水害監(jiān)測預警系統(tǒng)在煤礦防治水工作中的應用

龐迎春

[摘要]本文在詳細分析楊莊礦水害因素的基礎(chǔ)上，介紹了高精度、自動化、網(wǎng)絡化及運行可靠的礦井水害監(jiān)測預警系統(tǒng)的建立、組成及應用現(xiàn)狀，該系統(tǒng)的建立為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(guān)鍵詞：預警系統(tǒng)，多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測，水害防治

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

楊莊煤礦是一個水文地質(zhì)條件極復雜的礦井，充水水源眾多，底板灰?guī)r水、老空水、松散層孔隙水和地表水體均威脅礦井安全生產(chǎn)。開采范圍內(nèi)有6個正在開采的小煤礦，這些小煤礦均在井田淺部煤層露頭處，開采楊莊礦遺留的殘余塊段。小煤礦水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作薄弱，一旦發(fā)生突水災害，將嚴重威脅楊莊礦財產(chǎn)和生命安全。如果在這個煤礦水害發(fā)生之前或初期能夠及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，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

礦井可采煤層為3、4、5、6煤層，其中5、6煤為主要可采煤層，3、4煤為局部可采煤層。根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件，結(jié)合開采過程中礦井突水情況分析，礦井水害類型復雜，主要水害有：地表水、5煤頂?shù)装迳皫r裂隙及巖漿巖水，6煤頂?shù)装迳皫r裂隙水、太原組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水、斷層及裂隙帶導水、老塘水害及封閉不良鉆孔水害、相鄰小煤礦采空區(qū)水害。其中6煤底板灰?guī)r水和5煤頂板火成巖水威脅更為突出。

（1）地表水體

楊莊礦井田河流水系發(fā)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(qū)，積水總量2180萬m3以上。小煤礦開采范圍處于塌陷積水區(qū)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）新生界松散層水

楊莊礦屬于新生界松散層覆蓋的全隱伏礦井，松散層孔隙含水層含水豐富，是農(nóng)業(yè)灌溉的主要水源，淺部開采時均留設(shè)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使礦井開采的主要含水層（段）由于其富水性較強，因與奧灰含水層有水力聯(lián)系，水量大，水壓高，對礦井安全生產(chǎn)危害較大。

（4）老塘水

地方煤礦基本上是在開采楊莊礦報廢采區(qū)的遺留煤柱,屬老區(qū)復采。由于采區(qū)封閉時間長，積水情況不清，一旦接近或揭穿積水區(qū)，將發(fā)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(jié)合有關(guān)規(guī)程規(guī)范和以往礦井防治水經(jīng)驗，解決礦區(qū)水害隱患的措施的關(guān)鍵是：

（1）查明充水條件，采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(jiān)測預警系統(tǒng)，做到對水害事故早發(fā)現(xiàn)、早預報、早防治。

2 礦井水害監(jiān)測預警系統(tǒng)的建立

2.1 水害監(jiān)測預警系統(tǒng)的提出

我們知道，煤礦水害是煤礦建設(shè)開發(fā)過程中，不同形式、不同水源的水通過某種途徑進入礦坑，并給煤礦建設(shè)和生產(chǎn)帶來不利影響和災害的過程和結(jié)果。如果在這個過程的初期能夠及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，就能避免水害或減少水害的損失。隨著礦井的開采層位越來越深，礦井水文地質(zhì)條件也變的越來越復雜，時常會發(fā)生礦井突水或透水事件，不但給礦工生命安全和國家財產(chǎn)帶來嚴重危害，而且地下水已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。因此，對煤礦地下水的實時監(jiān)測和預警、預報顯得尤為重要，對指導礦井生產(chǎn)和礦井水害的防治具有十分重要的意義。

經(jīng)過調(diào)研，楊莊礦與西安科技大學合作設(shè)計了水文監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案，提出了建立一個以集團公司為高層、礦務局等二級實體為中層、各生產(chǎn)礦井為基層的多層次分布式水文多參數(shù)監(jiān)測及水害預警系統(tǒng),在整個集團公司建立統(tǒng)一標準的水文數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)水文參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測預警和網(wǎng)絡共享。

2.2 水害監(jiān)測預警系統(tǒng)的原理

監(jiān)測預警是指通過相關(guān)技術(shù)及儀器提前發(fā)現(xiàn)某一警素的隱患，并把該警情傳送至安全管理部門，經(jīng)相關(guān)分析及判斷預報不正常狀態(tài)的時空范圍或危害程度，并采取相應防范措施。簡單的說，監(jiān)測預警系統(tǒng)即是基于一定的預警原理，以期完成預警任務而建立的一套完整系統(tǒng)。

