復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦地下水監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

王紅梅，董書寧，王鵬翔，王昊星

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

水害是煤礦生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著礦井安全[1]。根據(jù)煤礦安全網(wǎng)發(fā)布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)自2020年至2021年，中國發(fā)生煤礦水害事故11起，最大被困人數(shù)21人，被困人數(shù)大于10人的重大事故達(dá)3起，造成了嚴(yán)重的社會影響[1-3]。礦井水文監(jiān)測和突水災(zāi)害預(yù)警是保障煤礦安全的重要技術(shù)手段[4-8]。當(dāng)前國內(nèi)水害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)主要依據(jù)礦區(qū)滲流場、應(yīng)力場和地電場在礦井水害孕育、發(fā)展和發(fā)生過程中的不同響應(yīng)[9-11]，建立多場耦合的水害監(jiān)測預(yù)警模型[11-14]；采用水文監(jiān)測系統(tǒng)[15-16]、微震監(jiān)測系統(tǒng)[16-17]和電法監(jiān)測系統(tǒng)[18-19]捕捉礦井突水征兆，對可深度學(xué)習(xí)的水害監(jiān)測預(yù)警模型進(jìn)行訓(xùn)練[20]。國內(nèi)學(xué)者對礦井水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)多集中在采用微震監(jiān)測系統(tǒng)捕捉和識別采動過程中形成的頂?shù)装迤茐牧严渡蟍21-23]，然后根據(jù)裂隙發(fā)育的高度、深度和密集程度來判斷突水通道的形成[24]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對礦井突水災(zāi)害的預(yù)測。劉盛東等依據(jù)地電場在采動過程中的變化規(guī)律，試圖建立地電場變化與礦井突水之間關(guān)系[18-25]。突水災(zāi)害的超前預(yù)警就是將水害發(fā)生的征兆在不同領(lǐng)域的反應(yīng)，相互印證，去偽存真，進(jìn)而預(yù)判災(zāi)害發(fā)生的可能性[26-27]。多場多參數(shù)預(yù)警勢必要求大量不同類型數(shù)據(jù)在特定模型內(nèi)進(jìn)行循環(huán)耦合計(jì)算，要求服務(wù)器有巨大的存儲和計(jì)算能力。喬偉等提出基于云服務(wù)的水害智能預(yù)警平臺構(gòu)建[28]。劉棟等將LIF技術(shù)應(yīng)用到煤礦突水預(yù)警中大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度[29]。

當(dāng)前國內(nèi)普遍采用的微震監(jiān)測和電法監(jiān)測是對重點(diǎn)工作面進(jìn)行頂?shù)装逋凰O(jiān)測，傳感器主要埋置在目標(biāo)工作面周邊，捕捉工作面頂?shù)装宀蓜恿严兜陌l(fā)育過程和低阻異常區(qū)的變化規(guī)律。而在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，斷層也是礦井突水的重要通道。當(dāng)斷層受開采擾動活化連通強(qiáng)含水層時(shí)多發(fā)生突水災(zāi)害。采用微震和電法監(jiān)測系統(tǒng)對威脅礦井安全的重要斷層進(jìn)行監(jiān)測，將有效防范礦井的斷層突水災(zāi)害[30]。另外，作為礦井水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)基礎(chǔ)單元的水文監(jiān)測孔，由于建設(shè)成本大，周期長，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量較少，不能滿足水害預(yù)警要求，在煤礦井田內(nèi)實(shí)施一孔雙層監(jiān)測技術(shù)，將大大提高礦井水文監(jiān)測網(wǎng)密度，縮短監(jiān)測孔建設(shè)周期和成本，對礦井水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)有重要的意義。

1 礦井概況

山東某煤礦位于山東省菏澤市，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力190萬t/a。礦井采用直井開拓方式，走向長臂綜采放頂煤采煤方法，開采水平為-845 m，主要開采石炭-二疊系山西組3煤。

礦井主要地層由老到新依次為奧陶系、石炭-二疊系、新近系和第四系。井田中部分布有八里莊正斷層，走向南北，傾向西，傾角70°，落差0～260 m，延展長度為17.0 km。斷層向上切割至新近系底部，下切奧陶系灰?guī)r。

