水害隐患监测系统在煤矿的应用

赵璐璐，封云杰

(晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 长治 046605)

1 概述

奥灰水突出是指煤矿在采掘过程中，埋藏于煤层底板下部的奥陶纪石灰岩岩溶承压水沿底板裂隙带、构造带(断层、陷落柱)等通道突然大量涌入采掘区域，致使工作面、盘区、甚至整个矿井被淹，造成巨大的经济损失和人员伤亡的重大自然灾害[1]。

奥灰水突出的预测、预报是防止奥灰水突出非常重要的方法。从工程方面研究，奥灰水突出监测预报技术，应该具备两方面条件，即具有区域覆盖性和即时性，前者指通过长期观测孔，实时监测奥灰水孕育突出过程的动态变化过程[2-5]。后者指通过长期监测，尽可能地提前预报突水地点和突水时间。而现有的技术远远不能满足上述要求，目前还无法探测清楚落差在3m以下的小断层和直径在25m以下的陷落柱等导水构造。构造是否存在导水性比较难以判断，如断层，即使是导水性断层，也并不是断层在走向方向上全部导水，而是局部地段存在导水性。在采动影响下，构造和破碎带都可导致突水事故的发生。因此，充分了解导水构造的分布、水力联系情况以及导水构造特征是非常必要的，这有利于及时掌握或预测井下采掘工作面底板或两侧水害隐患的动态变化，以便加强监测和进行准确、准时预报[6-9]。

科学监测底板构造水位情况，可为煤矿水害隐患系统预测预报提供强有力的判断依据，已成为煤矿山安全生产中的主要研究课题[10-12]。所以，煤矿开采引起的围岩破坏与水害隐患监测系统的研究已成为当务之急，以赵庄矿为例，通过对水害隐患监测系统研究，为矿井带压开采提供监测技术手段，确保矿井安全开采。

2 水害隐患监测技术原理

根据山西东南部地层简表，煤层底板到奥陶系灰岩含水层之间存在一层或几层含水层，即山西组、太原组灰岩含水层，弱含水性。

实测表明，山西组、太原组灰岩含水层水压一般不高，水质和水压与奥陶纪灰岩水质和水压有很大的差别。这些含水层不存在水力之间的联系，当存在导水断层或开采活动导致断层活化而使太原组、奥陶纪含水层沟通，才会发生水力联系。这种水力联系表现为峰峰组或上马家沟组含水层对太原组含水层的补给，这种补给的结果就在太原组含水层中形成了以补给点水位为最高的水力梯度分布。由此提出奥灰水突出的区域性监测预报理论及技术。

图1 导水裂缝形成的底板多含水层水力联系示意图

图3 底板多含水层水力联系示意图

根据煤层底板中存在若干个含水层这一精细水文地质现象，我们对奥灰水突出过程做如下详细分析与判断。当断层、无炭柱或新的破裂带，发生奥灰突水时，其突水的孕育过程中，在煤层底板的多含水层之间，含水层与导水构造之间，实际上一直在发生水力补给，含水层水位变化，导水构造进一步活化，其范围逐渐扩大延伸，导水性增强，在渐变中孕育突变，可以用图1、 图2和图3加以解释。以下针对图1～3做如下分析：

1) 含水层1、2的水位，取决于原生导水构造的导水性，若导水性良好，则含水层1、2与奥灰岩溶含水层几乎成了一个水系，此种情况下，含水层1对煤矿采掘的威胁最大，不能仅考虑奥灰水突出问题，还要考虑小含水层1突出的问题。当原生导水构造导水性较差时，含水层1、2就形成了以导水构造为补给点的最高水位分布。针对上述两种情况，只要在含水层1、2中布置适当的观测钻孔，实时监测各钻孔的水位及其变化情况，通过渗透方程反演分析，可以找到各个含水层之间的水力联系点和水力分布特征，进而通过导水构造的控制方程，可以反演出导水构造中水的渗流规律和导水能量。通过在煤层中对应的导水构造影响区域内留设防隔水煤柱，来确保矿井不会发生奥灰水突出事故。

2) 若裂隙带或陷落柱原生不导水，但存在受矿井采动作用影响使裂隙带或陷落柱活化而导水的情况。裂隙带或陷落柱活化是一个缓慢的渐变过程，活化以后，奥灰岩溶水沿着裂隙带或陷落柱向上涌出，当奥灰岩溶水的水力梯度足以克服含水层1、2的阻力，若上部煤层已被开采，则奥灰水逐渐向采掘空间涌出，进而发生透水事故。若上部煤层未开采，或导水构造由防水煤柱保护，则不会发生透水事故。

综上所述，如果在奥灰岩之上的含水层中，布置一些钻孔，通过安装相关设备就可以实时监测钻孔水位变化，利用软件实现预报功能，并且知道其可能突水的确切位置，从而便于矿方采取措施。另外，由于含水层水位变化的敏感性和区域性，可以使我们通过较少的监测钻孔，实时的预报突水及其具体位置，从而实现了区域性与实时性的突水预测预报新理论与新技术，这无疑对带压开采和防治奥灰水突出有重要的应用价值。

