水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在煤礦防治水工作中的應(yīng)用
龐迎春
[摘要]本文在詳細(xì)分析楊莊礦水害因素的基礎(chǔ)上,介紹了高精度、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化及運(yùn)行可靠的礦井水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建立、組成及應(yīng)用現(xiàn)狀,該系統(tǒng)的建立為探測(cè)潛在的煤礦水害隱患提供了強(qiáng)有力的分析和預(yù)警手段。
關(guān)鍵詞:預(yù)警系統(tǒng),多參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),水害防治
水害是煤礦開采中常見的一種災(zāi)害,一旦發(fā)生事故,往往具有突發(fā)性和極大的危害性,不僅影響生產(chǎn)、造成經(jīng)濟(jì)損失,而且易發(fā)生重大傷亡事故。煤礦水害是制約我國(guó)煤炭行業(yè)健康發(fā)展的災(zāi)害之一,嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命安全。隨著煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展,煤炭資源開采深度及強(qiáng)度不斷加大,高產(chǎn)高效的生產(chǎn)管理方式對(duì)礦井水害防治安全技術(shù)的要求越來(lái)越高。
楊莊煤礦是一個(gè)水文地質(zhì)條件極復(fù)雜的礦井,充水水源眾多,底板灰?guī)r水、老空水、松散層孔隙水和地表水體均威脅礦井安全生產(chǎn)。開采范圍內(nèi)有6個(gè)正在開采的小煤礦,這些小煤礦均在井田淺部煤層露頭處,開采楊莊礦遺留的殘余塊段。小煤礦水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作薄弱,一旦發(fā)生突水災(zāi)害,將嚴(yán)重威脅楊莊礦財(cái)產(chǎn)和生命安全。如果在這個(gè)煤礦水害發(fā)生之前或初期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施,就能避免水害或減少水害的損失。
1 礦井主要的水患因素及防治措施
1.1 主要的水患因素
礦井可采煤層為3、4、5、6煤層,其中5、6煤為主要可采煤層,3、4煤為局部可采煤層。根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件,結(jié)合開采過(guò)程中礦井突水情況分析,礦井水害類型復(fù)雜,主要水害有:地表水、5煤頂?shù)装迳皫r裂隙及巖漿巖水,6煤頂?shù)装迳皫r裂隙水、太原組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水、斷層及裂隙帶導(dǎo)水、老塘水害及封閉不良鉆孔水害、相鄰小煤礦采空區(qū)水害。其中6煤底板灰?guī)r水和5煤頂板火成巖水威脅更為突出。
(1)地表水體
楊莊礦井田河流水系發(fā)達(dá),有雷河、閘河、老濉河,還有東、西和乾隆湖3個(gè)大的塌陷積水區(qū),積水總量2180萬(wàn)m3以上。小煤礦開采范圍處于塌陷積水區(qū)以下,河流邊緣,歷史最高洪水位+32.7m,存在汛期地表水體倒灌的可能。
(2)新生界松散層水
楊莊礦屬于新生界松散層覆蓋的全隱伏礦井,松散層孔隙含水層含水豐富,是農(nóng)業(yè)灌溉的主要水源,淺部開采時(shí)均留設(shè)了防水安全煤巖柱。
(3)6煤底板太灰水
6煤底板太灰含水層,特別是上段1~4使礦井開采的主要含水層(段)由于其富水性較強(qiáng),因與奧灰含水層有水力聯(lián)系,水量大,水壓高,對(duì)礦井安全生產(chǎn)危害較大。
(4)老塘水
地方煤礦基本上是在開采楊莊礦報(bào)廢采區(qū)的遺留煤柱,屬老區(qū)復(fù)采。由于采區(qū)封閉時(shí)間長(zhǎng),積水情況不清,一旦接近或揭穿積水區(qū),將發(fā)生透水事故。
1.2 水害防治措施
針對(duì)楊莊煤礦的水患特點(diǎn),結(jié)合有關(guān)規(guī)程規(guī)范和以往礦井防治水經(jīng)驗(yàn),解決礦區(qū)水害隱患的措施的關(guān)鍵是:
(1)查明充水條件,采取合理有效的水害防治措施。特別是防治和杜絕小煤窯水害。
(2)建立健全礦井水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),做到對(duì)水害事故早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)報(bào)、早防治。
2 礦井水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建立
2.1 水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的提出
我們知道,煤礦水害是煤礦建設(shè)開發(fā)過(guò)程中,不同形式、不同水源的水通過(guò)某種途徑進(jìn)入礦坑,并給煤礦建設(shè)和生產(chǎn)帶來(lái)不利影響和災(zāi)害的過(guò)程和結(jié)果。如果在這個(gè)過(guò)程的初期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施,就能避免水害或減少水害的損失。隨著礦井的開采層位越來(lái)越深,礦井水文地質(zhì)條件也變的越來(lái)越復(fù)雜,時(shí)常會(huì)發(fā)生礦井突水或透水事件,不但給礦工生命安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重危害,而且地下水已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。因此,對(duì)煤礦地下水的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警、預(yù)報(bào)顯得尤為重要,對(duì)指導(dǎo)礦井生產(chǎn)和礦井水害的防治具有十分重要的意義。
經(jīng)過(guò)調(diào)研,楊莊礦與西安科技大學(xué)合作設(shè)計(jì)了水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案,提出了建立一個(gè)以集團(tuán)公司為高層、礦務(wù)局等二級(jí)實(shí)體為中層、各生產(chǎn)礦井為基層的多層次分布式水文多參數(shù)監(jiān)測(cè)及水害預(yù)警系統(tǒng),在整個(gè)集團(tuán)公司建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的水文數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水文參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警和網(wǎng)絡(luò)共享。
