煤礦井上下一體化水文監測預警系統研究與應用

姜 鵬，葉錦嬌，李 健

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

煤礦水害是煤炭資源開采中一種常見災害，我國煤炭資源豐富且地域分布遼闊，各煤田區域水文地質條件差異性較大，礦井水害呈現多樣性，其中華北區以老空水、底板奧灰水害為主，華東區以沖積層水、底板巖溶水害為主，華南區以地表水、老空水、溶洞水害為主，其它區以老空水害為主，是世界上礦山水害最嚴重的國家之一[1-5]。從2005年到2018年14年間，水害事故總起數556起，水害事故死亡總人數2544人，雖總體呈下降趨勢，但重大事故仍然多發，甚至出現反彈，其中自2012年以來，全國煤礦共發生水害事故97起、死亡422人(其中，較大及以上水害事故54起、死亡352人，分別占煤礦水害事故總量的61.4%、死亡人數的86.5%)，平均每年有60名礦工生命被水患吞噬。隨著近年來煤炭資源開采深度、開采規模、開采范圍及開采強度的不斷加大，大量小煤礦關閉后形成的積水區不斷增加，煤礦開采的水文地質條件變得越來越復雜，水害危害程度將更加突出，突水頻率和突水強度將不斷加大，礦井水害防治將會面臨更大挑戰。因此，預防突水事故是我國煤礦安全生產的必要保證，如何有效遏制礦井突水事故的發生，是目前亟待解決的重大問題[6-8]。

隨著物聯網技術的發展，利用無線傳感器網絡技術和數據通訊技術，研發基于物聯網技術的水文監測預警系統，通過監測設備的接入和質量管理，能夠實現及時、快速、高效地獲取礦井水文動態監測，能夠保證高精度、自動化實時長期數據采集，能夠動態地、全面地掌握礦區內，特別是容易發生水害區域的水文變化情況，并根據實時數據進行主動預警，提前采取相應防治措施，防患于未然。國內專家學者對煤礦水害監測指標及預警模型[9]、監測預警技術及裝備[10-15]及現場應用效果[16-18]等進行了不同程度的分析研究，基于國內研究現狀，進行煤礦井上下一體多參數水文監測系統設計研究，并進行現場實際應用。

1 煤礦水害關鍵影響因素分析及監測參數選擇

1.1 煤礦水害關鍵影響因素分析

目前國內主要水害類型為三大類：頂板水害、底板水害及老空區水害。

1)頂板水害關鍵影響因素分析。頂板水害發生主要是由于開采煤層頂板運動產生。上覆巖層的移動和破壞，形成了充水通道，使上部水體中的水滲入或潰入井下，形成災害。頂板水害發生有兩個因素：頂板含水層及導水通道。頂板含水層可以通過對含水層水位進行監測，掌握其水位變化情況，判斷頂板富水區是否有下泄工作面情況。

2)底板水害關鍵影響因素分析。底板水害發生主要是由于煤層開采中由于采動裂隙與底板承壓含水層直接導通，或者由于隱伏構造與承壓含水層直接連通，導致底板災害。判斷底板帶壓開采水害危險性的常用方法為《煤礦防治水細則》中的“突水系數”法[19]，此方法關鍵在于底板承壓水的水壓及底板隔水層厚度。因此，可以通過監測底板含水層的水位變化，掌握其水壓大小，進行判斷。

3)采空區水害關鍵影響因素分析。采空區水害的發生主要存在兩種：一種是工作面回采過程中，采動裂隙直接波及采空積水區，積水瞬間涌入工作面；第二種采空區密閉墻體破裂，采空區積水直接涌入巷道，發生水災。避免第一種情況水害發生，需采用物探及鉆探手段在工作面回采前對周邊的可疑采空區進行探測及驗證，而第二種采空區水害情況可以通過監測密閉墻體結構變化進行提前預防，密閉墻體結構變化可通過墻體內部應力及位移判斷。

1.2 煤礦水文監測參數選擇

1.2.1 參數選取原則

煤礦突水監測，主要目的是通過對水文參數的動態監測，能夠實現及時、快速、高效地掌握礦區內，特別是容易發生水害區域的水文變化情況，并根據實時數據進行主動預警，為礦區提供有效的水害基礎數據，通過分析各個突水點的形成原因與影響因素、與其他突水點的位置關系、對涌水量及水位變化的影響，提前采取相應防治措施，防止形成突水威脅。因此，每一個監測元素，必須具有合理性、科學性、可監測性及時效性。

