煤礦地下積水采空區擋水煤柱分級預警模型研究

王 健 ，屈世甲 ，于世雷

（1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

2021 年，全國原煤產量約41.3 億t，煤炭消費量占能源消耗總量比重下降至56%，依然是我國重要的基礎能源[1]。持續高效的煤炭開采活動已嚴重破壞礦區地下原始巖層結構，導致礦井涌水量快速增大，據相關統計，2014 年至2019 年期間，我國因采掘煤炭產生的礦井總水量達288.09 億m3，但大部分直接外排至地面，造成大量水資源流失和浪費[2-3]。

煤礦地下水庫的建設和實施為利用礦井地下水資源提供了技術手段。通過煤礦開采過程中遺留的保護煤柱及人工建設的防水密閉，圍繞采空區建設封閉儲水區域，避免直接外排至地面所造成的資源浪費和環境污染；同時很大程度上為礦區工業用水和生活用水提供了保障[4-6]。因此煤礦積水采空區安全運行的穩定性對煤礦正常生產至關重要，而擋水煤柱本身的多孔及松散特性，其內部水流滲透及受力情況更是地下積水采空區的重點關注區域[7-8]。

針對上述重點和難點問題，國內外眾多學者和煤礦企業技術人員對擋水煤柱通過數值模擬、相似物理實驗及理論分析等手段，對擋水煤柱穩定性和安全性進行了大量有益研究[9-12]。顧大釗院士等[13]通過數值仿真結合相似物理實驗，對比了不同地震等級下，擋水煤柱抗震薄弱環節、影響因素及安全性；黃輝等[14]采用自主研發分析軟件，模擬采空區水位變化對擋水煤柱滲流場演化規律的研究，揭示了擋水煤柱安全性一般規律；智國軍等[15]根據擋水煤柱邊側壓力分布規律及FLAC3D數值模擬軟件，得出了采空區多孔介質滲透率的分布規律和煤體內部塑性區變化影響因素。

上述研究極大的充實了我國煤礦地下積水采空區安全理論與技術體系，為我國煤炭綠色開采及水資源保護提供了重要借鑒。雖然這一成果在西北礦區應用較為廣泛，但從相關成果可以看出，目前缺少實際應用于井下積水采空區擋水煤柱監測預警的案例[16-18]。為此，以內蒙某礦42108 輔運巷32 與33 聯巷間擋水煤柱為研究對象，運用概率論和矩陣等相關知識，對擋水煤柱監測數據進行綜合安全評價，實現煤礦積水采空區安全穩定運行的監測、分析和預警。

1 方案及評價理論

1.1 監測方案

參照國家能源集團神東煤炭集團有限責任公司《神東礦區煤礦儲水采空區安全技術標準》8.8節“監測監控”部分的要求，井下儲水采空區監測監控設計應遵循“在儲水采空區低洼處的煤柱和防水密閉墻內安裝應力應變計、基巖變位計、微震解調儀等傳感器，對防水密閉墻墻體與圍巖的相對位移，特別是接觸縫的位置”進行監測的原則。

根據上述監測要求和相關研究成果，給出擋水煤柱具體監測設計方案，擋水煤柱監測安裝位置示意圖如圖1。圖中：A～A4為鉆孔應力計，鉆孔直徑44 mm，深度3 m；B1～B2為滲壓傳感器，鉆孔直徑48 mm，深度4 m。

圖1 擋水煤柱監測安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation position of water-blocking coal pillar monitoring

1.2 評價方法

評價方法以1 h 為單位，以7 d 監測數據為基礎數據庫，監測數據以(xi,xi+1,xi+2,xi+3,···,xi+n)形式排列，共有168 個數據。4 組鉆孔應力監測數據記為：A1={a11,a12,a13,···,a16k}；A2={a21,a2n,a23,···,a16s}；Aa={asi1,aaz,aas,···,a16b}；A4={a41,a42,a48,···,a168}。2 組滲壓監測數據記為：B1={b11,b12,b13,···,b168}B2={b21,b22,b23,···,b168}。計算上述6 組各數據組期望E(X)和方差σ（X）。

1.2.1 單一傳感器分級報警方法

單一傳感器異常數據判定流程如圖2。

圖2 單一傳感器異常數據判定流程Fig.2 Single sensor abnormal data judgment process

圖3 綜合分析評價判定流程Fig.3 Comprehensive analysis, evaluation and judgment process

2 系統搭建

監控系統方案如圖4。

圖4 監控系統方案Fig.4 Monitoring system scheme

井下特殊環境限制，當監測范圍及距離較大時，為減少電纜長度及可能破壞信號的電磁干擾。因此，安裝在擋水煤柱上的動態監測系統分為2個子系統，通過光纖和信號電纜連接。子系統1由4 個光纖鉆孔應力計、2 個光纖滲壓計和攝像儀組成；子系統2 由聲光報警及相關顯示設備組成。2 個子系統都連接到井下環網交換機，通過地面核心交換機傳輸數據，計算機與地面服務器光纖連接，允許遠程訪問。

