礦井工作面頂板突水安全預警系統構建研究

李洪杰，杜計平，齊 帥

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州221008）

隨著煤礦開采深度的逐年增加及開采強度的逐步加大，采掘工作面頂板突水事故頻繁發生，頂板突水事故具有突發性、水量大的特點，給礦井的安全高效生產帶來了較大的影響，2005年8月7日廣東省大興煤礦發生特大頂板突水事故，突水量為633m3／min，造成123人死亡，直接經濟損失為4000多萬元。2007年陜西省黃陵礦業公司一號煤礦301工作面推進20m時，發生頂板突水事故，突水量為100 m3／h，回采過程中，最大涌水量為140 m3／h，穩定涌水量為105 m3／h，由于礦井治水的方式得當，未造成重大損失。礦井工作面頂板突水災難非常嚴重，如何通過有效技術手段監測、預防頂板突水事故發生，減少煤礦財產損失，保證工作人員安全，是一項復雜的系統工程。對礦井工作面頂板突水安全預警系統的構建研究不僅有重要的理論意義，而且還有工程實際價值。

1 工作面頂板突水機理及突水影響因素分析

1.1 工作面頂板突水機理

工作面突水是由于人為采掘活動誘發圍巖巖性、結構（斷層和裂隙）和地質環境（區域構造場、滲流場、水理作用場）等發生綜合作用而導致的結果[1]。頂板水害主要是由于采礦活動產生導水裂隙帶，進而引發煤層上覆含水層的水大量涌入礦井，影響工作面生產甚至淹沒礦井[2]。

通過礦井防治水科研人員和工程技術人員的廣泛研究，認為煤礦突水問題的實質是工程地質學問題，頂板冒落時上覆巖層的沖擊力、采掘機械振動或放炮震動力等僅對頂板突水起誘發作用；水頭壓力和礦山壓力是破壞頂板隔水層、誘發頂板突水的主要作用力；隔水層巖體的強度是維護頂板完整性、遏制頂板突水的約束力。當約束力低于作用力時，則會發生頂板突水事故。現階段工作面上覆巖層破壞模型理論主要有劉天泉院士提出的“上三帶”理論；高延法教授提出的巖層“四帶”模型理論；頂板“抽冒”理論。

1.2 頂板突水影響因素分析

工作面頂板突水是應力場和滲流場綜合作用而導致圍巖破壞的結果，因此在分析突水影響因素時，應從含水層特性、覆巖特性及采掘特性三個方面分析研究。

1）含水層特性：頂板上覆含水層可分為三類：地表水（河、湖泊等）、巖層富水層水和老空積水。含水層的特性包括儲水性能、導水性能和壓力水頭。

2）覆層特性：上覆巖層特性主要有巖層的滲透性、巖層的強度大小及巖層的層理裂隙發育情況，若采場存在喀斯特陷落柱或斷層結構，應充分考慮它們的影響。

3）采掘特性：工作面頂板圍巖受原巖應力場和采動應力場綜合作用，煤層未開采時，上覆巖層的層理裂隙處于閉合狀態，含水層的水處于平衡狀態，當煤層開采后，層理裂隙開始發育增加了上覆巖層的滲透性，從而產生導水裂隙帶造成頂板突水事故。

2 礦井工作面頂板突水安全預警系統原理及架構

2.1 安全預警系統原理

預警是對危機或危險狀態的一種預前信息預報或警告[3-4]，預警系統是根據對警兆的識別預先對某種長期或突發性事件進行預先警報的系統[5]。礦井工作面頂板突水安全預警系統是借助于計算機和網絡技術的基礎上，通過對各組成系統安全監測數據的挖掘、融合及分析，并綜合運用定性分析法和定量分析法的安全預警模型，對工作面頂板水害安全的現狀和未來進行評價和預測，確定其危害的變化趨勢、發展速度及程度。礦井工作面安全預警系統可以對工作面頂板水害的突發性災害和長期性隱患作出及時的預測和預報，并通過人工智能系統對預警結果進行智能分析，結合決策專家知識庫的相關知識提供決策輔助，為礦井頂板管理及水害防治部門提供相應參考信息。

2.2 系統架構

礦井工作面頂板突水安全預警系統由基礎數據層、數據處理層、預警分析層、輔助決策層及人機交互界面組成。如圖1所示。

圖1 礦井工作面頂板突水安全預警系統架構

3 預警指標體系選擇及系統功能分析

3.1 預警指標體系選擇

如何依據工作面頂板突水影響因素設計預警指標是一項系統工程。預警指標建立時應遵循可監測性、科學性、代表性、實效性、預見性和系統性原則，預警系統的監測過程就是對指標體系的監測。礦井工作面頂板突水安全預警系統的監測指標體系選取為：應力、應變、位移、水壓、水溫、水質及水位等七項預警指標。

