基于多源数据融合的矿井水害“一张图”预警平台构建与应用

2022-04-14连会青夏向学田振焘

金属矿山 2022年3期

晏涛连会青夏向学徐斌田振焘

(1.华北科技学院安全工程学院，河北三河 065201;2.华北科技学院应急技术与管理学院，河北三河 065201;3.淄矿集团陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西咸阳 713600)

近年来，我国矿井水害事故频发[1]，水害事故分析与处理的整个过程耗时较多且无法实时掌控矿井水情数据[2]。随着网络及通信技术的迅猛发展，许多学者致力于矿井水情监测、水害预警技术研究，研发出了多个监测预警平台，成功实现了矿井水情实时监测[3-4]，水文地质参数、应力、应变等指标的监测预警[5]，岩层破裂微震监测[6]以及地层电阻率电法监测[7]。然而，现阶段关于矿井水情监测预警的研究多停留在单一指标阈值预警上，阈值设置往往与传感器的上下限有关，缺乏科学研判，且未能对工作面的差异性进行综合考量。矿井水害预警实质上是突水连续监测的过程，伴随工作面开采全过程而进行的水情参数持续监测[8]。现有的矿井水情监测预警系统建设多依托于地下水位观测孔的定点水文在线监测系统[9]，不但无法有效实现矿井水情发展过程中多参数的连续动态监测，而且未能梳理各参数间的内在关系，从而难以实现对全矿井水情信息的实时呈现以及不同水害级别的预警。

综上所述，现有的矿井水情监测与水害预警系统存在的不足主要有:①监测指标单一，难以综合多参数实现不同级别的预警;②指标阈值与井下实际出水关联性不强，很难实现全矿井水情信息的实时刻画[10];③系统布设过多关注监测设备搭建而忽视水害预警实际需要，监测信息难以反映矿井工作面开采过程中复杂的突水过程[11-12]。目前，我国尚未建立应用于煤矿水害防治的“一张图、一张网”管理模式，本研究以亭南矿为例，分析矿端信息化建设需求，将矿井水情监测、多源数据融合水害预警融入矿井“一张图”中，实现矿井水害的动态实时预警。

1 矿井水情监测主要内容

1.1 矿井水情数据监测

(1)降雨量。降雨量数据源于当地气象部门数据，主要统计每日降雨量、月度降雨量、季度降雨量、年度降雨量等信息[13-14]，采用“四色四级”的方式进行预警(表1)。

(2)地表水文信息。地表水文信息主要包括地表过水断面的流速、流量、水位等数据，包括地面河流、湖泊、水库及地面水文观测孔监测数据[15]。该矿与泾河、黑河和亭口水库联系较为紧密，因此选取河流水位、河流流速、河流流量、水库水位和蓄水量为监测指标。河道、水库数据来源于当地水利部门已构建的监测站点，按照阈值超限进行预警(表1)。

表1 单因子监测指标与预警级别对应关系Table 1 Corresponding relationship between single factor monitoring index and early warning level

(3)水文钻孔水位信息。该矿各主要含水层水位观测孔共计14个(白垩系13个、侏罗系1个)，基本涵盖了各主要含水层的水文信息，将水温、水位等数据作为监测指标。同时对每一个钻孔富水性柱状图进行概化处理，从地表往下依次是隔水层、含水层、顶板隔水层、煤层、底板等，结合钻孔水位动态数据生成等值线图和等值面图[16-17]。长观测孔预警以水位标高为数据源，采用水位梯度变幅的方法进行“四色四级”预警(表1)。

(4)井下突(涌)水量。目前井下有12个突水点，其中6个突水点安装了突水量自动监测测站设备，其他6个突水点的突水量数据需要依靠人工监测。结合该矿地下突水点位置、涌水量观测台账等数据，将突水点涌水量、工作面涌水量、盘区涌水量、全矿井涌水量作为监测指标，重点关注突水量、突水水源和突水通道的变化信息，建立起全矿井、盘区、工作面与突水点的关联关系[18]。涌水量采用“四色四级”的方式进行梯度预警(表1)。

