晏 濤 連會青 夏向?qū)W 徐 斌 田振燾

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北 三河 065201;2.華北科技學(xué)院應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，河北 三河 065201;3.淄礦集團(tuán)陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600)

近年來，我國礦井水害事故頻發(fā)[1]，水害事故分析與處理的整個(gè)過程耗時(shí)較多且無法實(shí)時(shí)掌控礦井水情數(shù)據(jù)[2]。隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多學(xué)者致力于礦井水情監(jiān)測、水害預(yù)警技術(shù)研究，研發(fā)出了多個(gè)監(jiān)測預(yù)警平臺，成功實(shí)現(xiàn)了礦井水情實(shí)時(shí)監(jiān)測[3-4]，水文地質(zhì)參數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變等指標(biāo)的監(jiān)測預(yù)警[5]，巖層破裂微震監(jiān)測[6]以及地層電阻率電法監(jiān)測[7]。然而，現(xiàn)階段關(guān)于礦井水情監(jiān)測預(yù)警的研究多停留在單一指標(biāo)閾值預(yù)警上，閾值設(shè)置往往與傳感器的上下限有關(guān)，缺乏科學(xué)研判，且未能對工作面的差異性進(jìn)行綜合考量。礦井水害預(yù)警實(shí)質(zhì)上是突水連續(xù)監(jiān)測的過程，伴隨工作面開采全過程而進(jìn)行的水情參數(shù)持續(xù)監(jiān)測[8]?，F(xiàn)有的礦井水情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)多依托于地下水位觀測孔的定點(diǎn)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)[9]，不但無法有效實(shí)現(xiàn)礦井水情發(fā)展過程中多參數(shù)的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，而且未能梳理各參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系，從而難以實(shí)現(xiàn)對全礦井水情信息的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)以及不同水害級別的預(yù)警。

綜上所述，現(xiàn)有的礦井水情監(jiān)測與水害預(yù)警系統(tǒng)存在的不足主要有:①監(jiān)測指標(biāo)單一，難以綜合多參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同級別的預(yù)警;②指標(biāo)閾值與井下實(shí)際出水關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，很難實(shí)現(xiàn)全礦井水情信息的實(shí)時(shí)刻畫[10];③系統(tǒng)布設(shè)過多關(guān)注監(jiān)測設(shè)備搭建而忽視水害預(yù)警實(shí)際需要，監(jiān)測信息難以反映礦井工作面開采過程中復(fù)雜的突水過程[11-12]。目前，我國尚未建立應(yīng)用于煤礦水害防治的“一張圖、一張網(wǎng)”管理模式，本研究以亭南礦為例，分析礦端信息化建設(shè)需求，將礦井水情監(jiān)測、多源數(shù)據(jù)融合水害預(yù)警融入礦井“一張圖”中，實(shí)現(xiàn)礦井水害的動態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)警。

1 礦井水情監(jiān)測主要內(nèi)容

1.1 礦井水情數(shù)據(jù)監(jiān)測

(1)降雨量。降雨量數(shù)據(jù)源于當(dāng)?shù)貧庀蟛块T數(shù)據(jù)，主要統(tǒng)計(jì)每日降雨量、月度降雨量、季度降雨量、年度降雨量等信息[13-14]，采用“四色四級”的方式進(jìn)行預(yù)警(表1)。

(2)地表水文信息。地表水文信息主要包括地表過水?dāng)嗝娴牧魉?、流量、水位等?shù)據(jù)，包括地面河流、湖泊、水庫及地面水文觀測孔監(jiān)測數(shù)據(jù)[15]。該礦與涇河、黑河和亭口水庫聯(lián)系較為緊密，因此選取河流水位、河流流速、河流流量、水庫水位和蓄水量為監(jiān)測指標(biāo)。河道、水庫數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)厮块T已構(gòu)建的監(jiān)測站點(diǎn)，按照閾值超限進(jìn)行預(yù)警(表1)。

表1 單因子監(jiān)測指標(biāo)與預(yù)警級別對應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between single factor monitoring index and early warning level