礦井主要含水層包括第四系松散孔隙含水層、新近系砂礫層孔隙含水層、上石盒子組砂巖裂隙含水層(含6層砂巖含水層，自上而下分別命名為M1到M6)、山西組3煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層、太原組三灰?guī)r溶裂隙含水層和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層，如圖1所示，富水性見表1。

礦井生產(chǎn)過程中正常涌水量1 379.1 m3/h，最大涌水量2 024.6 m3/h。主要導(dǎo)水通道包括斷層(八里莊斷層)，頂板導(dǎo)水裂隙帶(實(shí)測86.61 m，裂采比12.7∶1)，底板破壞帶(預(yù)計(jì)為28.7～32.1 m)。直接主要充水含水層為山西組3煤頂?shù)装迳皫r含水層和太原組三灰含水層，間接充水含水層為上石盒子組M6含水層和十下灰含水層，上石盒子組M5和奧灰水是礦井安全生產(chǎn)的主要威脅，礦井生產(chǎn)過程中還面臨斷層水害和老空水害問題，礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

該礦原有水文監(jiān)測孔數(shù)量較少，對上石盒子組M6和十下灰沒有觀測孔，對老空區(qū)積水監(jiān)測數(shù)據(jù)采集自動化程度不高，無法滿足復(fù)雜水文地質(zhì)條件下礦井水害監(jiān)測預(yù)警的要求，急需建設(shè)滿足礦井安全生產(chǎn)，智能化、可視化、多元感知、超前預(yù)警的水文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

2 監(jiān)測預(yù)警方案

根據(jù)上述充水條件分析，確定地下水監(jiān)測以上石盒子組M6、十下灰和三灰為預(yù)警指示層，通過水位監(jiān)測對礦井水害進(jìn)行預(yù)警；在開采帶壓區(qū)采用連續(xù)電法監(jiān)測，結(jié)合水壓、水溫、水質(zhì)變化共同進(jìn)行底板奧灰突水監(jiān)測預(yù)警；采用微震與電法耦合監(jiān)測技術(shù)在礦井大巷過八里莊斷層處對巷道頂?shù)装鍞鄬訋?dǎo)富水性變化和微震事件進(jìn)行監(jiān)測；采用光纖光柵傳感器對巷道過八里莊斷層處底板巖層應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，與微震事件一起作為斷層受采動影響活化、甚至導(dǎo)通奧灰水的預(yù)警判據(jù)。

2.1 地下水監(jiān)測方案

礦井水害監(jiān)測以直接充水含水層為主要觀測層，為礦井正常涌水量預(yù)測提供計(jì)算參數(shù)。以間接充水含水層為監(jiān)測預(yù)警指示層，對礦井安全生產(chǎn)提供超前預(yù)警。同時(shí)，礦井3條大巷均穿過八里莊斷層，巷道過斷層處是一采區(qū)生產(chǎn)的咽喉要道，地下水監(jiān)測還包括對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅的八里莊斷層和已有采空區(qū)積水的監(jiān)測。

2.1.1 上石盒子組底部M6含水層水位

正常情況下上石盒子組M6含水層的水不會進(jìn)入采掘空間，當(dāng)水位異常下降表明觀測孔附近有斷裂構(gòu)造導(dǎo)通該含水層，成為煤層開采補(bǔ)給水源，水位異常上漲表明該含水層受到了上部強(qiáng)含水層補(bǔ)給。

2.1.2 三灰含水層水位

正常情況下三灰含水層水位會隨著開采深度加大，逐步降低，當(dāng)水位異常增高時(shí)，可能是受到底部奧灰強(qiáng)含水層補(bǔ)給。

2.1.3 十下灰含水層水位

正常情況下十下灰含水層水位不會隨著3煤開采而變化，當(dāng)水位波動與奧灰同頻，表明該含水層與奧灰有水力聯(lián)系；當(dāng)水位異常增高，則可能與奧灰含水層之間形成新補(bǔ)給通道，出現(xiàn)奧灰突水征兆。當(dāng)十下灰和三灰先后出現(xiàn)水位異常增高情況，可作為奧灰突水預(yù)警信號。

2.1.4 老空水水溫

山東某礦井田地溫異常，奧灰水水溫明顯高于上部其他含水層，十下灰、三灰或老空出水中摻入奧灰，則勢必引起水溫升高，可將預(yù)警含水層水溫異常作為監(jiān)測奧灰突水的預(yù)警指標(biāo)。

