礦井老空水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立研究

吳銘渝 曾旺

作者簡(jiǎn)介：吳銘渝（1997-），女，福建泉州人，碩士，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），研究方向：安全科學(xué)與工程;曾旺（1968-），男，湖南益陽(yáng)人，中國(guó)冶金地質(zhì)總局中南局安全生產(chǎn)處處長(zhǎng)，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：安全生產(chǎn)管理與巖土施工。

摘 要：老空水是礦井水災(zāi)事故的最主要原因之一。對(duì)老空水的補(bǔ)徑排條件和危害進(jìn)行研究，選取監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法，通過(guò)建立老空水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)采空區(qū)內(nèi)積水實(shí)現(xiàn)較好的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)捕捉突水發(fā)生的前兆信息，從而最大限度地避免老空水害的發(fā)生，保證礦井的開(kāi)采安全。

關(guān)鍵詞：礦井;老空水;監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.11.089

老空水是指在被廢棄礦井和采煤空間中的積水，因礦井已停止開(kāi)采，這部分積水無(wú)法自動(dòng)排出，只能聚集在采空區(qū)內(nèi)。老空水是礦區(qū)淺部采礦常見(jiàn)的充水水源，是透水事故發(fā)生、威脅礦井安全生產(chǎn)的主要原因之一，占近年來(lái)我國(guó)較大水害事故起數(shù)和死亡人數(shù)比例80%以上。建立針對(duì)老空水的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工作面巷道老空水分布情況，對(duì)老空水害的預(yù)警與防治有重要意義。

1 老空水的補(bǔ)徑排與危害

老空水的補(bǔ)給可來(lái)自于大氣降水直接滲漏灌滿，也可來(lái)自于地下水，地下水類型如砂巖水、斷層水等，通過(guò)巷道直接溝通或采動(dòng)裂隙帶、導(dǎo)水?dāng)鄬?、裂隙等通道，長(zhǎng)期滲透積累或巖溶淹沒(méi)，或通過(guò)相互連通的相鄰采空區(qū)溝通。因其存在于廢棄的采礦空間內(nèi)，不具備自動(dòng)排出的能力，需要人工疏干。老空積水多分布于礦體淺埋處，開(kāi)采深度大多數(shù)為100m上下，個(gè)別可達(dá)200m。

老空水害是礦井水害事故的主要類型，尤其在一些開(kāi)采歷史較久遠(yuǎn)的礦區(qū)是不可輕視的充水水源。當(dāng)工作面接近采空區(qū)，老空水可能以潰入、滲水、滴水的方式進(jìn)入礦井。如陽(yáng)新縣鵬凌礦業(yè)有限公司趙家灣銅礦（一礦帶），1998年以前曾有數(shù)家業(yè)主在-135m中段以上對(duì)Ⅰ號(hào)礦體開(kāi)采，共開(kāi)拓了8條斜井，采空區(qū)體積約99500m3。在開(kāi)采-225m、-265m、-305m、-345m中段時(shí)，由于-193m中段已經(jīng)開(kāi)采完的Ⅳ號(hào)采空區(qū)未疏干的積水存在較高的地下水壓，于2004年6月16日在-193m中段水平巷道滲水點(diǎn)發(fā)生了重大突水事故。本次突水造成了11人死亡，為重大惡性事故，并導(dǎo)致礦山至今處于淹沒(méi)狀態(tài)。老空水害的主要特點(diǎn)有：

（1）具有分布復(fù)雜性，在礦層本身分布不規(guī)律和外應(yīng)力的作用下，采空區(qū)的空間分布難以判斷，老空水的邊緣、積水形狀也難以判斷，其分布分散、孤立、隱蔽。

