復雜地質條件下煤礦地下水監測預警技術

王紅梅，董書寧，王鵬翔，王昊星

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.長安大學 水利與環境學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

水害是煤礦生產的五大災害之一，嚴重威脅著礦井安全[1]。根據煤礦安全網發布數據統計自2020年至2021年，中國發生煤礦水害事故11起，最大被困人數21人，被困人數大于10人的重大事故達3起，造成了嚴重的社會影響[1-3]。礦井水文監測和突水災害預警是保障煤礦安全的重要技術手段[4-8]。當前國內水害監測預警技術主要依據礦區滲流場、應力場和地電場在礦井水害孕育、發展和發生過程中的不同響應[9-11]，建立多場耦合的水害監測預警模型[11-14]；采用水文監測系統[15-16]、微震監測系統[16-17]和電法監測系統[18-19]捕捉礦井突水征兆，對可深度學習的水害監測預警模型進行訓練[20]。國內學者對礦井水害監測預警系統的研發多集中在采用微震監測系統捕捉和識別采動過程中形成的頂底板破壞裂隙上[21-23]，然后根據裂隙發育的高度、深度和密集程度來判斷突水通道的形成[24]，進而實現對礦井突水災害的預測。劉盛東等依據地電場在采動過程中的變化規律，試圖建立地電場變化與礦井突水之間關系[18-25]。突水災害的超前預警就是將水害發生的征兆在不同領域的反應，相互印證，去偽存真，進而預判災害發生的可能性[26-27]。多場多參數預警勢必要求大量不同類型數據在特定模型內進行循環耦合計算，要求服務器有巨大的存儲和計算能力。喬偉等提出基于云服務的水害智能預警平臺構建[28]。劉棟等將LIF技術應用到煤礦突水預警中大大提高了數據傳輸速度[29]。

當前國內普遍采用的微震監測和電法監測是對重點工作面進行頂底板突水監測，傳感器主要埋置在目標工作面周邊，捕捉工作面頂底板采動裂隙的發育過程和低阻異常區的變化規律。而在水文地質條件復雜的礦井，斷層也是礦井突水的重要通道。當斷層受開采擾動活化連通強含水層時多發生突水災害。采用微震和電法監測系統對威脅礦井安全的重要斷層進行監測，將有效防范礦井的斷層突水災害[30]。另外，作為礦井水害監測預警系統基礎單元的水文監測孔，由于建設成本大，周期長，監測點數量較少，不能滿足水害預警要求，在煤礦井田內實施一孔雙層監測技術，將大大提高礦井水文監測網密度，縮短監測孔建設周期和成本，對礦井水害監測預警系統建設有重要的意義。

1 礦井概況

山東某煤礦位于山東省菏澤市，設計生產能力190萬t/a。礦井采用直井開拓方式，走向長臂綜采放頂煤采煤方法，開采水平為-845 m，主要開采石炭-二疊系山西組3煤。

礦井主要地層由老到新依次為奧陶系、石炭-二疊系、新近系和第四系。井田中部分布有八里莊正斷層，走向南北，傾向西，傾角70°，落差0～260 m，延展長度為17.0 km。斷層向上切割至新近系底部，下切奧陶系灰巖。

礦井主要含水層包括第四系松散孔隙含水層、新近系砂礫層孔隙含水層、上石盒子組砂巖裂隙含水層(含6層砂巖含水層，自上而下分別命名為M1到M6)、山西組3煤頂底板砂巖裂隙含水層、太原組三灰巖溶裂隙含水層和奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層，如圖1所示，富水性見表1。

礦井生產過程中正常涌水量1 379.1 m3/h，最大涌水量2 024.6 m3/h。主要導水通道包括斷層(八里莊斷層)，頂板導水裂隙帶(實測86.61 m，裂采比12.7∶1)，底板破壞帶(預計為28.7～32.1 m)。直接主要充水含水層為山西組3煤頂底板砂巖含水層和太原組三灰含水層，間接充水含水層為上石盒子組M6含水層和十下灰含水層，上石盒子組M5和奧灰水是礦井安全生產的主要威脅，礦井生產過程中還面臨斷層水害和老空水害問題，礦井水文地質條件復雜。

該礦原有水文監測孔數量較少，對上石盒子組M6和十下灰沒有觀測孔，對老空區積水監測數據采集自動化程度不高，無法滿足復雜水文地質條件下礦井水害監測預警的要求，急需建設滿足礦井安全生產，智能化、可視化、多元感知、超前預警的水文監測預警系統。