2.1.5 低阻異常區(qū)多頻連續(xù)電法監(jiān)測

對1303工作面實(shí)施多頻連續(xù)電法監(jiān)測，采用2n偽隨機(jī)多頻序列人工場源，通過智能控制軟件控制發(fā)射、接收電極的自動切換和連續(xù)采集，采用擬高斯-牛頓法進(jìn)行測區(qū)三維視電阻率反演，并對反演結(jié)果進(jìn)行四維動態(tài)成像，實(shí)現(xiàn)對底板三灰含水層和十下灰含水層的立體動態(tài)監(jiān)測，以新增低阻異常區(qū)在時(shí)間上的連續(xù)變化結(jié)合十下灰和三灰水位異常，綜合作為底板奧灰突水的預(yù)警判據(jù)。

2.1.6 微震監(jiān)測

對礦井大巷穿八里莊斷層處建立微震監(jiān)測系統(tǒng)，對巷道周圍八里莊斷層應(yīng)力應(yīng)變變化，斷層帶移動以及導(dǎo)富水性變化進(jìn)行立體監(jiān)測，利用走時(shí)和偏振分析聯(lián)合反演定位算法對微震震源實(shí)現(xiàn)高精度定位，從而對突水通道進(jìn)行時(shí)空定位與監(jiān)測，為突水預(yù)警提供導(dǎo)水通道信息。

2.2 一孔雙層監(jiān)測系統(tǒng)

為了節(jié)約成本，提高效率，研發(fā)了基于微膠囊(parcker)技術(shù)的一孔雙層監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括分隔止水裝置和水文監(jiān)測系統(tǒng)，可將已有的單孔單層觀測孔升級為單孔雙層觀測孔，也可在地質(zhì)勘探孔完成勘探任務(wù)后應(yīng)用，改造普通地質(zhì)勘探孔為單孔雙層水文監(jiān)測孔。

2.2.1 技術(shù)原理

在2個擬監(jiān)測含水層中間安裝分隔止水裝置(圖2(a))；采用高壓充水使分隔止水裝置膨脹緊密依附在井壁上(圖2(b))；然后向分隔止水裝置頂部注入水泥漿液，永久性分隔上下2個含水層(圖2(c))，最后向中心測量管內(nèi)外分別下放測量傳感器，實(shí)現(xiàn)一孔2層水文監(jiān)測目的。

2.2.2 安裝方法

由鉆機(jī)連接中心測量管將分隔止水裝置送至孔內(nèi)設(shè)計(jì)深度，用卡盤將中心測量管固定在鉆孔井口套管上，然后由高壓泵向中心測量管內(nèi)注水，高壓水沿中心測量管從分隔止水裝置進(jìn)水口充入橡膠外皮和內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)形成的密閉空間，橡膠外皮膨脹緊密貼在井壁上。繼續(xù)加壓注水，當(dāng)充水壓力達(dá)到設(shè)計(jì)安全壓力值(7 MPa)后，分隔止水裝置底部安全銷切斷，密閉堵頭脫落。中心測量管內(nèi)的水全部流入監(jiān)測孔下部，而進(jìn)入分隔止水裝置內(nèi)的水被逆止閥鎖定，橡膠外皮仍呈膨脹狀態(tài)，分隔止水裝置發(fā)揮作用有效隔離上下部含水層的水力聯(lián)系。

2.3 水害預(yù)警方案

該煤礦主要防治的頂板水害為上石盒子組砂巖裂隙水以及新近系底部含水層水短時(shí)間通過采動導(dǎo)水裂隙、封閉不良鉆孔、斷層等大量進(jìn)入采掘空間造成突水事故。主要防治的底板水害為奧灰水通過封閉不良鉆孔、底板破壞帶以及斷裂構(gòu)造進(jìn)入采掘空間造成突水事故。據(jù)此，采用水位、水壓、低阻異常和微震事件等作為水害預(yù)警指標(biāo)。

2.3.1 上石盒子組M6含水層預(yù)警閾值

上石盒子組M6含水層水位預(yù)警閾值設(shè)定要依據(jù)歷年同期水位值確定，當(dāng)水位值超過歷年同期最高水位后，要分析年度降雨和周邊地區(qū)洪水情況，在排除了區(qū)域降雨或洪流異常補(bǔ)給后，可認(rèn)為上部含水層的水通過非常正常通道進(jìn)入監(jiān)測預(yù)警含水層。礦井存在頂板突水風(fēng)險(xiǎn)，頂板含水層預(yù)警閾值應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)際觀測數(shù)據(jù)定期調(diào)整。