（2）具有水體復(fù)雜性，一些特殊地巖石如沉凝灰?guī)r、遇水會(huì)膨脹或軟化的粘土巖、遇水會(huì)崩解的泥質(zhì)砂巖等，都會(huì)讓積水體內(nèi)沉淀多種泥沙和巖塊，導(dǎo)致積水情況復(fù)雜。由于采空區(qū)中煤層及頂?shù)装鍘r層中黃鐵礦的氧化作用，老空水可以成為酸性較強(qiáng)的積水，在突水時(shí)有時(shí)會(huì)同時(shí)伴隨有毒有害氣體H2S、CO2、CH4逸出，水的酸性對(duì)井下金屬設(shè)施同樣有腐蝕作用。

（3）具有空間動(dòng)態(tài)性，以靜儲(chǔ)量如為主、動(dòng)水補(bǔ)給為輔，總水量有限。

（4）具有突發(fā)性，一旦采掘工程意外接近或揭露采空區(qū)，水體導(dǎo)通，就會(huì)發(fā)生突水，水量集中且水勢(shì)兇猛。若老空水與其他水體無(wú)水力聯(lián)系，涌水量雖然很大，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，容易疏干;若與其他水體有水力聯(lián)系，可形成量大而穩(wěn)定的涌水量，對(duì)礦山生產(chǎn)危害甚大。如當(dāng)?shù)乇斫邓蓪?duì)老空水形成直接補(bǔ)給時(shí)，降水通過(guò)采空區(qū)下滲至礦井，涌水量會(huì)迅速增大，造成淹井事故發(fā)生。

2 老空水的監(jiān)測(cè)指標(biāo)選取

2.1 水位、水壓、水量

水位和水壓是在礦井監(jiān)測(cè)體系中廣泛選用的指標(biāo)，便于測(cè)量監(jiān)控，且在預(yù)測(cè)突水的可能性研究中有很好的可靠性。正常情況下，地下水的動(dòng)態(tài)變化相對(duì)穩(wěn)定;而一旦水力聯(lián)系發(fā)生改變，突水位置附近同一含水層或存在聯(lián)系的相鄰含水層的水位、水壓及水量方面會(huì)發(fā)生變化，水位逐步上升或下降，而水壓明顯減少時(shí)涌水量會(huì)明顯增大，反之亦然。采空區(qū)的積水通過(guò)裂隙或斷層等通道進(jìn)入礦井或突入隔水層時(shí)，其水位、水壓和水量會(huì)有所反映，預(yù)示有發(fā)生突水的可能性。同時(shí)，對(duì)水量的監(jiān)測(cè)也有助于明確本采空區(qū)內(nèi)的水量多少，在后期進(jìn)行老空水探放時(shí)做好準(zhǔn)備。

2.2 水溫

在礦井向深處開(kāi)采過(guò)程中，不同深度、不同水源補(bǔ)給條件、不同含水層的水溫都有著差異。地下水向工作面滲透時(shí)，圍巖的溫度也會(huì)受到影響。但當(dāng)含水層距離礦層較近時(shí)，該含水層的水溫與礦井正常涌水的水溫較接近，用以判斷突水的準(zhǔn)確性較低，不如水位和水量來(lái)得精準(zhǔn)。當(dāng)采空區(qū)積水受到充水水源補(bǔ)給，其溫度可能會(huì)出現(xiàn)較明顯的變化，對(duì)水溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解老空水的補(bǔ)給變化情況。

2.3 水化學(xué)指標(biāo)

不同地層深度的水文化學(xué)環(huán)境大不相同，發(fā)生在不同地層的水巖相互作用也大不相同。地下水的水化學(xué)成分往往呈現(xiàn)出明顯的水平或垂直分帶分布特征，由于隔水層的存在，礦井中各含水層的水化學(xué)特征也往往有獨(dú)立性。常用的水化學(xué)指標(biāo)有離子成分、TDS與硬度和pH數(shù)值，此處選用離子成分和pH數(shù)值作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