2.2 水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的原理
監(jiān)測(cè)預(yù)警是指通過(guò)相關(guān)技術(shù)及儀器提前發(fā)現(xiàn)某一警素的隱患,并把該警情傳送至安全管理部門,經(jīng)相關(guān)分析及判斷預(yù)報(bào)不正常狀態(tài)的時(shí)空范圍或危害程度,并采取相應(yīng)防范措施。簡(jiǎn)單的說(shuō),監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)即是基于一定的預(yù)警原理,以期完成預(yù)警任務(wù)而建立的一套完整系統(tǒng)。
礦井工作面水害的形成和產(chǎn)生都有一個(gè)發(fā)展的變化過(guò)程,不同的階段都有其相對(duì)應(yīng)的先兆。礦井水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是煤礦水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的一項(xiàng)重要工作,是一種多信息監(jiān)測(cè)突水條件產(chǎn)生、變化的系統(tǒng)?梢詫(duì)控制和影響產(chǎn)生突水的關(guān)鍵因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析,對(duì)水害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)報(bào)和預(yù)警,提早啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案,從而避免突發(fā)性災(zāi)害事故的發(fā)生。
根據(jù)楊莊礦的開采情況和小煤礦的分布情況,設(shè)立合理的水文觀測(cè)點(diǎn)及觀測(cè)量,采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù),以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)為平臺(tái),建立一個(gè)精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)行可靠、自動(dòng)化程度高,能夠連續(xù)長(zhǎng)期測(cè)量并利用計(jì)算機(jī)分析、輔助決策的,適用地面及井下各種水文參數(shù)(水位、水壓水溫,管道流量,明渠流量等)的利用局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡乃谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng),及時(shí)掌握地下水動(dòng)態(tài),保障煤礦的安全、正常生產(chǎn)。
2.3 水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的組成
2.3.1 水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置
在傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法中,對(duì)于井上、井下的水文觀測(cè)孔通常是采用人工測(cè)量記錄的方法掌握水位(水壓)的變化情況;對(duì)于管道流量、明渠流量的測(cè)量也是采用人工攜帶儀器進(jìn)行實(shí)地測(cè)量的方法。這種監(jiān)測(cè)方法不能隨時(shí)取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),而且借助人工來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和管理,使得工作量極為巨大,不但容易出現(xiàn)錯(cuò)誤造成管理上的混亂,而且采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析十分繁瑣。水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)會(huì)大大提高工作精度,減少繁雜重復(fù)的勞動(dòng)。
水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的原則:①能夠反映礦井的水文動(dòng)態(tài)(水壓、流量、水溫);②對(duì)有小煤礦透水威脅的部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè);③能夠監(jiān)測(cè)或計(jì)算出全礦井每條巷道的涌水量。根據(jù)以上原則在地面上設(shè)置4個(gè)水文長(zhǎng)觀孔,井下設(shè)置2個(gè)水壓水溫觀測(cè)孔,10個(gè)明渠流量、水溫觀測(cè)點(diǎn),如圖1所示。觀測(cè)點(diǎn)覆蓋了正在生產(chǎn)的3個(gè)水平,隨著四水平的開采,可以擴(kuò)展觀測(cè)點(diǎn)。
2.3.2 水害監(jiān)測(cè)預(yù)警處理系統(tǒng)
水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的硬件部分研究?jī)?nèi)容主要有:傳感器、遙測(cè)分站、傳輸系統(tǒng)(無(wú)線及有線方式)和水文監(jiān)測(cè)主站等;系統(tǒng)的軟件部分研究?jī)?nèi)容主要有:水文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、組織與數(shù)據(jù)庫(kù)建立、水文數(shù)據(jù)分析處理(如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、異常值分析、信息統(tǒng)計(jì)查詢、圖表的瀏覽打印等)、數(shù)據(jù)發(fā)布以及智能預(yù)測(cè)預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)。
1、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)
