复杂地质条件下煤矿地下水监测预警技术

2022-06-15王红梅董书宁王鹏翔王昊星

西安科技大学学报 2022年3期

王红梅，董书宁，王鹏翔，王昊星

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077；3.长安大学水利与环境学院，陕西西安 710054)

0 引言

水害是煤矿生产的五大灾害之一，严重威胁着矿井安全[1]。根据煤矿安全网发布数据统计自2020年至2021年，中国发生煤矿水害事故11起，最大被困人数21人，被困人数大于10人的重大事故达3起，造成了严重的社会影响[1-3]。矿井水文监测和突水灾害预警是保障煤矿安全的重要技术手段[4-8]。当前国内水害监测预警技术主要依据矿区渗流场、应力场和地电场在矿井水害孕育、发展和发生过程中的不同响应[9-11]，建立多场耦合的水害监测预警模型[11-14]；采用水文监测系统[15-16]、微震监测系统[16-17]和电法监测系统[18-19]捕捉矿井突水征兆，对可深度学习的水害监测预警模型进行训练[20]。国内学者对矿井水害监测预警系统的研发多集中在采用微震监测系统捕捉和识别采动过程中形成的顶底板破坏裂隙上[21-23]，然后根据裂隙发育的高度、深度和密集程度来判断突水通道的形成[24]，进而实现对矿井突水灾害的预测。刘盛东等依据地电场在采动过程中的变化规律，试图建立地电场变化与矿井突水之间关系[18-25]。突水灾害的超前预警就是将水害发生的征兆在不同领域的反应，相互印证，去伪存真，进而预判灾害发生的可能性[26-27]。多场多参数预警势必要求大量不同类型数据在特定模型内进行循环耦合计算，要求服务器有巨大的存储和计算能力。乔伟等提出基于云服务的水害智能预警平台构建[28]。刘栋等将LIF技术应用到煤矿突水预警中大大提高了数据传输速度[29]。

当前国内普遍采用的微震监测和电法监测是对重点工作面进行顶底板突水监测，传感器主要埋置在目标工作面周边，捕捉工作面顶底板采动裂隙的发育过程和低阻异常区的变化规律。而在水文地质条件复杂的矿井，断层也是矿井突水的重要通道。当断层受开采扰动活化连通强含水层时多发生突水灾害。采用微震和电法监测系统对威胁矿井安全的重要断层进行监测，将有效防范矿井的断层突水灾害[30]。另外，作为矿井水害监测预警系统基础单元的水文监测孔，由于建设成本大，周期长，监测点数量较少，不能满足水害预警要求，在煤矿井田内实施一孔双层监测技术，将大大提高矿井水文监测网密度，缩短监测孔建设周期和成本，对矿井水害监测预警系统建设有重要的意义。

1 矿井概况

山东某煤矿位于山东省菏泽市，设计生产能力190万t/a。矿井采用直井开拓方式，走向长臂综采放顶煤采煤方法，开采水平为-845 m，主要开采石炭-二叠系山西组3煤。

矿井主要地层由老到新依次为奥陶系、石炭-二叠系、新近系和第四系。井田中部分布有八里庄正断层，走向南北，倾向西，倾角70°，落差0～260 m，延展长度为17.0 km。断层向上切割至新近系底部，下切奥陶系灰岩。

矿井主要含水层包括第四系松散孔隙含水层、新近系砂砾层孔隙含水层、上石盒子组砂岩裂隙含水层(含6层砂岩含水层，自上而下分别命名为M1到M6)、山西组3煤顶底板砂岩裂隙含水层、太原组三灰岩溶裂隙含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，如图1所示，富水性见表1。

矿井生产过程中正常涌水量1 379.1 m3/h，最大涌水量2 024.6 m3/h。主要导水通道包括断层(八里庄断层)，顶板导水裂隙带(实测86.61 m，裂采比12.7∶1)，底板破坏带(预计为28.7～32.1 m)。直接主要充水含水层为山西组3煤顶底板砂岩含水层和太原组三灰含水层，间接充水含水层为上石盒子组M6含水层和十下灰含水层，上石盒子组M5和奥灰水是矿井安全生产的主要威胁，矿井生产过程中还面临断层水害和老空水害问题，矿井水文地质条件复杂。