1.2.2 監測參數選擇

國內目前的水文監測系統功能不一，實現了礦井的水文地質因素水位、水壓、水溫和流量等部分因素的監測，未能將水害相關因素進行有效的全面監測，該系統設計擬實現地面及井下主要水害因素一體聯合監測。根據各類水害關鍵影響因素分析和參數選取原則[20]，考慮到當前技術水平，此次主要選取的監測參數為水位、水溫、水壓、流量、位移及應力。其中水位、水溫參數可通過地面水文長觀孔實現含水層的監測，水壓、水溫參數可通過井下觀測孔進行頂、底板承壓含水層變化的監測，水位參數還可用于水倉水位變化監測，流量參數可用于排水管排水量的監測，位移及應力參數可用于采空區密閉墻體結構變化的監測。由于國內各地區礦井水文地質條件差距很大，影響突水的因素很多，是否存在其他更合適的監測參數，需在實踐應用中不斷驗證，并隨著相關技術的不斷突破，進而增加完善監測參數。

2 水文監測預警系統功能

2.1 系統硬件功能

煤礦水文監測系統主要實現“地面—井下”的全方位多指標的實時水文監測，硬件部分主要包含地面、井下兩個部分，地面部分包括地面數據采集及數據傳輸設備，井下部分包括水位、水溫、水壓、水量、采空區密閉墻體的位移及應力等主要水文因素的監測采集系統及井下數據傳輸系統。地面監測數據以無線傳輸方式傳送至監測中心服務器，井下各個監測點將數據傳輸至其通訊分站，經過數據轉換后傳遞至監測中心服務器。

1)地面水文監測。具有地面水文長觀孔、水源井及地面水體的水位、水溫監測功能，利用遙測自動記錄分站的水位水溫一體化傳感器，進行數據采集，通過無線網絡通訊系統傳回地面監測主站。

2)井下水文監測。具有井下水倉水位、水溫，水泵排水量，井下長觀孔水壓、水溫，井下疏放水孔管道流量、水溫等常用監測功能。通過多個參數的監測和綜合分析，實現對礦井監測部位突水的可能性進行準確的預測和預報。

3)采空區密閉墻體監測。監測采空區密閉墻體內部的應力應變及密閉墻體相對位移變化，分析采空區密閉墻體的質量及抗采空區水壓能力，預防采空區密閉突水狀況。

2.2 系統軟件功能

水文監測預警軟件主要由6部分構成：Web數據顯示、語音合成、客戶端數據展示、聯網發布OPC發布、雙機熱備、通訊程序，如圖1所示。主要實現功能如下：

圖1 監測軟件組成

1)實時在線監測分析井下水位、水溫、水壓、水量、采空區密閉墻位移、應力等多個指標。

2)實時在線監測地面水位、水溫、水質、氣象(雨量、氣壓、風速、濕度等)多個指標。

3)系統監測數據可自采集、自分析、自劃分、自備份，以圖表、曲線等模式將數據以數字化、圖像化形式動態顯示與輸出。

4)系統具有指標超限自報警、雙機熱備自動切換、人機對話、自診斷、軟件容錯、實時多任務等功能，系統誤碼率小于等于10-9，最大巡檢周期小于等于20s。

水文監測預警軟件界面功能設計主要展現內容包括數據采集、數據處理，圖表查詢、實時超限示警及系統管理等。其中，實時超限示警的實現主要通過設定水文監測數據變化范圍來進行閾值評判實時示警，在其原監控系統里產生了報警記錄，并對危險源的實時和歷史數據進行專業的統計分析，水文監測參數實時示警流程如圖2所示。

