煤礦防治水4 種基礎臺賬建立與數據應用

呂玉廣，李明振，胡發侖，劉 爽

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221116；2.內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016299)

基礎數據的收集和整理是技術工作的基礎，碎片化的數據幾乎等同于無效數據[1-2]，有效的數據必須具備完整性、持續性、準確性、規范性等特征?！睹旱V防治水細則》(簡稱《細則》)第十五條規定：礦井應當根據實際情況建立16 種基礎臺賬，并至少每半年整理完善一次[3-4]。由于煤礦井下涌水形式不同、主要涌水地點不同、排水方式不同、側重點也不同，因此，《細則》沒有給出統一的臺賬格式。2020 年山西省煤炭地質工程協會以團標形式發布的《煤礦防治水基礎臺賬編制方法》，采用Microsoft Word 表格臺賬格式，該臺賬格式在計算功能和繪圖功能方面有明顯欠缺。電子表格在計算、篩選、排序、繪制趨勢線等功能上較Word 表格強大得多，以Microsoft Excel 2007 為例，一張表格共有 1 048 576 行、16 384 列，可以滿足建立各種臺賬的需要。因此，筆者提出基于Excel 格式的煤礦防治水4 種基礎臺賬的建立方法，創建可供煤礦參考使用的模板；舉例說明利用臺賬數據解決具體問題的方法，旨在拓展思路，供工程技術人員借鑒。

1 礦井涌水量臺賬及其數據應用

1.1 數據收集與臺賬建立

1) 數據收集

礦井涌水量分為全礦井涌水量、水平涌水量、采區涌水量、工作面涌水量以及集中出水點涌水量等[5]。根據現場條件，涌水量觀測可選擇浮標法、堰測法、容積法、明渠水文自動監測儀法、管卡式超聲波流量計法、水泵銘牌額定值法等[6]。

礦井各地點的涌水經過采區泵房、水平排水系統，最后進入中央泵房水倉。由于各排水點排水時間不統一，不宜在水倉入口處設置觀測站觀測礦井總涌水量。有的煤礦企業將各點實測涌水量相加得到全礦井涌水量，由于測量時間節點不統一、測量方法不統一、散點水難以實測等原因，導致礦井涌水量數據誤差較大。推薦在礦井中央泵房主排水管路上安裝超聲波流量計，盡量保持每天某一固定時間節點(如夜里零時)水倉內水位一致，以使中央泵房排水量與礦井當天的涌水量基本一致，即使有一定誤差，但在大尺度時間跨度上，這種誤差對涌水量變化趨勢可以忽略不計。

2) 臺賬建立

涌水量數據每年占用1 張電子表格，設置為A3 號紙張大小，打印裝訂成冊即為礦井涌水量臺賬，表格形式和內容見表1。

表1 礦井涌水量臺賬(××年)Table 1 Account of mine water inflow(××year)

礦井每天的涌水量(m3)按日期錄入表格內，表格底部對應單元格內輸入公式，自動計算月度平均涌水量(m3/h)、月度最大涌水量(m3/h)、月度總排水量(m3)、年度平均涌水量(m3/h)、年度最大涌水量(m3/h)、年度總排水量(m3)以及歷年累計排水量(m3)，年度內平均涌水量可視為礦井正常涌水量。

采區涌水量臺賬可參照全礦井涌水量臺賬建立，采區涌水量、礦井涌水量足以反映全礦井的水情，一般沒有必要再建立水平涌水量臺賬。

1.2 應用舉例

以時間為標度的礦井涌水量數據反映出礦井過去涌水量變化特征，結合其他相關因素可以預測未來涌水量、判斷水力聯系、評價堵水效果等[7]。

1) 涌水量歷時曲線

臺賬只是數據保存的一種格式，在解決具體問題時需要對數據格式做適當調整。當需要繪制礦井涌水量歷時曲線時，在電子表格第1 行第1 列(如A1)單元格內輸入時間(如年月日)，下拉鼠標得到時間序列；將臺賬(表1)中涌水量數據復制粘貼到此表的第2 列(如B 列)相應的單元格內，得到涌水量序列；如果需要計算每小時的涌水量，在第1 行第3 列單元格(如C1)內輸入“=B1/24”，涌水量單位則由m3變換為m3/h，下拉鼠標完成全部數據單位的轉換。選取第1 列+第2 列或第1 列+第3 列數據，電子表格可自動插入涌水量(逐日)歷時曲線。按同樣方法輸入公式求取旬或月涌水量平均值，繪制逐旬或逐月涌水量歷時曲線。

