礦井老空水實時監(jiān)測系統(tǒng)的建立研究

吳銘渝 曾旺

作者簡介：吳銘渝（1997-），女，福建泉州人，碩士，中國地質(zhì)大學（武漢），研究方向：安全科學與工程;曾旺（1968-），男，湖南益陽人，中國冶金地質(zhì)總局中南局安全生產(chǎn)處處長，教授級高級工程師，研究方向：安全生產(chǎn)管理與巖土施工。

摘 要：老空水是礦井水災事故的最主要原因之一。對老空水的補徑排條件和危害進行研究，選取監(jiān)測指標與方法，通過建立老空水實時監(jiān)測系統(tǒng)，能對采空區(qū)內(nèi)積水實現(xiàn)較好的監(jiān)測，實時捕捉突水發(fā)生的前兆信息，從而最大限度地避免老空水害的發(fā)生，保證礦井的開采安全。

關鍵詞：礦井;老空水;監(jiān)測

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.11.089

老空水是指在被廢棄礦井和采煤空間中的積水，因礦井已停止開采，這部分積水無法自動排出，只能聚集在采空區(qū)內(nèi)。老空水是礦區(qū)淺部采礦常見的充水水源，是透水事故發(fā)生、威脅礦井安全生產(chǎn)的主要原因之一，占近年來我國較大水害事故起數(shù)和死亡人數(shù)比例80%以上。建立針對老空水的監(jiān)測系統(tǒng)，對采空區(qū)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)工作面巷道老空水分布情況，對老空水害的預警與防治有重要意義。

1 老空水的補徑排與危害

老空水的補給可來自于大氣降水直接滲漏灌滿，也可來自于地下水，地下水類型如砂巖水、斷層水等，通過巷道直接溝通或采動裂隙帶、導水斷層、裂隙等通道，長期滲透積累或巖溶淹沒，或通過相互連通的相鄰采空區(qū)溝通。因其存在于廢棄的采礦空間內(nèi)，不具備自動排出的能力，需要人工疏干。老空積水多分布于礦體淺埋處，開采深度大多數(shù)為100m上下，個別可達200m。

老空水害是礦井水害事故的主要類型，尤其在一些開采歷史較久遠的礦區(qū)是不可輕視的充水水源。當工作面接近采空區(qū)，老空水可能以潰入、滲水、滴水的方式進入礦井。如陽新縣鵬凌礦業(yè)有限公司趙家灣銅礦（一礦帶），1998年以前曾有數(shù)家業(yè)主在-135m中段以上對Ⅰ號礦體開采，共開拓了8條斜井，采空區(qū)體積約99500m3。在開采-225m、-265m、-305m、-345m中段時，由于-193m中段已經(jīng)開采完的Ⅳ號采空區(qū)未疏干的積水存在較高的地下水壓，于2004年6月16日在-193m中段水平巷道滲水點發(fā)生了重大突水事故。本次突水造成了11人死亡，為重大惡性事故，并導致礦山至今處于淹沒狀態(tài)。老空水害的主要特點有：

（1）具有分布復雜性，在礦層本身分布不規(guī)律和外應力的作用下，采空區(qū)的空間分布難以判斷，老空水的邊緣、積水形狀也難以判斷，其分布分散、孤立、隱蔽。

（2）具有水體復雜性，一些特殊地巖石如沉凝灰?guī)r、遇水會膨脹或軟化的粘土巖、遇水會崩解的泥質(zhì)砂巖等，都會讓積水體內(nèi)沉淀多種泥沙和巖塊，導致積水情況復雜。由于采空區(qū)中煤層及頂?shù)装鍘r層中黃鐵礦的氧化作用，老空水可以成為酸性較強的積水，在突水時有時會同時伴隨有毒有害氣體H2S、CO2、CH4逸出，水的酸性對井下金屬設施同樣有腐蝕作用。