圖2 水文監測參數實時示警流程

3 水文監測預警系統結構

3.1 地面水文監測結構

地面水文監測系統基于蜂窩的窄帶物聯網，設計NB-IoT水位、水溫一體傳感器，地面水文監測系統構成如圖3所示，其工作原理為：

圖3 地面水文監測系統構成

1)NB-IoT傳感器：儀表負責采集水位、溫度傳感器信息，并按照預設的間隔時間通過NB-IoT網絡上傳數據至云平臺。

2)云平臺：負責收集并保存傳感器上傳的數據，擁有完整而嚴謹的后臺協議，并可處理一定的業務邏輯。云平臺可以為私有云、物聯網云平臺以及第三方數據平臺。

3)應用端開發支持：提供簡潔的API接口，可通過API接口可快速實現用戶端web、PC、Android APP等應用程序開發，幫助客戶快速實現物聯網數據接入與數據分析能力。

3.2 井下水文監測結構

井下水文采集設備，其終端主要功能是通過傳感器采集水文參數數據，具備可以通過數字接口采集信息和通過模擬信號采集信息的功能，然后通過總線網絡或者網絡將數據上傳。傳感器通過總線數字信號和模擬信號兩種方式采集。設計中需考慮功耗問題，對采用芯片和電路等方面都以降低功耗為基準進行設計。井下傳感器整個儀器由6部分組成，分別是殼體、主板、探頭、紅外接收、蜂鳴器、報警燈。水文監測系統結構如圖4所示。

圖4 水文監測系統結構

4 水文監測系統在礦井中的應用

4.1 方案設計

板石煤礦位于吉林省琿春市琿春煤田河北區的西部，井田內主要含水層為第四系沖積洪積含水層、風化裂隙帶含水層及煤系層間承壓含水層。其中煤系層間承壓含水層富水性弱，且與上部風化裂隙含水層之間的水力聯系較差，對煤層開采基本不產生影響，第四系沖積洪積含水層及風化裂隙帶含水層富水性較強，在大斷層構造影響下，可能對煤礦安全開采產生影響。

在建設數字化礦山的基礎上，采用水文遠程監測系統對板石煤礦礦井水文進行監控預警?？紤]井田水文地質、采礦條件及可能的水害情況，對礦井主要進行以下幾方面監測：①第四系含水層水位及溫度變化規律；②風化裂隙帶含水層水位及溫度變化規律；③井下三處水倉(-170水平水倉、-480水平主水倉及-585水平水倉)排水管路流量監測，掌握礦井涌水量變化。

4.2 應用效果分析

考慮到風化裂隙帶含水層距離煤層相對較近，最可能對煤層安全開采產生影響，本文選取風化裂隙帶含水層水位、水溫變化及主水倉-485水平水倉的流量變化并進行應用分析，分析水文監測預警系統的監測功能。

水文監測系統經數據處理分析后繪制的風化裂隙帶含水層水位、水溫變化曲線如圖5所示，-485水平水倉排水瞬時流量變化曲線如圖6所示，-485水平水倉排水累計流量變化曲線如圖7所示，含水層水位、水溫及瞬時流量變化曲線對比如圖8所示。

圖5 風化裂隙帶含水層水位、水溫變化曲線

圖6 -485水平水倉排水瞬時流量變化曲線

圖7 -485水平水倉排水累計流量變化曲線

圖8 含水層水位、水溫及瞬時流量變化曲線對比

通過圖5、圖6、圖7中可以清晰地看到含水層水位及溫度變化，水倉排水管路瞬時流量及累計流量變化情況，如曲線出現異常變化點，會根據設置的參數閾值，及時預警。通過圖8，利用含水層及井下流量對比變化曲線情況，可以實時分析工作面是否導通風化裂隙帶含水層，防患于未然。

5 結 論

1)基于合理性、科學性、可監測性及時效性原則，結合對煤礦三大水害(頂板、底板及采空區水害)發生關鍵影響因素的系統分析，確定煤礦水文監測重要監測參數，從實用性考慮設計了水文監測預警系統總體功能。

2)水文監測預警系統通過地面及井下全方位一體集成化采集，實現了監測數據自采集、自分析、自劃分、自備份，以圖表、曲線等模式將數據以數字化、圖像化形式動態顯示與輸出，并且具備指標超限自報警、雙機熱備自動切換、人機對話、自診斷、軟件容錯、實時多任務等功能。

3)通過水文監測預警系統現場應用的監測數據及曲線分析，可以全面了解礦井水文地質動態，掌握礦區的水文變化規律，及時獲得井下可能的突水原因，通過數字化手段實現對煤礦生產過程水害因素的有效監測預警。