圖1 為某煤礦涌水量(逐日)歷時曲線，可以看出，該礦井從2011 年11 月至2020 年11 月涌水量總體穩定，正常涌水量約110 m3/h；礦井涌水量與開采面積、掘進進尺等相關性不明顯；礦井涌水量出現過4 次異常性增加，第1 次異常對應一次采煤工作面突水，第2 次異常對應一次巷道底板突水，第3 次異常對應一次井下單孔放水試驗，第4 次異常對應一次井下多孔放水試驗。

圖1 某礦井涌水量(逐日)歷時曲線Fig.1 Duration curve of mine water inflow(day by day)

2) 井上下水力聯系判斷

大氣降水量臺賬是《細則》要求的16 種臺賬之一，利用臺賬數據繪制礦井涌水量與大氣降水量相關性曲線，如果雨后一段時間內井下涌水量明顯增加，可判斷井上下存在水力聯系[8]。通常一年內大氣降水集中在某個季節或某些月份，據此區分豐水季和枯水季，如果連續多年礦井涌水量沒有隨季節(或月份)有規律地增減，則說明礦井涌水量與大氣降水(或地表水)之間沒有聯系。

上述某礦位于我國西北部地區，年降水量集中在7 月下旬至9 月上旬。根據涌水量臺賬數據(剔除2 次突水和2 次放水試驗期間涌水量數據)，按旬繪制礦井涌水量歷時曲線疊合圖(圖2)，可以看出，雨季礦井涌水量沒有明顯增加，枯水季涌水量也沒有明顯減少，多年均如此，說明大氣降水對礦井涌水量沒有影響。

圖2 某礦井不同年份涌水量(逐旬)歷時曲線Fig.2 Superposition diagram of water inflow(every ten days) duration curves of a mine in different years

利用礦井涌水量臺賬數據還可以預測涌水量、評價注漿堵水效果等，限于篇幅不再舉例。

2 含水層水位臺賬及其數據應用

2.1 數據采集與臺賬建立

1) 數據采集

礦井主要含水層有井上或井下水文觀測孔，地面觀測孔內可安裝NDCS 分布式控制的智能自動監測系統，水位數據實時無線傳輸[9]；井下水文自動監測報警系統通過以太網、GPRS 和GSM 等通信手段實現數據傳輸[10]。地面觀測含水層水位埋藏深度，經過孔口高程換算成水位高程；井下觀測含水層水壓，通過水位與水壓關系換算成含水層水位高程。本文推薦，正常情況下，觀測頻率可設置為每隔8 h 發送1 個水位數據(如每天0:00、8:00、16:00 三個時間點)，這樣便于臺賬建立、繪制趨勢線；井下出現水情時可加密觀測。

2) 臺賬建立

含水層水位數據臺賬見表2，臺賬包括觀測時間、水位埋深等，設置公式自動換算成水位高程。單元格內設置公式，求取當日3 個數據的平均值作為當日水位，用來繪制水位逐日歷時曲線；日升降幅度=當日平均水位-前日平均水位，差值為正數代表水位上升，字體設置為黑色；差值為負數代表水位下降，字體設置為紅色，視覺上更加直觀。含水層水位日升降數列可用來繪制水位日升降條形圖，反映水位變化劇烈程度。觀測日期必須連續，當儀器出現故障、數據有缺失時，應保留空格，否則水位歷時曲線失真。需要做其他比較性計算時，表內可隨時插入行或列。

表2 含水層水位數據臺賬Table 2 Standing book of aquifer water level data

2.2 應用舉例

利用含水層水位臺賬數據，通過繪制各種曲線圖，可判斷含水層間水力聯系、預測突水災害、評價疏放水效果，可判斷突水水源、補給水源和補給通道等[11]，下文舉例說明。

1) 水位歷時曲線

鼠標選取表2 中觀測日期和平均水位數據，電子表格插入功能可自動生成水位歷時曲線。圖3 為某礦直羅組J1觀測孔自2012 年9 月11 日至2020 年7 月31 日期間的水位歷時曲線，可以看出，該含水層水位總體呈逐年下降趨勢；幾次較大的水位波動對應著幾次異常水情(突水或放水試驗影響)。

