煤矿突水监测预警系统中的关键技术_张雁

第40卷 第4期 煤田地质与勘探Vol. 40 No.4 2012年8月COAL GEOLOGY & EXPLORA TIONAug. 2012收稿日期: 2011-07-13作者简介:张 雁（1983—），男，河南中牟人，工程师，博士研究生，从事矿井防治水工作. 文章编号: 1001-1986(2012)04-0060-03煤矿突水监测预警系统中的关键技术张 雁1，刘英锋1，吕明达2(1. 中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710054；2. 中山大学地球科学系，广东 广州 510275) 摘要: 开展煤矿水害预警监测是实现煤矿安全开采、减少水害损失的关键。

通过对煤矿突水监测预警系统研究和发展现状的分析，结合部分矿井的监测实践，指出煤矿突水监测预警系统中的关键技术是监测参数的选择、监测设备的稳定性与精确度、监测地点的选择与钻孔布置、预警阈值及报警设置等4个方面，提出了煤矿突水监测预警系统优化和完善的思路。

关 键 词：煤矿突水；监测预警；参数；阈值；关键技术中图分类号：TD741 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2012.04.014Key technologies on mine water inrush monitoring and warning systemZHANG Yan 1, LIU Yingfeng 1, LU Mingda 2(1. Xi’an Research Institute , China Coal Technology and Engineering Group Corp , Xi’an 710054, China ;2. Department of Earth Sciences , Sun Yat-sen University , Guangzhou 510275, China )Abstract: Water inrush forec ast is the key t o realize s afe mining and reduce the los s caused by water hazards. Through the analysis of research and development situation of mine water inrush monitoring and warning system, and in combination with the monitoring examples, the authors proposed the key technologies for the selection of moni-toring parameters, the stability and precision of monitoring equipments, the choices of monitoring site and drilling layout and warning threshold and alarm, then, the thinking of how to optimize and perfect the system was given. Key words: mine water inrush; monitoring and warning; parameters; threshold; key technology1 煤田水害预警系统研究及应用现状近年来，我国煤矿水害事故频繁发生，成为制约煤矿安全生产的主要因素之一[1]。

煤矿水害的工作重点在于预防，水害预测是预防的基础[2]。

自20世纪80年代以来，科研人员一直致力于煤矿水害监测预警系统的研究工作，主要集中在煤层底板突水方面。

1984年，煤炭科学研究总院西安分院在淮南新庄孜煤矿进行了大规模的煤层底板试验，获得了底板深部超前破坏和采矿扰动深度等重要数据，证实了煤层底板突水预测的可能性。

20世纪90年代初，煤炭科学研究总院西安分院又以工业性试验的形式在多个大水矿区进行了矿山控制测量、注水试验、矿压测试等大量底板试验。

90年代中期，煤炭科学研究总院对底板突水前的位移、钻孔中水压的变化和弹性波的变化进行了监测，得出了突水前物理量的变化指标，研制了煤层底板突水前兆监测仪器，开发了相应的岩水耦合的突水判别模型。

同时涌现出一些底板突水机理学说，代表成果有递进导升说(王经明，1993)、岩水应力关系说(王成绪，1990)、原位破裂说(王作宇)和下三带说(李白英，1986)。

其中递进导升说和岩水应力关系说提出了相应的力学模型，研制了煤层底板突水前兆监测仪和煤层底板原位地应力测试仪[3]。

由于仪器本身的缺陷，只能做短暂的、局部的监测或测试，未能形成煤矿突水监测和预警系统，但对突水监测预警系统的开发起到了促进作用[4]。

2000年以来，随着计算机技术、网络技术和通讯技术的发展以及对煤层顶底板突水机理的深入研究，出现了多个矿井水害监测预警系统平台(图1)，众多学者与科研人员都将突水机理与监测设备相结合，开展一系列监测实践[5-8]。

主要有：以水文地质参数、应力、应变等为监测指标的监测预警系统；以岩层破裂监测的微震监测系统；以地层电阻率探查为基础的网络并行电法监测系统等。

目前各类监测系统已在全国大水矿区开展多次试验，如中煤科工集团西安研究院与科研单位合作，先后开展了皖北煤电祁东煤矿防止松散层水溃入矿井的预警系统研究、刘桥一矿灰岩水害预警系统工程、河南煤化城郊煤矿突水灾害实时监测预警系统研究、邢台东第4期张雁等: 煤矿突水监测预警系统中的关键技术·61 ·庞矿预警监测系统研究，各监测系统在矿井突水监测方面均获得良好的应用效果。

图1 突水监测预警系统组成及关键技术构成示意图Fig.1 Water inrush monitoring and warning system and thekey techniques2煤矿突水监测预警系统的关键技术纵观煤矿水害监测预警技术，虽开展监测实践并取得一定的成果，但也存在一些问题，尤其是几个关键技术尚未完全解决。