2 監測預警方案

根據上述充水條件分析，確定地下水監測以上石盒子組M6、十下灰和三灰為預警指示層，通過水位監測對礦井水害進行預警；在開采帶壓區采用連續電法監測，結合水壓、水溫、水質變化共同進行底板奧灰突水監測預警；采用微震與電法耦合監測技術在礦井大巷過八里莊斷層處對巷道頂底板斷層帶導富水性變化和微震事件進行監測；采用光纖光柵傳感器對巷道過八里莊斷層處底板巖層應力進行監測，與微震事件一起作為斷層受采動影響活化、甚至導通奧灰水的預警判據。

2.1 地下水監測方案

礦井水害監測以直接充水含水層為主要觀測層，為礦井正常涌水量預測提供計算參數。以間接充水含水層為監測預警指示層，對礦井安全生產提供超前預警。同時，礦井3條大巷均穿過八里莊斷層，巷道過斷層處是一采區生產的咽喉要道，地下水監測還包括對礦井安全生產構成重大威脅的八里莊斷層和已有采空區積水的監測。

2.1.1 上石盒子組底部M6含水層水位

正常情況下上石盒子組M6含水層的水不會進入采掘空間，當水位異常下降表明觀測孔附近有斷裂構造導通該含水層，成為煤層開采補給水源，水位異常上漲表明該含水層受到了上部強含水層補給。

2.1.2 三灰含水層水位

正常情況下三灰含水層水位會隨著開采深度加大，逐步降低，當水位異常增高時，可能是受到底部奧灰強含水層補給。

2.1.3 十下灰含水層水位

正常情況下十下灰含水層水位不會隨著3煤開采而變化，當水位波動與奧灰同頻，表明該含水層與奧灰有水力聯系；當水位異常增高，則可能與奧灰含水層之間形成新補給通道，出現奧灰突水征兆。當十下灰和三灰先后出現水位異常增高情況，可作為奧灰突水預警信號。

2.1.4 老空水水溫

山東某礦井田地溫異常，奧灰水水溫明顯高于上部其他含水層，十下灰、三灰或老空出水中摻入奧灰，則勢必引起水溫升高，可將預警含水層水溫異常作為監測奧灰突水的預警指標。

2.1.5 低阻異常區多頻連續電法監測

對1303工作面實施多頻連續電法監測，采用2n偽隨機多頻序列人工場源，通過智能控制軟件控制發射、接收電極的自動切換和連續采集，采用擬高斯-牛頓法進行測區三維視電阻率反演，并對反演結果進行四維動態成像，實現對底板三灰含水層和十下灰含水層的立體動態監測，以新增低阻異常區在時間上的連續變化結合十下灰和三灰水位異常，綜合作為底板奧灰突水的預警判據。

2.1.6 微震監測

對礦井大巷穿八里莊斷層處建立微震監測系統，對巷道周圍八里莊斷層應力應變變化，斷層帶移動以及導富水性變化進行立體監測，利用走時和偏振分析聯合反演定位算法對微震震源實現高精度定位，從而對突水通道進行時空定位與監測，為突水預警提供導水通道信息。

2.2 一孔雙層監測系統

為了節約成本，提高效率，研發了基于微膠囊(parcker)技術的一孔雙層監測系統。該系統包括分隔止水裝置和水文監測系統，可將已有的單孔單層觀測孔升級為單孔雙層觀測孔，也可在地質勘探孔完成勘探任務后應用，改造普通地質勘探孔為單孔雙層水文監測孔。

2.2.1 技術原理

在2個擬監測含水層中間安裝分隔止水裝置(圖2(a))；采用高壓充水使分隔止水裝置膨脹緊密依附在井壁上(圖2(b))；然后向分隔止水裝置頂部注入水泥漿液，永久性分隔上下2個含水層(圖2(c))，最后向中心測量管內外分別下放測量傳感器，實現一孔2層水文監測目的。

2.2.2 安裝方法

由鉆機連接中心測量管將分隔止水裝置送至孔內設計深度，用卡盤將中心測量管固定在鉆孔井口套管上，然后由高壓泵向中心測量管內注水，高壓水沿中心測量管從分隔止水裝置進水口充入橡膠外皮和內部鋼結構形成的密閉空間，橡膠外皮膨脹緊密貼在井壁上。繼續加壓注水，當充水壓力達到設計安全壓力值(7 MPa)后，分隔止水裝置底部安全銷切斷，密閉堵頭脫落。中心測量管內的水全部流入監測孔下部，而進入分隔止水裝置內的水被逆止閥鎖定，橡膠外皮仍呈膨脹狀態，分隔止水裝置發揮作用有效隔離上下部含水層的水力聯系。

