納林河二號礦井井上下水情自動實時監測系統設計

劉毅濤，方 剛，梁向陽，黃 浩

（1.烏審旗蒙大礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017307；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；4.西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054）

納林河二號礦井位于東勝煤田納林河勘查區的西部，行政區劃隸屬于鄂爾多斯市烏審旗無定河鎮管轄。井田面積約180.67km2，礦井煤炭地質資源量為1507.65Mt，可采儲量為796.38Mt，設計生產能力8.0Mt/a，服務年限71.1 年，采用立井式開拓，綜合機械化開采。

礦井主采3-1煤層，其上覆有第四系松散含水層、白堊系洛河組含水層、侏羅系直羅組含水層和延安組含水層，根據礦井水文地質條件分析，礦井的直接充水水源為煤層上覆的侏羅系直羅組和延安組砂巖孔隙裂隙含水層水[1]。

礦井在勘探期間留設有白堊系洛河組含水層和侏羅系延安組含水層地面、井下觀測孔及相關監測系統，現需增設專門對侏羅系直羅組含水層進行實時動態的監測系統，即可實現礦井主要充水含水層的全方位監測，同時完成礦井排水系統的水倉、排水管、水溝的流量及水壓監測點增設及統一系統入網管理，進而對礦井整體的水情水害等實時立體掌握[2-3]。

1 水情實時監測系統構成

根據礦井水情監測的現場需要和預期目標，該系統要實現的主要功能包括實時水文數據采集、數據分析和處理以及系統管理等。從系統建設方面來說，主要分為硬件系統和軟件系統[4-5]。

1.1 硬件系統

為實現以上目標，采用中煤科工集團西安研究院有限公司集電子技術、計算機技術、數據通信技術、網絡技術于一體研發的KJ117 水情水害實時監測監控系統為此次設計的基礎。該系統能夠實現網上數據集成，數據傳送，使得水文數據在網絡上共享，方便維護及查詢。利用無線GSM 網和INTERNET 網相結合，實現全集團范圍內的水文信息共享，該系統實質是一個覆蓋整個公司的網絡化水文數據庫。

該系統采用物理三層結構：底層的數據采集層（即各種礦用本安型水文監測分站）、中間數據處理層（即遠程通訊適配器）、上層水文數據庫及網絡發布層（即WEB服務器）。同時，該系統可以采用組合的方式構成獨立運行的系統模式，能夠構建的系統模式如下：（1）底層系統+中間層系統；（2）底層系統+中層系統+上層系統。

1.2 軟件系統

軟件系統由實時監測軟件（Server）、WEB 服務軟件（Web Server）、數據庫服務器軟件（Database Server）組成。為了便于與其他系統集成，監測系統軟件提供了OPC 接口功能（見圖1）。

圖1 監測系統軟件應用部署示意圖

2 礦井水文地質實時監測技術

2.1 地面實時監測方案

地面監測方案的核心是由地面監測中心站、遠程通信適配器、地面鉆孔遙測站（即YJSY（A）遙測儀分站）、GSM 通信單元及被測物理量傳感器組成（傳感器類型由實際情況做相應調整）的地面監測系統（見圖2）。該地面系統是基于GSM/GPRS 國家公網構成的無線監測系統，因此無地域限制，GSM/GPRS 國家公網信號覆蓋之地都是可以監測的范圍，地面觀測站的個數根據需要安裝，數量不受限制。

圖2 地面遙測系統結構示意圖

系統工作原理：無線監測系統是以手機短消息形式進行數據交換。系統工作方式可分為主叫應答或定時自動上傳兩種方式。即地面監測中心站通過遠程通信適配器里的GSM 通信模塊發送指令呼叫、地面鉆孔遙測站應答發送短消息（數據）或預置地面鉆孔遙測站時鐘，定時自動發送短消息（數據），經遠程通信適配器中繼后由地面監測中心站接收。

