水害監測預警系統在煤礦防治水工作中的應用

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龐迎春

[摘要]本文在詳細分析楊莊礦水害因素的基礎上，介紹了高精度、自動化、網絡化及運行可靠的礦井水害監測預警系統的建立、組成及應用現狀，該系統的建立爲探測潛在的煤礦水害隱患提供了強有力的分析和預警手段。

關鍵詞：預警系統，多參數動態監測，水害防治

水害是煤礦開採中常見的一種災害，一旦發生事故，往往具有突發性和極大的危害性，不僅影響生產、造成經濟損失，而且易發生重大傷亡事故。煤礦水害是制約我國煤炭行業健康發展的災害之一，嚴重威脅煤礦安全生產和礦工生命安全。隨着煤炭工業的迅速發展，煤炭資源開採深度及強度不斷加大，高產高效的生產管理方式對礦井水害防治安全技術的要求越來越高。

楊莊煤礦是一個水文地質條件極複雜的礦井，充水水源衆多，底板灰巖水、老空水、鬆散層孔隙水和地表水體均威脅礦井安全生產。開採範圍內有6個正在開採的小煤礦，這些小煤礦均在井田淺部煤層露頭處，開採楊莊礦遺留的殘餘塊段。小煤礦水文地質基礎工作薄弱，一旦發生突水災害，將嚴重威脅楊莊礦財產和生命安全。如果在這個煤礦水害發生之前或初期能夠及時發現並採取措施，就能避免水害或減少水害的損失。

1 礦井主要的水患因素及防治措施

1.1 主要的水患因素

礦井可採煤層爲3、4、5、6煤層，其中5、6煤爲主要可採煤層，3、4煤爲局部可採煤層。根據礦井水文地質條件，結合開採過程中礦井突水情況分析，礦井水害類型複雜，主要水害有：地表水、5煤頂底板砂岩裂隙及岩漿岩水，6煤頂底板砂岩裂隙水、太原組及奧陶系石灰岩岩溶裂隙水、斷層及裂隙帶導水、老塘水害及封閉不良鑽孔水害、相鄰小煤礦採空區水害。其中6煤底板灰巖水和5煤頂板火成岩水威脅更爲突出。

（1）地表水體

楊莊礦井田河流水系發達,有雷河、閘河、老濉河,還有東、西和乾隆湖3個大的塌陷積水區，積水總量2180萬m3以上。小煤礦開採範圍處於塌陷積水區以下，河流邊緣，歷史最高洪水位+32.7m，存在汛期地表水體倒灌的可能。

（2）新生界鬆散層水

楊莊礦屬於新生界鬆散層覆蓋的全隱伏礦井，鬆散層孔隙含水層含水豐富，是農業灌溉的主要水源，淺部開採時均留設了防水安全煤巖柱。

（3）6煤底板太灰水

6煤底板太灰含水層，特別是上段1~4使礦井開採的主要含水層（段）由於其富水性較強，因與奧灰含水層有水力聯繫，水量大，水壓高，對礦井安全生產危害較大。

（4）老塘水

地方煤礦基本上是在開採楊莊礦報廢採區的遺留煤柱,屬老區復採。由於採區封閉時間長，積水情況不清，一旦接近或揭穿積水區，將發生透水事故。

1.2 水害防治措施

針對楊莊煤礦的水患特點，結合有關規程規範和以往礦井防治水經驗，解決礦區水害隱患的措施的關鍵是：

（1）查明充水條件，採取合理有效的水害防治措施。特別是防治和杜絕小煤窯水害。

（2）建立健全礦井水害監測預警系統，做到對水害事故早發現、早預報、早防治。

2 礦井水害監測預警系統的建立

2.1 水害監測預警系統的提出

我們知道，煤礦水害是煤礦建設開發過程中，不同形式、不同水源的水通過某種途徑進入礦坑，並給煤礦建設和生產帶來不利影響和災害的過程和結果。如果在這個過程的初期能夠及時發現並採取措施，就能避免水害或減少水害的損失。隨着礦井的開採層位越來越深，礦井水文地質條件也變的越來越複雜，時常會發生礦井突水或透水事件，不但給礦工生命安全和國家財產帶來嚴重危害，而且地下水已成爲威脅煤礦安全生產的重要因素。因此，對煤礦地下水的實時監測和預警、預報顯得尤爲重要，對指導礦井生產和礦井水害的防治具有十分重要的意義。

經過調研，楊莊礦與西安科技大學合作設計了水文監測系統的總體方案，提出了建立一個以集團公司爲高層、礦務局等二級實體爲中層、各生產礦井爲基層的多層次分佈式水文多參數監測及水害預警系統,在整個集團公司建立統一標準的水文數據庫系統，實現水文參數的動態監測預警和網絡共享。

2.2 水害監測預警系統的原理

監測預警是指通過相關技術及儀器提前發現某一警素的隱患，並把該警情傳送至安全管理部門，經相關分析及判斷預報不正常狀態的時空範圍或危害程度，並採取相應防範措施。簡單的說，監測預警系統即是基於一定的預警原理，以期完成預警任務而建立的一套完整系統。

