煤礦突發水災害預警系統設計

宋吉曜（昆明煤炭設計研究院，云南　昆明　650000）

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煤礦突發水災害預警系統設計

宋吉曜（昆明煤炭設計研究院，云南昆明650000）

煤炭資源為我國經濟的高速發展提供了一定的動力，尤其是2010年以來煤炭的生產更是達到了一個新高度，隨著而來的安全問題也逐漸變的突出。煤礦的突發水災害與其他事故有一定的區別，如果能對其提前進行預警，完全可以采取一定措施降低事故的損失或避免事故的發生。本文對突發水災害預警系統的設計進行研究，分析突發水災害的發生機理，進而建立一個監測體系，使得煤礦的突發水災害發生幾率以及造成的損失能減少到最低，為安全生產提供保障，為企業獲得經濟效益。

煤礦突發水；災害；預警系統；設計

煤炭是我國當前的主要能源，隨著綠色能源的提出，煤炭消耗可能會逐步降低，但是在未來一段時期內，煤炭等化石能源仍然是能源消耗的主體部分。煤炭開采大多都是地下開采，瓦斯、水、火以及粉塵等因素都是煤礦安全生產的隱患因素。其中，水災害造成的損失對煤礦事故來說占很大的比例，一旦發生水災害，造成的損失是非常巨大的。據統計我國煤礦開采中突發水災害造成的煤礦事故比例占到40%，突發水災害具有破壞性大、救援較為困難等特點，并且當前針對煤礦事故的研究大多是救援方面的，但是，一旦發生事故，勢必會造成人員傷害以及經濟損失，能挽回的損失僅僅占很小的比例。為此，我們可以采用科學的方式對事故進行預警，采取合理的防治措施，降低事故發生的幾率以及事故損失，為煤礦的安全生產保駕護航，為企業創造經濟效益。

1　煤礦突發水災害發生原因分析

煤礦突發水災害的產生主要受到地質構造、含水層、隔水層以及開采活動等因素影響。

1.1地質構造

煤礦突發水災害的發生有很大原因都是由于煤礦開采區域的斷裂構造造成的。地質構造的斷裂構造主要表現為：①煤層底板受斷層構造影響遭到破壞，使得煤層底板完整性大大折扣，并且底板隔水層抗壓能力大大降低；②斷裂構造會造成煤層底板流水通道的出現，煤層底板導水性大大增加，一旦開采到該部位，突水事故發生的幾率大大增加；③斷層構造的出現縮短了含水層與煤層的距離，部分或全部隔水層失去了隔水作用，引發了突發水災害。

1.2含水層

含水層中水壓力及含水量的大小對突水事故的發生有一定的影響，水壓是底板突水現象的主要動力，高承壓水沖刷底板巖層的裂隙能夠向隔水層中不斷的滲水，一旦滲漏水通過導水通道接觸到煤層后，突發水災害產生的幾率大大提升。含水層含水量突發水災害水的主要來源，突發水災害的用水量是由含水層中含水量大小決定的。

1.3底板隔水層

底板隔水層的作用是為了隔絕含水層與煤層，底板隔水層的抗壓與導水特性主要是由巖性以及隔水層厚度來確定，當隔水層抗壓能力大于含水層的水壓力時，煤礦一般不會發生突水事故。但是，當地下開采作業時，煤層與底板受開采時產生的破壞易產生破壞帶，破壞帶區域的隔水層隔水效果明顯降低，能發揮出阻隔作用還是完整的巖層。

1.4采空區積水

一些采空區的小井多，整合后地質資料不清，如果盲目開采煤層，容易使上部采空積水潰入井下，導致突水事故。此外，采空積水瞬時水量大，持續時間短，并且伴有有毒氣體，易產生較大破壞。

1.5開采活動

開采活動引發的突水事故是上述三個因素某個或全部作用產生的，地下開采活動會造成煤層周圍巖層的壓力產生變化，進而含水層、隔水層等巖層之間的原有狀態發生變化，當變化達到極限時，原有平衡狀態會打破，嚴重時會造成突水事故的發生。

2　建立煤礦突發水災害監測指標

本文以大河煤礦為例進行介紹，大河煤礦位于云南省曲靖市富源縣大河鎮，井田南北展布，寬達3.34km，長為9.58km，礦區地勢西高東低。地下水源較為豐富并且水壓高，易滲入裂縫擴張，形成突發水事故。

通過對煤礦突水災害原因進行分析，誘發突水事故的原因主要有斷層、含水層水壓、隔離層厚度等因素，我們對這些因素分析后選擇幾個重點指標作為煤礦突發水災害監測指標，如圖1所示。

圖1　

2.1地質構造指標

地質構造指標主要是指斷裂構造的斷層、裂隙以及陷落柱等構造，斷層在煤礦中巖層的一個弱面，易在斷層周圍產生應力集中，斷裂帶周邊的巖體最先發生變形，對突水事故產生影響最大。綜合技術以及經濟因素的影響，并且預測的模型自身也具有局限性，因此，我們選擇斷層落差作為預警系統的指標。