3.2 基礎數據層

基礎數據層是整個安全預警系統的基礎層，主要通過傳感器監測、物探技術監測和人工檢測方式對工作面頂板含水層水文狀態及頂板巖層構造變化狀態進行實時動態監測。

采用數據挖掘技術對歷史數據庫進行挖掘處理，提取隱藏在其內部的有價值信息并分析規律，建立數據融合模板。新的監測數據被送到實時監測數據庫，首先查詢數據庫確定監測數據的融合結果是否已入庫，若已入庫，則直接輸出庫中存儲的結果。若未入庫，則將其輸入數據和融合結果一起存入數據庫中，以降低數據庫的模糊度。基礎數據層由歷史數據庫和實時監測數據庫組成，其運行流程如圖2所示。

圖2 基礎數據層運行流程圖

3.3 數據處理層

數據處理層的功能就是對工作面頂板突水安全監測數據進行分析處理，為預警分析環節提供必要的數據和信息支持。在數據分析處理的基礎上采用灰色模型GM、人工神經網絡、模糊綜合評價、多因素復合法等安全綜合評價方法對頂板突水安全狀況進行綜合評價。通過對頂板突水安全監測相關數據的定性和定量分析，得出工作面頂板突水安全狀態及預測性結論。最后，把數據分析結果和安全評價結果傳輸到預警分析層。

3.4 預警分析層

預警分析層是整個安全預警系統的核心部分。預警分析的過程主要包含監測、識別、診斷、閾值確定、評價等環節。

1）監測。監測是預警系統的首要環節，監測的對象是引起工作面頂板突水危害發生的主要原因，即監測預警指標。通過實時動態的數據監測，可以建立預警信息管理的檔案，從而實現各監測數據的共享，并將監測數據準確及時的傳輸到下一個預警環節。

2）識別。識別是對監測的數據進行處理、判別信息的真實性和可靠性。該環節的辨識指標是預警指標體系的關鍵，對安全預警的有效運行起到重要作用。這是一個關鍵的預警過程，為下一環節的預警提供可靠、詳實、準確的量化數據。

3）診斷。診斷是依據識別過程的處理結果，進行成因過程的分析和未來發展趨勢的預測。診斷出哪個或者哪些危險因素變化比較明顯，用來明確哪些危險因素是主要的，哪些是次要的。

4）閾值確定。在預警過程中，各項指標的監測值達到多少時需要報警和需要報什么級別的警涉及到閾值問題。在實際生產過程中，由于各個礦區的情況不同，甚至各個工作面的情況不同，所以各項指標的閾值是不確定的。閾值的確定是預警系統是否成功準確預警的關鍵因素，閾值的確定使預警系統完成了由定性分析到定量分析的轉變。各個監測指標的閾值可以通過試驗和監測經驗來確定。

5）評價。評價是依據上一環節診斷的結果分析預警指標的變化過程，評價工作面頂板水害發生的可能性，并且評價工作面頂板水害如果發生，水害造成的各項損失有多大。

最后，把預警綜合診斷及評價結果準確及時的傳輸到輔助決策層。

3.5 輔助決策層

輔助決策層的主要功能是依據預警分析層的分析評價結果確定礦井工作面頂板突水安全狀況，發布警報信息，并依據決策專家知識庫制定輔助決策。

依據警兆相應的變動區間以及警情的警限或等級，運用定性和定量分析方法，結合專家意見預報警度并發布警報信息。結合經驗知識庫、資料數據庫、專家知識庫等相關信息綜合分析后編制預警方案，經橫向和縱向對比后制定應急預案，為頂板水害管理部門和其他相關部門提供信息。

3.6 人機交互界面

人機交互界面是指人與計算機之間的通信媒體或手段，是人與計算機之間進行各種符號和動作的雙向信息交換平臺。人機交互界面是礦井工作面頂板突水安全預警系統的重要一環，安全預警系統的大量數據信息通過這個界面進行輸入和輸出，以比較直觀的形式建立了管理人員與計算機之間的信息傳遞。

4 結論

當今能源經濟發展條件下，我國煤炭行業安全高效生產形勢依然嚴峻，礦井工作面頂板突水事故時有發生，礦井工作面頂板突水安全預警系統是保障煤礦安全生產的一種新手段。隨著預警監測手段的升級、預警分析系統的深化及輔助決策系統的成熟，礦井工作面突水安全預警系統必定會為煤礦安全生產做出很大貢獻。

[1]張后全，楊天鴻，趙德深，等.采場工作面頂板突水的滲流場分析[J].礦井地質，2004（5）：17-20.

[2]王新.煤礦頂板突水機理探討[J].煤礦開采，2007，12（5）：63-65.

[3]易雯，呂小明，付清，等.飲用水源水質安全預警監控體系構建框架研究[J].中國環境監測，2011，27（5）：73-76.

[4]Gyorgy GP.The Danube accident emergency warning system[J].Water Science Technology，1999，40（10）：27-33.

[5]葛守西.現代洪水預報技術[M].北京：中國水利水電出版社，1999.