水害监测预警系统在煤矿防治水工作中的应用

庞迎春

[摘要]本文在详细分析杨庄矿水害因素的基础上，介绍了高精度、自动化、网络化及运行可靠的矿井水害监测预警系统的建立、组成及应用现状，该系统的建立为探测潜在的煤矿水害隐患提供了强有力的分析和预警手段。

关键词：预警系统，多参数动态监测，水害防治

水害是煤矿开采中常见的一种灾害，一旦发生事故，往往具有突发性和极大的危害性，不仅影响生产、造成经济损失，而且易发生重大伤亡事故。煤矿水害是制约我国煤炭行业健康发展的灾害之一，严重威胁煤矿安全生产和矿工生命安全。随着煤炭工业的迅速发展，煤炭资源开采深度及强度不断加大，高产高效的生产管理方式对矿井水害防治安全技术的要求越来越高。

杨庄煤矿是一个水文地质条件极复杂的矿井，充水水源众多，底板灰岩水、老空水、松散层孔隙水和地表水体均威胁矿井安全生产。开采范围内有6个正在开采的小煤矿，这些小煤矿均在井田浅部煤层露头处，开采杨庄矿遗留的残余块段。小煤矿水文地质基础工作薄弱，一旦发生突水灾害，将严重威胁杨庄矿财产和生命安全。如果在这个煤矿水害发生之前或初期能够及时发现并采取措施，就能避免水害或减少水害的损失。

1 矿井主要的水患因素及防治措施

1.1 主要的水患因素

矿井可采煤层为3、4、5、6煤层，其中5、6煤为主要可采煤层，3、4煤为局部可采煤层。根据矿井水文地质条件，结合开采过程中矿井突水情况分析，矿井水害类型复杂，主要水害有：地表水、5煤顶底板砂岩裂隙及岩浆岩水，6煤顶底板砂岩裂隙水、太原组及奥陶系石灰岩岩溶裂隙水、断层及裂隙带导水、老塘水害及封闭不良钻孔水害、相邻小煤矿采空区水害。其中6煤底板灰岩水和5煤顶板火成岩水威胁更为突出。

（1）地表水体

杨庄矿井田河流水系发达,有雷河、闸河、老濉河,还有东、西和乾隆湖3个大的塌陷积水区，积水总量2180万m3以上。小煤矿开采范围处于塌陷积水区以下，河流边缘，历史最高洪水位+32.7m，存在汛期地表水体倒灌的可能。

（2）新生界松散层水

杨庄矿属于新生界松散层覆盖的全隐伏矿井，松散层孔隙含水层含水丰富，是农业灌溉的主要水源，浅部开采时均留设了防水安全煤岩柱。

（3）6煤底板太灰水

6煤底板太灰含水层，特别是上段1~4使矿井开采的主要含水层（段）由于其富水性较强，因与奥灰含水层有水力联系，水量大，水压高，对矿井安全生产危害较大。

（4）老塘水

地方煤矿基本上是在开采杨庄矿报废采区的遗留煤柱,属老区复采。由于采区封闭时间长，积水情况不清，一旦接近或揭穿积水区，将发生透水事故。

1.2 水害防治措施

针对杨庄煤矿的水患特点，结合有关规程规范和以往矿井防治水经验，解决矿区水害隐患的措施的关键是：

（1）查明充水条件，采取合理有效的水害防治措施。特别是防治和杜绝小煤窑水害。

（2）建立健全矿井水害监测预警系统，做到对水害事故早发现、早预报、早防治。

2 矿井水害监测预警系统的建立

2.1 水害监测预警系统的提出

我们知道，煤矿水害是煤矿建设开发过程中，不同形式、不同水源的水通过某种途径进入矿坑，并给煤矿建设和生产带来不利影响和灾害的过程和结果。如果在这个过程的初期能够及时发现并采取措施，就能避免水害或减少水害的损失。随着矿井的开采层位越来越深，矿井水文地质条件也变的越来越复杂，时常会发生矿井突水或透水事件，不但给矿工生命安全和国家财产带来严重危害，而且地下水已成为威胁煤矿安全生产的重要因素。因此，对煤矿地下水的实时监测和预警、预报显得尤为重要，对指导矿井生产和矿井水害的防治具有十分重要的意义。

经过调研，杨庄矿与西安科技大学合作设计了水文监测系统的总体方案，提出了建立一个以集团公司为高层、矿务局等二级实体为中层、各生产矿井为基层的多层次分布式水文多参数监测及水害预警系统,在整个集团公司建立统一标准的水文数据库系统，实现水文参数的动态监测预警和网络共享。