2.2含水層指標

含水層對突水事故的影響主要表現在含水量大小及水壓兩個方面，煤礦突水事故的水源主要來自與含水層的水。水壓則為突水事故的發生提供直接應力，并且介質巖的塑性變形范圍與水壓是成正比的。當塑性變形范圍不斷增加時，一定與導水斷層連接，形成了突發水災害的導水通道。對于已經確定的礦區來說，含水量多少是明確的，水壓的大小則各不相同，因此，煤礦突發水災害預警系統的監測指標選擇含水層水壓來進行監測。

2.3隔水層指標

底板隔水層誘發煤礦突發水災害的影響因素比較多，有隔水層厚度以及巖性組合等。在相同條件下，隔水層厚度越大，煤礦突發水的幾率越低；反之，厚度越小，發生突水的幾率越大。隔水層的巖性組合影響著隔水層的強度大小，當前巖層強度較大時，隔水層的強度也越大，產生的阻隔作用也越大。通過對比，我們選擇隔水層厚度來作為煤礦突發水災害預警系統的監測指標。

2.4開采活動指標

開采活動會對煤層及周圍巖層產生影響，在開采過程中，開采的深度對隔水層完整性的影響較大，當隔水層完整性受到影響后，隔水層的抗壓強度會發生變化，在達到一定程度后，會導致突發水現象的發生。同時，地下開采傾角以及斜長等也會對突水造成影響，工作面斜長會影響控頂面積，對礦山壓力造成影響。因此，本文選擇開采深度以及工作面斜長作為開采活動指標來進行監測。

2.5突水征兆指標

對于煤礦突發水災害來說，突水征兆也是突水事故的一個重要監測指標。我們對監測點進行監測，查看是有無突水征兆及程度來判定指標大小。突水征兆主要表現為：煤層是否潮濕、是否滴水、工作區域能否聽見“棚哪”聲以及工作區域是否存在冒頂、片幫等現象。突水征兆在煤礦突發水災害預警系統中是一個重要的監測指標。

3　煤礦突發水災害預警等級的劃分

3.1確定預警等級劃分指標

煤礦突水事故對企業造成的損失非常巨大，通常表現為破壞煤層、淹沒礦井等形式。對于經濟損失來說，精確的預測突水量就可以有針對性的采取措施，幫助企業排查突水隱患，通過合理的處理措施，能夠幫助企業挽回一部分突水災害造成的經濟損失。突水量作為監測預警的指標對資源以及資金等造成的浪費較大，一些監測點的突水量雖然較大，但是該區域的排水條件較好，能夠及時排出，造成的影響較小。在這種情況下，將突水量作為預警指標，勢必有些浪費資源。因此，我們不單將突水量作為預警的指標，還要將最大排水量作為預警指標進行劃分。

3.2劃分預警等級

劃分預警等級主要需要明確預警級數以及不同等級的指標值。我們針對煤礦突發水災害的原因以及排水量等因素，將預警等級分為3級：安全、存在隱患以及將發生水災害事故，分別采用綠燈、黃燈以及紅燈顯示。同時突水量以及最大排水量之間的關系來明確預警等級的劃分。突水量用Q代表，最大排水量用M代表，預警等級可以劃分為表1。

表1　預警等級劃分表

我們對煤礦突發水災害預警系統中監測點最大突水量以及最大排水量進行對比，然后依據預警等級對該監測點的突水進行預警也是預警系統最終的輸出。監測人員根據系統的輸出能夠及時制定突水事故的預防及處理措施，使得企業最終能夠降低煤礦突發水災害的幾率，實現了降低經濟損失的目標。

4　煤礦突發水災害預警設計

4.1預測界面

預測界面包括監測點的編號、所屬區域、經緯度、最大突水量及排水量預警值。其中編號、區域、經緯度以及排水量是錄入到預警系統中的數據，在預測界面調出即可。預測界面如圖2所示。

圖2　

4.2預報界面

預報界面是對預測界面的顯示，通過對突水量及排水量關系的對比分析，預報界面可以根據預警等級對預測結果進行劃分等級，然后以綠、黃、紅三種指示燈顯示。預報界面僅需顯示預報等級及預測突水量兩個信息。

4.3事后錄入

突水事故發生后要對水災害的信息進行錄入，監測數據的錄入是對預測數據的錄入，突水事故災害事后錄入的信息則是監測周期結束夠將監測信息錄入到系統的過程，使得預警系統數據能夠進行更新，如圖3所示。

圖3　

如圖3所示，事后錄入界面主要是監測點編號、時間、是否突水以及最大突水量。

5　總結

煤礦突發水災害能夠提前進行預測，進而采取相應的措施能大大降低突發水災害造成的損失。

（1）對煤礦的突發水產生原因進行分析，然后針對主要因素（含水層水壓、隔水層厚度及開采深度等）建立監測指標，然后建立起煤礦突發水災害預測體系，并通過對煤礦個體的實驗，該監測預警體系精確度較高，能夠應用到煤礦的突發水災害監測當中。

（2）結合煤礦突發水預警體系及預報等級，我們可以結合計算機軟件來設計預警系統，主要是由預測及預報來完成，具有較好的操作性以及有效性，能夠在煤礦中進行推廣應用。

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宋吉曜（1966-），男，工程師，主要從事煤礦采掘技術、地測防治水管理、煤礦項目設計及基建工程管理等工作。

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2095-2066（2016）11-0025-02

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