(5)采空区积水情况。该矿共有24个采空区，采空区积水主要分布在一、二盘区，且积水区位置、边界范围清晰。由于采空区涌水量在矿井涌水量中占据较大比例，是矿井排水的主要组成部分，因此将采空区数量、采空区积水面积、采空区积水量、采空区排水量作为监测指标[19]。采空区主要监测积水的水压和水位，按照水压和水位变幅进行预警(表1)。

(6)排水系统能力。该矿现有中央泵房、西翼直排泵房、西翼泵房、三盘区泵房。其中西翼泵房、三盘区泵房为接力排水泵房，中央泵房、西翼直排泵房为一级主排水泵房。依据《煤矿防治水细则》及总排水能力为台数与排水能力(额定功率)之积的方法对排水系统能力进行评估，得到矿井正常排水能力为3 713 m3/h，矿井总排水能力为5 086 m3/h，矿井抗灾最大排水能力为5 590 m3/h，并将上述排水能力参数作为监测指标。

1.2 矿井涌水量预测

通过收集矿井3次抽水试验的水文地质参数，发现工作面开采后导水裂缝带会波及白垩系洛河组含水层，该含水层组与地表水存在水力联系，地表水将会对矿井安全生产产生间接影响。该矿2018—2020年矿井正常涌水量为1 635 m3/h，最大涌水量为2 453 m3/h，以回归分析为数理统计理论基础，采用经验公式法、水文地质比拟法、Q-S曲线外推法等对该矿井进行了涌水量预测，得到2021年正常涌水量为1 782 m3/h，最大涌水量为2 698 m3/h，且涌水量随着开采面积增大呈逐渐上升趋势。

1.3 微震导水通道监测

该矿运用井—地—孔联合微震导水通道监测技术，实现了煤层采动顶板导水裂隙带发育高度和底板破坏深度的动态实时监测。监测过程为:首先根据监测区域地质资料确定地质模型，即地层分布、地层速度(纵波、横波)、地层密度;然后利用已知的主动震源(如爆破、机械震源等)，通过传感器接收信号进行地层速度校正，并最终确定监测区域的地层速度模型。

2 矿井水害“一张图”预警平台架构

2.1 水情数据管控体系

在充分应用水质监测、水情监测、涌水量监测、排水监测等技术的基础上，打通矿井数据孤岛，对数据信息进行全面整合，构建各类专题数据服务。同时，利用GIS、水文分析、大数据分析、智能视频、人工智能等技术，进一步挖掘数据的潜在价值，构建矿井水情数据管控体系[20]。

2.2 “一张图”预警平台架构

结合矿井水害防治主要工作和矿井水情数据管控体系，设计了基于多源数据融合的矿井水害“一张图”预警平台(图1)。平台自下而上分别由设施层、平台层和应用层组成，不仅实现了矿井“一张图”、水文地质信息管理、水情监测预警、微震电法数据监测、水害预警等多业务的融合，而且可通过基础设备服务、网络服务、平台算法服务和软件应用服务为上述业务提供技术支撑。设施层主要包括微震设备、钻探设备、水情监测设备，能够向平台层和其他用户提供数据支撑。平台层由数据库、地图服务、算法服务等组成，并预留了接口服务，能够为数据统计和分析提供技术支撑。应用层在模型算法的基础上，实现水文地质信息管理、水情监测预警、台账管理、“一张图”预警等核心业务功能。

图1 矿井水害“一张图”预警平台架构Fig.1 Framework of "onemap" early warning platform for mine water disaster

3 平台关键技术功能

3.1 矿井水情五大数据库建设

依据《煤矿水害防治感知数据接入细则(试行)》，参照“一张网”“一张图”“一张表”“一盘棋”的设计理念，建立了基础数据库、监测数据库、模型数据库、地图数据库和预警数据库共5大数据库，对煤矿基础数据、台账数据、动态监测数据、模型数据、分析数据分类建库，整合已有的监测系统数据实现矿井数据资源管控。

