煤矿奥灰水动态监测系统设计及应用

贺炳伟

(延安车村煤业(集团)有限责任公司，陕西 延安 717300)

0 引言

我国富煤、缺油、少气的资源现状，使得煤炭占据了我国一次能源的主体地位，2021年我煤炭消费量在一次能源占比达到56%，是目前世界上煤炭消费量最大的国家[1-2]。煤炭安全高效开采已成为我国煤炭发展的必然趋势，已成为行业共识[3]。只有稳定健康地发展煤炭才能一定程度地稳定能源需要、保障经济发展[4-5]。近年来，随着浅煤层资源的枯竭，煤炭开采深度的加深，煤炭开采过程中的水、火、瓦斯、粉尘和矿压灾害现象也越来越严重。目前，突水灾害已成为仅次于瓦斯爆炸灾害的煤矿第二大灾害，严重制约煤矿的安全高效开采。在所有的水害之中，奥灰水的突水灾害对煤层安全开采影响最为严重[6]。底板奥灰水害是制约我国石炭-二叠纪华北型煤田安全开采的重要因素，随着煤炭开采强度、深度的日渐增加，下组煤带压开采，面临严峻的突水危险[7-9]。在奥灰水预测方面，目前常用的方法有2种，分别为突水系数法和含水层水位变化预测方法[10-11]。

ELSWORTH[12]通过建立井下地理探测管理信息系统，运用煤矿井下的水文信息的动态变化来实现奥灰水的动态监测。魏久传[13]在地理信息系统的基础上，进一步采用水文监测的手段，进行水害监测。刘惠德、高丁丁等[14-15]同样在地理信息系统的基础上，进一步开发了煤矿井下水文监测信息系统，通过二者的结合，极大程度上提升了矿井水害的预测精度。笔者在上述学者的研究基础上，考虑采动过程中水害变化的非线性特征，提出一种煤矿井下奥灰水的动态监测系统，为煤矿的水害防治提供手段和方法。

1 系统硬件设计

煤矿井下奥灰水动态监测系统由3个主要部分构成，分别为煤矿井下的数据采集系统、地面数据分析和显示系统以及井下和地面的通信系统，奥灰水动态监测系统的总体结构如图1所示。地面数据分析和显示系统由显示器、服务器以及数据收发终端等组成；井下的数据采集系统由传感器、交换机以及本安网关组成。在综采面所有的电法仪均接入一台光纤交换机中，然后通过光纤将地面与综采面井下奥灰水监测系统进行连接，实现数据通信。电法仪在综采面内也通过光纤通信，所有电法仪之间的通信均采用TCP/IP协议。

图1 奥灰水动态监测管理系统结构示意

2 系统软件设计

煤矿奥灰水动态监测系统内核采用Linux系统，桌面采用Qtopia。通过自主设计的监测系统，能够有效实现对传感器等外设器件的驱动，同时能够很好地进行数据图形化显示以及与综采工作面集控系统之间的通信等功能。煤矿奥灰水动态监测系统的数据处理模块包含了数据采集、数据存储、数据传输等单元。

2.1 井下软件工作流程

井下软件在第1次使用时，需要配置井下主机与地面控制中心的IP地址。当开始运行监测系统时，系统一旦发生数据获取失败的情况，则系统的控制模块会主动预警并发送控制指令重新接受数据，监控系统软件井下数据采集流程如图2所示。

图2 井下数据采集传输流程

2.2 井上软件工作流程

奥灰水动态监测系统中地面系统的软件工作模式为交互式。地面系统软件在开始运行之前要进行相关参数的配置。其中涉及的配置参数包括探测类型(顶板、底板、超前)、测量方法以及采样时间的设置等，如果系统出现故障或者数据加载出错，系统会自动化报警。在设置好运行参数以后，监测系统根据下达的任务指令开始接受并存储监测到的数据，最后系统对接收到的数据进行统计分析和计算，根据预先设置的阈值进行预报或者预警，实现对井下奥灰水的动态监测和预警，地面监控软件的工作流程如图3所示。

图3 井上软件系统工作流程

3 软件预报预警策略设计

3.1 底板突水预警策略设计

为了更加准确地建立底板突水预警策略，需要整理煤矿建井时的钻探地质资料，并建立煤矿井下的地质模型，如图4所示。其中，h0为安全隔水层的最小厚度，M为底板最大的隔水厚度。