(3)水文鉆孔水位信息。該礦各主要含水層水位觀測孔共計(jì)14個(gè)(白堊系13個(gè)、侏羅系1個(gè))，基本涵蓋了各主要含水層的水文信息，將水溫、水位等數(shù)據(jù)作為監(jiān)測指標(biāo)。同時(shí)對每一個(gè)鉆孔富水性柱狀圖進(jìn)行概化處理，從地表往下依次是隔水層、含水層、頂板隔水層、煤層、底板等，結(jié)合鉆孔水位動態(tài)數(shù)據(jù)生成等值線圖和等值面圖[16-17]。長觀測孔預(yù)警以水位標(biāo)高為數(shù)據(jù)源，采用水位梯度變幅的方法進(jìn)行“四色四級”預(yù)警(表1)。

(4)井下突(涌)水量。目前井下有12個(gè)突水點(diǎn)，其中6個(gè)突水點(diǎn)安裝了突水量自動監(jiān)測測站設(shè)備，其他6個(gè)突水點(diǎn)的突水量數(shù)據(jù)需要依靠人工監(jiān)測。結(jié)合該礦地下突水點(diǎn)位置、涌水量觀測臺賬等數(shù)據(jù)，將突水點(diǎn)涌水量、工作面涌水量、盤區(qū)涌水量、全礦井涌水量作為監(jiān)測指標(biāo)，重點(diǎn)關(guān)注突水量、突水水源和突水通道的變化信息，建立起全礦井、盤區(qū)、工作面與突水點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系[18]。涌水量采用“四色四級”的方式進(jìn)行梯度預(yù)警(表1)。

(5)采空區(qū)積水情況。該礦共有24個(gè)采空區(qū)，采空區(qū)積水主要分布在一、二盤區(qū)，且積水區(qū)位置、邊界范圍清晰。由于采空區(qū)涌水量在礦井涌水量中占據(jù)較大比例，是礦井排水的主要組成部分，因此將采空區(qū)數(shù)量、采空區(qū)積水面積、采空區(qū)積水量、采空區(qū)排水量作為監(jiān)測指標(biāo)[19]。采空區(qū)主要監(jiān)測積水的水壓和水位，按照水壓和水位變幅進(jìn)行預(yù)警(表1)。

(6)排水系統(tǒng)能力。該礦現(xiàn)有中央泵房、西翼直排泵房、西翼泵房、三盤區(qū)泵房。其中西翼泵房、三盤區(qū)泵房為接力排水泵房，中央泵房、西翼直排泵房為一級主排水泵房。依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》及總排水能力為臺數(shù)與排水能力(額定功率)之積的方法對排水系統(tǒng)能力進(jìn)行評估，得到礦井正常排水能力為3 713 m3/h，礦井總排水能力為5 086 m3/h，礦井抗災(zāi)最大排水能力為5 590 m3/h，并將上述排水能力參數(shù)作為監(jiān)測指標(biāo)。

1.2 礦井涌水量預(yù)測

通過收集礦井3次抽水試驗(yàn)的水文地質(zhì)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)工作面開采后導(dǎo)水裂縫帶會波及白堊系洛河組含水層，該含水層組與地表水存在水力聯(lián)系，地表水將會對礦井安全生產(chǎn)產(chǎn)生間接影響。該礦2018—2020年礦井正常涌水量為1 635 m3/h，最大涌水量為2 453 m3/h，以回歸分析為數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)，采用經(jīng)驗(yàn)公式法、水文地質(zhì)比擬法、Q-S曲線外推法等對該礦井進(jìn)行了涌水量預(yù)測，得到2021年正常涌水量為1 782 m3/h，最大涌水量為2 698 m3/h，且涌水量隨著開采面積增大呈逐漸上升趨勢。

1.3 微震導(dǎo)水通道監(jiān)測

該礦運(yùn)用井—地—孔聯(lián)合微震導(dǎo)水通道監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤層采動頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和底板破壞深度的動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測過程為:首先根據(jù)監(jiān)測區(qū)域地質(zhì)資料確定地質(zhì)模型，即地層分布、地層速度(縱波、橫波)、地層密度;然后利用已知的主動震源(如爆破、機(jī)械震源等)，通過傳感器接收信號進(jìn)行地層速度校正，并最終確定監(jiān)測區(qū)域的地層速度模型。

2 礦井水害“一張圖”預(yù)警平臺架構(gòu)

2.1 水情數(shù)據(jù)管控體系

在充分應(yīng)用水質(zhì)監(jiān)測、水情監(jiān)測、涌水量監(jiān)測、排水監(jiān)測等技術(shù)的基礎(chǔ)上，打通礦井?dāng)?shù)據(jù)孤島，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面整合，構(gòu)建各類專題數(shù)據(jù)服務(wù)。同時(shí)，利用GIS、水文分析、大數(shù)據(jù)分析、智能視頻、人工智能等技術(shù)，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，構(gòu)建礦井水情數(shù)據(jù)管控體系[20]。