3 水害隐患监测系统的构建和运行

矿井在2005～2008年之间，在地面共施工了6个奥灰观测孔。

2009年和2011年7月至11月底，在赵庄煤业有限责任公司井下实施了5个构造突水井下监测钻孔，钻孔总进尺1004 m。

3.1 系统的构建

该系统由主要有监测主站、分站及测点子站三部分构成。主站通过光纤接收分站数据，并且通过计算机对数据进行二次编辑处理。另外通过特定软件，还可生成或输出各种报表；包括水压(水位)变化趋势曲线、直方图和等水位线反演图等。分站分为地面分站和井下分站两类。地面分站通过GSM无线通讯方式，连续或定时自动记录水文长观孔内水位(水压)的变化情况，并利用GSM无线通讯模块将所测数据传送至主站进行数据处理。井下分站通过光纤将测得的数据传送至主站进行处理。

3.2 突水预警值的确定

当煤层底板的太原组灰岩含水层与奥陶纪灰岩含水层导通时，则矿井一定会存在危险区，该危险区的危险程度、以及区域大小由太灰含水层水位异常值来决定。

提出如下突水危险评价指标：

k(x,y,t)=(Pct(x,y,t)-Pct normal)/

(Pcf normal(x,y)-Pct normal)

式中：k(x,y,t) 为矿井内点(x,y)在t时刻的突水危险值；

Pct(x,y,t) 为太原组灰岩含水层在 (x,y) 点, t时刻的水压值；

Pct normal为矿井太原组灰岩含水层的正常水压值；

Pof为矿井奥陶纪灰岩含水层的正常水压值。

按照系统科学理论、实验室试验、并参考工程实际，确定如下划分标准：

K<0.3时， 为安全区；

0.3

0.5

k>0.7 为红色预警区；

安全区表示不会出现奥灰水突水，但仍需做好防范措施；蓝色预警区表示有一定的突水风险，需增加观察次数，并做好排查工作；黄色预警区表示突水风险进一步增大，重点观察该区域，各项防护措施落实到位；红色预警区表示时刻可能发生突水。

根据赵庄矿现采区蓝色预警水位为+567 m，黄色预警水位线为+585 m，红色预警线为+603 m。

基于赵庄太原组含水层的水位实时监测结果，进行的太灰含水层水位反演分析，预警区域显示见下图4所示。

图4 预警区域显示图

4 应用结论

1) 在井下构建了主排水系统流量、水位，水文观测孔水压、水位自动化实时采集与传输系统，在地面构建了各观测孔水位无线传输系统。通过分站接收数据，将实时监测数据整理保存到磁盘空间中，并且完成各水位监测孔的水位数据的显示、查询和编辑，并形成各观测孔的日、月和年报表，并且通过短信猫将预警信息实时发布至手机。

2) 分别编制了太原组灰岩等水位线和奥陶纪灰岩等水位线反演软件并反演了太灰和奥灰的等水位线。

3) 基于多含水层水力联系的奥灰突水预警系统，划分了奥灰突水蓝、黄色预警等级，并研究得出了蓝、黄和红色预警等级突水水位，分别为+567,+585和+603 m。

4) 经过井下1#水文孔的施工揭露、随钻测试水压变化和水质化验结果，清楚表明，太原组灰岩含水层与峰峰组灰岩含水层是完全独立的含水体系，两含水层之间至少在1#孔控制范围内没有发生水力联系。

5) 赵庄煤矿奥陶纪峰峰组地层是巨大的含水层，对煤矿开采构成了巨大的潜在威胁，应该高度重视奥灰水害防治。

6) 太原组K5灰岩是非常好的含水层，其岩溶孔隙非常发育，可以作为矿井奥灰岩溶水良好的突水监控层。

7) 通过此系统，煤矿可以实时监测地下含水层水文变化情况，超前预警，起到超前防范的作用。

[1] 蒋建华,黄采伦,曹运江. 煤矿水害隐患探测方法与应用研究[J]. 北华大学学报(自然科学版),2012,04:488-492.

[2] 谭志样.断层突水机制的力学浅析[J].江苏煤炭，1998(3):16-18.

[3] 王成绪.研究底板突水的结构力学方法[J].煤田地质与勘探，1997(增刊):48-50.

[4] 冯启言，陈启辉.煤层开采底板破坏深度的动态模拟[J].矿山压力与顶板管理，1998，(3):71-73.

[5] 黎良杰，钱鸣高，李树刚.断层突水机理分析[J].煤炭学报，1996，21(2):119-123.

[6] 邱秀梅，王连国.断层采动型突水自组织临界特性研究[J].山东科技大学学报(自然科学版)，2003，21(l):59-61.

[7] 周瑞光，成彬芳，叶贵钧，武强.断层破碎带突水的时效特性研究[J].工程地质学报，2000，(04):412-415.

[8] 韩爱民，白玉华，孙家齐.断层透水性工程地质评价[J].南京建筑工程学院学报，2002，121-125.

[9] 杨栋，赵阳升.裂隙底板采场固流祸合作用的数值模拟[J].煤炭学报，1998，23(l):37-41.

[10] 张红日，张文泉，等.矿井底板突水过程中岩溶承压水的作用[J].中国地质灾害与防治学报，1999，10(1):88-95.

[1l] 胡耀青，赵阳升，杨栋，等.承压水上采煤突水的区域监控理论与方法[J].煤炭学报，2000，25(3):252-255.

[12] 胡耀青，赵阳升，杨栋，等.矿区突水监控理论及模型[J].煤炭学报，增刊:130-133.