矿井工作面顶板突水安全预警系统构建研究

李洪杰，杜计平，齐 帅

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州221008；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州221008）

随着煤矿开采深度的逐年增加及开采强度的逐步加大，采掘工作面顶板突水事故频繁发生，顶板突水事故具有突发性、水量大的特点，给矿井的安全高效生产带来了较大的影响，2005年8月7日广东省大兴煤矿发生特大顶板突水事故，突水量为633m3／min，造成123人死亡，直接经济损失为4000多万元。2007年陕西省黄陵矿业公司一号煤矿301工作面推进20m时，发生顶板突水事故，突水量为100 m3／h，回采过程中，最大涌水量为140 m3／h，稳定涌水量为105 m3／h，由于矿井治水的方式得当，未造成重大损失。矿井工作面顶板突水灾难非常严重，如何通过有效技术手段监测、预防顶板突水事故发生，减少煤矿财产损失，保证工作人员安全，是一项复杂的系统工程。对矿井工作面顶板突水安全预警系统的构建研究不仅有重要的理论意义，而且还有工程实际价值。

1 工作面顶板突水机理及突水影响因素分析

1.1 工作面顶板突水机理

工作面突水是由于人为采掘活动诱发围岩岩性、结构（断层和裂隙）和地质环境（区域构造场、渗流场、水理作用场）等发生综合作用而导致的结果[1]。顶板水害主要是由于采矿活动产生导水裂隙带，进而引发煤层上覆含水层的水大量涌入矿井，影响工作面生产甚至淹没矿井[2]。

通过矿井防治水科研人员和工程技术人员的广泛研究，认为煤矿突水问题的实质是工程地质学问题，顶板冒落时上覆岩层的冲击力、采掘机械振动或放炮震动力等仅对顶板突水起诱发作用；水头压力和矿山压力是破坏顶板隔水层、诱发顶板突水的主要作用力；隔水层岩体的强度是维护顶板完整性、遏制顶板突水的约束力。当约束力低于作用力时，则会发生顶板突水事故。现阶段工作面上覆岩层破坏模型理论主要有刘天泉院士提出的“上三带”理论；高延法教授提出的岩层“四带”模型理论；顶板“抽冒”理论。

1.2 顶板突水影响因素分析

工作面顶板突水是应力场和渗流场综合作用而导致围岩破坏的结果，因此在分析突水影响因素时，应从含水层特性、覆岩特性及采掘特性三个方面分析研究。

1）含水层特性：顶板上覆含水层可分为三类：地表水（河、湖泊等）、岩层富水层水和老空积水。含水层的特性包括储水性能、导水性能和压力水头。

2）覆层特性：上覆岩层特性主要有岩层的渗透性、岩层的强度大小及岩层的层理裂隙发育情况，若采场存在喀斯特陷落柱或断层结构，应充分考虑它们的影响。

3）采掘特性：工作面顶板围岩受原岩应力场和采动应力场综合作用，煤层未开采时，上覆岩层的层理裂隙处于闭合状态，含水层的水处于平衡状态，当煤层开采后，层理裂隙开始发育增加了上覆岩层的渗透性，从而产生导水裂隙带造成顶板突水事故。

2 矿井工作面顶板突水安全预警系统原理及架构

2.1 安全预警系统原理

预警是对危机或危险状态的一种预前信息预报或警告[3-4]，预警系统是根据对警兆的识别预先对某种长期或突发性事件进行预先警报的系统[5]。矿井工作面顶板突水安全预警系统是借助于计算机和网络技术的基础上，通过对各组成系统安全监测数据的挖掘、融合及分析，并综合运用定性分析法和定量分析法的安全预警模型，对工作面顶板水害安全的现状和未来进行评价和预测，确定其危害的变化趋势、发展速度及程度。矿井工作面安全预警系统可以对工作面顶板水害的突发性灾害和长期性隐患作出及时的预测和预报，并通过人工智能系统对预警结果进行智能分析，结合决策专家知识库的相关知识提供决策辅助，为矿井顶板管理及水害防治部门提供相应参考信息。

2.2 系统架构

矿井工作面顶板突水安全预警系统由基础数据层、数据处理层、预警分析层、辅助决策层及人机交互界面组成。如图1所示。

图1 矿井工作面顶板突水安全预警系统架构

3 预警指标体系选择及系统功能分析

3.1 预警指标体系选择

如何依据工作面顶板突水影响因素设计预警指标是一项系统工程。预警指标建立时应遵循可监测性、科学性、代表性、实效性、预见性和系统性原则，预警系统的监测过程就是对指标体系的监测。矿井工作面顶板突水安全预警系统的监测指标体系选取为：应力、应变、位移、水压、水温、水质及水位等七项预警指标。