（3）具有空間動態(tài)性，以靜儲量如為主、動水補給為輔，總水量有限。

（4）具有突發(fā)性，一旦采掘工程意外接近或揭露采空區(qū)，水體導通，就會發(fā)生突水，水量集中且水勢兇猛。若老空水與其他水體無水力聯(lián)系，涌水量雖然很大，但持續(xù)時間不長，容易疏干;若與其他水體有水力聯(lián)系，可形成量大而穩(wěn)定的涌水量，對礦山生產(chǎn)危害甚大。如當?shù)乇斫邓蓪峡账纬芍苯友a給時，降水通過采空區(qū)下滲至礦井，涌水量會迅速增大，造成淹井事故發(fā)生。

2 老空水的監(jiān)測指標選取

2.1 水位、水壓、水量

水位和水壓是在礦井監(jiān)測體系中廣泛選用的指標，便于測量監(jiān)控，且在預測突水的可能性研究中有很好的可靠性。正常情況下，地下水的動態(tài)變化相對穩(wěn)定;而一旦水力聯(lián)系發(fā)生改變，突水位置附近同一含水層或存在聯(lián)系的相鄰含水層的水位、水壓及水量方面會發(fā)生變化，水位逐步上升或下降，而水壓明顯減少時涌水量會明顯增大，反之亦然。采空區(qū)的積水通過裂隙或斷層等通道進入礦井或突入隔水層時，其水位、水壓和水量會有所反映，預示有發(fā)生突水的可能性。同時，對水量的監(jiān)測也有助于明確本采空區(qū)內(nèi)的水量多少，在后期進行老空水探放時做好準備。

2.2 水溫

在礦井向深處開采過程中，不同深度、不同水源補給條件、不同含水層的水溫都有著差異。地下水向工作面滲透時，圍巖的溫度也會受到影響。但當含水層距離礦層較近時，該含水層的水溫與礦井正常涌水的水溫較接近，用以判斷突水的準確性較低，不如水位和水量來得精準。當采空區(qū)積水受到充水水源補給，其溫度可能會出現(xiàn)較明顯的變化，對水溫進行監(jiān)測，可以及時了解老空水的補給變化情況。

2.3 水化學指標

不同地層深度的水文化學環(huán)境大不相同，發(fā)生在不同地層的水巖相互作用也大不相同。地下水的水化學成分往往呈現(xiàn)出明顯的水平或垂直分帶分布特征，由于隔水層的存在，礦井中各含水層的水化學特征也往往有獨立性。常用的水化學指標有離子成分、TDS與硬度和pH數(shù)值，此處選用離子成分和pH數(shù)值作為監(jiān)測指標。

（1）離子濃度。地下水中溶解有氣體、各類常見元素和微量元素的離子，一般分布含量最多的離子成分包括Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。而不同地層地下水的由于各地水文地質(zhì)條件的區(qū)別，在選用水化學的離子指標時應先進行有效性驗證，對礦區(qū)的水樣取樣后統(tǒng)計水樣中各離子濃度的數(shù)據(jù)，判斷哪個離子的區(qū)分性、有效性好，且易于驗證分析，作為老空水監(jiān)測體系的監(jiān)測指標。

（2）pH。不同含水層的pH存在一定差異，但這種差異不具有區(qū)分度，難以量化，在以往的礦井地下水監(jiān)測系統(tǒng)中很少作為指標之一。但老空水的pH值和其他含水層的pH值差異較大，如羅立平在分析淮南煤田新區(qū)和老區(qū)的老空水水化學特征時，發(fā)現(xiàn)老空水因充水水源與其他含水層不同，pH值有著較明顯的區(qū)別。因此，當前期調(diào)查表明老空水和其他含水層的pH區(qū)別較大，pH可以作為監(jiān)測指標，根據(jù)這個差異對老空水進行監(jiān)測。

2.4 巖石力學指標

采空區(qū)突水發(fā)生的主要原因是動力影響，在突水事件發(fā)生前，周圍巖體因外力施加而失穩(wěn)或裂隙發(fā)育成導水通道，都會出現(xiàn)破裂、運動和微震的現(xiàn)象。通過監(jiān)測巖體的巖石力學指標，可以及時捕捉到突水發(fā)生的前兆信息，從而做好預警和防護工作。常見的巖石力學指標有應力、巖層位移和微震，此處選用應力和微震作為監(jiān)測指標。

