姜 鵬，葉錦嬌，李 健

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

煤礦水害是煤炭資源開采中一種常見災(zāi)害，我國(guó)煤炭資源豐富且地域分布遼闊，各煤田區(qū)域水文地質(zhì)條件差異性較大，礦井水害呈現(xiàn)多樣性，其中華北區(qū)以老空水、底板奧灰水害為主，華東區(qū)以沖積層水、底板巖溶水害為主，華南區(qū)以地表水、老空水、溶洞水害為主，其它區(qū)以老空水害為主，是世界上礦山水害最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1-5]。從2005年到2018年14年間，水害事故總起數(shù)556起，水害事故死亡總?cè)藬?shù)2544人，雖總體呈下降趨勢(shì)，但重大事故仍然多發(fā)，甚至出現(xiàn)反彈，其中自2012年以來，全國(guó)煤礦共發(fā)生水害事故97起、死亡422人(其中，較大及以上水害事故54起、死亡352人，分別占煤礦水害事故總量的61.4%、死亡人數(shù)的86.5%)，平均每年有60名礦工生命被水患吞噬。隨著近年來煤炭資源開采深度、開采規(guī)模、開采范圍及開采強(qiáng)度的不斷加大，大量小煤礦關(guān)閉后形成的積水區(qū)不斷增加，煤礦開采的水文地質(zhì)條件變得越來越復(fù)雜，水害危害程度將更加突出，突水頻率和突水強(qiáng)度將不斷加大，礦井水害防治將會(huì)面臨更大挑戰(zhàn)。因此，預(yù)防突水事故是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的必要保證，如何有效遏制礦井突水事故的發(fā)生，是目前亟待解決的重大問題[6-8]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水文監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)設(shè)備的接入和質(zhì)量管理，能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)、快速、高效地獲取礦井水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠保證高精度、自動(dòng)化實(shí)時(shí)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集，能夠動(dòng)態(tài)地、全面地掌握礦區(qū)內(nèi)，特別是容易發(fā)生水害區(qū)域的水文變化情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)預(yù)警，提前采取相應(yīng)防治措施，防患于未然。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)煤礦水害監(jiān)測(cè)指標(biāo)及預(yù)警模型[9]、監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)及裝備[10-15]及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果[16-18]等進(jìn)行了不同程度的分析研究，基于國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，進(jìn)行煤礦井上下一體多參數(shù)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。

1 煤礦水害關(guān)鍵影響因素分析及監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇

1.1 煤礦水害關(guān)鍵影響因素分析

目前國(guó)內(nèi)主要水害類型為三大類：頂板水害、底板水害及老空區(qū)水害。

1)頂板水害關(guān)鍵影響因素分析。頂板水害發(fā)生主要是由于開采煤層頂板運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。上覆巖層的移動(dòng)和破壞，形成了充水通道，使上部水體中的水滲入或潰入井下，形成災(zāi)害。頂板水害發(fā)生有兩個(gè)因素：頂板含水層及導(dǎo)水通道。頂板含水層可以通過對(duì)含水層水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握其水位變化情況，判斷頂板富水區(qū)是否有下泄工作面情況。

2)底板水害關(guān)鍵影響因素分析。底板水害發(fā)生主要是由于煤層開采中由于采動(dòng)裂隙與底板承壓含水層直接導(dǎo)通，或者由于隱伏構(gòu)造與承壓含水層直接連通，導(dǎo)致底板災(zāi)害。判斷底板帶壓開采水害危險(xiǎn)性的常用方法為《煤礦防治水細(xì)則》中的“突水系數(shù)”法[19]，此方法關(guān)鍵在于底板承壓水的水壓及底板隔水層厚度。因此，可以通過監(jiān)測(cè)底板含水層的水位變化，掌握其水壓大小，進(jìn)行判斷。