3.2 基础数据层

基础数据层是整个安全预警系统的基础层，主要通过传感器监测、物探技术监测和人工检测方式对工作面顶板含水层水文状态及顶板岩层构造变化状态进行实时动态监测。

采用数据挖掘技术对历史数据库进行挖掘处理，提取隐藏在其内部的有价值信息并分析规律，建立数据融合模板。新的监测数据被送到实时监测数据库，首先查询数据库确定监测数据的融合结果是否已入库，若已入库，则直接输出库中存储的结果。若未入库，则将其输入数据和融合结果一起存入数据库中，以降低数据库的模糊度。基础数据层由历史数据库和实时监测数据库组成，其运行流程如图2所示。

图2 基础数据层运行流程图

3.3 数据处理层

数据处理层的功能就是对工作面顶板突水安全监测数据进行分析处理，为预警分析环节提供必要的数据和信息支持。在数据分析处理的基础上采用灰色模型GM、人工神经网络、模糊综合评价、多因素复合法等安全综合评价方法对顶板突水安全状况进行综合评价。通过对顶板突水安全监测相关数据的定性和定量分析，得出工作面顶板突水安全状态及预测性结论。最后，把数据分析结果和安全评价结果传输到预警分析层。

3.4 预警分析层

预警分析层是整个安全预警系统的核心部分。预警分析的过程主要包含监测、识别、诊断、阈值确定、评价等环节。

1）监测。监测是预警系统的首要环节，监测的对象是引起工作面顶板突水危害发生的主要原因，即监测预警指标。通过实时动态的数据监测，可以建立预警信息管理的档案，从而实现各监测数据的共享，并将监测数据准确及时的传输到下一个预警环节。

2）识别。识别是对监测的数据进行处理、判别信息的真实性和可靠性。该环节的辨识指标是预警指标体系的关键，对安全预警的有效运行起到重要作用。这是一个关键的预警过程，为下一环节的预警提供可靠、详实、准确的量化数据。

3）诊断。诊断是依据识别过程的处理结果，进行成因过程的分析和未来发展趋势的预测。诊断出哪个或者哪些危险因素变化比较明显，用来明确哪些危险因素是主要的，哪些是次要的。

4）阈值确定。在预警过程中，各项指标的监测值达到多少时需要报警和需要报什么级别的警涉及到阈值问题。在实际生产过程中，由于各个矿区的情况不同，甚至各个工作面的情况不同，所以各项指标的阈值是不确定的。阈值的确定是预警系统是否成功准确预警的关键因素，阈值的确定使预警系统完成了由定性分析到定量分析的转变。各个监测指标的阈值可以通过试验和监测经验来确定。

5）评价。评价是依据上一环节诊断的结果分析预警指标的变化过程，评价工作面顶板水害发生的可能性，并且评价工作面顶板水害如果发生，水害造成的各项损失有多大。

最后，把预警综合诊断及评价结果准确及时的传输到辅助决策层。

3.5 辅助决策层

辅助决策层的主要功能是依据预警分析层的分析评价结果确定矿井工作面顶板突水安全状况，发布警报信息，并依据决策专家知识库制定辅助决策。

依据警兆相应的变动区间以及警情的警限或等级，运用定性和定量分析方法，结合专家意见预报警度并发布警报信息。结合经验知识库、资料数据库、专家知识库等相关信息综合分析后编制预警方案，经横向和纵向对比后制定应急预案，为顶板水害管理部门和其他相关部门提供信息。

3.6 人机交互界面

人机交互界面是指人与计算机之间的通信媒体或手段，是人与计算机之间进行各种符号和动作的双向信息交换平台。人机交互界面是矿井工作面顶板突水安全预警系统的重要一环，安全预警系统的大量数据信息通过这个界面进行输入和输出，以比较直观的形式建立了管理人员与计算机之间的信息传递。

4 结论

当今能源经济发展条件下，我国煤炭行业安全高效生产形势依然严峻，矿井工作面顶板突水事故时有发生，矿井工作面顶板突水安全预警系统是保障煤矿安全生产的一种新手段。随着预警监测手段的升级、预警分析系统的深化及辅助决策系统的成熟，矿井工作面突水安全预警系统必定会为煤矿安全生产做出很大贡献。

[1]张后全，杨天鸿，赵德深，等.采场工作面顶板突水的渗流场分析[J].矿井地质，2004（5）：17-20.

[2]王新.煤矿顶板突水机理探讨[J].煤矿开采，2007，12（5）：63-65.

[3]易雯，吕小明，付清，等.饮用水源水质安全预警监控体系构建框架研究[J].中国环境监测，2011，27（5）：73-76.

[4]Gyorgy GP.The Danube accident emergency warning system[J].Water Science Technology，1999，40（10）：27-33.

[5]葛守西.现代洪水预报技术[M].北京：中国水利水电出版社，1999.