煤礦地下積水采空區(qū)擋水煤柱分級(jí)預(yù)警模型研究

王 健 ，屈世甲 ，于世雷

（1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

2021 年，全國(guó)原煤產(chǎn)量約41.3 億t，煤炭消費(fèi)量占能源消耗總量比重下降至56%，依然是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源[1]。持續(xù)高效的煤炭開(kāi)采活動(dòng)已嚴(yán)重破壞礦區(qū)地下原始巖層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致礦井涌水量快速增大，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2014 年至2019 年期間，我國(guó)因采掘煤炭產(chǎn)生的礦井總水量達(dá)288.09 億m3，但大部分直接外排至地面，造成大量水資源流失和浪費(fèi)[2-3]。

煤礦地下水庫(kù)的建設(shè)和實(shí)施為利用礦井地下水資源提供了技術(shù)手段。通過(guò)煤礦開(kāi)采過(guò)程中遺留的保護(hù)煤柱及人工建設(shè)的防水密閉，圍繞采空區(qū)建設(shè)封閉儲(chǔ)水區(qū)域，避免直接外排至地面所造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染；同時(shí)很大程度上為礦區(qū)工業(yè)用水和生活用水提供了保障[4-6]。因此煤礦積水采空區(qū)安全運(yùn)行的穩(wěn)定性對(duì)煤礦正常生產(chǎn)至關(guān)重要，而擋水煤柱本身的多孔及松散特性，其內(nèi)部水流滲透及受力情況更是地下積水采空區(qū)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域[7-8]。

針對(duì)上述重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和煤礦企業(yè)技術(shù)人員對(duì)擋水煤柱通過(guò)數(shù)值模擬、相似物理實(shí)驗(yàn)及理論分析等手段，對(duì)擋水煤柱穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行了大量有益研究[9-12]。顧大釗院士等[13]通過(guò)數(shù)值仿真結(jié)合相似物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了不同地震等級(jí)下，擋水煤柱抗震薄弱環(huán)節(jié)、影響因素及安全性；黃輝等[14]采用自主研發(fā)分析軟件，模擬采空區(qū)水位變化對(duì)擋水煤柱滲流場(chǎng)演化規(guī)律的研究，揭示了擋水煤柱安全性一般規(guī)律；智國(guó)軍等[15]根據(jù)擋水煤柱邊側(cè)壓力分布規(guī)律及FLAC3D數(shù)值模擬軟件，得出了采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透率的分布規(guī)律和煤體內(nèi)部塑性區(qū)變化影響因素。

上述研究極大的充實(shí)了我國(guó)煤礦地下積水采空區(qū)安全理論與技術(shù)體系，為我國(guó)煤炭綠色開(kāi)采及水資源保護(hù)提供了重要借鑒。雖然這一成果在西北礦區(qū)應(yīng)用較為廣泛，但從相關(guān)成果可以看出，目前缺少實(shí)際應(yīng)用于井下積水采空區(qū)擋水煤柱監(jiān)測(cè)預(yù)警的案例[16-18]。為此，以內(nèi)蒙某礦42108 輔運(yùn)巷32 與33 聯(lián)巷間擋水煤柱為研究對(duì)象，運(yùn)用概率論和矩陣等相關(guān)知識(shí)，對(duì)擋水煤柱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)煤礦積水采空區(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行的監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警。

1 方案及評(píng)價(jià)理論

1.1 監(jiān)測(cè)方案

參照國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司《神東礦區(qū)煤礦儲(chǔ)水采空區(qū)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》8.8節(jié)“監(jiān)測(cè)監(jiān)控”部分的要求，井下儲(chǔ)水采空區(qū)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“在儲(chǔ)水采空區(qū)低洼處的煤柱和防水密閉墻內(nèi)安裝應(yīng)力應(yīng)變計(jì)、基巖變位計(jì)、微震解調(diào)儀等傳感器，對(duì)防水密閉墻墻體與圍巖的相對(duì)位移，特別是接觸縫的位置”進(jìn)行監(jiān)測(cè)的原則。

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)要求和相關(guān)研究成果，給出擋水煤柱具體監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案，擋水煤柱監(jiān)測(cè)安裝位置示意圖如圖1。圖中：A～A4為鉆孔應(yīng)力計(jì)，鉆孔直徑44 mm，深度3 m；B1～B2為滲壓傳感器，鉆孔直徑48 mm，深度4 m。

圖1 擋水煤柱監(jiān)測(cè)安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation position of water-blocking coal pillar monitoring