（1）應力。

應力的集中與釋放會影響巖層的穩(wěn)定性，而應力、應變也能夠反應巖層的破壞程度。當巖層的破壞程度越大，造成的裂隙越多，可形成的導水通道也越多，從而更容易導致突水的發(fā)生。在突水即將發(fā)生前，巖石的應力和應變會發(fā)生突變，即應力達到峰值。應力的變化明顯且易于監(jiān)測捕捉，是礦井突水監(jiān)測預警的有效指標。

（2）微震。

當巖體被外力破壞時，會發(fā)生應力集中和能量累積。能量積累到極限就會以波的形式釋放出來，引起巖體震動。多項研究表明，采動應力和地下水的共同作用會引發(fā)微震。而涌水量的增大往往也伴隨微震事件數(shù)量和微震能量釋放變化幅度的增大。在監(jiān)測微震活動后，采用巖層應力理論和數(shù)學統(tǒng)計的分析方法對巖體微震的活動規(guī)律進行研究，計算微震事件的能量和頻次曲線，得到能量釋放率ξ和能量密度ε。能量釋放率可以作為分析微震活動強度發(fā)展變化的依據(jù)，當能量釋放的頻率高且密集時，就極有可能發(fā)生突水;而能量密度可以作為量化微震活動強弱程度的依據(jù)。

3 老空水的監(jiān)測方法

3.1 傳感器監(jiān)測法

傳感器目前廣泛應用于礦山地下水的水文地質(zhì)監(jiān)測中，經(jīng)過多年的改進換代，如今的傳感器具有準確度高、穩(wěn)定性好、可靠性優(yōu)的優(yōu)點，防水、抗腐蝕、抗干擾能力強，能夠適應各種各樣的水文監(jiān)測環(huán)境。在井下采空區(qū)、富水層等位置布置水位、水溫、應力應變傳感器，可以對老空水的水位、水溫、應力應變實現(xiàn)實時在線監(jiān)測;布置水質(zhì)傳感器，經(jīng)離子分析儀快速測定離子指標與pH數(shù)值。傳感器在自動采集數(shù)據(jù)后，存儲、傳輸至監(jiān)測中心，便于統(tǒng)計分析。針對各種傳感器品種多樣導致的通信協(xié)議不規(guī)范、不兼容、難以集中管理的問題，可以采用技術手段將傳感器系統(tǒng)與局域網(wǎng)絡集成，如黑龍江某礦使用光纖傳感的技術手段集成傳感監(jiān)測系統(tǒng)，以光纖通信技術為平臺，實現(xiàn)對老空水的遠距離、大容量、多通道的實時監(jiān)測。

3.2 物探法

物探法在礦山地下水探測中應用較廣，具有較高的經(jīng)濟性和工作效率。傳統(tǒng)的物探法包括激電法、放射法、核磁共振法等，這些方法將探尋地下礦物的方法用于地下水監(jiān)測勘測，需要經(jīng)過對物探曲線的詳細分析和結合現(xiàn)代信息傳感、信號處理技術，才能解決物探儀器觀測結果多解的困難。以下介紹兩種已應用于老空水監(jiān)測的物探方法：

（1）地下磁流體法利用天然的大地電磁場為探測源，依靠不同地層對電磁波的不同耦合特征，來進行地質(zhì)構造判斷。地下磁流體法所得到的電磁波信息具有唯一性，即對地下水和采空區(qū)有唯一識別功能，可以對采空區(qū)的所處位置以及是否塌陷、是否存在積水進行判斷，并大致估算老空水的水量。該方法具有深度大、周期短、效率高、精確度高、安全性高、成本低的特點，可以在地面直接進行。岳金華使用該法對礦井進行水害監(jiān)測，在采礦過程中對老空水害實施監(jiān)測，大大減少了傳統(tǒng)物探方法需要的人力物力，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)做好水害預警。