礦井工作面水害的形成和產生都有一個發展的變化過程，不同的階段都有其相對應的先兆。礦井水害監測預警系統是煤礦水害預測預報中的一項重要工作，是一種多信息監測突水條件產生、變化的系統。可以對控制和影響產生突水的關鍵因素進行實時監控和分析，對水害的發生進行預報和預警，提早啓動應急預案，從而避免突發性災害事故的發生。

根據楊莊礦的開採情況和小煤礦的分佈情況，設立合理的水文觀測點及觀測量，採用先進的傳感器技術和數據通訊技術，以企業內部網爲平臺，建立一個精度高、實時性強、運行可靠、自動化程度高，能夠連續長期測量並利用計算機分析、輔助決策的，適用地面及井下各種水文參數（水位、水壓水溫，管道流量，明渠流量等）的利用局域網進行數據傳輸的的水文監測系統，及時掌握地下水動態，保障煤礦的安全、正常生產。

2.3 水害監測預警系統的組成

2.3.1 水文監測點的設置

在傳統的監測方法中，對於井上、井下的水文觀測孔通常是採用人工測量記錄的方法掌握水位（水壓）的變化情況；對於管道流量、明渠流量的測量也是採用人工攜帶儀器進行實地測量的方法。這種監測方法不能隨時取得監測數據，而且藉助人工來實現數據的記錄和管理，使得工作量極爲巨大，不但容易出現錯誤造成管理上的混亂，而且採集數據的統計和分析十分繁瑣。水害監測預警系統會大大提高工作精度，減少繁雜重複的勞動。

水文監測點設置的原則：①能夠反映礦井的水文動態（水壓、流量、水溫）；②對有小煤礦透水威脅的部位進行重點監測；③能夠監測或計算出全礦井每條巷道的涌水量。根據以上原則在地面上設置4個水文長觀孔，井下設置2個水壓水溫觀測孔，10個明渠流量、水溫觀測點，如圖1所示。觀測點覆蓋了正在生產的3個水平，隨着四水平的開採，可以擴展觀測點。

2.3.2 水害監測預警處理系統

水害監測預警系統由硬件系統和軟件系統組成。系統的硬件部分研究內容主要有：傳感器、遙測分站、傳輸系統（無線及有線方式）和水文監測主站等；系統的軟件部分研究內容主要有：水文數據的實時採集、組織與數據庫建立、水文數據分析處理（如對數據進行校正、異常值分析、信息統計查詢、圖表的瀏覽打印等）、數據發佈以及智能預測預警功能的實現。

1、硬件系統和軟件系統

礦井水害監測預警系統由硬件系統和軟件系統組成。系統的硬件部分主要包括傳感器、遙測分站、傳輸系統（無線及有線方式）和水文監測主站等；系統的軟件包括水文數據的實時採集、組織與數據庫建立、水文數據分析處理、數據發佈以及智能預測預警功能的實現。

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><?xml:namespace prefix = w ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:word" />圖1 井下水文觀測點設置示意圖

2、水害監測預警系統體系結構

該系統採用物理三層結構，分別稱爲數據採集層（各種監測分站），數據處理層（實時監測主站），水文數據庫及網絡發佈層，如圖2所示。

該系統的三層結構中，可以採用組合的方式構成獨立運行的系統模式，能夠構建的系統模式如下：①基層系統；②基層系統+中層系統；③基層系統+高層系統；④基層系統+中層系統+高層系統。每種系統模式都可獨立運行。採用如此的系統模型使該項目的研究成果可以適應各種組織結構。

圖2 水害監測預警系統網絡結構圖

3、基層系統組成拓撲結構

該系統分爲礦井井上和井下兩部分，採用樹狀星型網絡拓撲結構。井上部分爲地面水文長觀孔的水位、水溫監測，地面水位水溫遙測自動記錄混合分站採集水位和水溫數據，通過GSM網絡將數據傳送到主站微機，進行數據處理。井下部分利用水文監測分站進行數據採集，通過環型以太網將數據傳輸到地面監測中心站，經過中心站的預處理存入水文數據庫中，採用多用戶的SQL-SERVER數據庫管理系統作爲系統的開發平臺，利用水文數據發佈軟件，通過局域網或廣域網就可對水文數據進行查詢、統計、瀏覽，使相關領導及專業技術人員能夠及時掌握水文動態，指導煤礦的安全生產。

2.3.3 水害監測預警系統軟件功能及實現

水害監測預警系統軟件由實時數據採集處理軟件和水文數據網絡發佈軟件兩部分組成。實現水文數據的實時採集、組織與數據庫建立、水文數據分析處理、數據發佈以及智能預測預警。