設(shè)定歷史最大日變幅為A，則

當(dāng)日觀測水位Hn-Hn-1=±A，為三級預(yù)警級別。

當(dāng)日觀測水位Hn-Hn-1=±2A，為二級預(yù)警級別。

當(dāng)日觀測水位Hn-Hn-1=±3A，為一級預(yù)警級別。

2.3.2 三灰含水層

三灰含水層為3煤開采底板直接充水含水層，工作面回采前均對三灰水進(jìn)行疏放。根據(jù)該礦歷年對三灰疏放情況，工作面回采前三灰水位低于工作面最低標(biāo)高，即工作面疏放鉆孔孔口無壓力。因此三灰含水層預(yù)警閾值設(shè)定如下。

當(dāng)距離工作面最近的三灰觀測孔水位標(biāo)高大于工作面底板最低標(biāo)高為三級預(yù)警狀態(tài)。

當(dāng)距離工作面最近的三灰觀測孔水位標(biāo)高大于工作面底板最低標(biāo)高50 m以上，為二級預(yù)警狀態(tài)。

當(dāng)距離工作面最近三灰觀測孔水位標(biāo)高持續(xù)上漲大于工作面底板最低標(biāo)高100 m以上，為一級預(yù)警狀態(tài)。

2.3.3 十下灰含水層預(yù)警閾值

根據(jù)十下灰含水層水位變化規(guī)律，設(shè)計(jì)按十下灰含水層頂界面處原始穩(wěn)定水壓在6 MPa以內(nèi)時(shí)，預(yù)警閾值如下。

當(dāng)十下灰含水層水位上升，觀測孔壓力增加0.5 MPa為三級預(yù)警級別。

當(dāng)十下灰含水層水位上升，觀測孔壓力增加1 MPa為二級預(yù)警級別。

當(dāng)十下灰含水層水位上升，觀測孔壓力增大2 MPa為一級預(yù)警級別。

當(dāng)十下灰含水層頂界面處原始水壓力值大于6 MPa時(shí)，需對十下灰含水層進(jìn)行疏水降壓，查明十下灰含水層的可疏降性，并根據(jù)探查結(jié)果設(shè)計(jì)預(yù)警閾值。

2.3.4 老空水監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)定

根據(jù)該礦當(dāng)前老空積水區(qū)空間位置、積水量和危害程度，設(shè)定老空水監(jiān)測預(yù)警閾值如下。

當(dāng)老空積水高度超過密閉墻位置為三級預(yù)警級別。

當(dāng)監(jiān)測水壓超過密閉墻能承受安全水壓值的50%為二級預(yù)警級別。

當(dāng)監(jiān)測水壓超過密閉墻能承受安全水壓值的100%為一級預(yù)警級別。

2.3.5 多頻連續(xù)電法監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)定

通過實(shí)時(shí)多頻連續(xù)電法探測獲取斷層組底板0～190 m深度內(nèi)地層電阻值分布形態(tài)，通過時(shí)間序列上阻值異常區(qū)(“高阻異常和低阻異常”統(tǒng)稱為“阻值異?！?發(fā)展規(guī)律研究潛在導(dǎo)水通道形成的過程，為底板奧灰突水預(yù)警。多頻連續(xù)電法監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)定如下。

工作面回采期間監(jiān)測范圍內(nèi)十下灰含水層頂部隔水層出現(xiàn)新增阻值異常為三級預(yù)警級別。

工作面回采期間監(jiān)測范圍內(nèi)十下灰含水層至三灰含水層之間隔水層由深至淺逐漸出現(xiàn)新增阻值異常區(qū)為二級預(yù)警級別。

工作面回采期間監(jiān)測范圍內(nèi)當(dāng)三灰含水層出現(xiàn)明顯新增阻值異常區(qū)為一級預(yù)警級別。

2.3.6 斷層活化預(yù)警閾值設(shè)定

當(dāng)斷層有活化跡象，則首先出現(xiàn)應(yīng)力集中，相繼出現(xiàn)巖層破裂的微震事件、地電場異常(如破裂電位、滲流電位、多頻電阻率異常)。因此，八里莊斷層處微震電法耦合監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)定如下。