礦井工作面水害的形成和產(chǎn)生都有一個發(fā)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(jiān)測預警系統(tǒng)是煤礦水害預測預報中的一項重要工作，是一種多信息監(jiān)測突水條件產(chǎn)生、變化的系統(tǒng)�？梢詫�控制和影響產(chǎn)生突水的關(guān)鍵因素進行實時監(jiān)控和分析，對水害的發(fā)生進行預報和預警，提早啟動應急預案，從而避免突發(fā)性災害事故的發(fā)生。

根據(jù)楊莊礦的開采情況和小煤礦的分布情況，設(shè)立合理的水文觀測點及觀測量，采用先進的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)為平臺，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(xù)長期測量并利用計算機分析、輔助決策的，適用地面及井下各種水文參數(shù)（水位、水壓水溫，管道流量，明渠流量等）的利用局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡乃�文監(jiān)測系統(tǒng)，及時掌握地下水動態(tài)，保障煤礦的安全、正常生產(chǎn)。

2.3 水害監(jiān)測預警系統(tǒng)的組成

2.3.1 水文監(jiān)測點的設(shè)置

在傳統(tǒng)的監(jiān)測方法中，對于井上、井下的水文觀測孔通常是采用人工測量記錄的方法掌握水位（水壓）的變化情況；對于管道流量、明渠流量的測量也是采用人工攜帶儀器進行實地測量的方法。這種監(jiān)測方法不能隨時取得監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且借助人工來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和管理，使得工作量極為巨大，不但容易出現(xiàn)錯誤造成管理上的混亂，而且采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析十分繁瑣。水害監(jiān)測預警系統(tǒng)會大大提高工作精度，減少繁雜重復的勞動。

水文監(jiān)測點設(shè)置的原則：①能夠反映礦井的水文動態(tài)（水壓、流量、水溫）；②對有小煤礦透水威脅的部位進行重點監(jiān)測；③能夠監(jiān)測或計算出全礦井每條巷道的涌水量。根據(jù)以上原則在地面上設(shè)置4個水文長觀孔，井下設(shè)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(chǎn)的3個水平，隨著四水平的開采，可以擴展觀測點。

2.3.2 水害監(jiān)測預警處理系統(tǒng)

水害監(jiān)測預警系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的硬件部分研究內(nèi)容主要有：傳感器、遙測分站、傳輸系統(tǒng)（無線及有線方式）和水文監(jiān)測主站等；系統(tǒng)的軟件部分研究內(nèi)容主要有：水文數(shù)據(jù)的實時采集、組織與數(shù)據(jù)庫建立、水文數(shù)據(jù)分析處理（如對數(shù)據(jù)進行校正、異常值分析、信息統(tǒng)計查詢、圖表的瀏覽打印等）、數(shù)據(jù)發(fā)布以及智能預測預警功能的實現(xiàn)。

1、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

礦井水害監(jiān)測預警系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器、遙測分站、傳輸系統(tǒng)（無線及有線方式）和水文監(jiān)測主站等；系統(tǒng)的軟件包括水文數(shù)據(jù)的實時采集、組織與數(shù)據(jù)庫建立、水文數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)發(fā)布以及智能預測預警功能的實現(xiàn)。

圖2 水害監(jiān)測預警系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

3、基層系統(tǒng)組成拓撲結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)分為礦井井上和井下兩部分，采用樹狀星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。井上部分為地面水文長觀孔的水位、水溫監(jiān)測，地面水位水溫遙測自動記錄混合分站采集水位和水溫數(shù)據(jù)，通過GSM網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到主站微機，進行數(shù)據(jù)處理。井下部分利用水文監(jiān)測分站進行數(shù)據(jù)采集，通過環(huán)型以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測中心站，經(jīng)過中心站的預處理存入水文數(shù)據(jù)庫中，采用多用戶的SQL-SERVER數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為系統(tǒng)的開發(fā)平臺，利用水文數(shù)據(jù)發(fā)布軟件，通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)就可對水文數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計、瀏覽，使相關(guān)領(lǐng)導及專業(yè)技術(shù)人員能夠及時掌握水文動態(tài)，指導煤礦的安全生產(chǎn)。

2.3.3 水害監(jiān)測預警系統(tǒng)軟件功能及實現(xiàn)

水害監(jiān)測預警系統(tǒng)軟件由實時數(shù)據(jù)采集處理軟件和水文數(shù)據(jù)網(wǎng)絡發(fā)布軟件兩部分組成。實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)的實時采集、組織與數(shù)據(jù)庫建立、水文數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)發(fā)布以及智能預測預警。