礦井水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器、遙測(cè)分站、傳輸系統(tǒng)(無(wú)線及有線方式)和水文監(jiān)測(cè)主站等;系統(tǒng)的軟件包括水文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、組織與數(shù)據(jù)庫(kù)建立、水文數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)發(fā)布以及智能預(yù)測(cè)預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)。
3、基層系統(tǒng)組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)分為礦井井上和井下兩部分,采用樹狀星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。井上部分為地面水文長(zhǎng)觀孔的水位、水溫監(jiān)測(cè),地面水位水溫遙測(cè)自動(dòng)記錄混合分站采集水位和水溫?cái)?shù)據(jù),通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到主站微機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。井下部分利用水文監(jiān)測(cè)分站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過(guò)環(huán)型以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)中心站,經(jīng)過(guò)中心站的預(yù)處理存入水文數(shù)據(jù)庫(kù)中,采用多用戶的SQL-SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)作為系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái),利用水文數(shù)據(jù)發(fā)布軟件,通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)就可對(duì)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、瀏覽,使相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及專業(yè)技術(shù)人員能夠及時(shí)掌握水文動(dòng)態(tài),指導(dǎo)煤礦的安全生產(chǎn)。
2.3.3 水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件功能及實(shí)現(xiàn)
水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理軟件和水文數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件兩部分組成。實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、組織與數(shù)據(jù)庫(kù)建立、水文數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)發(fā)布以及智能預(yù)測(cè)預(yù)警。
(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理軟件的功能
①數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集列表顯示;②數(shù)據(jù)的可視化處理,包括曲線、報(bào)表分析等;③智能預(yù)警功能,采用多參數(shù)綜合預(yù)警、極值預(yù)警、趨勢(shì)預(yù)警等。
(2)水文數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件的功能
通過(guò)水文數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽、水文數(shù)據(jù)的圖形顯示及水文數(shù)據(jù)的圖形報(bào)表生成,使煤礦水文參數(shù)信息在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。
(3)高級(jí)目標(biāo)
實(shí)現(xiàn)集團(tuán)公司(高層)、煤業(yè)公司(中層)、生產(chǎn)礦井(基層)等多層次網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),按照分層架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)信息的集團(tuán)公司內(nèi)部共享。甚至推廣到全省信息共享。
2.4 水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)特點(diǎn)
1、常規(guī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的弊端
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展及其在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用,處理礦井水文信息的思路和方法也在不斷更新。國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)設(shè)備與系統(tǒng),從應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)的實(shí)際需要來(lái)看存在以下問題:
(1)國(guó)外產(chǎn)品針對(duì)的是常規(guī)的地下水監(jiān)測(cè),不適應(yīng)國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)防治水的要求;
(2)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品監(jiān)測(cè)參數(shù)比較單一,有的只能測(cè)水位;
(3)測(cè)量范圍有限、精度不高;
(4)供電方式單一,不能方便的在野外惡劣環(huán)境使用;
(5)實(shí)時(shí)性差、無(wú)法滿足煤礦工作人員及時(shí)掌握地下水各種參數(shù)的變化情況;
(6)軟件分析處理能力弱、無(wú)法直觀的反映地下水水位變化趨勢(shì),不能做到智能預(yù)測(cè)、預(yù)警。
