煤礦水文智能監(jiān)測系統(tǒng)在底板水害防治中的應(yīng)用

趙 群，汪玉泉，童世杰，趙立松

（1.皖北煤電集團公司 國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

0 引 言

煤礦突水造成人員傷亡、經(jīng)濟損失，破壞礦區(qū)水資源，突水的防范和治理是礦井安全生產(chǎn)需要解決的重大課題。礦井水文監(jiān)測對于煤礦帶壓開采條件下突水防治具有重大意義。通過歷史水位和目前水位，分析含水層中地下水活動是否有異常，結(jié)合水溫、排水量等信息，判定煤礦開采工作面是否有發(fā)生出水的可能。

煤礦水文監(jiān)測，需要實現(xiàn)24 h 全天候監(jiān)測，同時要求監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)信息簡單明了，從而及時掌握水文動態(tài)，達到對水害事故的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)報、早防治等效果。對保障煤礦的安全、正常生產(chǎn)具有重要意義。

1 煤礦水文智能監(jiān)測系統(tǒng)概況

針對煤礦水文監(jiān)測需解決的實時監(jiān)測、直觀顯示等技術(shù)難題，本文設(shè)計研發(fā)了煤礦水文智能監(jiān)測系統(tǒng)，利用計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)解決礦井水害防治問題，集水文數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享、水害預(yù)警、輔助決策于一體，實現(xiàn)對主要含水層水位/水壓和水溫、礦井排水量進行自動測量和記錄。該系統(tǒng)具有以下特點：可實時監(jiān)測、記錄相關(guān)水文參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲、歷史可查，優(yōu)化了傳統(tǒng)系統(tǒng)只能對地下水位進行監(jiān)測的情況；采用軟件自復(fù)位和硬件看門狗技術(shù)，系統(tǒng)在無人值守的情況下能夠自動、可靠地運行；設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)軟件，該軟件對于采集的水文信息采用多種方法，以表格、曲線、報表、圖形等方式實現(xiàn)數(shù)字的動態(tài)顯示和可視化輸出，并可進行相應(yīng)的編輯、打印等操作，方便了用戶的直觀查詢和使用。

2 智能水文監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 水文監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.1 水位監(jiān)測

水位監(jiān)測方式分為兩種，即地面水文觀測孔水位監(jiān)測和井下水文觀測孔的水壓監(jiān)測，井下觀測將孔口高程和水壓換算高程結(jié)合，計算鉆孔實際水位，該計算過程可在系統(tǒng)中自動實現(xiàn)，地面和井下水位采用統(tǒng)一的標準，如圖1 所示。

圖1 井上下水位監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Water level monitoring system in well

該系統(tǒng)由地面設(shè)備和井下設(shè)備兩部分組成，地面部分主要由計算機（工控機）、UPS 電源、打印機、信號避雷器、電源避雷器、傳輸接口等組成。中心站采用現(xiàn)在主流技術(shù)的通用產(chǎn)品，滿足可靠性、可維護性、開放性和可擴展性等要求。井下部分主要由礦用本安型水文分站、礦用本安型水位水溫傳感器、礦用隔爆兼本安不間斷電源、煤礦用聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套通信電纜、本安電路用接線盒等組成。

水位/ 水溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建，系統(tǒng)主要采用樹狀星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，包括監(jiān)測系統(tǒng)主控站、地下水水位/ 水溫分站及配套的傳感器。各主要含水層水位/水溫觀測孔布置滿足《煤礦防治水細則》等相關(guān)規(guī)定，安裝水位/水溫傳感器，實現(xiàn)自動監(jiān)測。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式分為兩種，地面觀測孔數(shù)據(jù)通過GSM/物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測系統(tǒng)主控站；井下觀測孔數(shù)據(jù)通過專用通訊線路，自組無線網(wǎng)或工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)主控站，再通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)布。

為保證水文傳感器測量精度，需對傳感器進行參數(shù)檢驗。用標準測量儀在傳感器量程內(nèi)均勻取5個點（100、200、300、400、500 m）進行檢測，由低到高讀取正行程各檢測點的輸出值，當達到最大值時，保持1 min，然后逐步減至最小值，由高到低讀取反行程各檢測點的輸出值。每點重復(fù)3次，計算每個測點的基本誤差，最后取其最大值為壓力的基本誤差。將傳感器水溫依次設(shè)置為0、15、30、50、70℃，測試傳感器的輸出值，測試3次，取平均值，計算誤差值。