2.2 水害监测预警系统的原理

监测预警是指通过相关技术及仪器提前发现某一警素的隐患，并把该警情传送至安全管理部门，经相关分析及判断预报不正常状态的时空范围或危害程度，并采取相应防范措施。简单的说，监测预警系统即是基于一定的预警原理，以期完成预警任务而建立的一套完整系统。

矿井工作面水害的形成和产生都有一个发展的变化过程，不同的阶段都有其相对应的先兆。矿井水害监测预警系统是煤矿水害预测预报中的一项重要工作，是一种多信息监测突水条件产生、变化的系统。可以对控制和影响产生突水的关键因素进行实时监控和分析，对水害的发生进行预报和预警，提早启动应急预案，从而避免突发性灾害事故的发生。

根据杨庄矿的开采情况和小煤矿的分布情况，设立合理的水文观测点及观测量，采用先进的传感器技术和数据通讯技术，以企业内部网为平台，建立一个精度高、实时性强、运行可靠、自动化程度高，能够连续长期测量并利用计算机分析、辅助决策的，适用地面及井下各种水文参数（水位、水压水温，管道流量，明渠流量等）的利用局域网进行数据传输的的水文监测系统，及时掌握地下水动态，保障煤矿的安全、正常生产。

2.3 水害监测预警系统的组成

2.3.1 水文监测点的设置

在传统的监测方法中，对于井上、井下的水文观测孔通常是采用人工测量记录的方法掌握水位（水压）的变化情况；
对于管道流量、明渠流量的测量也是采用人工携带仪器进行实地测量的方法。这种监测方法不能随时取得监测数据，而且借助人工来实现数据的记录和管理，使得工作量极为巨大，不但容易出现错误造成管理上的混乱，而且采集数据的统计和分析十分繁琐。水害监测预警系统会大大提高工作精度，减少繁杂重复的劳动。

水文监测点设置的原则：①能够反映矿井的水文动态（水压、流量、水温）；
②对有小煤矿透水威胁的部位进行重点监测；
③能够监测或计算出全矿井每条巷道的涌水量。根据以上原则在地面上设置4个水文长观孔，井下设置2个水压水温观测孔，10个明渠流量、水温观测点，如图1所示。观测点覆盖了正在生产的3个水平，随着四水平的开采，可以扩展观测点。

2.3.2 水害监测预警处理系统

水害监测预警系统由硬件系统和软件系统组成。系统的硬件部分研究内容主要有：传感器、遥测分站、传输系统（无线及有线方式）和水文监测主站等；
系统的软件部分研究内容主要有：水文数据的实时采集、组织与数据库建立、水文数据分析处理（如对数据进行校正、异常值分析、信息统计查询、图表的浏览打印等）、数据发布以及智能预测预警功能的实现。

1、硬件系统和软件系统

矿井水害监测预警系统由硬件系统和软件系统组成。系统的硬件部分主要包括传感器、遥测分站、传输系统（无线及有线方式）和水文监测主站等；
系统的软件包括水文数据的实时采集、组织与数据库建立、水文数据分析处理、数据发布以及智能预测预警功能的实现。

图1 井下水文观测点设置示意图

2、水害监测预警系统体系结构

该系统采用物理三层结构，分别称为数据采集层（各种监测分站），数据处理层（实时监测主站），水文数据库及网络发布层，如图2所示。

该系统的三层结构中，可以采用组合的方式构成独立运行的系统模式，能够构建的系统模式如下：①基层系统；
②基层系统+中层系统；
③基层系统+高层系统；
④基层系统+中层系统+高层系统。每种系统模式都可独立运行。采用如此的系统模型使该项目的研究成果可以适应各种组织结构。

图2 水害监测预警系统网络结构图

3、基层系统组成拓扑结构

该系统分为矿井井上和井下两部分，采用树状星型网络拓扑结构。井上部分为地面水文长观孔的水位、水温监测，地面水位水温遥测自动记录混合分站采集水位和水温数据，通过GSM网络将数据传送到主站微机，进行数据处理。井下部分利用水文监测分站进行数据采集，通过环型以太网将数据传输到地面监测中心站，经过中心站的预处理存入水文数据库中，采用多用户的SQL-SERVER数据库管理系统作为系统的开发平台，利用水文数据发布软件，通过局域网或广域网就可对水文数据进行查询、统计、浏览，使相关领导及专业技术人员能够及时掌握水文动态，指导煤矿的安全生产。

2.3.3 水害监测预警系统软件功能及实现

水害监测预警系统软件由实时数据采集处理软件和水文数据网络发布软件两部分组成。实现水文数据的实时采集、组织与数据库建立、水文数据分析处理、数据发布以及智能预测预警。