2、本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)可監(jiān)測(cè)水位、水壓、水溫和水流量等有關(guān)水文的多個(gè)觀測(cè)參數(shù),改變了傳統(tǒng)系統(tǒng)只能對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)的歷史。
(2)采用軟件自復(fù)位和硬件看門狗技術(shù),系統(tǒng)在無(wú)人值守情況下能夠自動(dòng)、可靠地運(yùn)行;監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī),也可以記錄于本地儀器內(nèi),本地儀器內(nèi)存可以保存七千多組數(shù)據(jù)。
(3)分站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可采用有線或無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng),這樣既適用于地表地下水資源的監(jiān)測(cè)預(yù)警,也適用于地下水資源的合理開發(fā)和有效利用以及礦井水害防治。
(4)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)軟件,該軟件對(duì)于采集的水文信息采用多種方法以表格、曲線、報(bào)表、圖形等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字的動(dòng)態(tài)顯示和可視化輸出,并可以進(jìn)行相應(yīng)的編輯、打印等操作,方便了用戶的直觀查詢與使用。
(5)利用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,實(shí)現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享,方便了各相關(guān)部門用戶的數(shù)據(jù)查詢。
(6)利用多參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行超限分析,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)綜合超限預(yù)警功能;提出了多測(cè)點(diǎn)、多參數(shù)條件下的極值突水預(yù)警方法;利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)水位的變化趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)預(yù)警,為礦區(qū)的水文動(dòng)態(tài)分析提供了有力的控制與分析手段。
(7)綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)、水文科學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息處理技術(shù),建立水文信息資源動(dòng)態(tài)管理模型。
3 水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀
水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)2007年在我礦投入使用以來(lái),運(yùn)行穩(wěn)定可靠,應(yīng)用情況良好,社會(huì)效益明顯。
(1)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化和數(shù)據(jù)發(fā)布的自動(dòng)化。大大提高了管理水平。
(2)系統(tǒng)主站及分站,性能優(yōu)良,安裝及使用靈活方便,能適應(yīng)于礦井的惡劣環(huán)境,水位水溫傳感器、明渠流量傳感器、管道流量傳感器、水壓水溫傳感器具有較高可靠性和穩(wěn)定性。
(3)系統(tǒng)提供的綜合超限預(yù)警方法、極值預(yù)警方法、趨勢(shì)預(yù)警方法實(shí)用性強(qiáng),對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要作用。
(4)使用該系統(tǒng)能夠及時(shí)掌握水文動(dòng)態(tài),提高了我礦水害防治能力,達(dá)到對(duì)水害事故的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)報(bào)、早防治。節(jié)約了大量人力、物力,對(duì)保障煤礦的安全、正常生產(chǎn)具有重要的意義。
4 結(jié)語(yǔ)
目前國(guó)內(nèi)瓦斯類的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用相當(dāng)廣泛,技術(shù)也比較成熟,但針對(duì)水文地質(zhì)工作的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng),尤其是可以采集多參數(shù)水文信息的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)的則比較少見。
多參數(shù)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化及可靠運(yùn)行,所提供的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析與處理、報(bào)表生成及輸出、網(wǎng)絡(luò)瀏覽等功能,可以準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)監(jiān)控水文動(dòng)態(tài),確保這些異常得到及時(shí)處理。同時(shí)借助于該系統(tǒng)能夠非常方便地對(duì)水文動(dòng)態(tài)中各個(gè)參數(shù)之間變化的因果關(guān)系進(jìn)行細(xì)致的分析和評(píng)價(jià),為探測(cè)潛在的安全運(yùn)行隱患提供了強(qiáng)有力的分析手段。
我國(guó)當(dāng)今煤炭生產(chǎn)形勢(shì)依然嚴(yán)峻,礦井水害事故時(shí)有發(fā)生,特別是工作面頂?shù)装甯邏核ㄟ^(guò)隱伏導(dǎo)水構(gòu)造突入礦井和廢棄礦井積水因防水煤柱被破壞而突入礦井的水害事故造成的損失尤為突出。礦井水害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)了對(duì)突水前兆的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析,能夠及時(shí)預(yù)警水害的發(fā)生,對(duì)我國(guó)的煤炭安全生產(chǎn)做出了巨大的貢獻(xiàn)。
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