2.1.2 礦井排水量監(jiān)測

礦井排水量監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)采用樹狀星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，井上部分包括監(jiān)測系統(tǒng)主控站，井下部分包括礦用水文分站及相配套的水泵開停傳感器，管道/明渠流量傳感器等，實現(xiàn)礦井涌水量構(gòu)成及涌水量變化自動監(jiān)測，如圖2 所示。

圖2 礦井排水量監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Mine drainage monitoring system

水量傳感器布置位置包括：采區(qū)，水平涌水量和中央水倉水位的自動監(jiān)測；主要涌水點水量的監(jiān)測；泵房排水量的監(jiān)測。

數(shù)據(jù)傳輸方式為礦用水文分站掛接水泵開停傳感器進行數(shù)據(jù)采集，通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)主控站，再通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)布。

系統(tǒng)完成后需要對數(shù)據(jù)有效性進行校正，包括電磁流量通過計算機或傳感器自帶時鐘同步；統(tǒng)計水泵開停時間和人工記錄是否相符；定期調(diào)整系統(tǒng)中水泵的實際功率、效率等數(shù)據(jù)；明渠水量要定期和人工觀測（便攜式流速儀）結(jié)果比對核準，定期清淤。

2.1.3 水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件

設(shè)計的水文監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及報警功能均通過上位軟件進行實現(xiàn)，上位軟件的數(shù)據(jù)顯示區(qū)域主要包括了GSM 模塊的工作狀態(tài)、井下分站工作狀態(tài)、短信和郵件是否開啟報警功能、數(shù)據(jù)共享上傳狀態(tài)、雙機熱備狀態(tài)以及其他各項設(shè)置的簡單通報。數(shù)據(jù)共享處會體現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳狀態(tài)是以何種方式上傳。

雙機熱備份會體現(xiàn)本機級別，當前雙機熱備份的狀態(tài)是否正常和雙機的通訊時間長度。雙機熱備份是為了防止通信主機意外關(guān)閉導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，會根據(jù)本機級別以及對方IP 號、通訊端口號，將數(shù)據(jù)備份在另一臺主機上。在本機級別中填寫主機或者備份機，對方IP 中寫相對機器的IP 地址，通訊端口兩臺機器保持一致。雙機熱備與使用的通訊方式無關(guān)，但主機和備份機需要處于同一網(wǎng)絡(luò)中，僅當主機與備份機之間的通訊故障時，備份機才投入工作。雙機熱備的功能建立在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獨立的基礎(chǔ)上，若系統(tǒng)搭建時主機和備份機擁有獨立的數(shù)據(jù)庫，則備份機工作時段的數(shù)據(jù)全部位于備份機上，主機恢復(fù)正常后需要手工將備份機數(shù)據(jù)導(dǎo)入主機數(shù)據(jù)庫中。在對軟件進行操作前，必須先要進行認證，認證通過后方可進行操作。

2.2 礦井水害微震監(jiān)測系統(tǒng)

煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)主要包括3 個部分，即微震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和基于遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈⒄饠?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。采集分站的監(jiān)測主機和拾震傳感器為系統(tǒng)的主要硬件組成部分，多線程數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)采集軟件、多線程并行微震信號識別軟件、微震數(shù)據(jù)處理軟件、微震三維可視化軟件實現(xiàn)信號采集、處理、顯示，進行微震數(shù)據(jù)解釋。

數(shù)據(jù)實時連續(xù)采集和傳輸，井下光纖直接傳輸至地面交換機，局域網(wǎng)傳輸至微震監(jiān)測監(jiān)控中心，如圖3 所示。數(shù)據(jù)通過采集軟件觸發(fā)微震事件，微震技術(shù)人員處理分析微震事件，與三維模型進行對比，根據(jù)微震事件層位等信息進行實時預(yù)警。

圖3 礦井水害微震系統(tǒng)Fig.3 Mine water damage microseismic system

3 水文智能預(yù)警可行性

3.1 案例1

2020 年3 月29 日至4 月6 日，招賢礦業(yè)1304工作面發(fā)生了“3.29”離層水涌水并攜帶架前斷頂處泥巖進入工作面，實測瞬時最大涌水量為280 m3/h，累計涌水量約16 000 m3。