（1）實時數(shù)據(jù)采集處理軟件的功能

①數(shù)據(jù)的實時采集列表顯示；②數(shù)據(jù)的可視化處理，包括曲線、報表分析等；③智能預警功能，采用多參數(shù)綜合預警、極值預警、趨勢預警等。

（2）水文數(shù)據(jù)網(wǎng)絡發(fā)布軟件的功能

通過水文數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡瀏覽、水文數(shù)據(jù)的圖形顯示及水文數(shù)據(jù)的圖形報表生成，使煤礦水文參數(shù)信息在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)實時發(fā)布和共享。

（3）高級目標

實現(xiàn)集團公司（高層）、煤業(yè)公司（中層）、生產(chǎn)礦井（基層）等多層次網(wǎng)絡互聯(lián)，按照分層架構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)水文監(jiān)測信息的集團公司內(nèi)部共享。甚至推廣到全省信息共享。

2.4 水害監(jiān)測預警系統(tǒng)特點

1、常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)的弊端

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)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(nèi)外監(jiān)測設(shè)備與系統(tǒng)，從應用于煤礦安全生產(chǎn)的實際需要來看存在以下問題：

（1）國外產(chǎn)品針對的是常規(guī)的地下水監(jiān)測，不適應國內(nèi)煤礦企業(yè)防治水的要求；

（2）國內(nèi)產(chǎn)品監(jiān)測參數(shù)比較單一，有的只能測水位；

（3）測量范圍有限、精度不高；

（4）供電方式單一，不能方便的在野外惡劣環(huán)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(shù)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(jiān)測系統(tǒng)的特點

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

（2）采用軟件自復位和硬件看門狗技術(shù)，系統(tǒng)在無人值守情況下能夠自動、可靠地運行；監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過通訊網(wǎng)絡自動傳輸?shù)娇刂浦鳈C，也可以記錄于本地儀器內(nèi)，本地儀器內(nèi)存可以保存七千多組數(shù)據(jù)。

（3）分站監(jiān)測數(shù)據(jù)可采用有線或無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置傳輸?shù)街鳈C系統(tǒng)，這樣既適用于地表地下水資源的監(jiān)測預警，也適用于地下水資源的合理開發(fā)和有效利用以及礦井水害防治。

（4）設(shè)計實現(xiàn)了多參數(shù)水文動態(tài)監(jiān)測智能預警系統(tǒng)軟件，該軟件對于采集的水文信息采用多種方法以表格、曲線、報表、圖形等方式實現(xiàn)數(shù)字的動態(tài)顯示和可視化輸出，并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(tài)網(wǎng)頁技術(shù)實現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡發(fā)布，實現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的實時共享，方便了各相關(guān)部門用戶的數(shù)據(jù)查詢。

（6）利用多參數(shù)實時數(shù)據(jù)進行超限分析，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時綜合超限預警功能；提出了多測點、多參數(shù)條件下的極值突水預警方法；利用神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預測水位的變化趨勢，實現(xiàn)趨勢預警，為礦區(qū)的水文動態(tài)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(jīng)網(wǎng)絡、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和信息處理技術(shù)，建立水文信息資源動態(tài)管理模型。

3 水害監(jiān)測預警系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

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

（1）系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集自動化、數(shù)據(jù)處理自動化和數(shù)據(jù)發(fā)布的自動化。大大提高了管理水平。

（2）系統(tǒng)主站及分站，性能優(yōu)良，安裝及使用靈活方便，能適應于礦井的惡劣環(huán)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(wěn)定性。

（3）系統(tǒng)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(chǎn)具有重要作用。

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

4 結(jié)語

目前國內(nèi)瓦斯類的安全監(jiān)測系統(tǒng)應用相當廣泛，技術(shù)也比較成熟，但針對水文地質(zhì)工作的水文監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是可以采集多參數(shù)水文信息的監(jiān)測系統(tǒng)，可以應用到煤礦生產(chǎn)的則比較少見。

多參數(shù)水文監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了高精度、自動化、網(wǎng)絡化及可靠運行，所提供的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析與處理、報表生成及輸出、網(wǎng)絡瀏覽等功能，可以準確地實時監(jiān)控水文動態(tài)，確保這些異常得到及時處理。同時借助于該系統(tǒng)能夠非常方便地對水文動態(tài)中各個參數(shù)之間變化的因果關(guān)系進行細致的分析和評價，為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(chǎn)形勢依然嚴峻，礦井水害事故時有發(fā)生，特別是工作面頂?shù)装甯邏核�通過隱伏導水構(gòu)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為突出。礦井水害監(jiān)測預警系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)了對突水前兆的實時監(jiān)控和分析，能夠及時預警水害的發(fā)生，對我國的煤炭安全生產(chǎn)做出了巨大的貢獻。

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