巷道頂?shù)装鍘r層中出現(xiàn)異常應(yīng)力集中為三級預(yù)警級別。

巷道頂?shù)装鍘r層中異常應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)密集的微震、地電事件為二級預(yù)警級別。

巷道頂?shù)装鍘r層中異常應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)密集的微震、地電事件，同時(shí)出現(xiàn)新增阻值異常為一級預(yù)警級別。

2.4 水害預(yù)警分級響應(yīng)

針對系統(tǒng)設(shè)定三級預(yù)警，提出三級應(yīng)急響應(yīng)措施。三級預(yù)警表示礦井水情出現(xiàn)異常，地測部門及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘和原因分析，上報(bào)防治水副總工程師，采取措施排除異常。二級預(yù)警表示礦井水害險(xiǎn)情升級，依靠礦上專業(yè)技術(shù)能力已經(jīng)不能解決。由礦總工程師邀請行業(yè)專家對礦井水害險(xiǎn)情進(jìn)行診斷，制定防治方案，消除險(xiǎn)情。一級預(yù)警表示礦井已出現(xiàn)突水危險(xiǎn)，應(yīng)在警報(bào)發(fā)出后第一時(shí)間停產(chǎn)撤人，并啟動礦井應(yīng)急救援響應(yīng)。

3 基于云平臺的水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)共劃分為4層，如圖3所示，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、系統(tǒng)應(yīng)用層及客戶端訪問層。

1)數(shù)據(jù)采集層。該層由井下各傳感器、人工巡檢系統(tǒng)和監(jiān)控分站組成的安全監(jiān)測系統(tǒng)提供。負(fù)責(zé)采集水害監(jiān)測數(shù)據(jù)，為水害監(jiān)測預(yù)警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)處理層。本層負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲及分析，運(yùn)算平臺的建立，信息的轉(zhuǎn)存與發(fā)布，應(yīng)用服務(wù)。水文監(jiān)測數(shù)據(jù)及架構(gòu)上層各模塊的計(jì)算數(shù)據(jù)資源均存儲在本層的虛擬資源池中，通過虛擬化手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用的算法調(diào)度與資源調(diào)度。

圖3 云平臺架構(gòu)Fig.3 Cloud platform architecture

3)系統(tǒng)應(yīng)用層。本層對應(yīng)于云計(jì)算的最高層服務(wù)模式SaaS，主要功能為數(shù)據(jù)處理應(yīng)用、水害預(yù)警應(yīng)用、數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用、水害預(yù)警信息顯示、水害預(yù)警信息查詢及用戶信息管理等。本層主要運(yùn)用云計(jì)算強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘分析運(yùn)算能力，對水文監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)中找到和當(dāng)前實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)相匹配的數(shù)據(jù)模型，判斷當(dāng)前井下水情異常情況并及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息。

4)客戶端訪問。本層為煤礦安全管理人員提供水文預(yù)警信息服務(wù)。可以通過瀏覽器和手機(jī)APP的方式訪問云數(shù)據(jù)中心的Web服務(wù)器，獲取礦井水害監(jiān)測預(yù)警信息。

3.2 系統(tǒng)功能

在云平臺中，系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，對水害監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警處理，最終提供水害預(yù)警信息。綜合來看，系統(tǒng)主要功能包括。

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)水害監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)上傳到集團(tuán)云計(jì)算數(shù)據(jù)服務(wù)中心。

3.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)集成管理

采用數(shù)據(jù)樣本分析工具對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算監(jiān)測數(shù)據(jù)的基本特征參數(shù)，與歷史同期水害監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析。

3.2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警分析

以云計(jì)算虛擬機(jī)為平臺，調(diào)用實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)行水害預(yù)警計(jì)算。通過管理人員對預(yù)警結(jié)果可靠性的反饋，及時(shí)校正和更新預(yù)警分析模型，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)警閾值的自動計(jì)算及校正。

3.2.4 預(yù)警發(fā)布

通過電腦、筆記本、智能手機(jī)等方式將水害預(yù)警結(jié)果及時(shí)發(fā)布，出現(xiàn)險(xiǎn)情后，現(xiàn)場工作人員也可及時(shí)查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)，對礦井水文地質(zhì)異常及時(shí)進(jìn)行處置。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.3.1 監(jiān)測方案