3)采空區(qū)水害關(guān)鍵影響因素分析。采空區(qū)水害的發(fā)生主要存在兩種：一種是工作面回采過程中，采動(dòng)裂隙直接波及采空積水區(qū)，積水瞬間涌入工作面；第二種采空區(qū)密閉墻體破裂，采空區(qū)積水直接涌入巷道，發(fā)生水災(zāi)。避免第一種情況水害發(fā)生，需采用物探及鉆探手段在工作面回采前對(duì)周邊的可疑采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)及驗(yàn)證，而第二種采空區(qū)水害情況可以通過監(jiān)測(cè)密閉墻體結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行提前預(yù)防，密閉墻體結(jié)構(gòu)變化可通過墻體內(nèi)部應(yīng)力及位移判斷。

1.2 煤礦水文監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇

1.2.1 參數(shù)選取原則

煤礦突水監(jiān)測(cè)，主要目的是通過對(duì)水文參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)、快速、高效地掌握礦區(qū)內(nèi)，特別是容易發(fā)生水害區(qū)域的水文變化情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)預(yù)警，為礦區(qū)提供有效的水害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過分析各個(gè)突水點(diǎn)的形成原因與影響因素、與其他突水點(diǎn)的位置關(guān)系、對(duì)涌水量及水位變化的影響，提前采取相應(yīng)防治措施，防止形成突水威脅。因此，每一個(gè)監(jiān)測(cè)元素，必須具有合理性、科學(xué)性、可監(jiān)測(cè)性及時(shí)效性。

1.2.2 監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇

國(guó)內(nèi)目前的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能不一，實(shí)現(xiàn)了礦井的水文地質(zhì)因素水位、水壓、水溫和流量等部分因素的監(jiān)測(cè)，未能將水害相關(guān)因素進(jìn)行有效的全面監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)擬實(shí)現(xiàn)地面及井下主要水害因素一體聯(lián)合監(jiān)測(cè)。根據(jù)各類水害關(guān)鍵影響因素分析和參數(shù)選取原則[20]，考慮到當(dāng)前技術(shù)水平，此次主要選取的監(jiān)測(cè)參數(shù)為水位、水溫、水壓、流量、位移及應(yīng)力。其中水位、水溫參數(shù)可通過地面水文長(zhǎng)觀孔實(shí)現(xiàn)含水層的監(jiān)測(cè)，水壓、水溫參數(shù)可通過井下觀測(cè)孔進(jìn)行頂、底板承壓含水層變化的監(jiān)測(cè)，水位參數(shù)還可用于水倉(cāng)水位變化監(jiān)測(cè)，流量參數(shù)可用于排水管排水量的監(jiān)測(cè)，位移及應(yīng)力參數(shù)可用于采空區(qū)密閉墻體結(jié)構(gòu)變化的監(jiān)測(cè)。由于國(guó)內(nèi)各地區(qū)礦井水文地質(zhì)條件差距很大，影響突水的因素很多，是否存在其他更合適的監(jiān)測(cè)參數(shù)，需在實(shí)踐應(yīng)用中不斷驗(yàn)證，并隨著相關(guān)技術(shù)的不斷突破，進(jìn)而增加完善監(jiān)測(cè)參數(shù)。

2 水文監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能

2.1 系統(tǒng)硬件功能

煤礦水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)“地面—井下”的全方位多指標(biāo)的實(shí)時(shí)水文監(jiān)測(cè)，硬件部分主要包含地面、井下兩個(gè)部分，地面部分包括地面數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，井下部分包括水位、水溫、水壓、水量、采空區(qū)密閉墻體的位移及應(yīng)力等主要水文因素的監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)及井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以無線傳輸方式傳送至監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器，井下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至其通訊分站，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳遞至監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器。

1)地面水文監(jiān)測(cè)。具有地面水文長(zhǎng)觀孔、水源井及地面水體的水位、水溫監(jiān)測(cè)功能，利用遙測(cè)自動(dòng)記錄分站的水位水溫一體化傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)傳回地面監(jiān)測(cè)主站。

2)井下水文監(jiān)測(cè)。具有井下水倉(cāng)水位、水溫，水泵排水量，井下長(zhǎng)觀孔水壓、水溫，井下疏放水孔管道流量、水溫等常用監(jiān)測(cè)功能。通過多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)和綜合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井監(jiān)測(cè)部位突水的可能性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。