2.2 “一張圖”預(yù)警平臺架構(gòu)

結(jié)合礦井水害防治主要工作和礦井水情數(shù)據(jù)管控體系，設(shè)計(jì)了基于多源數(shù)據(jù)融合的礦井水害“一張圖”預(yù)警平臺(圖1)。平臺自下而上分別由設(shè)施層、平臺層和應(yīng)用層組成，不僅實(shí)現(xiàn)了礦井“一張圖”、水文地質(zhì)信息管理、水情監(jiān)測預(yù)警、微震電法數(shù)據(jù)監(jiān)測、水害預(yù)警等多業(yè)務(wù)的融合，而且可通過基礎(chǔ)設(shè)備服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、平臺算法服務(wù)和軟件應(yīng)用服務(wù)為上述業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。設(shè)施層主要包括微震設(shè)備、鉆探設(shè)備、水情監(jiān)測設(shè)備，能夠向平臺層和其他用戶提供數(shù)據(jù)支撐。平臺層由數(shù)據(jù)庫、地圖服務(wù)、算法服務(wù)等組成，并預(yù)留了接口服務(wù)，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析提供技術(shù)支撐。應(yīng)用層在模型算法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)信息管理、水情監(jiān)測預(yù)警、臺賬管理、“一張圖”預(yù)警等核心業(yè)務(wù)功能。

圖1 礦井水害“一張圖”預(yù)警平臺架構(gòu)Fig.1 Framework of "onemap" early warning platform for mine water disaster

3 平臺關(guān)鍵技術(shù)功能

3.1 礦井水情五大數(shù)據(jù)庫建設(shè)

依據(jù)《煤礦水害防治感知數(shù)據(jù)接入細(xì)則(試行)》，參照“一張網(wǎng)”“一張圖”“一張表”“一盤棋”的設(shè)計(jì)理念，建立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、地圖數(shù)據(jù)庫和預(yù)警數(shù)據(jù)庫共5大數(shù)據(jù)庫，對煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、臺賬數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)分類建庫，整合已有的監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)礦井?dāng)?shù)據(jù)資源管控。

3.2 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息管理主要功能包括已有數(shù)據(jù)模板導(dǎo)入、現(xiàn)采數(shù)據(jù)接口接入、數(shù)據(jù)人工維護(hù)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入及修改提示等。該子系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)《煤礦防治水細(xì)則》中要求的15類臺賬數(shù)字化管理、6類基礎(chǔ)圖件數(shù)字化管理、12類專業(yè)報(bào)告數(shù)字化管理以及鉆孔柱狀圖、平面圖智能識別等。

3.3 數(shù)據(jù)信息管理

數(shù)據(jù)信息管理包括水文地質(zhì)信息管理、臺賬管理、文檔管理等。水文地質(zhì)信息管理能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一入庫，主要功能包括礦井、鉆孔、盤區(qū)、工作面、井下鉆孔等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)查詢等。臺賬管理能夠自動生成礦井水文16類臺賬標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，支持河流、水庫、礦區(qū)、煤層、巷道、鉆孔等不同級別的監(jiān)測點(diǎn)、工程信息定位查詢、智能搜索等功能。

3.4 多源數(shù)據(jù)融合水害預(yù)警

亭南礦井下突水源主要是大氣降雨、地表水、地下水和采空區(qū)積水，充水模式為頂板進(jìn)水型。本研究依據(jù)水情監(jiān)測、涌水量預(yù)測數(shù)據(jù)和導(dǎo)水通道監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了多源數(shù)據(jù)融合下的水害預(yù)警模型，如圖2所示。

圖2 多源數(shù)據(jù)融合下的水害預(yù)警模型Fig.2 Water disaster early warning model based on multi-source data fusion

本研究主要針對導(dǎo)水裂隙帶高度、進(jìn)尺點(diǎn)與采空區(qū)距離、水壓變幅3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合預(yù)警，且預(yù)警級別采取“就高不就低”的原則，具體預(yù)警范圍及分級見表2。

表2 多源數(shù)據(jù)融合水害預(yù)警范圍及分級Table 2 Scope and classification of water disaster early warning based on multi-source data fusion