（1）離子濃度。地下水中溶解有氣體、各類常見(jiàn)元素和微量元素的離子，一般分布含量最多的離子成分包括Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。而不同地層地下水的由于各地水文地質(zhì)條件的區(qū)別，在選用水化學(xué)的離子指標(biāo)時(shí)應(yīng)先進(jìn)行有效性驗(yàn)證，對(duì)礦區(qū)的水樣取樣后統(tǒng)計(jì)水樣中各離子濃度的數(shù)據(jù)，判斷哪個(gè)離子的區(qū)分性、有效性好，且易于驗(yàn)證分析，作為老空水監(jiān)測(cè)體系的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

（2）pH。不同含水層的pH存在一定差異，但這種差異不具有區(qū)分度，難以量化，在以往的礦井地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中很少作為指標(biāo)之一。但老空水的pH值和其他含水層的pH值差異較大，如羅立平在分析淮南煤田新區(qū)和老區(qū)的老空水水化學(xué)特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)老空水因充水水源與其他含水層不同，pH值有著較明顯的區(qū)別。因此，當(dāng)前期調(diào)查表明老空水和其他含水層的pH區(qū)別較大，pH可以作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，根據(jù)這個(gè)差異對(duì)老空水進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.4 巖石力學(xué)指標(biāo)

采空區(qū)突水發(fā)生的主要原因是動(dòng)力影響，在突水事件發(fā)生前，周圍巖體因外力施加而失穩(wěn)或裂隙發(fā)育成導(dǎo)水通道，都會(huì)出現(xiàn)破裂、運(yùn)動(dòng)和微震的現(xiàn)象。通過(guò)監(jiān)測(cè)巖體的巖石力學(xué)指標(biāo)，可以及時(shí)捕捉到突水發(fā)生的前兆信息，從而做好預(yù)警和防護(hù)工作。常見(jiàn)的巖石力學(xué)指標(biāo)有應(yīng)力、巖層位移和微震，此處選用應(yīng)力和微震作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

（1）應(yīng)力。

應(yīng)力的集中與釋放會(huì)影響巖層的穩(wěn)定性，而應(yīng)力、應(yīng)變也能夠反應(yīng)巖層的破壞程度。當(dāng)巖層的破壞程度越大，造成的裂隙越多，可形成的導(dǎo)水通道也越多，從而更容易導(dǎo)致突水的發(fā)生。在突水即將發(fā)生前，巖石的應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)發(fā)生突變，即應(yīng)力達(dá)到峰值。應(yīng)力的變化明顯且易于監(jiān)測(cè)捕捉，是礦井突水監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效指標(biāo)。

（2）微震。

當(dāng)巖體被外力破壞時(shí)，會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中和能量累積。能量積累到極限就會(huì)以波的形式釋放出來(lái)，引起巖體震動(dòng)。多項(xiàng)研究表明，采動(dòng)應(yīng)力和地下水的共同作用會(huì)引發(fā)微震。而涌水量的增大往往也伴隨微震事件數(shù)量和微震能量釋放變化幅度的增大。在監(jiān)測(cè)微震活動(dòng)后，采用巖層應(yīng)力理論和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的分析方法對(duì)巖體微震的活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，計(jì)算微震事件的能量和頻次曲線，得到能量釋放率ξ和能量密度ε。能量釋放率可以作為分析微震活動(dòng)強(qiáng)度發(fā)展變化的依據(jù)，當(dāng)能量釋放的頻率高且密集時(shí)，就極有可能發(fā)生突水;而能量密度可以作為量化微震活動(dòng)強(qiáng)弱程度的依據(jù)。

