煤矿井上下一体化水文监测预警系统研究与应用

2021-07-27叶锦娇

煤炭工程 2021年7期

姜鹏，叶锦娇，李健

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

煤矿水害是煤炭资源开采中一种常见灾害，我国煤炭资源丰富且地域分布辽阔，各煤田区域水文地质条件差异性较大，矿井水害呈现多样性，其中华北区以老空水、底板奥灰水害为主，华东区以冲积层水、底板岩溶水害为主，华南区以地表水、老空水、溶洞水害为主，其它区以老空水害为主，是世界上矿山水害最严重的国家之一[1-5]。从2005年到2018年14年间，水害事故总起数556起，水害事故死亡总人数2544人，虽总体呈下降趋势，但重大事故仍然多发，甚至出现反弹，其中自2012年以来，全国煤矿共发生水害事故97起、死亡422人(其中，较大及以上水害事故54起、死亡352人，分别占煤矿水害事故总量的61.4%、死亡人数的86.5%)，平均每年有60名矿工生命被水患吞噬。随着近年来煤炭资源开采深度、开采规模、开采范围及开采强度的不断加大，大量小煤矿关闭后形成的积水区不断增加，煤矿开采的水文地质条件变得越来越复杂，水害危害程度将更加突出，突水频率和突水强度将不断加大，矿井水害防治将会面临更大挑战。因此，预防突水事故是我国煤矿安全生产的必要保证，如何有效遏制矿井突水事故的发生，是目前亟待解决的重大问题[6-8]。

随着物联网技术的发展，利用无线传感器网络技术和数据通讯技术，研发基于物联网技术的水文监测预警系统，通过监测设备的接入和质量管理，能够实现及时、快速、高效地获取矿井水文动态监测，能够保证高精度、自动化实时长期数据采集，能够动态地、全面地掌握矿区内，特别是容易发生水害区域的水文变化情况，并根据实时数据进行主动预警，提前采取相应防治措施，防患于未然。国内专家学者对煤矿水害监测指标及预警模型[9]、监测预警技术及装备[10-15]及现场应用效果[16-18]等进行了不同程度的分析研究，基于国内研究现状，进行煤矿井上下一体多参数水文监测系统设计研究，并进行现场实际应用。

1 煤矿水害关键影响因素分析及监测参数选择

1.1 煤矿水害关键影响因素分析

目前国内主要水害类型为三大类：顶板水害、底板水害及老空区水害。

1)顶板水害关键影响因素分析。顶板水害发生主要是由于开采煤层顶板运动产生。上覆岩层的移动和破坏，形成了充水通道，使上部水体中的水渗入或溃入井下，形成灾害。顶板水害发生有两个因素：顶板含水层及导水通道。顶板含水层可以通过对含水层水位进行监测，掌握其水位变化情况，判断顶板富水区是否有下泄工作面情况。

2)底板水害关键影响因素分析。底板水害发生主要是由于煤层开采中由于采动裂隙与底板承压含水层直接导通，或者由于隐伏构造与承压含水层直接连通，导致底板灾害。判断底板带压开采水害危险性的常用方法为《煤矿防治水细则》中的“突水系数”法[19]，此方法关键在于底板承压水的水压及底板隔水层厚度。因此，可以通过监测底板含水层的水位变化，掌握其水压大小，进行判断。

3)采空区水害关键影响因素分析。采空区水害的发生主要存在两种：一种是工作面回采过程中，采动裂隙直接波及采空积水区，积水瞬间涌入工作面；第二种采空区密闭墙体破裂，采空区积水直接涌入巷道，发生水灾。避免第一种情况水害发生，需采用物探及钻探手段在工作面回采前对周边的可疑采空区进行探测及验证，而第二种采空区水害情况可以通过监测密闭墙体结构变化进行提前预防，密闭墙体结构变化可通过墙体内部应力及位移判断。

1.2 煤矿水文监测参数选择

1.2.1 参数选取原则

煤矿突水监测，主要目的是通过对水文参数的动态监测，能够实现及时、快速、高效地掌握矿区内，特别是容易发生水害区域的水文变化情况，并根据实时数据进行主动预警，为矿区提供有效的水害基础数据，通过分析各个突水点的形成原因与影响因素、与其他突水点的位置关系、对涌水量及水位变化的影响，提前采取相应防治措施，防止形成突水威胁。因此，每一个监测元素，必须具有合理性、科学性、可监测性及时效性。

1.2.2 监测参数选择

国内目前的水文监测系统功能不一，实现了矿井的水文地质因素水位、水压、水温和流量等部分因素的监测，未能将水害相关因素进行有效的全面监测，该系统设计拟实现地面及井下主要水害因素一体联合监测。根据各类水害关键影响因素分析和参数选取原则[20]，考虑到当前技术水平，此次主要选取的监测参数为水位、水温、水压、流量、位移及应力。其中水位、水温参数可通过地面水文长观孔实现含水层的监测，水压、水温参数可通过井下观测孔进行顶、底板承压含水层变化的监测，水位参数还可用于水仓水位变化监测，流量参数可用于排水管排水量的监测，位移及应力参数可用于采空区密闭墙体结构变化的监测。由于国内各地区矿井水文地质条件差距很大，影响突水的因素很多，是否存在其他更合适的监测参数，需在实践应用中不断验证，并随着相关技术的不断突破，进而增加完善监测参数。