该矿原有水文监测孔数量较少，对上石盒子组M6和十下灰没有观测孔，对老空区积水监测数据采集自动化程度不高，无法满足复杂水文地质条件下矿井水害监测预警的要求，急需建设满足矿井安全生产，智能化、可视化、多元感知、超前预警的水文监测预警系统。

2 监测预警方案

根据上述充水条件分析，确定地下水监测以上石盒子组M6、十下灰和三灰为预警指示层，通过水位监测对矿井水害进行预警；在开采带压区采用连续电法监测，结合水压、水温、水质变化共同进行底板奥灰突水监测预警；采用微震与电法耦合监测技术在矿井大巷过八里庄断层处对巷道顶底板断层带导富水性变化和微震事件进行监测；采用光纤光栅传感器对巷道过八里庄断层处底板岩层应力进行监测，与微震事件一起作为断层受采动影响活化、甚至导通奥灰水的预警判据。

2.1 地下水监测方案

矿井水害监测以直接充水含水层为主要观测层，为矿井正常涌水量预测提供计算参数。以间接充水含水层为监测预警指示层，对矿井安全生产提供超前预警。同时，矿井3条大巷均穿过八里庄断层，巷道过断层处是一采区生产的咽喉要道，地下水监测还包括对矿井安全生产构成重大威胁的八里庄断层和已有采空区积水的监测。

2.1.1 上石盒子组底部M6含水层水位

正常情况下上石盒子组M6含水层的水不会进入采掘空间，当水位异常下降表明观测孔附近有断裂构造导通该含水层，成为煤层开采补给水源，水位异常上涨表明该含水层受到了上部强含水层补给。

2.1.2 三灰含水层水位

正常情况下三灰含水层水位会随着开采深度加大，逐步降低，当水位异常增高时，可能是受到底部奥灰强含水层补给。

2.1.3 十下灰含水层水位

正常情况下十下灰含水层水位不会随着3煤开采而变化，当水位波动与奥灰同频，表明该含水层与奥灰有水力联系；当水位异常增高，则可能与奥灰含水层之间形成新补给通道，出现奥灰突水征兆。当十下灰和三灰先后出现水位异常增高情况，可作为奥灰突水预警信号。

2.1.4 老空水水温

山东某矿井田地温异常，奥灰水水温明显高于上部其他含水层，十下灰、三灰或老空出水中掺入奥灰，则势必引起水温升高，可将预警含水层水温异常作为监测奥灰突水的预警指标。

2.1.5 低阻异常区多频连续电法监测

对1303工作面实施多频连续电法监测，采用2n伪随机多频序列人工场源，通过智能控制软件控制发射、接收电极的自动切换和连续采集，采用拟高斯-牛顿法进行测区三维视电阻率反演，并对反演结果进行四维动态成像，实现对底板三灰含水层和十下灰含水层的立体动态监测，以新增低阻异常区在时间上的连续变化结合十下灰和三灰水位异常，综合作为底板奥灰突水的预警判据。

2.1.6 微震监测

对矿井大巷穿八里庄断层处建立微震监测系统，对巷道周围八里庄断层应力应变变化，断层带移动以及导富水性变化进行立体监测，利用走时和偏振分析联合反演定位算法对微震震源实现高精度定位，从而对突水通道进行时空定位与监测，为突水预警提供导水通道信息。

2.2 一孔双层监测系统

为了节约成本，提高效率，研发了基于微胶囊(parcker)技术的一孔双层监测系统。该系统包括分隔止水装置和水文监测系统，可将已有的单孔单层观测孔升级为单孔双层观测孔，也可在地质勘探孔完成勘探任务后应用，改造普通地质勘探孔为单孔双层水文监测孔。

2.2.1 技术原理

在2个拟监测含水层中间安装分隔止水装置(图2(a))；采用高压充水使分隔止水装置膨胀紧密依附在井壁上(图2(b))；然后向分隔止水装置顶部注入水泥浆液，永久性分隔上下2个含水层(图2(c))，最后向中心测量管内外分别下放测量传感器，实现一孔2层水文监测目的。