（1）實時數據採集處理軟件的功能

①數據的實時採集列表顯示；②數據的可視化處理，包括曲線、報表分析等；③智能預警功能，採用多參數綜合預警、極值預警、趨勢預警等。

（2）水文數據網絡發佈軟件的功能

通過水文數據的網絡瀏覽、水文數據的圖形顯示及水文數據的圖形報表生成，使煤礦水文參數信息在企業局域網內實時發佈和共享。

（3）高級目標

實現集團公司（高層）、煤業公司（中層）、生產礦井（基層）等多層次網絡互聯，按照分層架構設計系統結構，實現水文監測信息的集團公司內部共享。甚至推廣到全省信息共享。

2.4 水害監測預警系統特點

1、常規監測系統的弊端

隨着計算機技術的不斷髮展及其在實際中的廣泛應用，處理礦井水文信息的思路和方法也在不斷更新。國內外監測設備與系統，從應用於煤礦安全生產的實際需要來看存在以下問題：

（1）國外產品針對的是常規的地下水監測，不適應國內煤礦企業防治水的要求；

（2）國內產品監測參數比較單一，有的只能測水位；

（3）測量範圍有限、精度不高；

（4）供電方式單一，不能方便的在野外惡劣環境使用；

（5）實時性差、無法滿足煤礦工作人員及時掌握地下水各種參數的變化情況；

（6）軟件分析處理能力弱、無法直觀的反映地下水水位變化趨勢，不能做到智能預測、預警。

2、本監測系統的特點

（1）可監測水位、水壓、水溫和水流量等有關水文的多個觀測參數，改變了傳統系統只能對地下水位進行監測的歷史。

（2）採用軟件自復位和硬件看門狗技術，系統在無人值守情況下能夠自動、可靠地運行；監測數據可通過通訊網絡自動傳輸到控制主機，也可以記錄於本地儀器內，本地儀器內存可以保存七千多組數據。

（3）分站監測數據可採用有線或無線數據收發裝置傳輸到主機系統，這樣既適用於地表地下水資源的監測預警，也適用於地下水資源的合理開發和有效利用以及礦井水害防治。

（4）設計實現了多參數水文動態監測智能預警系統軟件，該軟件對於採集的水文信息採用多種方法以表格、曲線、報表、圖形等方式實現數字的動態顯示和可視化輸出，並可以進行相應的編輯、打印等操作，方便了用戶的直觀查詢與使用。

（5）利用動態網頁技術實現了水文數據的網絡發佈，實現了水文數據的實時共享，方便了各相關部門用戶的數據查詢。

（6）利用多參數實時數據進行超限分析，實現系統的實時綜合超限預警功能；提出了多測點、多參數條件下的極值突水預警方法；利用神經網絡技術可根據歷史數據預測水位的變化趨勢，實現趨勢預警，爲礦區的水文動態分析提供了有力的控制與分析手段。

（7）綜合應用計算機科學、水文科學、神經網絡、電子技術、通訊技術、網絡技術和信息處理技術，建立水文信息資源動態管理模型。

3 水害監測預警系統的應用現狀

水害監測預警系統2007年在我礦投入使用以來，運行穩定可靠，應用情況良好，社會效益明顯。

（1）系統實現了數據採集自動化、數據處理自動化和數據發佈的自動化。大大提高了管理水平。

（2）系統主站及分站，性能優良，安裝及使用靈活方便，能適應於礦井的惡劣環境，水位水溫傳感器、明渠流量傳感器、管道流量傳感器、水壓水溫傳感器具有較高可靠性和穩定性。

（3）系統提供的綜合超限預警方法、極值預警方法、趨勢預警方法實用性強，對礦井安全生產具有重要作用。

（4）使用該系統能夠及時掌握水文動態，提高了我礦水害防治能力，達到對水害事故的早發現、早預報、早防治。節約了大量人力、物力，對保障煤礦的安全、正常生產具有重要的意義。

4 結語

目前國內瓦斯類的安全監測系統應用相當廣泛，技術也比較成熟，但針對水文地質工作的水文監測系統，尤其是可以採集多參數水文信息的監測系統，可以應用到煤礦生產的則比較少見。

多參數水文監測系統實現了高精度、自動化、網絡化及可靠運行，所提供的實時監測、數據採集、數據傳輸、數據分析與處理、報表生成及輸出、網絡瀏覽等功能，可以準確地實時監控水文動態，確保這些異常得到及時處理。同時藉助於該系統能夠非常方便地對水文動態中各個參數之間變化的因果關係進行細緻的分析和評價，爲探測潛在的安全運行隱患提供了強有力的分析手段。

我國當今煤炭生產形勢依然嚴峻，礦井水害事故時有發生，特別是工作面頂底板高壓水通過隱伏導水構造突入礦井和廢棄礦井積水因防水煤柱被破壞而突入礦井的水害事故造成的損失尤爲突出。礦井水害監測預警系統的構建，實現了對突水前兆的實時監控和分析，能夠及時預警水害的發生，對我國的煤炭安全生產做出了巨大的貢獻。