3.2 基础信息管理

基础信息管理主要功能包括已有数据模板导入、现采数据接口接入、数据人工维护、数据导入及修改提示等。该子系统还能实现《煤矿防治水细则》中要求的15类台账数字化管理、6类基础图件数字化管理、12类专业报告数字化管理以及钻孔柱状图、平面图智能识别等。

3.3 数据信息管理

数据信息管理包括水文地质信息管理、台账管理、文档管理等。水文地质信息管理能够实现煤矿水文地质数据的统一入库，主要功能包括矿井、钻孔、盘区、工作面、井下钻孔等基础数据维护、数据查询等。台账管理能够自动生成矿井水文16类台账标准化数据，支持河流、水库、矿区、煤层、巷道、钻孔等不同级别的监测点、工程信息定位查询、智能搜索等功能。

3.4 多源数据融合水害预警

亭南矿井下突水源主要是大气降雨、地表水、地下水和采空区积水，充水模式为顶板进水型。本研究依据水情监测、涌水量预测数据和导水通道监测数据，建立了多源数据融合下的水害预警模型，如图2所示。

图2 多源数据融合下的水害预警模型Fig.2 Water disaster early warning model based on multi-source data fusion

本研究主要针对导水裂隙带高度、进尺点与采空区距离、水压变幅3个指标进行多源数据融合预警，且预警级别采取“就高不就低”的原则，具体预警范围及分级见表2。

表2 多源数据融合水害预警范围及分级Table 2 Scope and classification of water disaster early warning based on multi-source data fusion

以导水裂隙带高度为例，顶板含水层造成的突水与所采煤层的厚度、隔水层厚度有关，顶板覆岩冒落带和导水裂隙带最大高度根据《煤矿防治水规定》和“上三带”理论公式进行计算，平台支持用户导入经验公式。

首先在煤矿地理空间数据库中查询钻孔数据，获取含水层底板标高，形成含水层底面等高线图;其次通过煤层底板等高线图中的煤厚数据计算导水裂隙带高度，形成导水裂隙带等厚线图;然后根据煤层底板等高线、煤厚、含水层底板标高计算隔水层厚度，形成隔水层等厚线图;最后将导水裂隙带等厚线图与隔水层等厚线图叠置复合，将顶板隔水层厚度小于导水裂隙带厚度的区域划分为顶板水害危险区。

4 平台应用

将平台应用到该矿的水害预警实践中，得出如下分析结果:

(1)平台可从最新信息、历史信息两个维度对降雨量数据进行管理，支持按监测站点查看历史最高降雨量、平均降雨量信息，支持查看雨量过程线、累计降雨量及未来降雨量(图3)。

图3 水情监测预警模块Fig.3 Water monitoring and warning module

(2)地表水主要包括泾河、黑河、亭口水库和反调节蓄水工程，通过三维建模可以更加直观地掌握水文监测数据(表3)。黑河、泾河处于侵蚀冲刷状态，水流较急，河床底部不存在稳定的隔水层，并且井田附近的几个抽水井资料也证明无此隔水层。如果矿井开采引起洛河宜君承压水水头大幅下降，将可能导致地表水向洛河宜君含水层组补给而成为矿井充水的间接水源(图4)。

图4 三维快速建模模块Fig.4 3D fast modeling module

表3 地表水文监测数据Table 3 Surface hydrological monitoring data

(3)矿井采空区共计24个，积水量约占矿井涌水量的80%，为矿井排水的主要组成部分，且随着采空区面积逐渐扩大，给井下排水带来了较大压力(图5)。

图5 井田水害预警模块Fig.5 Water disaster warning module of well field

(4)401工作面水害红色预警。4#煤层平均厚度10.75 m，用“上三带”公式计算可得冒落带最大高度为48.37m，导水裂隙带最大高度为109.49m。煤层上覆洛河组含水层厚度约100 m，煤层顶板到含水层距离123～167 m，裂采比18∶1，裂隙高度为193.5m。裂缝带波及洛河组含水层，洛河组含水层水下泄至工作面(图6)。