图4 底板层状地质模型

在综采面还未进行开采时，先要对综采面底板的电阻率进行一次测量，以此来获得综采面未进行开采时工作面底板的突水系数

(1)

式中，Ts为突水系数，MPa/m；P为底板能够承受的水压，MPa；M为底板最大隔水厚度，m。

在井下工作面实际回采过程中，通过电阻率的反演来判断顶板以及底板的含水情况，如果电阻率低说明含水量比较大，如果电阻率比较大说明含水量少，因此将电阻率的大小设置为突水预警等级的阈值，突水系数Ti为

(2)

式中，Ti为突水系数，其中i=1，2，3，MPa/m；P为底板隔水层承受的水头压力，MPa；hi为电阻率低阻区高度，其中i=1，2，3，m。

基于上述判断原则，确定实际回采过程中突水预警等级阈值的设置见表1。

表1 预警阈值及等级设置

3.2 底板突水预警数据采集方案设计

每隔100 m安装一套电法仪，用于对数据的采集和分析，数据采集的控制器直接连接信号采集传感器。为了保证良好的测量效果，将传感器安装在巷道的底板下方，使传感器与底板能够充分地接触。工作面底板数据采集系统布置方案，如图5所示。采用三级超前探测法，获取掘进迎头前方监测范围100 m以内的电阻率变化趋势，分析工作面巷道掘进前方的富水特性。随着掘进深度的增加，每隔100 m增加1套掘出巷道分布式数据采集与控制装置，向前采集数据。本研究设计的奥灰水动态监测系统的布置，如图6所示。

图5 工作面底板富水性数据采集示意

图6 掘进迎头超前富水性数据采集示意

4 试验结果与分析

4.1 现场布设

根据综采面的长度和剩余开采长度，在某矿山巷道布置一套煤矿奥灰水动态监测的数据采集与预警控制装置。成套装置在工作面的安装示意图，如图7所示。值得注意的是，在安装过程中一定要保证传感器与底板的充分接触。在实际的监测过程中，要根据回采的情况实时对监控装置进行调整，不断向后撤离直至完成整个回采面的动态监测。

图7 工作面底板监测系统现场布设示意

4.2 监测结果分析

通过对整个奥灰水监测系统的安装、布置以及数据采集系统的初始设置，完成整个系统的调试，然后对回采过程中工作面奥灰水的变化进行实时监测和显示。通过分析监测到的数据信息，在整个监控时间和空间范围内一共检测到4处低电阻区域，说明该区域奥灰水的含量比较高，其在工作面的分布区间和范围如图8所示。其中，蓝色部分表示低电阻，说明含水量较大，红色部分表示高电阻，代表含水量较小。

图8 矿井水害预警系统异常区

考虑回采过程中矿压的连续变化，分3个阶段对底板的电阻率进行连续监测。研究分析的该工作面长度为2 000 m，已回采的距离为600 m，监测区间为650～2 000 m。根据监测的可视化结果，能够清晰地划分出来低电阻区域和对应的富水区域，可视化结果如图9所示。综合回采过程分析，发现回采过程对底板的扰动，使得奥灰水分布变化的影响较小，在整个监测的区域内一共有4个区域的监测并没有明显的异常变化，其中3号区域有一定的变化，但是变化在合理范围站内，不会造成生产事故。

图9 第1阶段监测数据

当工作面回采完1 000 m以后，监测区间变为1 050～ 2 200 m，电阻率的反演结果如图10所示。从图中发现，在本阶段的监测区间内，原先存在的3#、4#异常区消失了，1#、2#异常区与原先的状态相比，范围和位置并没有明显的变化。通过搭建该系统，经过一段时间的井下工作面监测试验结果表明，该奥灰水动态监测系统能够很好地对矿井水进行监测和预警，实现了奥灰水的智能监测。

图10 第2阶段监测数据

5 结语

(1)根据矿井实际地质情况，基于计算机技术、物探技术以及通信技术，提出了煤矿奥灰水动态监测方案，建立了监测系统。

(2)通过煤矿井下试验，结果表明设计的奥灰水动态监测系统能够很好地对矿井水进行监测和预警，实现了奥灰水的智能监测，为煤矿井下的安全生产管理提供了必要的理论支撑，为实时预防煤矿井下水害的发生提供了很好的决策依据，对矿井奥灰水防治意义重大。