2.2.2 安装方法

由钻机连接中心测量管将分隔止水装置送至孔内设计深度，用卡盘将中心测量管固定在钻孔井口套管上，然后由高压泵向中心测量管内注水，高压水沿中心测量管从分隔止水装置进水口充入橡胶外皮和内部钢结构形成的密闭空间，橡胶外皮膨胀紧密贴在井壁上。继续加压注水，当充水压力达到设计安全压力值(7 MPa)后，分隔止水装置底部安全销切断，密闭堵头脱落。中心测量管内的水全部流入监测孔下部，而进入分隔止水装置内的水被逆止阀锁定，橡胶外皮仍呈膨胀状态，分隔止水装置发挥作用有效隔离上下部含水层的水力联系。

2.3 水害预警方案

该煤矿主要防治的顶板水害为上石盒子组砂岩裂隙水以及新近系底部含水层水短时间通过采动导水裂隙、封闭不良钻孔、断层等大量进入采掘空间造成突水事故。主要防治的底板水害为奥灰水通过封闭不良钻孔、底板破坏带以及断裂构造进入采掘空间造成突水事故。据此，采用水位、水压、低阻异常和微震事件等作为水害预警指标。

2.3.1 上石盒子组M6含水层预警阈值

上石盒子组M6含水层水位预警阈值设定要依据历年同期水位值确定，当水位值超过历年同期最高水位后，要分析年度降雨和周边地区洪水情况，在排除了区域降雨或洪流异常补给后，可认为上部含水层的水通过非常正常通道进入监测预警含水层。矿井存在顶板突水风险，顶板含水层预警阈值应根据矿井实际观测数据定期调整。

设定历史最大日变幅为A，则

当日观测水位Hn-Hn-1=±A，为三级预警级别。

当日观测水位Hn-Hn-1=±2A，为二级预警级别。

当日观测水位Hn-Hn-1=±3A，为一级预警级别。

2.3.2 三灰含水层

三灰含水层为3煤开采底板直接充水含水层，工作面回采前均对三灰水进行疏放。根据该矿历年对三灰疏放情况，工作面回采前三灰水位低于工作面最低标高，即工作面疏放钻孔孔口无压力。因此三灰含水层预警阈值设定如下。

当距离工作面最近的三灰观测孔水位标高大于工作面底板最低标高为三级预警状态。

当距离工作面最近的三灰观测孔水位标高大于工作面底板最低标高50 m以上，为二级预警状态。

当距离工作面最近三灰观测孔水位标高持续上涨大于工作面底板最低标高100 m以上，为一级预警状态。

2.3.3 十下灰含水层预警阈值

根据十下灰含水层水位变化规律，设计按十下灰含水层顶界面处原始稳定水压在6 MPa以内时，预警阈值如下。

当十下灰含水层水位上升，观测孔压力增加0.5 MPa为三级预警级别。

当十下灰含水层水位上升，观测孔压力增加1 MPa为二级预警级别。

当十下灰含水层水位上升，观测孔压力增大2 MPa为一级预警级别。

当十下灰含水层顶界面处原始水压力值大于6 MPa时，需对十下灰含水层进行疏水降压，查明十下灰含水层的可疏降性，并根据探查结果设计预警阈值。

2.3.4 老空水监测预警阈值设定

根据该矿当前老空积水区空间位置、积水量和危害程度，设定老空水监测预警阈值如下。

当老空积水高度超过密闭墙位置为三级预警级别。

当监测水压超过密闭墙能承受安全水压值的50%为二级预警级别。

当监测水压超过密闭墙能承受安全水压值的100%为一级预警级别。

2.3.5 多频连续电法监测预警阈值设定

通过实时多频连续电法探测获取断层组底板0～190 m深度内地层电阻值分布形态，通过时间序列上阻值异常区(“高阻异常和低阻异常”统称为“阻值异常”)发展规律研究潜在导水通道形成的过程，为底板奥灰突水预警。多频连续电法监测预警阈值设定如下。