2.3 水害預警方案

該煤礦主要防治的頂板水害為上石盒子組砂巖裂隙水以及新近系底部含水層水短時間通過采動導水裂隙、封閉不良鉆孔、斷層等大量進入采掘空間造成突水事故。主要防治的底板水害為奧灰水通過封閉不良鉆孔、底板破壞帶以及斷裂構造進入采掘空間造成突水事故。據此，采用水位、水壓、低阻異常和微震事件等作為水害預警指標。

2.3.1 上石盒子組M6含水層預警閾值

上石盒子組M6含水層水位預警閾值設定要依據歷年同期水位值確定，當水位值超過歷年同期最高水位后，要分析年度降雨和周邊地區洪水情況，在排除了區域降雨或洪流異常補給后，可認為上部含水層的水通過非常正常通道進入監測預警含水層。礦井存在頂板突水風險，頂板含水層預警閾值應根據礦井實際觀測數據定期調整。

設定歷史最大日變幅為A，則

當日觀測水位Hn-Hn-1=±A，為三級預警級別。

當日觀測水位Hn-Hn-1=±2A，為二級預警級別。

當日觀測水位Hn-Hn-1=±3A，為一級預警級別。

2.3.2 三灰含水層

三灰含水層為3煤開采底板直接充水含水層，工作面回采前均對三灰水進行疏放。根據該礦歷年對三灰疏放情況，工作面回采前三灰水位低于工作面最低標高，即工作面疏放鉆孔孔口無壓力。因此三灰含水層預警閾值設定如下。

當距離工作面最近的三灰觀測孔水位標高大于工作面底板最低標高為三級預警狀態。

當距離工作面最近的三灰觀測孔水位標高大于工作面底板最低標高50 m以上，為二級預警狀態。

當距離工作面最近三灰觀測孔水位標高持續上漲大于工作面底板最低標高100 m以上，為一級預警狀態。

2.3.3 十下灰含水層預警閾值

根據十下灰含水層水位變化規律，設計按十下灰含水層頂界面處原始穩定水壓在6 MPa以內時，預警閾值如下。

當十下灰含水層水位上升，觀測孔壓力增加0.5 MPa為三級預警級別。

當十下灰含水層水位上升，觀測孔壓力增加1 MPa為二級預警級別。

當十下灰含水層水位上升，觀測孔壓力增大2 MPa為一級預警級別。

當十下灰含水層頂界面處原始水壓力值大于6 MPa時，需對十下灰含水層進行疏水降壓，查明十下灰含水層的可疏降性，并根據探查結果設計預警閾值。

2.3.4 老空水監測預警閾值設定

根據該礦當前老空積水區空間位置、積水量和危害程度，設定老空水監測預警閾值如下。

當老空積水高度超過密閉墻位置為三級預警級別。

當監測水壓超過密閉墻能承受安全水壓值的50%為二級預警級別。

當監測水壓超過密閉墻能承受安全水壓值的100%為一級預警級別。

2.3.5 多頻連續電法監測預警閾值設定

通過實時多頻連續電法探測獲取斷層組底板0～190 m深度內地層電阻值分布形態，通過時間序列上阻值異常區(“高阻異常和低阻異常”統稱為“阻值異常”)發展規律研究潛在導水通道形成的過程，為底板奧灰突水預警。多頻連續電法監測預警閾值設定如下。

工作面回采期間監測范圍內十下灰含水層頂部隔水層出現新增阻值異常為三級預警級別。

工作面回采期間監測范圍內十下灰含水層至三灰含水層之間隔水層由深至淺逐漸出現新增阻值異常區為二級預警級別。

工作面回采期間監測范圍內當三灰含水層出現明顯新增阻值異常區為一級預警級別。

2.3.6 斷層活化預警閾值設定

當斷層有活化跡象，則首先出現應力集中，相繼出現巖層破裂的微震事件、地電場異常(如破裂電位、滲流電位、多頻電阻率異常)。因此，八里莊斷層處微震電法耦合監測預警閾值設定如下。

巷道頂底板巖層中出現異常應力集中為三級預警級別。

巷道頂底板巖層中異常應力集中區域出現密集的微震、地電事件為二級預警級別。

巷道頂底板巖層中異常應力集中區域出現密集的微震、地電事件，同時出現新增阻值異常為一級預警級別。

2.4 水害預警分級響應

針對系統設定三級預警，提出三級應急響應措施。三級預警表示礦井水情出現異常，地測部門及時進行現場踏勘和原因分析，上報防治水副總工程師，采取措施排除異常。二級預警表示礦井水害險情升級，依靠礦上專業技術能力已經不能解決。由礦總工程師邀請行業專家對礦井水害險情進行診斷，制定防治方案，消除險情。一級預警表示礦井已出現突水危險，應在警報發出后第一時間停產撤人，并啟動礦井應急救援響應。