圖3 某礦直羅組J1 孔觀測孔水位歷時曲線Fig.3 Water level duration curve of observation hole(hole J1) in Zhiluo Formation of a mine

2) 水位日升降幅度條形圖

選擇某礦寶塔山砂巖含水層B1 孔水位數據進行分析說明，鼠標選取表2 中“觀測日期”+“水位日升降幅度”數列，插入水位日升降幅度條形圖(圖4)，水位升降幅度反映了該含水層放水試驗的全過程：2019 年6 月15 日以前水位有微小的升降，總體穩定；2019 年8 月25 日至2019 年9 月15 日試放水，水位大幅度下降，最大日降1.2 m；2019 年9 月16 日至2019 年10 月10 日關閉閥門，水位快速恢復，最大日升0.7 m；2019 年10 月11 日至2019 年11 月10 日正式放水，水位快速下降，最大日降2.7 m；2019 年11 月11 日以后關閥結束放水試驗活動，水位回升速度由快至慢，最后回到放水試驗前的水位變化規律。水位升降幅度與放水量結合，可以定性判斷含水層給水能力。

圖4 寶塔山砂巖含水層(B1 孔)水位日升降幅度Fig.4 Daily rise and fall of water level in Baotashan sandstone aquifer(hole B1)

3) 水力聯系判斷

B-9 孔為白堊系含水層觀測孔、B-36 孔為三疊系延長組含水層觀測孔、B-44 孔為延安組寶塔山砂巖含水層觀測孔，利用水位臺賬數據繪制這3 個鉆孔水位疊合曲線。井下對寶塔山含水層開展放水試驗期間，白堊系含水層、延長組含水層水位均隨寶塔山含水層的水位同升同降(圖5)，說明這3 個含水層之間存在緊密的水力聯系，延長組含水層與寶塔山含水層之間水力聯系相對更加密切。

圖5 某礦多含水層水位歷時曲線Fig.5 Water level duration curves of aquifers in a mine

3 水質數據臺賬及其應用

3.1 臺賬建立

礦井通常經歷找煤、普查、詳查、勘探、建設、生產、補充勘探等多個階段，積累大量的水質化驗數據，水質指標可達數十種，需要建立臺賬對數據進行管理，電子表格是首選工具[12]。

表3 為水質化驗數據臺賬的基本形式，每1 份水質分析報告占用一行；行中主要陰、陽離子及其他指標依次填入表中。同一采樣點或同一含水層多次采樣時，按時間先后順序排列，便于上下滾動鼠標初步了解水質隨時間變化的規律。不同含水層或不同取樣點的化驗數據在臺賬內分段存放，也可以按采樣點或含水層分類分別建表。

表3 水質化驗數據臺賬Table 3 Standing book of water quality test data

3.2 應用舉例

長期積累的水化學數據可以用來確定含水層水化學類型、判斷含水層之間水力聯系、判定突水水源等[13]。

1) 補給水源判斷

某礦三采區13301 工作面突水前，一采區11305工作面采空區出水的礦化度穩定在4.7 g/L 左右；13301 工作面突水后，11305 工作面采空區水的礦化度快速降為3.10～3.24 g/L，礦化度歷時曲線出現明顯的臺階(圖6)，說明三采區和一采區之間存在水力聯系。

圖6 某礦11305 工作面采空區水礦化度歷時曲線Fig.6 Mineralization duration curve of goaf water in working face 11305 of a mine

2) 水質類型劃分

該礦開采山西組3上煤層，主要含水層包括侏羅系砂巖(J3)、煤層頂板砂巖(簡稱3 砂)、太原組三灰(第三層灰巖)、太原組七灰(第七層灰巖)、奧灰(奧陶系灰巖)等含水層。

根據臺賬數據，取各含水層各項指標的平均值得到各含水層水質特征指標(表4)，據此劃分各含水層水質類型如下：J3為SO4·CL-Na·Mg 型；3 砂為SO4·CLNa 型；三灰為SO4·CL-Na 型；七灰為SO4-Na 型；奧灰為SO4-Ca·Na 型。

表4 某煤礦主要含水層水質特征指標Table 4 Characteristics and water quality indexes of main aquifers in a coal mine