3 老空水的監(jiān)測(cè)方法

3.1 傳感器監(jiān)測(cè)法

傳感器目前廣泛應(yīng)用于礦山地下水的水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)中，經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)換代，如今的傳感器具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、可靠性優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)，防水、抗腐蝕、抗干擾能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)各種各樣的水文監(jiān)測(cè)環(huán)境。在井下采空區(qū)、富水層等位置布置水位、水溫、應(yīng)力應(yīng)變傳感器，可以對(duì)老空水的水位、水溫、應(yīng)力應(yīng)變實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè);布置水質(zhì)傳感器，經(jīng)離子分析儀快速測(cè)定離子指標(biāo)與pH數(shù)值。傳感器在自動(dòng)采集數(shù)據(jù)后，存儲(chǔ)、傳輸至監(jiān)測(cè)中心，便于統(tǒng)計(jì)分析。針對(duì)各種傳感器品種多樣導(dǎo)致的通信協(xié)議不規(guī)范、不兼容、難以集中管理的問(wèn)題，可以采用技術(shù)手段將傳感器系統(tǒng)與局域網(wǎng)絡(luò)集成，如黑龍江某礦使用光纖傳感的技術(shù)手段集成傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以光纖通信技術(shù)為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)老空水的遠(yuǎn)距離、大容量、多通道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 物探法

物探法在礦山地下水探測(cè)中應(yīng)用較廣，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和工作效率。傳統(tǒng)的物探法包括激電法、放射法、核磁共振法等，這些方法將探尋地下礦物的方法用于地下水監(jiān)測(cè)勘測(cè)，需要經(jīng)過(guò)對(duì)物探曲線的詳細(xì)分析和結(jié)合現(xiàn)代信息傳感、信號(hào)處理技術(shù)，才能解決物探儀器觀測(cè)結(jié)果多解的困難。以下介紹兩種已應(yīng)用于老空水監(jiān)測(cè)的物探方法：

（1）地下磁流體法利用天然的大地電磁場(chǎng)為探測(cè)源，依靠不同地層對(duì)電磁波的不同耦合特征，來(lái)進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造判斷。地下磁流體法所得到的電磁波信息具有唯一性，即對(duì)地下水和采空區(qū)有唯一識(shí)別功能，可以對(duì)采空區(qū)的所處位置以及是否塌陷、是否存在積水進(jìn)行判斷，并大致估算老空水的水量。該方法具有深度大、周期短、效率高、精確度高、安全性高、成本低的特點(diǎn)，可以在地面直接進(jìn)行。岳金華使用該法對(duì)礦井進(jìn)行水害監(jiān)測(cè)，在采礦過(guò)程中對(duì)老空水害實(shí)施監(jiān)測(cè)，大大減少了傳統(tǒng)物探方法需要的人力物力，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做好水害預(yù)警。

（2）礦井并行電法技術(shù)屬于激電法的一種，以巖體介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)，通過(guò)天然存在或人工建立條件下電場(chǎng)的分布來(lái)研究礦井地質(zhì)構(gòu)造。當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造發(fā)生變化，介質(zhì)的電性也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)電性的分析，可以推測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造特征、富水性等情況，從而推斷出礦下哪處區(qū)域存在已采掘的舊巷和空洞、存在老空水。該技術(shù)方法自動(dòng)化程度和施工效率高，由于采用并行采集技術(shù)，保證各電極點(diǎn)在電廠環(huán)境完全相同的情況下采集數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的電法技術(shù)提高了信號(hào)保真度和地質(zhì)情況分辨能力?；糁菅厦旱V采用該法通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)井下施工巷道跟蹤探測(cè)，采集數(shù)據(jù)后分析，最終預(yù)測(cè)巷道前方和頂、底板的地質(zhì)構(gòu)造及富水情況，一旦出現(xiàn)老空水水害變化，及時(shí)向檢測(cè)人員發(fā)送結(jié)果信息，做出對(duì)策。

