煤礦地下水庫安全監控系統研發與應用＊

曹志國 李全生 何瑞敏 王興鋒

（1.神華集團有限責任公司科技發展部，北京市東城區，100011；2.神東煤炭集團煤炭技術研究院，陜西省榆林市，719315；3.神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西省榆林市，719315）

1 引言

煤炭是我國的主要能源，其生產量和消費量占能源總量的2／3左右，在未來一段時期內，煤炭主體能源的地位不會發生改變。目前，我國東部淺埋煤層已基本開采殆盡，煤炭開采已戰略西移，西部已成為煤炭主產區。2012 年，晉、陜、蒙、甘、寧這5個省 （區）煤炭產量占全國的71%，但其水資源僅占全國的3.9%，特別是能源 “金三角”地區，其煤炭產量占全國的27%，但水資源僅占0.37%，水資源短缺已成為西部地區煤炭開發和可持續發展面臨的重大技術難題。

與此同時，西部地區生態環境脆弱，年蒸發量是降雨量的6倍左右，煤炭開采產生的大量礦井水一旦外排，將很快蒸發損失，傳統的礦井水外排地表方式造成了地下水資源的大量損失。為了保護有限的地下水資源，神華集團經多年技術探索，提出了煤炭開采地下水資源井下儲存利用技術，構建了煤礦地下水庫的井下礦井水儲用技術體系，將過去的礦井水疏排轉變為礦井水儲用，實現了礦井水資源的保護利用，但大量的礦井水儲存井下對井下人員和設備安全提出了挑戰。

地面水庫安全監控技術完善，包括各種壩體監測技術標準和規程，如大壩安全自動監測系統設備技術條件、混凝土壩和土石壩安全監測技術規范、水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程等，此外水利部還制定了若干安全管理法規，有效地保障了地面水庫的運行安全。同時，不同學者也對水庫應急安全進行了探討，如王冰和馮平等人提出了梯級水庫聯合防洪應急調度模式，以崗南和黃壁莊梯級水庫為例，制定了水庫應急調度規則和評估方法；張士辰和李雷等分析了水庫潰壩預見性含義，采用層次分析法制定了評價方法，對某水庫安全應急預案進行了評價；王曉航、徐華和周克發等針對潰壩突發事件，對潰壩事件分析和預警技術、潰壩洪水分析技術、潰壩后果評價技術、應急組織體系、應急處置措施、應急保障體系以及應急預案的可行性與有效性評價技術等應急管理關鍵技術進行了分析等。

上述研究為地下水庫安全監控提供了借鑒，但是由于煤礦地下水庫不同于地面水庫，壩體受到庫內水壓、上覆巖層壓力、采動和礦震的復合作用，且由于地下水庫上方巖層處于不穩定狀態，一旦大片垮落，將對壩體形成很大沖擊，影響壩體穩定性。為了保障地下水庫安全運行，在充分借鑒地面水庫安全監測技術基礎上，提出了煤礦地下水庫安全監測控制系統總體框架，對地下水庫運行狀態進行實時監測，保障壩體安全，實現地下水庫安全控制。經過工程實踐，證實了該系統的可靠性，能夠保障地下水庫長期安全運行。

2 煤礦地下水庫運行安全監控系統設計

應用軟件工程設計方法對煤礦地下水庫安全監控系統進行了總體邏輯設計，在數據管理平臺實現數據的高效管理，并在此基礎上建立可視化平臺，以該平臺為載體實現監測數據可視化、設備運行狀態可視化、預測預警和安全運行智能控制。煤礦地下水庫運行安全監測系統框架如圖1所示。

圖1 煤礦地下水庫運行安全監測系統框架

根據系統邏輯結構框架，系統模塊包括數據管理部分、地下水庫可視化部分、安全預警模塊、安全應急控制模塊和系統管理5個部分。煤礦地下水庫安全監控系統模塊組成如圖2所示。

2.1 基礎數據管理模塊

煤礦地下水庫運行安全監控系統數據包括井巷工程數據、壩體空間和結構參數、設備空間和屬性數據、入庫出庫水量監控數據、庫內水位水壓和壩體應力應變動態監測數據、水質監控數據以及監控人員空間和時間信息等，具有多源、異質、多維、動態、異構和海量等特征，為了對數據進行更加高效的儲存管理、便于數據提取和數據挖掘以及為后續監測預警和風險防控提供數據支持，利用計算機數據管理方法，發展數據儲存優化技術和數據倉庫技術，包括地下水庫基礎數據分類組織、分類儲存、數據標準格式、數據編碼方式、高效檢索以及快速更新等，建立適合于地下水庫多源異質數據集成與共享方式以及數據讀取方式且獨立于應用軟件的數據組織形式尤為重要。

