水文动态监测系统在防治水中的应用_司东.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2021-12-22作者简介：司东（1986-），男（汉族），山西泽州人，工程师，现从事煤矿地测防治水工作。水文动态监测系统在防治水中的应用司东*（山西泽州天泰坤达煤业有限公司，山西 晋城 048019）摘要：对于现代矿井防治水工作来说，应当以矿井具体情况为依据，通过探查先行和分类防治、堵疏结合、综合治理等原则对水害源头以及防治水工作中存在的问题进行全方位分析与处理，找到更加科学可行的防治水策略，提高矿井生产安全性与综合效益。水文动态监测系统作为一项先进的技术系统，能够实现水文观测数据的高效集成与智能监控，进一步提升了水文监测数据的精度与真实性。主要围绕矿井防治水展开论述，探讨了水文动态监测系统的应用。关键词：矿井作业；水文；动态监测；防治水中图分类号：TD76 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0174-04对于煤矿井下作业来说，需要应对的灾害包括火灾、瓦斯、煤尘、水害等。其中水害所占的比例不容忽视，是影响煤矿井下开采作业能否顺利开展的关键技术，这也让矿井防治水工作成为了矿业企业应当重点关注的问题，企业必须要强化对水害防治的认知，通过更加先进的方法手段提高水害监控力度，从水害的源头上把控灾害的产生源头与过程，根据对水害的动态化监控实现水害预防。应用水文动态监测系统能够对井下水文进行有效监控，了解地下水文动态信息，当地下水出现水位、水流量、水压等方面异常时都可能引发水害，而水文动态监测系统可以及时发现这些变化，采取针对性的措施予以应对。1矿井防治水工作的关键意义1.1提升综采工作面的生产安全性矿井工作本身会面临多种危险因素，国内矿井作业经常因各种井下安全事故引发重大的人员伤亡及财产损失事件，其中水害所致的事件占据较高的比重。对此应当做好矿井防治水工作，确保井下综采工作面的安全性，避免人员伤亡事件的发生。煤炭开采工作的性质较为特殊，这使得很多工作都需要在井下完成，地层下拥有大量的地下水，因此开采期间面临涌水问题几乎无法避免，综采工作一般需要在开展之前对水文动态进行分析，按照实际情况探放水，运用专业的勘测方法对周边的水文地质信息进行勘查，按照勘查的结果选择对应的解决措施，确保后续开采作业的安全性。1.2提高采煤效率在煤矿开采工作之前，需要对煤矿开采范围中的水文信息进行分析，排查其中的水害因素。提前排查与预测矿井开采期间可能面临的各种水害问题，从而采取针对性的预防策略进行应对。在具备预防性的防治水措施时，后续的采煤作业不仅能够更安全、更顺利地推进，同时也能改善水害对施工效率带来的影响，将涌水等问题带来的负面影响控制在可接受的范围之内，提高采煤作业的开展效率。提升煤矿作业的经济效益，因此在矿井生产方案中，防治水措施同样也是决定矿井生产效率的关键要素。1.3拓展煤层可开采范围在矿井开采作业前，需要利用勘测技术对范围区域中的各项指标进行全方位的深入勘查，根据勘查的结果计算出煤矿开采的经济效益，例如所需投入的资金与可回收的资金等。其中煤炭的资源储量便是一项关键的经济指标，能够分为实际存储量与可开采存储量，其中实际存储量难以变更，利用技术或设备等方面的改进可以提升煤矿可开采存储量。水文地质条件也是决定可开采存储量的因素之一，只有做好矿井防治水工作，才能有效拓展煤层可开采范围与可开采存储量，提高煤矿企业的经济效益1。2矿井水害发生机理1742023年第2期西部探矿工程2.1矿井底板突水在国内关于矿井底板突水的研究中，通常底板突水能够按照突水和断层之间的关系以及突水量大小、突水动态特性、水层特征等进行区别。根据工作面具体的水文条件又能将底板突水划分断层型底板突水与常规底板突水。其中常规底板突水中的底板一般不具备断层和陷落柱等结构，通常由采掘工作引发工作面底板应力变化所致，底板会产生较大的位移变化，从而引发底板突水。