3.3 微震電磁耦合監(jiān)測(cè)法

微震電磁耦合技術(shù)對(duì)巖體的微震活動(dòng)和因震動(dòng)造成水體變化時(shí)而產(chǎn)生的電磁脈沖信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合微震與電磁波變化，監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)巖層的影響。該方法在井下采空區(qū)布置探頭，實(shí)時(shí)采集微震與電磁數(shù)據(jù)，采用微震能量、頻次分析的方法分析是否有微震異常，若發(fā)現(xiàn)有異?；顒?dòng)，便對(duì)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)得到的能量、頻次和能量釋放率ξ、能量密度ε結(jié)合分析，研究微震活動(dòng)性的發(fā)展變化，綜合微震狀況與實(shí)際水位地質(zhì)條件，分析突水發(fā)生的原因和可能性，以便采取有效措施解決問(wèn)題。

4 老空水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

老空水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能對(duì)當(dāng)前礦井采空區(qū)內(nèi)的水壓、水位、水溫、水量、水化學(xué)指標(biāo)和巖石力學(xué)指標(biāo)動(dòng)態(tài)的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，為老空水害的預(yù)警和防治工作提供可靠的依據(jù)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

系統(tǒng)由主站及若干井下分站構(gòu)成。主站位于地面的監(jiān)控中心，可直接將井下監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，并通過(guò)中心計(jì)算機(jī)處理、分析數(shù)據(jù)，采用圖形化的表現(xiàn)形式將數(shù)據(jù)整合展示，便于用戶分析研究。數(shù)據(jù)經(jīng)處理，主站將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)器，由數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行保存。根據(jù)需要生成相關(guān)的年月日?qǐng)?bào)表、數(shù)據(jù)曲線，進(jìn)行水文地質(zhì)數(shù)據(jù)資料管理及打印輸出結(jié)果，方便歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比研究。用戶在主站設(shè)置監(jiān)測(cè)閾值條件，控制數(shù)據(jù)采集，可以選定任意觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。若監(jiān)控的區(qū)域狀況達(dá)到設(shè)置的閾值條件，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)向預(yù)先指定的客戶端發(fā)送報(bào)警信息。

子站按照礦井實(shí)際情況設(shè)置在井下采空區(qū)。在井下布置傳感器、離子快速分析儀、探針探頭等信號(hào)探測(cè)設(shè)備，子站的探測(cè)裝置負(fù)責(zé)接收探測(cè)得到的信息，既可將信息通過(guò)井下通信線路、光線線路、通訊模塊在光電信號(hào)轉(zhuǎn)換后發(fā)送至主站，也可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線電纜與其他探測(cè)裝置連接。地面監(jiān)控中心則通過(guò)遠(yuǎn)程有線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)井下子站進(jìn)行有效控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

老空水害作為威脅礦井安全生產(chǎn)的重要因素之一，一直是礦井水害預(yù)警和防治的重點(diǎn)。通過(guò)研究老空水的補(bǔ)徑排條件與危害，抓住老空水的特點(diǎn)，正確選取監(jiān)測(cè)指標(biāo)和方法，建立老空水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)采空區(qū)內(nèi)積水實(shí)現(xiàn)較好的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)捕捉突水發(fā)生的前兆信息，從而最大限度地避免老空水害的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]郭彥華.老空水水害事故原因分析及防治措施研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（10）：141-144+1.

[2]王革純.復(fù)雜環(huán)境下采動(dòng)影響導(dǎo)致老空突水案例分析[J].煤炭與化工，2021.44（02）：24-26+30.

[3]王鑫.礦井突水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警的理論研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2020：125.

[4]羅立平.礦井老空水形成機(jī)制與防水煤柱留設(shè)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2010.

[5]畢可仁.黑龍江煤礦安全隱患全覆蓋光纖監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)探討[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2019，（01）：85+108.

[6]岳金華.礦井水害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2014，21（06）：153-154.

[7]武曉劍.薛虎溝煤礦2-105工作面老空水預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].能源技術(shù)與管理，2017，42（04）：174-175.

[8]竇林名，何江，鞏思園，等.采空區(qū)突水動(dòng)力災(zāi)害的微震監(jiān)測(cè)案例研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（01）：20-25.