7 m；2019 年10 月11 日至2019 年11 月10 日正式放水，水位快速下降，最大日降2.7 m；2019 年11 月11 日以后關(guān)閥結(jié)束放水試驗(yàn)活動(dòng)，水位回升速度由快至慢，最后回到放水試驗(yàn)前的水位變化規(guī)律。水位升降幅度與放水量結(jié)合，可以定性判斷含水層給水能力。

圖4 寶塔山砂巖含水層(B1 孔)水位日升降幅度Fig.4 Daily rise and fall of water level in Baotashan sandstone aquifer(hole B1)

3) 水力聯(lián)系判斷

B-9 孔為白堊系含水層觀測(cè)孔、B-36 孔為三疊系延長(zhǎng)組含水層觀測(cè)孔、B-44 孔為延安組寶塔山砂巖含水層觀測(cè)孔，利用水位臺(tái)賬數(shù)據(jù)繪制這3 個(gè)鉆孔水位疊合曲線。井下對(duì)寶塔山含水層開(kāi)展放水試驗(yàn)期間，白堊系含水層、延長(zhǎng)組含水層水位均隨寶塔山含水層的水位同升同降(圖5)，說(shuō)明這3 個(gè)含水層之間存在緊密的水力聯(lián)系，延長(zhǎng)組含水層與寶塔山含水層之間水力聯(lián)系相對(duì)更加密切。

圖5 某礦多含水層水位歷時(shí)曲線Fig.5 Water level duration curves of aquifers in a mine

3 水質(zhì)數(shù)據(jù)臺(tái)賬及其應(yīng)用

3.1 臺(tái)賬建立

礦井通常經(jīng)歷找煤、普查、詳查、勘探、建設(shè)、生產(chǎn)、補(bǔ)充勘探等多個(gè)階段，積累大量的水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)，水質(zhì)指標(biāo)可達(dá)數(shù)十種，需要建立臺(tái)賬對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，電子表格是首選工具[12]。

表3 為水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)臺(tái)賬的基本形式，每1 份水質(zhì)分析報(bào)告占用一行；行中主要陰、陽(yáng)離子及其他指標(biāo)依次填入表中。同一采樣點(diǎn)或同一含水層多次采樣時(shí)，按時(shí)間先后順序排列，便于上下滾動(dòng)鼠標(biāo)初步了解水質(zhì)隨時(shí)間變化的規(guī)律。不同含水層或不同取樣點(diǎn)的化驗(yàn)數(shù)據(jù)在臺(tái)賬內(nèi)分段存放，也可以按采樣點(diǎn)或含水層分類分別建表。

表3 水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)臺(tái)賬Table 3 Standing book of water quality test data

3.2 應(yīng)用舉例

長(zhǎng)期積累的水化學(xué)數(shù)據(jù)可以用來(lái)確定含水層水化學(xué)類型、判斷含水層之間水力聯(lián)系、判定突水水源等[13]。

1) 補(bǔ)給水源判斷

某礦三采區(qū)13301 工作面突水前，一采區(qū)11305工作面采空區(qū)出水的礦化度穩(wěn)定在4.7 g/L 左右；13301 工作面突水后，11305 工作面采空區(qū)水的礦化度快速降為3.10～3.24 g/L，礦化度歷時(shí)曲線出現(xiàn)明顯的臺(tái)階(圖6)，說(shuō)明三采區(qū)和一采區(qū)之間存在水力聯(lián)系。

圖6 某礦11305 工作面采空區(qū)水礦化度歷時(shí)曲線Fig.6 Mineralization duration curve of goaf water in working face 11305 of a mine

2) 水質(zhì)類型劃分

該礦開(kāi)采山西組3上煤層，主要含水層包括侏羅系砂巖(J3)、煤層頂板砂巖(簡(jiǎn)稱3 砂)、太原組三灰(第三層灰?guī)r)、太原組七灰(第七層灰?guī)r)、奧灰(奧陶系灰?guī)r)等含水層。

根據(jù)臺(tái)賬數(shù)據(jù)，取各含水層各項(xiàng)指標(biāo)的平均值得到各含水層水質(zhì)特征指標(biāo)(表4)，據(jù)此劃分各含水層水質(zhì)類型如下：J3為SO4·CL-Na·Mg 型；3 砂為SO4·CLNa 型；三灰為SO4·CL-Na 型；七灰為SO4-Na 型；奧灰為SO4-Ca·Na 型。

表4 某煤礦主要含水層水質(zhì)特征指標(biāo)Table 4 Characteristics and water quality indexes of main aquifers in a coal mine

4 地層信息

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

地層信息本不屬于防治水臺(tái)賬之一，近年來(lái)，隨著“三圖-雙預(yù)測(cè)”[14]以及“雙圖評(píng)價(jià)”[15]等富水性評(píng)價(jià)技術(shù)的應(yīng)用，地層(巖性)信息與防治水工作愈加緊密相關(guān)，故本文將地層信息單獨(dú)建立臺(tái)賬。