地面遙測儀分站由儀器主機，儀器保護罩和傳感器三部分組成。安裝時，把配備的儀器保護罩（管徑為150mm）焊接到監測孔的孔口上，連接好傳感器和儀器（見圖3）。

圖3 地面水位遙測儀安裝圖

2.2 井下實時監測方案

主要由地面監測中心站、遠程通信適配器、井下數據通信網絡、井下數據采集分站、被測物理量傳感器、井下防爆電源等構成（見圖4）。

圖4 井下監測系統結構示意圖

井下線路布置：井下通信使用MHYVRP1×2×7/0.52（截面積為1.5mm2）通信電纜，通信電纜從監測主站連接到井下各個監測點，線路以樹形結構敷設，分主干線路和分支線路，主干線路和分支線路之間用中繼器連接。各分站和中繼器配電源箱，就近使用127V 電源。

3 礦井KJ117 水情實時監測系統

礦井KJ117 煤礦水文實時監測系統是中煤科工集團西安研究院有限公司自主研發的煤礦安全監測系統，作為新型煤礦防治水技術設備，近年來已被許多國有大型煤礦廣泛應用于對礦井水情的實時監測。

該系統可自動、實時地觀測煤礦井下、地面不同區域、不同含水層（段）的水壓、水位、溫度、流量等與水文地質相關的物理參數，可快速、準確地反映煤礦水情動態變化情況。通過預警功能設置，系統能自動分析現場實時監測數據進行相關輔助決策。實時監測的水文數據、歷時數據由數據庫管理，通過企業內部的局域網或INTERNET 可方便實現煤礦水文地質信息的多級共享。

建立納林河二號礦井KJ117 煤礦水情實時監測系統對加強煤礦礦井水害治理、提高煤礦防治水技術及保障煤礦安全生產具有極其重要意義。

4 水文監測系統工程設計

如前所述，礦井水文實時監測系統監測項目主要有以下方面：地面水文觀測孔水位；井下水文觀測孔孔口水壓；井下水倉水位；排水管路水壓及流量。

4.1 地面水文觀測系統

綜合分析納林河二號礦井各階段完成的勘探鉆孔，目前適合安裝水文監測設備的鉆孔主要有1 號水文補勘孔和4 號水文補勘孔[6-7]，鑒于已經在這2 個水文補勘孔安裝了水文監測設備，該設計中暫不考慮地面鉆孔水位監測點的布設。

4.2 井下水文觀測系統

根據目前井下已掘巷道情況，計劃分別在31102 工作面回風巷切眼附近、中央一號輔助運輸大巷（YF28測點附近的倒車硐室）、中央一號回風大巷與中央帶式輸送機大巷之間聯巷（二號主水倉附近）布置三個水文觀測孔，觀測的目的層為直羅組底部砂巖含水層[8-9]，并將3 個水文觀測孔分別標記為JX-01 孔、JX-02 孔、JX-03 孔（見圖5）。

圖5 井上下監測孔布置圖

4.3 排水系統（水倉、排水管路）水文監測系統

（1）水倉監測。礦井排水系統為接力排水模式，在一盤區設計二號水倉，井底車場設計一號水倉。目前一號水倉3#、4#水倉已施工完成，2#水倉正在施工，1#水倉暫停施工。因此，本次設計安裝2 臺GUY30 型水倉液位傳感器，布置在3#、4#水倉，未來在一盤區二號水倉及永久水倉的2#水倉完成后再布置水位監測裝置。

（2）排水管路監測。一號主排水泵房到地面設計4趟Φ377mm 管路，副井、風井到地面的各2 趟Φ377mm管路均已投入使用。

礦井二號主排水泵房到一號主排水泵房設計安裝4趟Φ377mm 管路，均安裝在中央二號回風大巷，且均已投入使用。

此次設計安裝4 套礦用隔爆兼本質安全型數字超聲波流量計，型號為LCZ-803，分別布置在副井至地面和二號主排水泵房經風井到一號主排水泵房。

5 結束語

綜上所述，通過實施納林河二號礦井井上下水情自動實時監測系統，一般情況下，基本可穩定、可靠、高效地對井田內目前采掘3-1 煤層范圍的主要充水含水層水、突水點水、礦井涌水量、采區涌水量等信息進行實時動態監測及數據分析處理，在準確掌握地下水活動規律及空間數據變化的基礎上，合理有效地指導礦井的水文地質及防治水工作。