4 地層信息

4.1 基礎數據表

地層信息本不屬于防治水臺賬之一，近年來，隨著“三圖-雙預測”[14]以及“雙圖評價”[15]等富水性評價技術的應用，地層(巖性)信息與防治水工作愈加緊密相關，故本文將地層信息單獨建立臺賬。

鉆探是獲取地層信息最基本手段，地質柱狀圖是重要的勘探成果之一，包含巖性、埋藏深度、富水性等大量信息[16-17]。以鉆孔地層柱狀圖為基礎，將地層信息盡可能全面地錄入Excel 表格內形成基礎數據表，基礎數據是后續評價、研究工作的基礎。

基礎數據表(臺賬)建立原則如下：

①鉆孔(編號)按行排列，每個鉆孔占用3 列，分別為巖性、巖層厚度、巖層底板埋深；

② 第1 列為標志層，包括含水層、煤層、地層底界等，所有鉆孔同一個標志層保持同行對齊；

③各鉆孔揭露的標志層之間地層層數不等時，層數少的保留空格，確保標志層同行對齊。

建立地層基礎數據見表5，礦井所有鉆孔地層信息納入一張電子表格內。

表5 地層信息基礎數據(臺賬)Table 5 Basic data sheet of the strata information(standing book)

4.2 工作表

工作表是用來完成專題計算任務的表格，根據工作任務建立相應形式的工作表，以地層信息基礎數據表為信息源，提取相關的數據，通過公式設置、自動計算得到一組數據，用來繪制專題成果圖[18]。舉例說明如下：

1) 底板突水系數專題圖

工作表第1 列為鉆孔編號，鉆孔孔口坐標(X、Y、Z)占3 列，這是工作表的固定部分；工作表是開放性表格，根據工作任務，如繪制底板突水系數專題圖時，需要從基礎數據表內提取奧灰頂界埋深、奧灰水位埋深、煤層底板埋深等數據。在相應單元格內設置公式自動計算出底板隔水層厚度、隔水底板承受的水壓、突水系數等(表6)。

表6 底板突水系數專題工作表Table 6 Worksheet of water inrush coefficient

如果水文觀測孔較少，可利用少量的水位埋深數據繪制水位埋深等值線圖，再采用插值法得到其他孔位上的水位埋深。

將計算得到的突水系數列表導入繪圖軟件(如Surfer)，即可得到煤層底板突水系數等值線圖。

2) 砂地比專題圖

砂地比可定性表征地層的富水性[19]。研究煤層頂板富水性的實質是研究導水裂隙帶高度范圍內地層的富水性，砂地比可簡單表述為導水裂隙帶范圍內砂巖累加厚度與導水裂隙帶高度之比。工作表中鉆孔編號、鉆孔參數等與表6 相同，根據綜采支架型號以及鉆孔揭露的煤層厚度，預定各孔位上的采高(不是煤層實際厚度)；在導水裂隙帶高度相應的單元格內輸入公式自動計算；砂巖層厚度在基礎數據表中簡單相加可得；砂地比單元格內輸入“=砂巖厚度/導水裂隙帶高度”(表7)。將計算得到的砂地比數據導入繪圖軟件得到砂地比專題圖。

表7 砂地比專題工作表Table 7 Worksheet of thickness ratio on sandstone to strata

“五圖·雙系數”[20]中的“五圖”以及“三圖-雙預測”中的“三圖”均可以通過建立相應的工作表完成計算任務，利用計算結果繪制相應的專題圖，使日常防治水分析工作更加便捷。

5 結 論

a.基礎數據是煤礦防治水技術工作的基礎，數據的收集、整理是一項長期持續性工作，大量的數據需要一套行之有效的管理方法，采用Microsoft Excel 建立的臺賬能夠滿足數據存儲、分析、預測預報需要，同時促使數據收集更加及時、規范。

b.基于Microsoft Excel 建立的涌水量臺賬、鉆孔(含水層)水位臺賬等，可以用來記錄歷史上水文地質事件、預測涌水量變化趨勢、判斷井上下水力聯系，甚至判斷堵水工程效果等。

c.基于Microsoft Excel 建立的水化學數據臺賬，便于開展水質分析，確定水質類型，評價水力聯系等。

d.基于Microsoft Excel 建立的地層基礎數據表，將礦井全部鉆孔揭露的地層信息記錄于一張表格內，便于查閱；根據任務要求建立的工作表靈活多樣，大量計算過程可通過表格自身功能實現。