鉆探是獲取地層信息最基本手段，地質(zhì)柱狀圖是重要的勘探成果之一，包含巖性、埋藏深度、富水性等大量信息[16-17]。以鉆孔地層柱狀圖為基礎(chǔ)，將地層信息盡可能全面地錄入Excel 表格內(nèi)形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是后續(xù)評(píng)價(jià)、研究工作的基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表(臺(tái)賬)建立原則如下：

①鉆孔(編號(hào))按行排列，每個(gè)鉆孔占用3 列，分別為巖性、巖層厚度、巖層底板埋深；

② 第1 列為標(biāo)志層，包括含水層、煤層、地層底界等，所有鉆孔同一個(gè)標(biāo)志層保持同行對(duì)齊；

③各鉆孔揭露的標(biāo)志層之間地層層數(shù)不等時(shí)，層數(shù)少的保留空格，確保標(biāo)志層同行對(duì)齊。

建立地層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，礦井所有鉆孔地層信息納入一張電子表格內(nèi)。

表5 地層信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(臺(tái)賬)Table 5 Basic data sheet of the strata information(standing book)

4.2 工作表

工作表是用來(lái)完成專題計(jì)算任務(wù)的表格，根據(jù)工作任務(wù)建立相應(yīng)形式的工作表，以地層信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表為信息源，提取相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過(guò)公式設(shè)置、自動(dòng)計(jì)算得到一組數(shù)據(jù)，用來(lái)繪制專題成果圖[18]。舉例說(shuō)明如下：

1) 底板突水系數(shù)專題圖

工作表第1 列為鉆孔編號(hào)，鉆孔孔口坐標(biāo)(X、Y、Z)占3 列，這是工作表的固定部分；工作表是開(kāi)放性表格，根據(jù)工作任務(wù)，如繪制底板突水系數(shù)專題圖時(shí)，需要從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表內(nèi)提取奧灰頂界埋深、奧灰水位埋深、煤層底板埋深等數(shù)據(jù)。在相應(yīng)單元格內(nèi)設(shè)置公式自動(dòng)計(jì)算出底板隔水層厚度、隔水底板承受的水壓、突水系數(shù)等(表6)。

表6 底板突水系數(shù)專題工作表Table 6 Worksheet of water inrush coefficient

如果水文觀測(cè)孔較少，可利用少量的水位埋深數(shù)據(jù)繪制水位埋深等值線圖，再采用插值法得到其他孔位上的水位埋深。

將計(jì)算得到的突水系數(shù)列表導(dǎo)入繪圖軟件(如Surfer)，即可得到煤層底板突水系數(shù)等值線圖。

2) 砂地比專題圖

砂地比可定性表征地層的富水性[19]。研究煤層頂板富水性的實(shí)質(zhì)是研究導(dǎo)水裂隙帶高度范圍內(nèi)地層的富水性，砂地比可簡(jiǎn)單表述為導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)砂巖累加厚度與導(dǎo)水裂隙帶高度之比。工作表中鉆孔編號(hào)、鉆孔參數(shù)等與表6 相同，根據(jù)綜采支架型號(hào)以及鉆孔揭露的煤層厚度，預(yù)定各孔位上的采高(不是煤層實(shí)際厚度)；在導(dǎo)水裂隙帶高度相應(yīng)的單元格內(nèi)輸入公式自動(dòng)計(jì)算；砂巖層厚度在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中簡(jiǎn)單相加可得；砂地比單元格內(nèi)輸入“=砂巖厚度/導(dǎo)水裂隙帶高度”(表7)。將計(jì)算得到的砂地比數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪圖軟件得到砂地比專題圖。

表7 砂地比專題工作表Table 7 Worksheet of thickness ratio on sandstone to strata

“五圖·雙系數(shù)”[20]中的“五圖”以及“三圖-雙預(yù)測(cè)”中的“三圖”均可以通過(guò)建立相應(yīng)的工作表完成計(jì)算任務(wù)，利用計(jì)算結(jié)果繪制相應(yīng)的專題圖，使日常防治水分析工作更加便捷。

5 結(jié) 論

a.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是煤礦防治水技術(shù)工作的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的收集、整理是一項(xiàng)長(zhǎng)期持續(xù)性工作，大量的數(shù)據(jù)需要一套行之有效的管理方法，采用Microsoft Excel 建立的臺(tái)賬能夠滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)需要，同時(shí)促使數(shù)據(jù)收集更加及時(shí)、規(guī)范。

b.基于Microsoft Excel 建立的涌水量臺(tái)賬、鉆孔(含水層)水位臺(tái)賬等，可以用來(lái)記錄歷史上水文地質(zhì)事件、預(yù)測(cè)涌水量變化趨勢(shì)、判斷井上下水力聯(lián)系，甚至判斷堵水工程效果等。

c.基于Microsoft Excel 建立的水化學(xué)數(shù)據(jù)臺(tái)賬，便于開(kāi)展水質(zhì)分析，確定水質(zhì)類型，評(píng)價(jià)水力聯(lián)系等。

d.基于Microsoft Excel 建立的地層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，將礦井全部鉆孔揭露的地層信息記錄于一張表格內(nèi)，便于查閱；根據(jù)任務(wù)要求建立的工作表靈活多樣，大量計(jì)算過(guò)程可通過(guò)表格自身功能實(shí)現(xiàn)。