1.2 評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)方法以1 h 為單位，以7 d 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以(xi,xi+1,xi+2,xi+3,···,xi+n)形式排列，共有168 個(gè)數(shù)據(jù)。4 組鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記為：A1={a11,a12,a13,···,a16k}；A2={a21,a2n,a23,···,a16s}；Aa={asi1,aaz,aas,···,a16b}；A4={a41,a42,a48,···,a168}。2 組滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記為：B1={b11,b12,b13,···,b168}B2={b21,b22,b23,···,b168}。計(jì)算上述6 組各數(shù)據(jù)組期望E(X)和方差σ（X）。

1.2.1 單一傳感器分級(jí)報(bào)警方法

單一傳感器異常數(shù)據(jù)判定流程如圖2。

圖2 單一傳感器異常數(shù)據(jù)判定流程Fig.2 Single sensor abnormal data judgment process

圖3 綜合分析評(píng)價(jià)判定流程Fig.3 Comprehensive analysis, evaluation and judgment process

2 系統(tǒng)搭建

監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖4。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)方案Fig.4 Monitoring system scheme

井下特殊環(huán)境限制，當(dāng)監(jiān)測(cè)范圍及距離較大時(shí)，為減少電纜長(zhǎng)度及可能破壞信號(hào)的電磁干擾。因此，安裝在擋水煤柱上的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為2個(gè)子系統(tǒng)，通過(guò)光纖和信號(hào)電纜連接。子系統(tǒng)1由4 個(gè)光纖鉆孔應(yīng)力計(jì)、2 個(gè)光纖滲壓計(jì)和攝像儀組成；子系統(tǒng)2 由聲光報(bào)警及相關(guān)顯示設(shè)備組成。2 個(gè)子系統(tǒng)都連接到井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過(guò)地面核心交換機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)與地面服務(wù)器光纖連接，允許遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

3 結(jié)果分析

3.1 單一傳感器分級(jí)報(bào)警

以煤柱7 d 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，煤體內(nèi)部受力和滲壓情況基本呈現(xiàn)周期性變化。因保護(hù)煤柱與頂板、底板及圍巖體在空間上構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定的整體，煤體內(nèi)部受力各方向上基本保持平衡。采空區(qū)流動(dòng)的水體作為動(dòng)態(tài)變化量，對(duì)擋水煤柱的沖擊和滲透是一重要影響因素。

采空區(qū)內(nèi)部水頭高度變化，引起擋水煤柱不同高度受壓大小差異，導(dǎo)致水體在煤柱內(nèi)部裂隙各點(diǎn)滲透速度及強(qiáng)度不同，水體在垂向裂隙、離層裂隙和微裂隙中滲流路徑和流量依次減弱[19]。水雖對(duì)煤體表面有軟化作用，但微小水分子充實(shí)煤體內(nèi)部孔隙，與煤柱又重新構(gòu)成一個(gè)整體，受液體表面張力、重力及摩擦力等影響，在一定程度上提高煤柱整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗拉強(qiáng)度，所以煤體內(nèi)部受力和壓強(qiáng)情況可能存在階段性的變化。鉆孔應(yīng)力和滲壓數(shù)據(jù)及分級(jí)指標(biāo)如圖5。

圖5 鉆孔應(yīng)力和滲壓數(shù)據(jù)及分級(jí)指標(biāo)Fig.5 Drill hole stress, seepage pressure data and grading indicators

針對(duì)上述單一傳感器分級(jí)和煤柱受力理論研究，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分級(jí)計(jì)算，應(yīng)力分級(jí)由大到小分別為194.6、174.5、152.6 Pa，建立4 級(jí)區(qū)間 分 別 為[0，152.6）、[152.6，174.5），[174.5，194.6），[194.6，+∞）。

觀 察 圖5（a）發(fā) 現(xiàn)，7 d 基 礎(chǔ) 數(shù) 據(jù) 中，大 于0.152 6 的數(shù)據(jù)中共有22 個(gè)，約占總數(shù)據(jù)比例為13.1%，說(shuō)明按此方法分級(jí)可有86.9%的數(shù)據(jù)都正常。采用逐級(jí)判定邏輯，若數(shù)據(jù)屬于[0，0.152 6），說(shuō)明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，常態(tài)化觀察即可，燈光顯示藍(lán)色；若數(shù)據(jù)屬于[0.152 6,0.174 5），發(fā)出三級(jí)聲光報(bào)警，燈光顯示黃色，人工加強(qiáng)監(jiān)測(cè)即可；若數(shù)據(jù)屬于[0.174 5，0.194 6），則發(fā)出二級(jí)聲光報(bào)警，燈光顯示橙色；若數(shù)據(jù)達(dá)到0.194 6 kPa 以上，則發(fā)出一級(jí)聲光報(bào)警，燈光顯示紅色。同理，滲壓監(jiān)測(cè)分級(jí)也是如此。