3)采空區(qū)密閉墻體監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)采空區(qū)密閉墻體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變及密閉墻體相對(duì)位移變化，分析采空區(qū)密閉墻體的質(zhì)量及抗采空區(qū)水壓能力，預(yù)防采空區(qū)密閉突水狀況。

2.2 系統(tǒng)軟件功能

水文監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件主要由6部分構(gòu)成：Web數(shù)據(jù)顯示、語(yǔ)音合成、客戶端數(shù)據(jù)展示、聯(lián)網(wǎng)發(fā)布OPC發(fā)布、雙機(jī)熱備、通訊程序，如圖1所示。主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

圖1 監(jiān)測(cè)軟件組成

1)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)分析井下水位、水溫、水壓、水量、采空區(qū)密閉墻位移、應(yīng)力等多個(gè)指標(biāo)。

2)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)地面水位、水溫、水質(zhì)、氣象(雨量、氣壓、風(fēng)速、濕度等)多個(gè)指標(biāo)。

3)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可自采集、自分析、自劃分、自備份，以圖表、曲線等模式將數(shù)據(jù)以數(shù)字化、圖像化形式動(dòng)態(tài)顯示與輸出。

4)系統(tǒng)具有指標(biāo)超限自報(bào)警、雙機(jī)熱備自動(dòng)切換、人機(jī)對(duì)話、自診斷、軟件容錯(cuò)、實(shí)時(shí)多任務(wù)等功能，系統(tǒng)誤碼率小于等于10-9，最大巡檢周期小于等于20s。

水文監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件界面功能設(shè)計(jì)主要展現(xiàn)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，圖表查詢、實(shí)時(shí)超限示警及系統(tǒng)管理等。其中，實(shí)時(shí)超限示警的實(shí)現(xiàn)主要通過設(shè)定水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化范圍來進(jìn)行閾值評(píng)判實(shí)時(shí)示警，在其原監(jiān)控系統(tǒng)里產(chǎn)生了報(bào)警記錄，并對(duì)危險(xiǎn)源的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)的統(tǒng)計(jì)分析，水文監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)示警流程如圖2所示。

圖2 水文監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)示警流程

3 水文監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 地面水文監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

地面水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)NB-IoT水位、水溫一體傳感器，地面水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，其工作原理為：

圖3 地面水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1)NB-IoT傳感器：儀表負(fù)責(zé)采集水位、溫度傳感器信息，并按照預(yù)設(shè)的間隔時(shí)間通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至云平臺(tái)。

2)云平臺(tái)：負(fù)責(zé)收集并保存?zhèn)鞲衅魃蟼鞯臄?shù)據(jù)，擁有完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮笈_(tái)協(xié)議，并可處理一定的業(yè)務(wù)邏輯。云平臺(tái)可以為私有云、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)以及第三方數(shù)據(jù)平臺(tái)。

3)應(yīng)用端開發(fā)支持：提供簡(jiǎn)潔的API接口，可通過API接口可快速實(shí)現(xiàn)用戶端web、PC、Android APP等應(yīng)用程序開發(fā)，幫助客戶快速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入與數(shù)據(jù)分析能力。

3.2 井下水文監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

井下水文采集設(shè)備，其終端主要功能是通過傳感器采集水文參數(shù)數(shù)據(jù)，具備可以通過數(shù)字接口采集信息和通過模擬信號(hào)采集信息的功能，然后通過總線網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳。傳感器通過總線數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)兩種方式采集。設(shè)計(jì)中需考慮功耗問題，對(duì)采用芯片和電路等方面都以降低功耗為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。井下傳感器整個(gè)儀器由6部分組成，分別是殼體、主板、探頭、紅外接收、蜂鳴器、報(bào)警燈。水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦井中的應(yīng)用

4.1 方案設(shè)計(jì)