3 基于云平臺的水害監測預警系統構建

3.1 系統架構

水害監測預警系統共劃分為4層，如圖3所示，即數據采集層、數據處理層、系統應用層及客戶端訪問層。

1)數據采集層。該層由井下各傳感器、人工巡檢系統和監控分站組成的安全監測系統提供。負責采集水害監測數據，為水害監測預警提供基礎數據。

2)數據處理層。本層負責監測數據的存儲及分析，運算平臺的建立，信息的轉存與發布，應用服務。水文監測數據及架構上層各模塊的計算數據資源均存儲在本層的虛擬資源池中，通過虛擬化手段實現系統應用的算法調度與資源調度。

圖3 云平臺架構Fig.3 Cloud platform architecture

3)系統應用層。本層對應于云計算的最高層服務模式SaaS，主要功能為數據處理應用、水害預警應用、數據存儲應用、水害預警信息顯示、水害預警信息查詢及用戶信息管理等。本層主要運用云計算強大的數據挖掘分析運算能力，對水文監測歷史數據進行分析。根據歷史監測數據中找到和當前實時監測數據相匹配的數據模型，判斷當前井下水情異常情況并及時發布預警信息。

4)客戶端訪問。本層為煤礦安全管理人員提供水文預警信息服務。可以通過瀏覽器和手機APP的方式訪問云數據中心的Web服務器，獲取礦井水害監測預警信息。

3.2 系統功能

在云平臺中，系統采集的實時監測數據上傳到云計算數據中心，對水害監測數據進行預警處理，最終提供水害預警信息。綜合來看，系統主要功能包括。

3.2.1 基礎數據采集

安全監測監控系統采集到的實時水害監測數據，通過以太網上傳到集團云計算數據服務中心。

3.2.2 監測數據集成管理

采用數據樣本分析工具對采集到的原始數據進行預處理，計算監測數據的基本特征參數，與歷史同期水害監測數據對比，進行數據關聯性分析。

3.2.3 監測數據預警分析

以云計算虛擬機為平臺，調用實時監測數據，運行水害預警計算。通過管理人員對預警結果可靠性的反饋，及時校正和更新預警分析模型，實現監測點預警閾值的自動計算及校正。

3.2.4 預警發布

通過電腦、筆記本、智能手機等方式將水害預警結果及時發布，出現險情后，現場工作人員也可及時查詢監測數據，對礦井水文地質異常及時進行處置。

3.3 系統應用

3.3.1 監測方案

根據山東某煤礦水害類型及井下開采情況，地下水動態監測共包括井上下各類水位水壓觀測點12個、氣象分站1臺、管道流量監測點8個、明渠流量監測點3個、老空水監測點2個。監測對象包含井田內地表降雨量、礦井排水量、采區排水量、老空區水壓和工作面涌水量，還有電法監測20點和微震監測7點。

1)一孔雙層水位監測。綜合考慮地質、水文地質勘探和水文監測等多項任務，利用BSD6孔承擔新近系底部和奧灰2個含水層監測任務。利用BSD9孔承擔新近系底部與石盒子組下段砂巖2個層位的監測任務。BSD6和BSD9孔為三路套管四級變徑的復雜結構，一孔雙層監測系統安裝只要求第2路φ191 mm套管止水封閉至第1路φ219 mm花管下部，并在此處設置反向接頭。鉆孔勘探任務結束后，將φ191 mm套管反向旋轉，拆除新近系含水層底部以上二路套管，形成同時開放2個目標含水層的監測孔。

2)多頻連續電法監測。對工作面順槽揭露的yf16，yf17，yf18和yf19斷層組，采用多頻電法監測，及時掌握斷層組附近底板巖層中新增低阻異常區的發展和變化，起到底板奧灰突水監測預警的目的。巷道電極布置：在1303工作面yf19斷層兩側巷道中每隔20 m布置一個電極，電極道數20道，監測覆蓋380 m，最大監測深度190 m。如圖4所示。

圖4 連續電法監測電極布置Fig.4 Electrode arrangement for continuous electrical monitoring

3)微震與電法耦合、應力應變監測。在軌道石門聯絡巷分3個方向施工穿過八里莊斷層的鉆孔WJC1，WJC2和WJC3。WJC1鉆孔上仰施工至八里莊斷層東盤上石盒子組底部以上20 m，WJC2和WJC3下傾施工至八里莊斷層東盤三灰。每個鉆孔預計深度150 m，設計每10 m安裝一個電極，再隔10 m安裝一個微震傳感器，單孔安裝電極7道，微震傳感器7個。電極和傳感器的安裝位置和數量可根據實際鉆孔揭露巖層層位調整和適當加密。監測鉆孔及測點位置如圖5所示，同時在WJC2和WJC3鉆孔孔深20 m處安裝應力應變傳感器，監測八里莊斷層上盤巖層應力集中情況。