（1）实时数据采集处理软件的功能

①数据的实时采集列表显示；
②数据的可视化处理，包括曲线、报表分析等；
③智能预警功能，采用多参数综合预警、极值预警、趋势预警等。

（2）水文数据网络发布软件的功能

通过水文数据的网络浏览、水文数据的图形显示及水文数据的图形报表生成，使煤矿水文参数信息在企业局域网内实时发布和共享。

（3）高级目标

实现集团公司（高层）、煤业公司（中层）、生产矿井（基层）等多层次网络互联，按照分层架构设计系统结构，实现水文监测信息的集团公司内部共享。甚至推广到全省信息共享。

2.4 水害监测预警系统特点

1、常规监测系统的弊端

随着计算机技术的不断发展及其在实际中的广泛应用，处理矿井水文信息的思路和方法也在不断更新。国内外监测设备与系统，从应用于煤矿安全生产的实际需要来看存在以下问题：

（1）国外产品针对的是常规的地下水监测，不适应国内煤矿企业防治水的要求；

（2）国内产品监测参数比较单一，有的只能测水位；

（3）测量范围有限、精度不高；

（4）供电方式单一，不能方便的在野外恶劣环境使用；

（5）实时性差、无法满足煤矿工作人员及时掌握地下水各种参数的变化情况；

（6）软件分析处理能力弱、无法直观的反映地下水水位变化趋势，不能做到智能预测、预警。

2、本监测系统的特点

（1）可监测水位、水压、水温和水流量等有关水文的多个观测参数，改变了传统系统只能对地下水位进行监测的历史。

（2）采用软件自复位和硬件看门狗技术，系统在无人值守情况下能够自动、可靠地运行；
监测数据可通过通讯网络自动传输到控制主机，也可以记录于本地仪器内，本地仪器内存可以保存七千多组数据。

（3）分站监测数据可采用有线或无线数据收发装置传输到主机系统，这样既适用于地表地下水资源的监测预警，也适用于地下水资源的合理开发和有效利用以及矿井水害防治。

（4）设计实现了多参数水文动态监测智能预警系统软件，该软件对于采集的水文信息采用多种方法以表格、曲线、报表、图形等方式实现数字的动态显示和可视化输出，并可以进行相应的编辑、打印等操作，方便了用户的直观查询与使用。

（5）利用动态网页技术实现了水文数据的网络发布，实现了水文数据的实时共享，方便了各相关部门用户的数据查询。

（6）利用多参数实时数据进行超限分析，实现系统的实时综合超限预警功能；
提出了多测点、多参数条件下的极值突水预警方法；
利用神经网络技术可根据历史数据预测水位的变化趋势，实现趋势预警，为矿区的水文动态分析提供了有力的控制与分析手段。

（7）综合应用计算机科学、水文科学、神经网络、电子技术、通讯技术、网络技术和信息处理技术，建立水文信息资源动态管理模型。

3 水害监测预警系统的应用现状

水害监测预警系统2007年在我矿投入使用以来，运行稳定可靠，应用情况良好，社会效益明显。

（1）系统实现了数据采集自动化、数据处理自动化和数据发布的自动化。大大提高了管理水平。

（2）系统主站及分站，性能优良，安装及使用灵活方便，能适应于矿井的恶劣环境，水位水温传感器、明渠流量传感器、管道流量传感器、水压水温传感器具有较高可靠性和稳定性。

（3）系统提供的综合超限预警方法、极值预警方法、趋势预警方法实用性强，对矿井安全生产具有重要作用。

（4）使用该系统能够及时掌握水文动态，提高了我矿水害防治能力，达到对水害事故的早发现、早预报、早防治。节约了大量人力、物力，对保障煤矿的安全、正常生产具有重要的意义。

4 结语

目前国内瓦斯类的安全监测系统应用相当广泛，技术也比较成熟，但针对水文地质工作的水文监测系统，尤其是可以采集多参数水文信息的监测系统，可以应用到煤矿生产的则比较少见。

多参数水文监测系统实现了高精度、自动化、网络化及可靠运行，所提供的实时监测、数据采集、数据传输、数据分析与处理、报表生成及输出、网络浏览等功能，可以准确地实时监控水文动态，确保这些异常得到及时处理。同时借助于该系统能够非常方便地对水文动态中各个参数之间变化的因果关系进行细致的分析和评价，为探测潜在的安全运行隐患提供了强有力的分析手段。

我国当今煤炭生产形势依然严峻，矿井水害事故时有发生，特别是工作面顶底板高压水通过隐伏导水构造突入矿井和废弃矿井积水因防水煤柱被破坏而突入矿井的水害事故造成的损失尤为突出。矿井水害监测预警系统的构建，实现了对突水前兆的实时监控和分析，能够及时预警水害的发生，对我国的煤炭安全生产做出了巨大的贡献。