根據(jù)山東某煤礦水害類型及井下開采情況，地下水動態(tài)監(jiān)測共包括井上下各類水位水壓觀測點(diǎn)12個、氣象分站1臺、管道流量監(jiān)測點(diǎn)8個、明渠流量監(jiān)測點(diǎn)3個、老空水監(jiān)測點(diǎn)2個。監(jiān)測對象包含井田內(nèi)地表降雨量、礦井排水量、采區(qū)排水量、老空區(qū)水壓和工作面涌水量，還有電法監(jiān)測20點(diǎn)和微震監(jiān)測7點(diǎn)。

1)一孔雙層水位監(jiān)測。綜合考慮地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探和水文監(jiān)測等多項(xiàng)任務(wù)，利用BSD6孔承擔(dān)新近系底部和奧灰2個含水層監(jiān)測任務(wù)。利用BSD9孔承擔(dān)新近系底部與石盒子組下段砂巖2個層位的監(jiān)測任務(wù)。BSD6和BSD9孔為三路套管四級變徑的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，一孔雙層監(jiān)測系統(tǒng)安裝只要求第2路φ191 mm套管止水封閉至第1路φ219 mm花管下部，并在此處設(shè)置反向接頭。鉆孔勘探任務(wù)結(jié)束后，將φ191 mm套管反向旋轉(zhuǎn)，拆除新近系含水層底部以上二路套管，形成同時(shí)開放2個目標(biāo)含水層的監(jiān)測孔。

2)多頻連續(xù)電法監(jiān)測。對工作面順槽揭露的yf16，yf17，yf18和yf19斷層組，采用多頻電法監(jiān)測，及時(shí)掌握斷層組附近底板巖層中新增低阻異常區(qū)的發(fā)展和變化，起到底板奧灰突水監(jiān)測預(yù)警的目的。巷道電極布置：在1303工作面yf19斷層兩側(cè)巷道中每隔20 m布置一個電極，電極道數(shù)20道，監(jiān)測覆蓋380 m，最大監(jiān)測深度190 m。如圖4所示。

圖4 連續(xù)電法監(jiān)測電極布置Fig.4 Electrode arrangement for continuous electrical monitoring

3)微震與電法耦合、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。在軌道石門聯(lián)絡(luò)巷分3個方向施工穿過八里莊斷層的鉆孔WJC1，WJC2和WJC3。WJC1鉆孔上仰施工至八里莊斷層?xùn)|盤上石盒子組底部以上20 m，WJC2和WJC3下傾施工至八里莊斷層?xùn)|盤三灰。每個鉆孔預(yù)計(jì)深度150 m，設(shè)計(jì)每10 m安裝一個電極，再隔10 m安裝一個微震傳感器，單孔安裝電極7道，微震傳感器7個。電極和傳感器的安裝位置和數(shù)量可根據(jù)實(shí)際鉆孔揭露巖層層位調(diào)整和適當(dāng)加密。監(jiān)測鉆孔及測點(diǎn)位置如圖5所示，同時(shí)在WJC2和WJC3鉆孔孔深20 m處安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，監(jiān)測八里莊斷層上盤巖層應(yīng)力集中情況。

圖5 大巷過八里莊斷層處微震與電法耦合監(jiān)測Fig.5 Coupled monitoring of microseismic and electrical method at Balizhuang fault

3.3.2 一孔多層監(jiān)測效果

BSD6，BSD9孔同時(shí)承擔(dān)了新近系底部、上石盒子組M6和奧灰共3個含水層的4個點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)。對比監(jiān)測含水層水位變化數(shù)據(jù)，被同一個孔監(jiān)測的2個含水層水位相差較大，水位變化趨勢明顯不同，無相互串層影響。各點(diǎn)水位歷時(shí)曲線，如圖6所示。

圖6 雙層監(jiān)測含水層水位歷時(shí)曲線Fig.6 Water level duration curves of main aquifers

3.3.3 預(yù)警閾值設(shè)定

雙層監(jiān)測孔中，BDS9孔監(jiān)測的上石盒組M6為頂板水害預(yù)警層。根據(jù)預(yù)警閾值設(shè)定方法，上石盒子組M6水位上漲預(yù)示著存在頂板突水險(xiǎn)情。