2020 年4 月22 日，1304 工作面在采取提升排水系統(tǒng)能力等相關(guān)措施后恢復(fù)生產(chǎn)，在不放煤的情況下推進56 m，于5 月6 日再次出水，瞬時最大涌水量260 m3/h，累計涌水量約22 000 m3。2020年7 月1 日推進109 m 時，第三次出水，最大瞬時涌水量420 m3/h。

招賢礦業(yè)1304 工作面3 次離層水涌水災(zāi)害發(fā)生前，洛河組和宜君組含水層地下水位水文長觀孔G3、G4 均出現(xiàn)不同程度下降，如圖4 所示。

圖4 地下水文長觀孔水位歷時曲線Fig.4 Water level duration curve of underground water long observation hole

（1）第一次出水前后水位變化情況。第一次出水前，G3 孔水位在3 月23 日08：00 開始急劇下降，3 月29 日開始出水，出水期間最大日降6.26 m，小時最大降幅0.44 m，4 月10 日開始回升；G4 孔水位在3 月23 日00：00 開始下降，出水期間最大日降7.85 m，小時最大降幅0.39 m，4月3 日水位開始回升。

（2）第二次出水前后水位變化情況。第二次出水前，G3 孔水位在5 月2 日開始下降，5 月6日開始出水，出水期間最大日降0.54 m，小時最大降幅0.04 m，5 月10 日水位開始回升；G4 孔水位在5 月3 日水位開始下降，出水期間最大日降1.7 m，小時最大降幅0.09 m，5 月12 日水位開始回升。

（3）第三次出水前后水位變化情況。第三次出水前，G3 孔水位在6 月30 日01：00 開始下降，7 月1 日開始出水，出水期間最大日降1.49 m，小時最大降幅0.26 m；G4 孔水位在6 月30 日04：00 開始下降，出水期間最大日降6.06 m，小時最大降幅0.29 m，7 月11 日水位開始回升。

通過3 次出水情況分析得出，第一次涌水前6 d 洛河宜君組地下水位開始出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，涌水前3 d 洛河宜君組地下水位開始出現(xiàn)急劇下降趨勢，且在出水結(jié)束一段時間后洛河宜君組地下水位又出現(xiàn)回升趨勢。第二次涌水前水位下降幅度沒有第一次大，但有與工作面涌水時間相吻合的地下水位先下降后上升的變化趨勢。第三次出水時，提前44 h 水位開始下降，出水后10 d 水位上升，符合地下水位先下降后上升的變化趨勢。

3.2 案例2

任樓煤礦針對中六采區(qū)X1 物探異常體共設(shè)計3 個探查鉆孔（FS3-1、FS3-2、FS3-3），在中六采區(qū)避難硐室施工，開孔位置位于82 煤下約44 m，施工過程中鉆孔發(fā)生不同程度出水情況。

FS3-1、FS3-3 孔終孔深度分別為320 m、295 m，終孔層位為太灰頂板，水量分別為0.1 m3/h、0.4 m3/h，水質(zhì)為砂巖裂隙水。

FS3-2 鉆孔終孔深度325 m，終孔層位為太四灰底板。3 月17 日施工至99 m 出水1 m3/h，水質(zhì)為砂巖裂隙水，3 月31 日夜班施工至186.5 m 見“一灰”，187 m 出水，水量8 m3/h。4 月3 日中班施工至325 m 終孔，水量為8 m3/h。在提鉆至孔深182 m 時，出水增大至20 m3/h，等待半小時后繼續(xù)提鉆至孔深95 m 時，出水增大至40 m3/h，水渾濁，水色發(fā)黃，停止提鉆。

礦井太灰、奧灰長觀孔水位自FS3-2 孔出水以來均出現(xiàn)不同程度的連續(xù)下降，如圖5 所示。太灰長觀孔水15 孔自3 月31 日至4 月5 日15 時已下降7.51 m，奧灰長觀孔水6 孔自4 月3 日至4 月5 日15 時已下降1.27 m。

圖5 太灰、奧灰長觀孔水位變化曲線Fig.5 Water level variation curve of Taiyuan Formation limestone and Ordovician limestone long observation hole

3.3 案例3

安徽恒源煤電股份有限公司Ⅱ634 工作面位于Ⅱ63 采區(qū)中部，為該采區(qū)第三個工作面。工作面走向長1 648～1 664 m（至收作線），傾斜長173 m；機巷標高-693.7—-711.9 m，風巷標高-659.7—-746.8 m，切眼標高-711.9—-746.8 m，Ⅱ634 工作面對應(yīng)地表標高為+30.7～+32.4 m。