目前监测系统主要以多参数静态监测为主，仅在煤层顶底板的可疑地段进行定时定点监测，未能实现完整的煤矿突水过程中各物性参数的连续动态监测。

本文主要探讨以水文地质参数、应力应变参数监测为主的预警系统中关键技术。

2.1 监测参数的选择大量试验和研究表明，煤矿突水是有前兆的，即在煤矿突水之前，许多地质、水文地质参数会发生突变或持续性变化，如何选取监测参数以及选择哪些参数是进行监测预警的前提。

a. 参数选取原则 突水预警是为了给煤矿提供突水发生的可能性以及突水规模等有效信息，指导矿方及时采取相应的防范措施，因此每一个监测参数的选取都必须遵循科学性、代表性、可监测性、时效性等原则[9]。

科学性是参数选取的最基本原则；代表性要求选取的参数能够有针对性且较为可靠的代表突水前兆信息，准确的预警；虽然有些参数能够代表突水信息，但是目前的技术无法监测或不能持续监测，这些参数都不能够被采用，即参数选取的可监测性；时效性原则要求所选参数能够被系统及时统计或预测出来，不可与预报期时差太大，以免使预警失去有利时机。

b. 监测参数 根据参数选取原则、突水机理和目前的技术水平，通常可选参数有水位(水压)、水温、水质、水量(明渠流量)、应力和应变，其中应力、应变参数一般用于底板突水监测。

由于矿井水文地质条件千差万别，影响突水的因素很多，不同水害类型在突水机理上的差别导致参数敏感程度也不一样，目前所选参数是否能够准确预警，是否存在其他更合适的监测参数，还有待于在今后的监测实践中验证。

就目前监测过程中选择的参数，在监测实践中也存在一些问题。

相对来说，监测技术较为成熟的是水位(水压)、水温和水量参数监测，水质、应力和应变监测尚不完善。

多参数水文自动遥测仪可以成功的将地面和井下水文长观孔的水位(水压)、水温、井下排水沟、排水管路内的水量参数传输到地面的计算机内进行存储并分析，在部分煤矿已经开展广泛的应用。

水质监测主要用来判别突水水源[10]，适用于含水层水质差别较大或含水层有鲜明特征的矿井，比如奥灰水、老空水、海水等，通常采用的方法是在涌水点或者突水点人工采取水样进行水质分析，过程较长，起不到预警的作用，要做到在线实时监测含水层中主要离子含量需要解决的问题有两方面，一是传感器的灵敏性和稳定性；二是监测离子的选择。

在我国山东龙口进行海下采煤的过程中，为预防海水溃入矿井，开展钠、氯离子实时在线监测，效果良好，其他煤矿应选择哪些离子进行监测应根据自身含水层的水质特点来确定。

应力应变监测用于分析采掘活动对底板产生的破坏程度，监测的难点在于如何准确的采集数据，很大程度上与监测设备的性能有关。

2.2监测设备的稳定性与精确度监测设备应该具备较好的稳定性和较高的精确度。

稳定是指在监测过程中能够长时间持续监测，数据连续、不丢失；精确是指监测设备采集的相关参数真实可靠且在误差范围之内，这要求监测设备在研发过程中能够模拟井下实际情况。

现实监测过程中很难做到这两点。

首先，设备的稳定性不够好。

传感器埋设到预定位置之后要进行调试，调试好之后进行封孔。

往往在调试过程中数据完好，封孔之后就丢失监测数据，且无法进行重复操作；其次，在监测过程中采集数值的准确性有待探讨。

以应力监测为例，由于传感器在安装过程中已经破坏了底板原始应力，安装完成之后监测的是二次应力，设备在地面标定过程中是否考虑了底板围岩所有受力因素。

2010年皖北煤电集团公司刘桥一矿Ⅱ661、·62 ·煤田地质与勘探第40卷Ⅱ662工作面应力监测实践中，四个钻孔监测到的应力数值相差较大，且在监测过程中数据的变化幅度很大，这就为监测设备的稳定性和准确性提出更高的要求。

2.3监测地点的选择与钻孔布置a. 监测位置 煤矿突水是一个随机性的问题，通常受采动破坏影响而发生突水，突水点有可能是工作面内的任何位置，监测多选择在已形成的工作面之内。

突水监测是一个连续的过程，需要伴随工作面回采过程而进行持续监测。

一般在工作面内布置钻孔，将监测设备埋设在工作面顶底板的含水层或岩层中，如果布置的钻孔数量过多，则工作量较大，成本较高；如果布置的钻孔数量太少，则不能及时捕捉突水信息。

同时随着回采过程的不断推进，钻孔逐渐被破坏，因此钻孔位置的选择和钻孔数量的确定是做好突水监测的关键。

b. 钻孔设计 选定钻孔位置之后要进行钻孔设计，确定钻孔结构，包括孔深、终孔层位、钻孔倾角和方位角等相关技术问题。

一般根据监测目标层位和井下工作面实际情况确定。