常规的底板突水多会因承压水对煤层间隙产生压力，从而渗透到工作面巷道中，承压水的挤入会导致裂缝的扩大，引发大规模的突水事故。按照断层底板突水的发生机理来看，断层型底板突水诱发因素多为导水断层引发的突水，或采动引发的断层突水。导水断层因底板导水层断裂所引发的突水事故，采动引起的断层突水中，底板断层不具导水性，并且随着工作面开采作业的深入，断裂层也会进一步拓展，最终引发严重的突水事故。2.2矿井顶板突水机理根据有关的理论研究来看，矿井底板突水事故的产生一般都会具备两种特征：其一，矿井工作面顶板的含水层位置高于冒裂带，随着开采作业的行进，含水层也会被导通；其二，矿井工作面顶板含水层的位置高于冒裂带，并且在含水层与冒裂带中具有一定厚度的隔水层，若隔水层厚度高于顶板突水临界隔水层厚度，则不会产生突水，若低于临界隔水层厚度，则可能造成顶板突水事故。综上所述，工作面顶板突水事故的形成与工作面顶板双层结构覆岩运动及断裂、斑裂线等结构具有密切关联2。3水文动态监测系统及其特征3.1水文动态监测系统简介矿井水文动态监测系统是基于计算机技术、传感器、信息技术等先进技术手段衍生出的一种矿井水害监测防治系统，该系统通常由1个监测中心、1个通信网络、1个监测装置、1个测量设备等四个主要结构构成，系统运用传感器实现数据的收集，并将收集到的数据直接传输到井下地面各个出水点主机中，地面各出水点主机经过对监测数据的整合、分析、统计、查询等功能，对井下各出水点状态信息进行动态化监测，帮助管理人员及时掌握井下水文信息，有助于对水害事件的应急预警和预防处理，保证煤矿井下生产作业的安全性与稳定性。3.2水文动态监测系统的特征矿井水文动态监测系统可以对出水点的位置、流量、温度、水质等信息实现动态化监控，系统井下水文信息观测系统的硬件包含了传感器、遥测遥控分站、井下水文观测遥控主机、传输管理系统等。硬件系统的用户可以根据水文传感器与水文遥测遥控分站实现数据的传递以及处理、存储等，将井下排水流量系统中观测到的信息存储到井下水文观测资料数据库中。系统软件部分包含了水文资料动态采集、数据库的组织与建设、水文资料分类处理、数据发布传输、水文智能化预测、动态化灾害监控等功能。根据水文动态监测系统中的数据分析结果可以更准确地找到水文异常，并在电脑客户端中展现出来，实现动态化的监测与预警，水文动态监测系统结构如图1所示在涌入工作区域的水量快速提升，或矿井产生突发性水污染事故时，系统设备可以快速且精确地发现并发动应急预警，通过自动化控制来规避水害和污染事故，提高大型矿井生产安全。4水文动态监测系统在防治水中的应用4.1矿井概况山西某煤矿与另一座矿井相邻，当该矿井闭坑后经过勘查了解到这片区域存在积水区，但具体积水区规模多大、积水量如何、积水标高等信息较为模糊，为准确掌握积水区相关信息和参数并制定有效的措施防范水害，煤矿选择应用水文动态监测系统实现井下水文信息的动态化监控与预警。为了解煤矿采空区底板界面的具体位置，控制采空区的积水标高，在预测积水区地表进行钻孔施工，完成钻探进尺208.43m，终孔石炭系太原石灰岩底板以下5.88m3。4.2系统设计原理与架构4.2.1设计原理系统经过对煤矿井下各个采区和工作面水沟流量、排水管道流量、管道压力、井下水位、井下挡水墙水压等参数信息的动态化监测来把控水文地质信息，并结合收集到的数据信息建立关系型数据库，运用建设的矿井水害评价体系对水害进行识别，包含采空积水区、老巷、断层水、地表水系、降水量等导水、涌水、水位变化参数，将其作为依据，为防治水工作提供可靠依据。在某一区域产生水量异常参数时，系统可以利用变化率模型在第一时间发动预警信息提醒管理人员采取应对措施。1752023年第2期西部探矿工程序号12345678设备名称数据存储服务器数据上传控制器数据上传控制器传输接口电源避雷器信号避雷器数据处理软件系统网络数据发布系统技术指标数据传输方式：GSM-SMS双向控制网络传输协议：TCP/IP、NETBUI、SPX/IPX数据库：SQL SERVER 2000/2005可对地面遥测分站展开双向控制平台软件：WINDOWS2000/XP应用软件：C/S模式实时数据处理系统、B/S模式动态浏览通讯接口：RS-232/485，速率200600b/s表1系统主站构成技术指标图1水文动态监测系统结构其二，地面长观孔水文遥测分站。