（2）礦井并行電法技術屬于激電法的一種，以巖體介質(zhì)的導電性差異為物理基礎，通過天然存在或人工建立條件下電場的分布來研究礦井地質(zhì)構造。當?shù)刭|(zhì)構造發(fā)生變化，介質(zhì)的電性也會發(fā)生變化。通過對電性的分析，可以推測出監(jiān)測點的地質(zhì)構造特征、富水性等情況，從而推斷出礦下哪處區(qū)域存在已采掘的舊巷和空洞、存在老空水。該技術方法自動化程度和施工效率高，由于采用并行采集技術，保證各電極點在電廠環(huán)境完全相同的情況下采集數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的電法技術提高了信號保真度和地質(zhì)情況分辨能力。霍州薛虎溝煤礦采用該法通過實時對井下施工巷道跟蹤探測，采集數(shù)據(jù)后分析，最終預測巷道前方和頂、底板的地質(zhì)構造及富水情況，一旦出現(xiàn)老空水水害變化，及時向檢測人員發(fā)送結果信息，做出對策。

3.3 微震電磁耦合監(jiān)測法

微震電磁耦合技術對巖體的微震活動和因震動造成水體變化時而產(chǎn)生的電磁脈沖信號進行監(jiān)測，結合微震與電磁波變化，監(jiān)測生產(chǎn)活動對巖層的影響。該方法在井下采空區(qū)布置探頭，實時采集微震與電磁數(shù)據(jù)，采用微震能量、頻次分析的方法分析是否有微震異常，若發(fā)現(xiàn)有異常活動，便對實時統(tǒng)計得到的能量、頻次和能量釋放率ξ、能量密度ε結合分析，研究微震活動性的發(fā)展變化，綜合微震狀況與實際水位地質(zhì)條件，分析突水發(fā)生的原因和可能性，以便采取有效措施解決問題。

4 老空水實時監(jiān)測系統(tǒng)的建立

老空水實時監(jiān)測系統(tǒng)應當能對當前礦井采空區(qū)內(nèi)的水壓、水位、水溫、水量、水化學指標和巖石力學指標動態(tài)的變化情況進行實時測量，為老空水害的預警和防治工作提供可靠的依據(jù)，系統(tǒng)的設計思路如圖1所示。

系統(tǒng)由主站及若干井下分站構成。主站位于地面的監(jiān)控中心，可直接將井下監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，并通過中心計算機處理、分析數(shù)據(jù)，采用圖形化的表現(xiàn)形式將數(shù)據(jù)整合展示，便于用戶分析研究。數(shù)據(jù)經(jīng)處理，主站將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)服務器，由數(shù)據(jù)服務器進行保存。根據(jù)需要生成相關的年月日報表、數(shù)據(jù)曲線，進行水文地質(zhì)數(shù)據(jù)資料管理及打印輸出結果，方便歷史數(shù)據(jù)的對比研究。用戶在主站設置監(jiān)測閾值條件，控制數(shù)據(jù)采集，可以選定任意觀測點進行重點監(jiān)測。若監(jiān)控的區(qū)域狀況達到設置的閾值條件，系統(tǒng)自動發(fā)出警報，同時向預先指定的客戶端發(fā)送報警信息。

子站按照礦井實際情況設置在井下采空區(qū)。在井下布置傳感器、離子快速分析儀、探針探頭等信號探測設備，子站的探測裝置負責接收探測得到的信息，既可將信息通過井下通信線路、光線線路、通訊模塊在光電信號轉換后發(fā)送至主站，也可通過現(xiàn)場總線電纜與其他探測裝置連接。地面監(jiān)控中心則通過遠程有線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)對井下子站進行有效控制，實時監(jiān)測并記錄數(shù)據(jù)。

5 結語

老空水害作為威脅礦井安全生產(chǎn)的重要因素之一，一直是礦井水害預警和防治的重點。通過研究老空水的補徑排條件與危害，抓住老空水的特點，正確選取監(jiān)測指標和方法，建立老空水實時監(jiān)測系統(tǒng)，能對采空區(qū)內(nèi)積水實現(xiàn)較好的監(jiān)測，實時捕捉突水發(fā)生的前兆信息，從而最大限度地避免老空水害的發(fā)生。

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