2 水文监测预警系统功能

2.1 系统硬件功能

煤矿水文监测系统主要实现“地面—井下”的全方位多指标的实时水文监测，硬件部分主要包含地面、井下两个部分，地面部分包括地面数据采集及数据传输设备，井下部分包括水位、水温、水压、水量、采空区密闭墙体的位移及应力等主要水文因素的监测采集系统及井下数据传输系统。地面监测数据以无线传输方式传送至监测中心服务器，井下各个监测点将数据传输至其通讯分站，经过数据转换后传递至监测中心服务器。

1)地面水文监测。具有地面水文长观孔、水源井及地面水体的水位、水温监测功能，利用遥测自动记录分站的水位水温一体化传感器，进行数据采集，通过无线网络通讯系统传回地面监测主站。

2)井下水文监测。具有井下水仓水位、水温，水泵排水量，井下长观孔水压、水温，井下疏放水孔管道流量、水温等常用监测功能。通过多个参数的监测和综合分析，实现对矿井监测部位突水的可能性进行准确的预测和预报。

3)采空区密闭墙体监测。监测采空区密闭墙体内部的应力应变及密闭墙体相对位移变化，分析采空区密闭墙体的质量及抗采空区水压能力，预防采空区密闭突水状况。

2.2 系统软件功能

水文监测预警软件主要由6部分构成：Web数据显示、语音合成、客户端数据展示、联网发布OPC发布、双机热备、通讯程序，如图1所示。主要实现功能如下：

图1 监测软件组成

1)实时在线监测分析井下水位、水温、水压、水量、采空区密闭墙位移、应力等多个指标。

2)实时在线监测地面水位、水温、水质、气象(雨量、气压、风速、湿度等)多个指标。

3)系统监测数据可自采集、自分析、自划分、自备份，以图表、曲线等模式将数据以数字化、图像化形式动态显示与输出。

4)系统具有指标超限自报警、双机热备自动切换、人机对话、自诊断、软件容错、实时多任务等功能，系统误码率小于等于10-9，最大巡检周期小于等于20s。

水文监测预警软件界面功能设计主要展现内容包括数据采集、数据处理，图表查询、实时超限示警及系统管理等。其中，实时超限示警的实现主要通过设定水文监测数据变化范围来进行阈值评判实时示警，在其原监控系统里产生了报警记录，并对危险源的实时和历史数据进行专业的统计分析，水文监测参数实时示警流程如图2所示。

图2 水文监测参数实时示警流程

3 水文监测预警系统结构

3.1 地面水文监测结构

地面水文监测系统基于蜂窝的窄带物联网，设计NB-IoT水位、水温一体传感器，地面水文监测系统构成如图3所示，其工作原理为：

图3 地面水文监测系统构成

1)NB-IoT传感器：仪表负责采集水位、温度传感器信息，并按照预设的间隔时间通过NB-IoT网络上传数据至云平台。

2)云平台：负责收集并保存传感器上传的数据，拥有完整而严谨的后台协议，并可处理一定的业务逻辑。云平台可以为私有云、物联网云平台以及第三方数据平台。

3)应用端开发支持：提供简洁的API接口，可通过API接口可快速实现用户端web、PC、Android APP等应用程序开发，帮助客户快速实现物联网数据接入与数据分析能力。

3.2 井下水文监测结构

井下水文采集设备，其终端主要功能是通过传感器采集水文参数数据，具备可以通过数字接口采集信息和通过模拟信号采集信息的功能，然后通过总线网络或者网络将数据上传。传感器通过总线数字信号和模拟信号两种方式采集。设计中需考虑功耗问题，对采用芯片和电路等方面都以降低功耗为基准进行设计。井下传感器整个仪器由6部分组成，分别是壳体、主板、探头、红外接收、蜂鸣器、报警灯。水文监测系统结构如图4所示。

图4 水文监测系统结构

4 水文监测系统在矿井中的应用

4.1 方案设计

板石煤矿位于吉林省珲春市珲春煤田河北区的西部，井田内主要含水层为第四系冲积洪积含水层、风化裂隙带含水层及煤系层间承压含水层。其中煤系层间承压含水层富水性弱，且与上部风化裂隙含水层之间的水力联系较差，对煤层开采基本不产生影响，第四系冲积洪积含水层及风化裂隙带含水层富水性较强，在大断层构造影响下，可能对煤矿安全开采产生影响。

在建设数字化矿山的基础上，采用水文远程监测系统对板石煤矿矿井水文进行监控预警。考虑井田水文地质、采矿条件及可能的水害情况，对矿井主要进行以下几方面监测：①第四系含水层水位及温度变化规律；②风化裂隙带含水层水位及温度变化规律；③井下三处水仓(-170水平水仓、-480水平主水仓及-585水平水仓)排水管路流量监测，掌握矿井涌水量变化。