基礎數據管理模塊應具備數據查詢、數據修改和數據挖掘等功能。通過對海量數據進行統一編碼，制定標準數據格式，將其錄入數據庫管理系統，建立多種查詢方式，如以年度進行查詢、按設備和監測數據屬性等；要具備數據更新功能，針對井下安全監控設備的不斷更換調整，對其空間和屬性信息進行快速更新；煤礦地下水庫基礎數據具有不確定性，有必要建立數據挖掘接口，便于采用粗糙集、支持向量機、云理論和神經網絡等不確定信息分析方法，分析地下水庫運行的不確定性，從海量數據中挖掘有用信息，發現隱含規律，認識煤礦地下水庫未知現象和進行預測等，為其安全提供決策支持。

圖2 煤礦地下水庫安全監控系統模塊組成

2.2 地下水庫可視化模塊

隨著計算機可視化技術及其在礦上領域的成熟應用，將三維可視化技術引入煤礦地下水庫運行安全監測系統，實現管理監控方式由二維向三維的轉變，克服二維空間在數據處理和圖形顯示中信息表達不充分和缺乏直觀可視性等缺陷，實現地下水庫空間可視化。利用三維可視仿真技術，以數據倉庫為基礎，進一步實現煤礦地下水庫各種屬性信息的可視化查詢、地下水庫水量動態可視化、設備動態監控可視化和監測信息可視化，進而動態反映地下水庫的運行狀況，實時顯示水位水量、壩體應力應變、泵閥開關狀態、入庫出庫水量和水質動態變化等各種監測數據，為其安全運行提供支持。

2.3 安全預警模塊

煤礦地下水庫位于地下具有空間 “黑箱”特征，與地面水庫相比，無法直接觀測到水庫運行狀態，且由于巖層運動處于不穩定狀態，上覆巖層土突然垮落會對水庫壩體造成破壞性沖擊，且水庫補給無法準確監控，為此必須在現場監測數據基礎上，通過對庫內水位水壓、壩體應力應變、圍巖變形和滲透監測等數據進行分析，分析地下水庫運行狀態，重點對壩體安全性進行評估，建立安全預測預警方法，實現地下水庫安全預警。

煤礦地下水庫安全預警模塊應具有對監測數據進行統計分析和制定安全應急方案兩項功能。通過對水庫壩體參數監測，分析壩體穩定性狀況，對上覆巖層應力變形進行監測，預測巖層垮落情況，通過水庫壩體滲流量監測和評估滲漏情況。利用水庫安全評估方法對水庫實時運行進行安全評估和預測分析，為安全應急提供數據支持。

2.4 安全應急控制模塊

安全應急控制模塊包括泵閥控制和應急預案制定，煤礦地下水庫不同于地面水庫，由于其儲水空間為冒落區巖體空隙，四周壩體由煤柱壩體和人工壩體組成，無法進行開閘泄水保障安全，為此在構筑人工壩體時，優選施工地點，建立應急泄水孔，實現泄水降壓保障安全。

安全應急控制硬件措施包括庫間水閥控制，利用自動控制技術，通過對水泵開關狀態進行控制，實現不同水庫之間調水，保障水庫安全。針對巖層突然垮落導致庫內水壓突然增大的情況，通過在人工壩體上應急泄水孔安裝水壓監測裝置監測庫內水壓突變，一旦突破壩體安全閾值就自動打開實現泄水降壓，從而保障特殊工礦下的壩體安全。

2.5 系統管理模塊

系統管理模塊主要實現系統輔助功能管理，包括系統維護和系統用戶權限管理，并通過對不同用戶的操作權限進行規定。

3 系統關鍵技術

3.1 水庫日常運行參數監測技術

水庫日常運行參數包括庫內水位水壓、壩體應力應變、入庫出庫水質以及上方巖層位移變化等。由于煤礦地下水庫是封閉儲水空間，且庫底高程不一，因此須在多處設置水位監測儀，采用壓力式水位計測量庫內水位；變形監測是對人工壩體和煤柱壩體連接部位位移進行觀測，采用振弦式基巖變位計，每個擋水壩布置4支基巖變位計，位于墻體四個角，通過鉆孔進行埋設安裝；應力應變監測是對人工壩體應力應變和山巖壓力進行觀測，采用振弦式應變計，每個擋水壩體布置4支應變計，位于墻體上頂、下底、左側和右側的中部，垂直于墻體與圍巖交接面，按4個方向布設；滲流監測目的是對地下水庫的水位和滲漏進行觀測；管道壓力和流量監測是通過輸水管道壓力觀測掌握地下水庫水位的變化，利用在人工壩安裝的輸排水管道上設置壓力傳感器進行庫水壓力的觀測，同時在管道上設置流量計對水庫輸排水流量進行觀測。