地面水文长观孔水位和水温监测都经由水文分站完成，收集水位与水温信息，并利用GSM网络将信息传输到监测系统主控站之中进行处理，上传到数据备份存储和服务器之后中。4.3系统应用4.3.1水文监测界面系统设计有4个动态界面，界面刷新间隔为3s，在系统登录后自动转到分类显示界面，界面中根据水文传感器的类型进行区分，各个传感器以类型进行分组，划分为管道、水位、水流量等多个组，监测并显示信息；4.2.2设计架构某煤矿水文动态监测系统运用了井下工业网，在整体上的架构基本为两个部分：其一，系统主站。水文动态监测系统包含了监测系统主控站、数据存储备份服务器、地面遥测系统分站等，其中系统主站的构成技术指标如表1所示。1762023年第2期西部探矿工程设备分布图界面中，在矿井巷道布设图中展示传感器的安装具体位置，单击传感器图表后可以弹出该监测点的有关信息，包括瞬时值、最大值、最小值、平均值等；在流量关系界面中，能够展示井下水流关系，在地下水流动时，连接两个监测点的管道线可以如水流一般流动，在水流静止时，两个监测点之间的管道连线同步静止；在表格显示界面中，该界面具有统计作用，可以将全部传感器中的信息统计整合并显示出来。4.3.2水文监测报表该报表能够为水文技术人员提供可靠的分析数据参照，实时报表与历史报表两种都能提供可靠信息。其中实时报表能够结合某一监测点根据3、5、10、15、30、60s的单位间隔进行数据收集。历史报表可以对某一监测点某一时间周期的平均数据进行收集和展示，并整合为日报、月报、年报、区间报等报表5。4.3.3水量变化线图变化先可以区分为实时曲线与历史曲线，其中实时曲线能够帮助技术人员了解当前的排水情况，历史曲线则可以为技术人员提供井下涌水量的决策支持。所有监测点都有不同的历史变化曲线，为方便技术人员进行分析，还提供日均线和5、10日均线等，如股票均线图一般，在图中能够了解到涌水量的未来发展趋势。4.3.4警报装置警报装置可以在水文监测点某一量超出限定阈值时自动发送警报信息，提醒管理人员采取应对措施。A煤矿水文监测系统面对多种水文传感器，设计了对应的警报装置，如水沟流量传感器设计了变化率报警模型，管道流量设计有累计偏差报警等。报警方式并非以往的最大值或最小值报警，而是提前设计阈值，当参数突破这一阈值时自动报警。警报发动模式有声光等，在确认前不停闪烁。4.3.5老空水威胁性综合评价利用边界煤柱承受最低水柱高度和矿井边界段最低标高来计算矿井留设边界煤柱可以承受的最大积水水位；利用水文动态监测系统观察积水区的水位标高，和边界煤柱能够承受的最大积水水位进行对比，从而确定矿井积水对边界煤柱带来的影响；结合矿井预设边界煤柱可以承受的最大积水水位标高，在煤矿图纸中画出最大积水区，计算积水面积、积水量、积水上限与下限标高等参数；结合积水区水位计算结果以及老空水补给量，能够计算煤层边界煤柱受威胁时间；水文动态监测系统能够观测积水区的水位变化，根据水位差计算出边界煤柱可以承受的最低水柱高度，计算煤层边界煤柱受威胁所需要的时间；根据计算出的两个时间，选择短时间作为煤层边界煤柱受威胁时间，为矿井老空水防控提供有力支持和理论依据。5结束语水文动态监测系统的应用可以实现动态化监控和高效化的数据采集、分析、报表输出等，能够帮助技术人员更及时准确地掌握水文动态信息，在发现水文异常时能够及时做出应对措施，避免水灾水害的发生。同时系统还能在多个参数间对不同参数的关系进行评价，为寻找潜在安全风险带来了可能，让井下作业更加安全，水害防控更具预见性。参考文献：1魏永东,魏永龙.矿井水文动态监测系统在泉兴公司防治水中的应用J.山东煤炭科技,2021,39(8):214-215.2张秀东.矿井防治水工作及实用技术应用J.矿业装