2020年3月至2020年6月，BSD9孔水位持續(xù)下降10.65 m。觀測期間水位最大日變幅為4.36 m初步設(shè)定BSD9孔監(jiān)測三級預(yù)警閾值為水位日變幅5 m，二級預(yù)警閾值為水位日變幅10 m，一級預(yù)警閾值為水位日變幅15 m。后期隨監(jiān)測時(shí)間的增長和樣本空間的增大，按此法設(shè)定的預(yù)警閾值將更加準(zhǔn)確。

3.3.4 系統(tǒng)運(yùn)行

山東某煤礦水害特點(diǎn)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，采用JAVASCRIPT+PHP+MYSQL與DSI離散光滑插值算法、克里金插值算法、多參數(shù)聯(lián)動計(jì)算和預(yù)警判別方法。軟件構(gòu)建的靜態(tài)可視化模型展示工作面推采過程中水壓、水溫、應(yīng)力-應(yīng)變、視電阻率、等動態(tài)信息，在礦區(qū)采掘圖上實(shí)現(xiàn)地下水實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警。監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新和預(yù)警響應(yīng)時(shí)間小于10 s。為了便于操作應(yīng)用和快速獲知主要數(shù)據(jù)信息，專門開展了操作界面、功能流程、手機(jī)App客戶端等的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)界面門戶、主要數(shù)據(jù)展示、報(bào)警響應(yīng)的個性化定制，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的收集、存儲、統(tǒng)計(jì)、分析等智能化操作。

1)監(jiān)測點(diǎn)形象動態(tài)預(yù)警。根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)水文地質(zhì)類型，將監(jiān)測點(diǎn)定義為頂板水、底板水、老空水和斷層水4種類型，分別用不同圖標(biāo)標(biāo)識在礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的相應(yīng)位置。正常情況下監(jiān)測點(diǎn)為小圖標(biāo)靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)鼠標(biāo)輕觸該點(diǎn)圖標(biāo)時(shí)，會在圖標(biāo)旁邊顯示該點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。當(dāng)測點(diǎn)監(jiān)測值超過預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光警報(bào)，相應(yīng)客戶端該監(jiān)測點(diǎn)大圖標(biāo)自動彈出，并不停閃爍，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)形象位置Fig.7 Image position of the monitoring points

2)監(jiān)測報(bào)表多元信息輸出。系統(tǒng)內(nèi)每個監(jiān)測點(diǎn)基礎(chǔ)信息單元中提前內(nèi)置監(jiān)測點(diǎn)位置、鉆孔深度、鉆孔傾角和揭露地層等信息。后期系統(tǒng)中查看任意一點(diǎn)的水文監(jiān)測報(bào)告，都會輸出包括位置、狀態(tài)、水位變化和地層信息的綜合性報(bào)表，如圖8所示。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)多元信息報(bào)表Fig.8 Multivariate information report of monitoring points

3)監(jiān)測點(diǎn)信息隨心查詢?？蓪θ我槐O(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行不同時(shí)間區(qū)間的水位歷時(shí)曲線查詢，自動統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)水位最大值、最小值及平均值。可進(jìn)行多個測點(diǎn)相同時(shí)間區(qū)間的水位歷時(shí)曲線對比查詢，可根據(jù)需求任意調(diào)整曲線顯示精度，如圖9所示。

圖9 多測點(diǎn)水位歷史曲線同屏展示Fig.9 Historical curves of water level at multiple monitoring points on the same screen

4 結(jié) 論

1)提出基于礦井主要水害特征的、多元監(jiān)測技術(shù)相互融合的、“點(diǎn)-面-體”一體化的全空間全過程地下水智能監(jiān)測方法，選用水位、水壓、低阻異常和微震事件等作為水害預(yù)警指標(biāo)，給出了預(yù)警閾值的確定方法。

2)研發(fā)基于微膠囊(parcker)技術(shù)的一孔雙層監(jiān)測技術(shù)與裝置，采用本技術(shù)與裝置可將已有單孔單層觀測孔升級為單孔雙層觀測孔，也可在地質(zhì)勘探孔完成勘探任務(wù)后應(yīng)用，將普通地質(zhì)勘探孔改造為單孔雙層水文監(jiān)測孔。

3)構(gòu)建基于JAVASCRIPT+PHP+MYSQL與DSI離散光滑插值算法、克里金插值算法、多參數(shù)聯(lián)動計(jì)算和預(yù)警判別方法的水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)云平臺，實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動態(tài)采集、分析、預(yù)警和發(fā)布，為礦井水害防治提供了科學(xué)依據(jù)。