此外，水庫日常運行監測還包括礦震監測、水質監測和視頻監控。礦震監測目的是對礦震和煤層開采產生的地震波和地震動力進行觀測，用于分析評估擋水壩受震動破壞的影響，采用震動記錄分析儀 （內置三向加速度計）在人工壩體周邊布置；水質監測的目的是掌握地下水庫入庫和出庫水質，包括通過輸排水管道進水和出水的水質進行觀測，采用移動式水質監測儀人工監測為主、固定式自動水質監測儀為輔的監測方式；視頻監控是對地下水庫擋水建筑物、排水溝和輸排水系統運行狀況進行圖像采集和實時監控，在關鍵區域設置一套防爆紅外網絡攝像機，進行數據實時采集。

3.2 煤礦地下水庫三維可視化平臺

為實現煤礦地下水庫安全監測數據的動態可視化，增強用戶交互性，便于展示地下水庫運行狀態，研發地下水庫三維可視化技術，采用組態平臺內置的3D 引擎，開發出矢量化的360°，可隨意縮放，隨意旋轉的三維實時監控系統，實現生產監控、場景漫游、故障定位和設備巡檢等功能，同時利用實時數據驅動的三維動態效果，實現所見即所得的可視化效果，更加直觀形象的反映各個水庫的水文狀態以設備運行情況。

在地下水庫實體與監測數據可視化的基礎上，利用可交互的操作儀表盤和控制面板，實現對所有可控設備的遠程啟停操作，配合視頻監控等系統，實現無人化生產以及遠程操作控制，能夠通過三維系統在三維場景中遠程控制單個設備或一組設備的開停等操作，如遠程開停水泵和閥門等。實現各水庫監測監控系統數據的有序流動進行管理，以標準的軟件接口和信息協議交換數據，能夠進行綜合分析、分類處理。該平臺能夠將各子系統三維場景轉換為HTML 或XML，支持Web發布，以便于公司安全監測中心等相關部門進行調閱瀏覽，同時具備程序語言的設計、變量定義管理、連接設備的配置、開放式接口配置、系統參數配置和第三方數據庫的管理等功能。

此外，該平臺能夠整合工業電視信號，集中控制平臺軟件內完成攝像頭的管理、瀏覽和錄像查詢，將實時視頻信號集成在實時監控畫面中，實現實時數據與實時現場視頻布置在一個畫面。具備視頻和三維監控的聯動，具備在線數據回放功能，通過簡單鼠標操作，即可完成監控畫面上進行數據回放操作，在監控畫面不變的情況下，完成歷史數據的播放，可以做到監控數據和視頻信息同步回放。具備調度聯控功能，能夠實現監控畫面和工業電視、調度大屏的聯合調度控制。

該平臺具備海量數據管理功能，能夠將接入的各子系統信息通過標準的數據交換方式與數據集成平臺進行數據存取，并將各子系統的信息進行綜合處理，可以將實時、歷史及綜合分析后的信息提供給用戶，具有良好的可靠性，兼容性和擴容性；可以為用戶提供各類監測系統的實時報警信息并記錄，包括超限報警、開關報警以及系統在接設備的故障報警，并可設定組合報警；具備遠程控制功能，通過接口和通訊協議的設備，獲得授權的人員可通過集中控制平臺，實現設備遠程開停操作。可根據預先設置的控制邏輯關系，實現跨系統的自動遠程控制。

3.3 預測預警分析方法

由于煤礦地下水庫構筑、所處環境和運行工況的特殊性，不同于地面水庫，可以通過氣象監測預報、地球物理勘探和安全監測等方式預測預報水庫未來所處工況，并提前準備應急方案，地下水庫必須通過對安全監測歷史數據和實時數據進行對比分析，采用不確定性分析方法，充分利用數據挖掘技術，對水庫運行實時監測數據進行分析，預測水庫運行工況條件，判斷風險級別。

3.4 水庫運行安全應急技術

煤礦地下水庫安全應急技術包括防潰壩、防滲漏和防淤庫3個方面，礦井分布式地下水庫應急保障技術包括以下3個部分：

（1）防潰壩技術。當出現庫內水壓水位、壩體應力應變和變形等指標超過預警值，監控中心通過庫間管道閥門或抽采管道對水庫內水體進行轉運，通過疏排水閥門等設備對水庫運行狀態進行調節，將水排泄至泄水空間或調節至其他水庫。同時，為保障特殊工況條件下的水庫安全運行，在人工壩體上設立應急泄水裝置，實現應急泄水降壓，一旦出現礦震或巖層突然垮落造成庫內水壓突然增大，應急泄水裝置自動開啟，泄水降壓，保證壩體穩定。