圖5 大巷過八里莊斷層處微震與電法耦合監測Fig.5 Coupled monitoring of microseismic and electrical method at Balizhuang fault

3.3.2 一孔多層監測效果

BSD6，BSD9孔同時承擔了新近系底部、上石盒子組M6和奧灰共3個含水層的4個點的監測任務。對比監測含水層水位變化數據，被同一個孔監測的2個含水層水位相差較大，水位變化趨勢明顯不同，無相互串層影響。各點水位歷時曲線，如圖6所示。

圖6 雙層監測含水層水位歷時曲線Fig.6 Water level duration curves of main aquifers

3.3.3 預警閾值設定

雙層監測孔中，BDS9孔監測的上石盒組M6為頂板水害預警層。根據預警閾值設定方法，上石盒子組M6水位上漲預示著存在頂板突水險情。

2020年3月至2020年6月，BSD9孔水位持續下降10.65 m。觀測期間水位最大日變幅為4.36 m初步設定BSD9孔監測三級預警閾值為水位日變幅5 m，二級預警閾值為水位日變幅10 m，一級預警閾值為水位日變幅15 m。后期隨監測時間的增長和樣本空間的增大，按此法設定的預警閾值將更加準確。

3.3.4 系統運行

山東某煤礦水害特點的監測預警系統，采用JAVASCRIPT+PHP+MYSQL與DSI離散光滑插值算法、克里金插值算法、多參數聯動計算和預警判別方法。軟件構建的靜態可視化模型展示工作面推采過程中水壓、水溫、應力-應變、視電阻率、等動態信息，在礦區采掘圖上實現地下水實時動態監測和預警。監測數據的更新和預警響應時間小于10 s。為了便于操作應用和快速獲知主要數據信息，專門開展了操作界面、功能流程、手機App客戶端等的研發，實現界面門戶、主要數據展示、報警響應的個性化定制，實現了監測業務數據的收集、存儲、統計、分析等智能化操作。

1)監測點形象動態預警。根據監測點水文地質類型，將監測點定義為頂板水、底板水、老空水和斷層水4種類型，分別用不同圖標標識在礦井生產系統的相應位置。正常情況下監測點為小圖標靜止狀態，當鼠標輕觸該點圖標時，會在圖標旁邊顯示該點監測數據信息。當測點監測值超過預警值時，系統發出聲光警報，相應客戶端該監測點大圖標自動彈出，并不停閃爍，如圖7所示。

圖7 監測點形象位置Fig.7 Image position of the monitoring points

2)監測報表多元信息輸出。系統內每個監測點基礎信息單元中提前內置監測點位置、鉆孔深度、鉆孔傾角和揭露地層等信息。后期系統中查看任意一點的水文監測報告，都會輸出包括位置、狀態、水位變化和地層信息的綜合性報表，如圖8所示。

圖8 監測點多元信息報表Fig.8 Multivariate information report of monitoring points

3)監測點信息隨心查詢。可對任一監測點進行不同時間區間的水位歷時曲線查詢，自動統計區間內水位最大值、最小值及平均值。可進行多個測點相同時間區間的水位歷時曲線對比查詢，可根據需求任意調整曲線顯示精度，如圖9所示。

圖9 多測點水位歷史曲線同屏展示Fig.9 Historical curves of water level at multiple monitoring points on the same screen

4 結 論

1)提出基于礦井主要水害特征的、多元監測技術相互融合的、“點-面-體”一體化的全空間全過程地下水智能監測方法，選用水位、水壓、低阻異常和微震事件等作為水害預警指標，給出了預警閾值的確定方法。

2)研發基于微膠囊(parcker)技術的一孔雙層監測技術與裝置，采用本技術與裝置可將已有單孔單層觀測孔升級為單孔雙層觀測孔，也可在地質勘探孔完成勘探任務后應用，將普通地質勘探孔改造為單孔雙層水文監測孔。

3)構建基于JAVASCRIPT+PHP+MYSQL與DSI離散光滑插值算法、克里金插值算法、多參數聯動計算和預警判別方法的水害監測預警系統云平臺，實現多元數據實時動態采集、分析、預警和發布，為礦井水害防治提供了科學依據。