以導(dǎo)水裂隙帶高度為例，頂板含水層造成的突水與所采煤層的厚度、隔水層厚度有關(guān)，頂板覆巖冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大高度根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》和“上三帶”理論公式進(jìn)行計(jì)算，平臺支持用戶導(dǎo)入經(jīng)驗(yàn)公式。

首先在煤礦地理空間數(shù)據(jù)庫中查詢鉆孔數(shù)據(jù)，獲取含水層底板標(biāo)高，形成含水層底面等高線圖;其次通過煤層底板等高線圖中的煤厚數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度，形成導(dǎo)水裂隙帶等厚線圖;然后根據(jù)煤層底板等高線、煤厚、含水層底板標(biāo)高計(jì)算隔水層厚度，形成隔水層等厚線圖;最后將導(dǎo)水裂隙帶等厚線圖與隔水層等厚線圖疊置復(fù)合，將頂板隔水層厚度小于導(dǎo)水裂隙帶厚度的區(qū)域劃分為頂板水害危險(xiǎn)區(qū)。

4 平臺應(yīng)用

將平臺應(yīng)用到該礦的水害預(yù)警實(shí)踐中，得出如下分析結(jié)果:

(1)平臺可從最新信息、歷史信息兩個(gè)維度對降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，支持按監(jiān)測站點(diǎn)查看歷史最高降雨量、平均降雨量信息，支持查看雨量過程線、累計(jì)降雨量及未來降雨量(圖3)。

圖3 水情監(jiān)測預(yù)警模塊Fig.3 Water monitoring and warning module

(2)地表水主要包括涇河、黑河、亭口水庫和反調(diào)節(jié)蓄水工程，通過三維建?？梢愿又庇^地掌握水文監(jiān)測數(shù)據(jù)(表3)。黑河、涇河處于侵蝕沖刷狀態(tài)，水流較急，河床底部不存在穩(wěn)定的隔水層，并且井田附近的幾個(gè)抽水井資料也證明無此隔水層。如果礦井開采引起洛河宜君承壓水水頭大幅下降，將可能導(dǎo)致地表水向洛河宜君含水層組補(bǔ)給而成為礦井充水的間接水源(圖4)。

圖4 三維快速建模模塊Fig.4 3D fast modeling module

表3 地表水文監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 3 Surface hydrological monitoring data

(3)礦井采空區(qū)共計(jì)24個(gè)，積水量約占礦井涌水量的80%，為礦井排水的主要組成部分，且隨著采空區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，給井下排水帶來了較大壓力(圖5)。

圖5 井田水害預(yù)警模塊Fig.5 Water disaster warning module of well field

(4)401工作面水害紅色預(yù)警。4#煤層平均厚度10.75 m，用“上三帶”公式計(jì)算可得冒落帶最大高度為48.37m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為109.49m。煤層上覆洛河組含水層厚度約100 m，煤層頂板到含水層距離123～167 m，裂采比18∶1，裂隙高度為193.5m。裂縫帶波及洛河組含水層，洛河組含水層水下泄至工作面(圖6)。

圖6 工作面水害預(yù)警模塊Fig.6 Water disaster warning module of working face

5 結(jié) 論

(1)針對亭南礦頂板和老空水害問題，通過梳理礦井水情、涌水量、微震導(dǎo)水通道等監(jiān)測內(nèi)容，分析了現(xiàn)階段礦井水害預(yù)警的業(yè)務(wù)需求。

(2)結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合下的水害防治實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了礦井水害“一張圖”預(yù)警平臺，實(shí)現(xiàn)了五大標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫建立、水文地質(zhì)信息管理、水情監(jiān)測預(yù)警、全礦井水害預(yù)警、工作面水害預(yù)警等功能，構(gòu)建了“一張圖+水害預(yù)警”管理體系。

(3)開展了導(dǎo)水裂隙帶高度、進(jìn)尺點(diǎn)與采空區(qū)距離、水壓變幅隨工作面推進(jìn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，以及連續(xù)電法和井—地—孔微震聯(lián)合監(jiān)測導(dǎo)水通道變化，實(shí)現(xiàn)了全礦井及工作面水害“一張圖”預(yù)警，為科學(xué)、快速、精準(zhǔn)制定及有效實(shí)施礦井水害預(yù)警方案提供了參考。

致 謝

淄礦集團(tuán)陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司相關(guān)同仁在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供和現(xiàn)場實(shí)測方面給予了寶貴的協(xié)助和指導(dǎo)，在此表示衷心感謝!