同時(shí)對(duì)滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多個(gè)方法擬合，得出的7 d 滲壓數(shù)據(jù)多方法擬合效果如圖6。

圖6 7 d 滲壓數(shù)據(jù)多方法擬合效果Fig.6 Multiple fitting effects of 7-day seepage pressure data

由圖6 可知，運(yùn)用的分段線性、臨近插值、三次樣條及多項(xiàng)式插值法都具有較好的擬合效果，但多項(xiàng)式插值法擬合效果最優(yōu)，線條較為平整。

以多項(xiàng)式插值法為基礎(chǔ)，對(duì)比后續(xù)5 d 120 個(gè)滲壓數(shù)據(jù)，并結(jié)合分級(jí)預(yù)警方法，對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到的多項(xiàng)式插值法5 d 數(shù)據(jù)擬合效果如圖7。圖7 中：一級(jí)指標(biāo)=61.141；二級(jí)指標(biāo)=60.982；三級(jí)指標(biāo)=60.912。

圖7 多項(xiàng)式插值法5 d 數(shù)據(jù)擬合Fig.7 Fitting effect of 5-day data by polynomial interpolation method

對(duì)比后續(xù)5 d 的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該單一監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分級(jí)方法仍然具有可靠的分級(jí)預(yù)警效果；同時(shí)結(jié)合多項(xiàng)式插值方法的數(shù)據(jù)，可以起到對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)預(yù)警效果，提前了解擋水煤柱單一測(cè)點(diǎn)的安全性。

3.2 綜合分析評(píng)價(jià)

運(yùn)用矩陣QR 分解法和最小二乘法同時(shí)對(duì)鉆孔應(yīng)力和滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，建立區(qū)間范圍，提供基于鉆孔應(yīng)力和滲壓監(jiān)測(cè)的綜合安全評(píng)價(jià)方法，能夠較全面掌握擋水煤柱整體運(yùn)行狀態(tài)，同單一測(cè)點(diǎn)預(yù)警相同，采用逐級(jí)判定邏輯，判定τi歸屬區(qū)間范圍，發(fā)出指定區(qū)間預(yù)警方式和警報(bào)。將滲壓和鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)的168 個(gè)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，得到的滲壓實(shí)際與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分級(jí)對(duì)比效果如圖8。

圖8 滲壓實(shí)際與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分級(jí)對(duì)比效果Fig.8 Comparison effect of actual and predicted seepage pressure data grading

觀察圖8 可知，預(yù)警分級(jí)結(jié)果大多落入3 級(jí)以下區(qū)間，少數(shù)達(dá)到3 級(jí)預(yù)警指標(biāo)，僅5 組數(shù)據(jù)達(dá)到4 級(jí)預(yù)警指標(biāo)。結(jié)合單一傳感器分級(jí)預(yù)警結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單一測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)警級(jí)別4 級(jí)時(shí)，擋水煤柱整體危險(xiǎn)指數(shù)卻并非也是4 級(jí)。說(shuō)明相對(duì)煤柱整體運(yùn)行狀況，單點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力或滲壓出現(xiàn)異常時(shí)，微小水分子充實(shí)煤體內(nèi)部孔隙，保持靜態(tài)平衡狀態(tài)，受相互作用力等影響，與煤柱構(gòu)成空間上統(tǒng)一整體，提高擋水煤柱抗壓強(qiáng)度。因此未影響到煤柱整體安全指數(shù)，擋水煤柱仍具有可靠的運(yùn)行條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）給出了針對(duì)擋水煤柱監(jiān)測(cè)預(yù)警的單一傳感器分級(jí)預(yù)警和綜合分析預(yù)警計(jì)算方法及判定流程，通過(guò)實(shí)際搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集各類傳感器數(shù)據(jù)，提高對(duì)煤柱整體安全性監(jiān)測(cè)預(yù)警效果。

2）單一測(cè)點(diǎn)分級(jí)預(yù)警效果較優(yōu)，能較準(zhǔn)確對(duì)定點(diǎn)區(qū)域危險(xiǎn)信息進(jìn)行分析預(yù)警，同時(shí)結(jié)合插值方法與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，該預(yù)警技術(shù)仍有較好的預(yù)警機(jī)制。

3）單一測(cè)點(diǎn)分級(jí)結(jié)果并不能代表?yè)跛褐C合分析預(yù)警等級(jí)，說(shuō)明個(gè)別微小區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)并不影響煤柱整體安全狀態(tài)，仍具有較高的運(yùn)行可靠性。