水文监测系统在煤矿的应用分析

李海鹏

【摘 要】古书院矿开采时间长，采空区范围面积大，裂隙发育，开采水平已延深至15号煤层，上覆老空区积水隐患日益突出，15号煤层基底奥陶纪石灰岩含水层富水性强，局部区域为带压开采。因此，必须掌握我矿井田范围的水文地质情况，才能保证煤矿安全生产。水文监测系统能够全面、具体、实时地为我们提供第一手资料，为矿井生产过程中防治水工作的实施有据可查。

【关键词】水害因素；井下涌水监测；地面遥测；排水量；涌水量

1.主要水害因素

古书院矿生产主要影响的水害因素主要有采空区积水、奥灰承压水。

1.1采空区积水

采空区积水（包含小煤窑采空区积水）。

1.2奥灰承压水

15#煤层基底奥陶纪石灰岩承压水。

2.水文监测系统的安装与使用

水文监测系统主要设备分三部分：主站、分站、井下监测仪。工作原理是：

主站设在地面，用于接收和显示各个监测分站的实时数据，并整理、打印各种报表。分站使用双CPU工作，两个CPU分别与井上计算机（主站）和井下监测仪通信，同时共享内存数据并循环显示各监测点数据，当分站接收到计算机读取数据命令，则打包内存数据并发送至主站。井下监测仪主要是通过传感器接收信号，然后连接数据采集仪通过数据转换器转换信号，将信号传输至分站，同时实地显示各监测点实时数据。

我矿根据监测目的不同分三处安装使用：

2.1地面监测

井上水文监测点设在污水处理一、二、三厂，井下排水通过管道直排污水处理厂，超声波传感器安装在直排管道上。

超声波传感器的大致工作原理是：

当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下面表达式：

V=×

θ为声束与液体流动方向的夹角

M为声束在液体的直线传播次数

D为管道内经

Tup为声束在正方向上的传播时间

Tdown为声束在逆方向上的传播时间

△T=Tup-Tdown

流量公式：Q=V*T

Q为流量

V为流速

T为时间

传感器采集数据后通过数据转换器转换信号，上传信号至分站，分站再上传至主站，主站接收、显示排水量。

监测排水量主要有三个用途：

2.1.1调节排水

井下三个开采水平均有直排管道通往污水处理厂，不同的管道传输的数据，反应了各水平的排水量。井下排水管路已形成网络，当某处水量增大，排水管路不能满足要求时，可以通过阀门控制调节水量，完成排水。

2.1.2调整设备

通过对排水量监测，可以得知各排水点的排水设备（水泵、电机、排水管路）是否满足要求，或是否存在大马拉小车的情况，以便调整排水设备，使其在满足排水要求的情况下杜绝浪费。

2.1.3验证分析

通过排水量与涌水量的数据对比，结合井下排水设备实际运行状况来分析排水量监测数据的准确度。

2.2井下涌水监测

监测井下涌水量的变化是水文监测系统的主要任务之一，我们在是三个开采水平的中央水仓、各盘区水流汇总点、地面水下渗井下长期稳定的出水点安装了水文监测设备。井下水文监测设备分明渠流量监测设备和管路流量监测设备，管路流量监测与地面管路监测原理一样。

明渠流量监测的工作原理是：

整理一段明渠，明渠壁、底要求平整，然后按其尺寸加工一薄型堰板，让水流流经一个标准的几何图形（堰板），水的流量和堰板上游的液位具备下面的关系 Q=CHn， 公式中的系数C和指数n因堰板的几何图形而异。对于固定的标准堰板，水的流量只跟水槽上游的液位H有关，所以我们只要测出水槽上游的液位（液位的测算通过传感器测算），就可计算出水的流量。

2.3地面遥测

主要是监测水文观测孔水位的变化，水文观测孔出水层位是奥灰岩含水层，位于15#煤层底板以下。通过监测水文观测孔可以实时掌握矿井奥灰含水层的水位，水量等实时变化情况，结合地质资料，可以划分出15#煤层的带压开采区，为矿井带压开采提供预警提示，达到对水害的早发现、早预警、早处理的效果；长期观测其水位，就能发现水位与降水的时间关系以及地下水的周期性变化等规律。当然，由于安装使用时间太短，还无法从水位的变化反映以上规律。只有通过几年甚至十几年的观测数据，才能发现其复杂的变化规律。

3.监测数据分析

3.1井下水文监测系统从2012年8月开始运行，683水平涌水量统计数据如下：

说明：683水平是最上层的开采水平，涌水量与大气降水、地表水关系最为密切。我地区每年7-9为雨季。

通过数据分析：

（1）683水平涌水量峰值滞后大气降水峰值。

（2）683水平涌水量具有周期性变化。

3#煤四盘区水仓明渠流量近期监测如下：

3#煤四盘区水仓明渠安装流量仪主要监测阎庄煤矿等小煤矿积。今年5月至7月8日之前，监测水量在45-50m3/h，7月9日水量为55m3/h水，10日水量为58-60m3/h，之后趋于稳定。

数据分析：

（1）我市7月8日之前监测水量较稳定，是因为降水没有入渗至井下，7月9日水量略有增大，说明大气降水入渗至井下。

（2）根据该处涌水量增大时间与其它直接受大气降水影响地点涌水量增大时间对比，说明各处入渗条件（地表植被的覆盖状况、地形、岩石的透水性、导水通道等）不同，决定了矿井涌水量变化时间不同。

3.2水文观测孔数据分析

水文观测孔水位变化曲线如下图：

数据显示奥陶纪石灰岩含水层水位在3月份至7月份呈下降趋势， 7月份至10月底，水位呈上升趋势，10月底至现在水位呈下降趋势。因为观测时间只有1年，不能说奥灰岩含水层水位变化稍稍之后于雨季。也不能因为二仙掌水文观测孔水位总是高于牛山水文观测孔，就武断地认为它们一定具有水力联系。因为岩溶水的分布不均一，不能通过两个观测孔就得出太多规律，要想准确掌握我矿区域岩溶水的规律，必须有足够密集的水文钻孔资料，因此，我们需结合矿区分布的水源井资料来掌握奥灰岩含水层的规律。当然，由于两个水文观测孔处在15#煤西翼及其附近，其水位仍可作为15#煤西翼划分区域带压的重要依据。

总之，水文监测系统在应用中，基本能够监测水位的变化，为启动水害预警提供依据，但其精确性、稳定性有待提高。 [科]

【参考文献】

[1]王大纯.水文地质学基础[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009，10.

[2]毛振西.煤矿地质学[M].太原：山西人民出版社，2010，11.

[3]郑继东.古书院矿“十二五”防治水规划[R].河南：河南理工大学.