工作面回采期间监测范围内十下灰含水层顶部隔水层出现新增阻值异常为三级预警级别。

工作面回采期间监测范围内十下灰含水层至三灰含水层之间隔水层由深至浅逐渐出现新增阻值异常区为二级预警级别。

工作面回采期间监测范围内当三灰含水层出现明显新增阻值异常区为一级预警级别。

2.3.6 断层活化预警阈值设定

当断层有活化迹象，则首先出现应力集中，相继出现岩层破裂的微震事件、地电场异常(如破裂电位、渗流电位、多频电阻率异常)。因此，八里庄断层处微震电法耦合监测预警阈值设定如下。

巷道顶底板岩层中出现异常应力集中为三级预警级别。

巷道顶底板岩层中异常应力集中区域出现密集的微震、地电事件为二级预警级别。

巷道顶底板岩层中异常应力集中区域出现密集的微震、地电事件，同时出现新增阻值异常为一级预警级别。

2.4 水害预警分级响应

针对系统设定三级预警，提出三级应急响应措施。三级预警表示矿井水情出现异常，地测部门及时进行现场踏勘和原因分析，上报防治水副总工程师，采取措施排除异常。二级预警表示矿井水害险情升级，依靠矿上专业技术能力已经不能解决。由矿总工程师邀请行业专家对矿井水害险情进行诊断，制定防治方案，消除险情。一级预警表示矿井已出现突水危险，应在警报发出后第一时间停产撤人，并启动矿井应急救援响应。

3 基于云平台的水害监测预警系统构建

3.1 系统架构

水害监测预警系统共划分为4层，如图3所示，即数据采集层、数据处理层、系统应用层及客户端访问层。

1)数据采集层。该层由井下各传感器、人工巡检系统和监控分站组成的安全监测系统提供。负责采集水害监测数据，为水害监测预警提供基础数据。

2)数据处理层。本层负责监测数据的存储及分析，运算平台的建立，信息的转存与发布，应用服务。水文监测数据及架构上层各模块的计算数据资源均存储在本层的虚拟资源池中，通过虚拟化手段实现系统应用的算法调度与资源调度。

图3 云平台架构Fig.3 Cloud platform architecture

3)系统应用层。本层对应于云计算的最高层服务模式SaaS，主要功能为数据处理应用、水害预警应用、数据存储应用、水害预警信息显示、水害预警信息查询及用户信息管理等。本层主要运用云计算强大的数据挖掘分析运算能力，对水文监测历史数据进行分析。根据历史监测数据中找到和当前实时监测数据相匹配的数据模型，判断当前井下水情异常情况并及时发布预警信息。

4)客户端访问。本层为煤矿安全管理人员提供水文预警信息服务。可以通过浏览器和手机APP的方式访问云数据中心的Web服务器，获取矿井水害监测预警信息。

3.2 系统功能

在云平台中，系统采集的实时监测数据上传到云计算数据中心，对水害监测数据进行预警处理，最终提供水害预警信息。综合来看，系统主要功能包括。

3.2.1 基础数据采集

安全监测监控系统采集到的实时水害监测数据，通过以太网上传到集团云计算数据服务中心。

3.2.2 监测数据集成管理

采用数据样本分析工具对采集到的原始数据进行预处理，计算监测数据的基本特征参数，与历史同期水害监测数据对比，进行数据关联性分析。

3.2.3 监测数据预警分析

以云计算虚拟机为平台，调用实时监测数据，运行水害预警计算。通过管理人员对预警结果可靠性的反馈，及时校正和更新预警分析模型，实现监测点预警阈值的自动计算及校正。

3.2.4 预警发布

通过电脑、笔记本、智能手机等方式将水害预警结果及时发布，出现险情后，现场工作人员也可及时查询监测数据，对矿井水文地质异常及时进行处置。

3.3 系统应用

3.3.1 监测方案

根据山东某煤矿水害类型及井下开采情况，地下水动态监测共包括井上下各类水位水压观测点12个、气象分站1台、管道流量监测点8个、明渠流量监测点3个、老空水监测点2个。监测对象包含井田内地表降雨量、矿井排水量、采区排水量、老空区水压和工作面涌水量，还有电法监测20点和微震监测7点。