3 結果分析

3.1 單一傳感器分級報警

以煤柱7 d 監測數據進行統計和計算發現，煤體內部受力和滲壓情況基本呈現周期性變化。因保護煤柱與頂板、底板及圍巖體在空間上構成相對穩定的整體，煤體內部受力各方向上基本保持平衡。采空區流動的水體作為動態變化量，對擋水煤柱的沖擊和滲透是一重要影響因素。

采空區內部水頭高度變化，引起擋水煤柱不同高度受壓大小差異，導致水體在煤柱內部裂隙各點滲透速度及強度不同，水體在垂向裂隙、離層裂隙和微裂隙中滲流路徑和流量依次減弱[19]。水雖對煤體表面有軟化作用，但微小水分子充實煤體內部孔隙，與煤柱又重新構成一個整體，受液體表面張力、重力及摩擦力等影響，在一定程度上提高煤柱整體結構的穩定性和抗拉強度，所以煤體內部受力和壓強情況可能存在階段性的變化。鉆孔應力和滲壓數據及分級指標如圖5。

圖5 鉆孔應力和滲壓數據及分級指標Fig.5 Drill hole stress, seepage pressure data and grading indicators

針對上述單一傳感器分級和煤柱受力理論研究，對數據進行處理和分級計算，應力分級由大到小分別為194.6、174.5、152.6 Pa，建立4 級區間 分 別 為[0，152.6）、[152.6，174.5），[174.5，194.6），[194.6，+∞）。

觀 察 圖5（a）發 現，7 d 基 礎 數 據 中，大 于0.152 6 的數據中共有22 個，約占總數據比例為13.1%，說明按此方法分級可有86.9%的數據都正常。采用逐級判定邏輯，若數據屬于[0，0.152 6），說明監測數據正常，常態化觀察即可，燈光顯示藍色；若數據屬于[0.152 6,0.174 5），發出三級聲光報警，燈光顯示黃色，人工加強監測即可；若數據屬于[0.174 5，0.194 6），則發出二級聲光報警，燈光顯示橙色；若數據達到0.194 6 kPa 以上，則發出一級聲光報警，燈光顯示紅色。同理，滲壓監測分級也是如此。

同時對滲壓監測數據進行多個方法擬合，得出的7 d 滲壓數據多方法擬合效果如圖6。

圖6 7 d 滲壓數據多方法擬合效果Fig.6 Multiple fitting effects of 7-day seepage pressure data

由圖6 可知，運用的分段線性、臨近插值、三次樣條及多項式插值法都具有較好的擬合效果，但多項式插值法擬合效果最優，線條較為平整。

以多項式插值法為基礎，對比后續5 d 120 個滲壓數據，并結合分級預警方法，對預測數據進行對比，得到的多項式插值法5 d 數據擬合效果如圖7。圖7 中：一級指標=61.141；二級指標=60.982；三級指標=60.912。

圖7 多項式插值法5 d 數據擬合Fig.7 Fitting effect of 5-day data by polynomial interpolation method

對比后續5 d 的數據發現，該單一監測數據分級方法仍然具有可靠的分級預警效果；同時結合多項式插值方法的數據，可以起到對未來數據變化趨勢的預測預警效果，提前了解擋水煤柱單一測點的安全性。

3.2 綜合分析評價

運用矩陣QR 分解法和最小二乘法同時對鉆孔應力和滲壓監測數據進行綜合分析，建立區間范圍，提供基于鉆孔應力和滲壓監測的綜合安全評價方法，能夠較全面掌握擋水煤柱整體運行狀態，同單一測點預警相同，采用逐級判定邏輯，判定τi歸屬區間范圍，發出指定區間預警方式和警報。將滲壓和鉆孔應力監測的168 個數據處理和計算，得到的滲壓實際與預測數據分級對比效果如圖8。

圖8 滲壓實際與預測數據分級對比效果Fig.8 Comparison effect of actual and predicted seepage pressure data grading

觀察圖8 可知，預警分級結果大多落入3 級以下區間，少數達到3 級預警指標，僅5 組數據達到4 級預警指標。結合單一傳感器分級預警結果發現，單一測點出現預警級別4 級時，擋水煤柱整體危險指數卻并非也是4 級。說明相對煤柱整體運行狀況，單點區域應力或滲壓出現異常時，微小水分子充實煤體內部孔隙，保持靜態平衡狀態，受相互作用力等影響，與煤柱構成空間上統一整體，提高擋水煤柱抗壓強度。因此未影響到煤柱整體安全指數，擋水煤柱仍具有可靠的運行條件。

4 結 語

1）給出了針對擋水煤柱監測預警的單一傳感器分級預警和綜合分析預警計算方法及判定流程，通過實際搭建監測系統，采集各類傳感器數據，提高對煤柱整體安全性監測預警效果。

2）單一測點分級預警效果較優，能較準確對定點區域危險信息進行分析預警，同時結合插值方法與實際數據對比，該預警技術仍有較好的預警機制。

3）單一測點分級結果并不能代表擋水煤柱綜合分析預警等級，說明個別微小區域風險并不影響煤柱整體安全狀態，仍具有較高的運行可靠性。