工作面回采期間采用礦井水害微震技術(shù)進行監(jiān)測，監(jiān)測期間發(fā)現(xiàn)工作面機巷外部存在一個水文地質(zhì)異常1 號區(qū)域，自3 月10 日起，1 號異常區(qū)范圍持續(xù)出現(xiàn)三灰、四灰層位的事件，在工作面采動的過程中，1 號區(qū)域一灰到四灰頂層位微震事件與工作面內(nèi)順一灰到四灰頂層位微震事件逐漸向工作面方向存在著順層導(dǎo)通趨勢，最終與機巷外側(cè)區(qū)域的1 號密集區(qū)域?qū)ā? 月31 日及4 月4 日，6煤底50～75 m 微震事件突增后降低，4 月5 日14：00 至4 月6 日1：00 時，段微震事件增長明顯，礦壓顯現(xiàn)劇烈，當日靠近風巷處工作面底板出現(xiàn)涌水，最大涌水量為12 m3/h。

此3 個案例表明，水位觀測數(shù)據(jù)、微震監(jiān)測數(shù)據(jù)對井下出水過程反映明顯，其異常反應(yīng)均提前于出水過程，只要設(shè)置合理的預(yù)警參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對水害事故的預(yù)警。

4 水文智能綜合預(yù)警技術(shù)

在煤礦水文監(jiān)測系統(tǒng)硬件、軟件基礎(chǔ)上，建立支撐預(yù)警分析的數(shù)據(jù)存儲與運算平臺，以及保障數(shù)據(jù)采集和對外提供信息服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。開發(fā)煤礦防治水監(jiān)控預(yù)警分析系統(tǒng)，融合水文監(jiān)測、微震監(jiān)控等實時數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，建立底板承壓水害預(yù)警分析模型，通過量化分析圖表、報表，多維度立體展示給相關(guān)職能人員，實現(xiàn)在一張圖上集成煤礦水害風險等各類基礎(chǔ)監(jiān)控和業(yè)務(wù)管理功能，達到煤礦水害風險預(yù)警的目的。

4.1 單一水文智能預(yù)警

在系統(tǒng)平臺內(nèi)，根據(jù)水文地質(zhì)分析及歷史數(shù)據(jù)查詢，提前設(shè)置水位、排水量預(yù)警值，在實時監(jiān)測水位、排水量過程中，一旦觸發(fā)預(yù)警值自動進行報警，實現(xiàn)了水文監(jiān)測無人值守、自動報警功能，如圖6 所示。圖6（a）為礦井水位信息，可顯示一段時間內(nèi)平均水位，水位實際變化值一旦超過平均值一定范圍即發(fā)生報警；圖6（b）最下方為實際排水量曲線，上方直線為不同預(yù)警等級值，當實際值超過警戒值時即發(fā)生報警。

圖6 水文數(shù)據(jù)自動報警功能Fig.6 Automatic alarm function of hydrological data

4.2 綜合水文智能預(yù)警

通過工作面回采過程中微震事件演化規(guī)律研究，結(jié)合礦井各個區(qū)域涌水量構(gòu)成、主要含水層水位變化等水文因素進行綜合分析（圖7），實現(xiàn)微震信息與水文、排水量信息結(jié)合的不同級別聯(lián)動預(yù)警，并根據(jù)預(yù)警級別進行有效應(yīng)對，從而建立多個參數(shù)的自動分析、自動報警聯(lián)合處置的礦井水害綜合應(yīng)對體系，達到礦井回采過程中防治水自動監(jiān)控的目的。

圖7 水位、排水量與微震關(guān)系曲線Fig.7 The relationship curve between water level,drainage and microseism

5 結(jié) 語

本文提出并形成了一套適用于井下復(fù)雜環(huán)境的煤礦水文智能監(jiān)測系統(tǒng)，建立了水文和微震監(jiān)測存儲、分析數(shù)據(jù)平臺。該系統(tǒng)實現(xiàn)了多參數(shù)信息的實時監(jiān)測和監(jiān)測信息動態(tài)顯示與可視化輸出，能夠在無人值守的情況下自動、可靠地運行；實現(xiàn)了在常規(guī)水文監(jiān)測基礎(chǔ)上，與礦井水害微震監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的不同級別聯(lián)動預(yù)警功能，在礦井水害自動監(jiān)測預(yù)警方面取得了很好的技術(shù)效果。