板石煤礦位于吉林省琿春市琿春煤田河北區(qū)的西部，井田內(nèi)主要含水層為第四系沖積洪積含水層、風(fēng)化裂隙帶含水層及煤系層間承壓含水層。其中煤系層間承壓含水層富水性弱，且與上部風(fēng)化裂隙含水層之間的水力聯(lián)系較差，對(duì)煤層開采基本不產(chǎn)生影響，第四系沖積洪積含水層及風(fēng)化裂隙帶含水層富水性較強(qiáng)，在大斷層構(gòu)造影響下，可能對(duì)煤礦安全開采產(chǎn)生影響。

在建設(shè)數(shù)字化礦山的基礎(chǔ)上，采用水文遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)板石煤礦礦井水文進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警?？紤]井田水文地質(zhì)、采礦條件及可能的水害情況，對(duì)礦井主要進(jìn)行以下幾方面監(jiān)測(cè)：①第四系含水層水位及溫度變化規(guī)律；②風(fēng)化裂隙帶含水層水位及溫度變化規(guī)律；③井下三處水倉(cāng)(-170水平水倉(cāng)、-480水平主水倉(cāng)及-585水平水倉(cāng))排水管路流量監(jiān)測(cè)，掌握礦井涌水量變化。

4.2 應(yīng)用效果分析

考慮到風(fēng)化裂隙帶含水層距離煤層相對(duì)較近，最可能對(duì)煤層安全開采產(chǎn)生影響，本文選取風(fēng)化裂隙帶含水層水位、水溫變化及主水倉(cāng)-485水平水倉(cāng)的流量變化并進(jìn)行應(yīng)用分析，分析水文監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)功能。

水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后繪制的風(fēng)化裂隙帶含水層水位、水溫變化曲線如圖5所示，-485水平水倉(cāng)排水瞬時(shí)流量變化曲線如圖6所示，-485水平水倉(cāng)排水累計(jì)流量變化曲線如圖7所示，含水層水位、水溫及瞬時(shí)流量變化曲線對(duì)比如圖8所示。

圖5 風(fēng)化裂隙帶含水層水位、水溫變化曲線

圖6 -485水平水倉(cāng)排水瞬時(shí)流量變化曲線

圖7 -485水平水倉(cāng)排水累計(jì)流量變化曲線

圖8 含水層水位、水溫及瞬時(shí)流量變化曲線對(duì)比

通過圖5、圖6、圖7中可以清晰地看到含水層水位及溫度變化，水倉(cāng)排水管路瞬時(shí)流量及累計(jì)流量變化情況，如曲線出現(xiàn)異常變化點(diǎn)，會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)閾值，及時(shí)預(yù)警。通過圖8，利用含水層及井下流量對(duì)比變化曲線情況，可以實(shí)時(shí)分析工作面是否導(dǎo)通風(fēng)化裂隙帶含水層，防患于未然。

5 結(jié) 論

1)基于合理性、科學(xué)性、可監(jiān)測(cè)性及時(shí)效性原則，結(jié)合對(duì)煤礦三大水害(頂板、底板及采空區(qū)水害)發(fā)生關(guān)鍵影響因素的系統(tǒng)分析，確定煤礦水文監(jiān)測(cè)重要監(jiān)測(cè)參數(shù)，從實(shí)用性考慮設(shè)計(jì)了水文監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)總體功能。

2)水文監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)通過地面及井下全方位一體集成化采集，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自采集、自分析、自劃分、自備份，以圖表、曲線等模式將數(shù)據(jù)以數(shù)字化、圖像化形式動(dòng)態(tài)顯示與輸出，并且具備指標(biāo)超限自報(bào)警、雙機(jī)熱備自動(dòng)切換、人機(jī)對(duì)話、自診斷、軟件容錯(cuò)、實(shí)時(shí)多任務(wù)等功能。

3)通過水文監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及曲線分析，可以全面了解礦井水文地質(zhì)動(dòng)態(tài)，掌握礦區(qū)的水文變化規(guī)律，及時(shí)獲得井下可能的突水原因，通過數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦生產(chǎn)過程水害因素的有效監(jiān)測(cè)預(yù)警。