（2）防滲漏技術。建立煤柱壩體滲漏分級預警體系，通過對壩體滲漏量進行實時監測，通過對當前觀測值與歷史數據的對比分析、滲漏水的水質和攜帶的雜質含量比較，結合滲流壓力分析，綜合評價大壩的滲流安全。一旦超過滲流量限值，則可以通過庫間水體調運技術將該水庫調至穩定狀態，并對滲漏嚴重部位實施防滲工程。

（3）防淤技術。通過物理模型試驗對礦井水運移環境進行模擬，對礦井水在運移過程中攜帶的巖石顆粒和煤泥等雜物所引發水庫淤積的現象進行模擬，總結其對水庫庫容的影響規律，提出水庫淤積的計算模型或方法；建立水庫淤積的預警系統，當淤沙影響水庫超過預警值時進行報警；應用煤礦地下水庫的排沙減淤處理關鍵技術和相應設備及時進行處理。

4 系統應用

神東礦區位于西部能源 “金三角”核心區域，為神華集團主力礦區之一，是世界首個2億噸級礦區。目前，應用煤礦地下水庫技術，神東礦區在15 礦累計建成32 座煤礦地下水庫，儲水量達2900萬m3，達到供應礦區用水總量的95%以上，為神東礦區煤炭開發提供了有力的水資源保障。地下水庫一方面實現了水資源保護和利用，同時也為井下安全提出了挑戰，現以大柳塔煤礦地下水庫為例，對其安全監測系統進行詳述。

神東礦區大柳塔礦位于陜西省神木縣大柳塔鎮，井田面積為126.9km2，主采1-2、2-2及5-2煤層，目前在采5-2煤層，礦井正常涌水量約為400m3／h。為了避免水資源外排而導致的地表蒸發浪費，神東礦區大柳塔煤礦在采空區儲水設施基礎上，率先建成了煤礦地下水庫，包括2-2煤層1＃、2＃和3＃地下水庫以及5-2煤層在建的4＃地下水庫，且通過持續技術研發，建設了庫間連通管道，實現了地下水庫的相互連通，建設了世界首個煤礦分布式地下水庫，儲水量達到590萬m3，大柳塔煤礦分布式地下水庫示意圖如圖3所示。

圖3 大柳塔煤礦分布式地下水庫示意圖

為了確保地下水庫安全運行，大柳塔煤礦安裝布置了煤礦地下水庫安全監測系統，對目前運行的2-2煤層的3座地下水庫的運行狀況進行了實時監控。該系統由地面監控中心和井下監測站組成。根據現場監測需求，共設立6個監測站和地下水庫上方5個地下水位觀測孔，通過對地下水庫44處人工壩體工程進行篩選，選取關鍵壩體和管道位置處，布置建設壩體應力應變和位移監測傳感器、壓力傳感器、水位監測儀、管道流量計、水質監測、震動記錄儀和網絡攝像機等設備，對壩體運行狀況、水庫水量以及入庫出庫水質等情況進行實時監測，并通過井下高速光纜或無線通訊手段，傳輸至數據采集單元，進一步并入總光纜系統，傳輸至地面監控中心，大柳塔煤礦地下水庫安全監控總體結構示意如圖4所示。

圖4 大柳塔煤礦地下水庫安全監控總體結構示意

目前，該系統運行穩定，不但滿足了地下水庫日常運行實時狀態情況獲取，而且通過自動控制技術實現了應急情況下的庫間水體調運，保障了各個地下水庫安全運行。針對冒落巖體突然垮落和礦震等特殊工況，通過壩體監控一旦出現該情況，自動打開應急泄水孔排水降壓，保障壩體安全。

5 結語

煤礦地下水庫作為西部地區煤炭資源現代化開發與水資源協調的技術探索，通過20余年的技術提升和攻關，在神東礦區成功應用，為礦區煤炭科學開發提供了有力的水資源 保障，同時煤礦地下水庫儲水也滿足了周邊產業需求，促進了該地區經濟社會的和諧發展。為確保煤礦地下水庫安全高效運行，研發了安全監控系統，對地下水庫運行狀態進行監測控制，利用自動化控制技術和預測預警等方法，保障了各種工況條件下的壩體安全，確保了地下水庫穩定運行，通過在大柳塔煤礦地下水庫進行工程實踐，取得了成功應用。為了進一步滿足建設數字礦山的要求，需要進一步完善該安全監測系統，并實現該系統與煤礦生產調度中心相結合，實現與生產互動，更好地為煤炭生產服務。同時通過數據實時傳輸，將地下水庫運行狀態利用可視化技術進行展示，建設煤礦地下水庫演示平臺，更好地展示煤礦地下水庫先進的保水開采技術，促進西部地區煤炭資源與水資源協調開發。

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