1)一孔双层水位监测。综合考虑地质、水文地质勘探和水文监测等多项任务，利用BSD6孔承担新近系底部和奥灰2个含水层监测任务。利用BSD9孔承担新近系底部与石盒子组下段砂岩2个层位的监测任务。BSD6和BSD9孔为三路套管四级变径的复杂结构，一孔双层监测系统安装只要求第2路φ191 mm套管止水封闭至第1路φ219 mm花管下部，并在此处设置反向接头。钻孔勘探任务结束后，将φ191 mm套管反向旋转，拆除新近系含水层底部以上二路套管，形成同时开放2个目标含水层的监测孔。

2)多频连续电法监测。对工作面顺槽揭露的yf16，yf17，yf18和yf19断层组，采用多频电法监测，及时掌握断层组附近底板岩层中新增低阻异常区的发展和变化，起到底板奥灰突水监测预警的目的。巷道电极布置：在1303工作面yf19断层两侧巷道中每隔20 m布置一个电极，电极道数20道，监测覆盖380 m，最大监测深度190 m。如图4所示。

图4 连续电法监测电极布置Fig.4 Electrode arrangement for continuous electrical monitoring

3)微震与电法耦合、应力应变监测。在轨道石门联络巷分3个方向施工穿过八里庄断层的钻孔WJC1，WJC2和WJC3。WJC1钻孔上仰施工至八里庄断层东盘上石盒子组底部以上20 m，WJC2和WJC3下倾施工至八里庄断层东盘三灰。每个钻孔预计深度150 m，设计每10 m安装一个电极，再隔10 m安装一个微震传感器，单孔安装电极7道，微震传感器7个。电极和传感器的安装位置和数量可根据实际钻孔揭露岩层层位调整和适当加密。监测钻孔及测点位置如图5所示，同时在WJC2和WJC3钻孔孔深20 m处安装应力应变传感器，监测八里庄断层上盘岩层应力集中情况。

图5 大巷过八里庄断层处微震与电法耦合监测Fig.5 Coupled monitoring of microseismic and electrical method at Balizhuang fault

3.3.2 一孔多层监测效果

BSD6，BSD9孔同时承担了新近系底部、上石盒子组M6和奥灰共3个含水层的4个点的监测任务。对比监测含水层水位变化数据，被同一个孔监测的2个含水层水位相差较大，水位变化趋势明显不同，无相互串层影响。各点水位历时曲线，如图6所示。

图6 双层监测含水层水位历时曲线Fig.6 Water level duration curves of main aquifers

3.3.3 预警阈值设定

双层监测孔中，BDS9孔监测的上石盒组M6为顶板水害预警层。根据预警阈值设定方法，上石盒子组M6水位上涨预示着存在顶板突水险情。

2020年3月至2020年6月，BSD9孔水位持续下降10.65 m。观测期间水位最大日变幅为4.36 m初步设定BSD9孔监测三级预警阈值为水位日变幅5 m，二级预警阈值为水位日变幅10 m，一级预警阈值为水位日变幅15 m。后期随监测时间的增长和样本空间的增大，按此法设定的预警阈值将更加准确。

3.3.4 系统运行

山东某煤矿水害特点的监测预警系统，采用JAVASCRIPT+PHP+MYSQL与DSI离散光滑插值算法、克里金插值算法、多参数联动计算和预警判别方法。软件构建的静态可视化模型展示工作面推采过程中水压、水温、应力-应变、视电阻率、等动态信息，在矿区采掘图上实现地下水实时动态监测和预警。监测数据的更新和预警响应时间小于10 s。为了便于操作应用和快速获知主要数据信息，专门开展了操作界面、功能流程、手机App客户端等的研发，实现界面门户、主要数据展示、报警响应的个性化定制，实现了监测业务数据的收集、存储、统计、分析等智能化操作。

1)监测点形象动态预警。根据监测点水文地质类型，将监测点定义为顶板水、底板水、老空水和断层水4种类型，分别用不同图标标识在矿井生产系统的相应位置。正常情况下监测点为小图标静止状态，当鼠标轻触该点图标时，会在图标旁边显示该点监测数据信息。当测点监测值超过预警值时，系统发出声光警报，相应客户端该监测点大图标自动弹出，并不停闪烁，如图7所示。