基于大数据技术的煤矿水害监测预警系统的应用

李亚利

（山西省煤炭职业中等专业学校，山西 太原 030012）

近年来，全国各煤矿企业相继发生重大水害事故，国家高度重视煤矿水害治理工作，强化落实《煤矿防治水规定》。随着国家对煤矿防治水管理标准要求越来越严，阳泰集团竹林山煤矿防治水管理面临的难度也越来越大，随着采掘区域向西部延伸，采掘工作面所承受的奥灰水水头压力逐年增大，加之断层和陷落柱的存在，使得底板突水的危险性进一步增加。因此，建立基于大数据技术的煤矿水害监测预警系统十分必要，能为矿井防治水综合决策提供强有力的支持，是竹林山煤矿实现“水患零威胁”目标的有力保证。

1 系统设计思路

在当前煤矿水害监测及信息化管理技术的基础上，建立与之配套的水害指标管理系统、专家决策系统、网络发布子系统。同时以煤矿地质与水文地质资料建立可存储的煤矿水文静态数据库，与动态数据（以生产动态与水害监测实时数据）建立动态数据库，两者集合成该煤矿的水害远程监测预警系统。在以往监测数据的基础上，经专家确定水害指标阀值。系统经安装调试、现场测试后，投入实践应用[1]。

2 水害监测预警系统的设计

2.1 矿井水害监测指标的确定

煤矿发生水害事故的因素是多方面的，监测影响水害事故的各项指标，就可对水害事故进行监测并及时预警。第一，在矿井地质情况和水文地质特征的基础上对影响竹林山煤矿开采的充水因素进行分析；在对矿井充分水源及充水通道分析的基础上对煤矿突水模式进行分类；综合煤层底板应力状态、顶底板岩石运动规律、底板破坏深度、导水带、隔水关键层、阻水性能等因素分析矿井突水机理，并确定煤矿潜在突水模式。第二，对影响矿井突水的地质构造、底板岩层岩性及其组合特征、含水层的富水性、含水层的水压、矿山压力及地应力等基础因素进行分析；第三，结合井下长期涌水点的观测数据，利用大数据分析的方法确定水害事故相关的各种关键因子[2]。

影响竹林山煤矿水害的关键因子主要有以下六大部分。第一，水量。采区范围内主要出水点的涌水量、老空区的涌水量、顶板淋水量等指标，采用YHL500矿用本安型超声波流量计进行监测；井下排水管道、水沟流量等等指标，采用kj1588矿用水文动态监测系统；高压注水量指标采用SYTF-LDE高压注水流量计进行监测。第二，水位。地面水文观测孔采用地面水文监测孔水位监测分站监测；老空区的积水水位、地下水文孔水位观测采用kj1588矿用水文动态监测系统。第三，水压。承压水水压监测采用YSY10本安型水压测量仪；陷落柱、断层等构造异常区的导水状态监测采用kj1588矿用水文动态监测系统。第四，水质。砂岩水、奥灰水、老窖水、第四纪松散层水、地面水水质采用充水水源快速识别仪。第五，水温。地下水水温连续监测采用GWD70矿用本安型温度传感器。第六，底板应力[3]。岩体声发射采用全波形多通道岩体声发射仪，可实时监测隔水层岩体突然破裂时产生的声发射信号，通过对声发射信号的分析来反映隔水层岩体的破坏情况。

2.2 系统总体结构设计

煤矿水害监测预警系统主要是将大数据技术与计算机软件技术进行有效融合，应用NX软件进行协同设计，其结构主要有信息管理及专家决策子系统和网络发布子系统两大块，如图1所示。

图1 煤矿水害监测预警系统的结构组成

信息管理及专家决策系统部分主要实现对矿区数据、监测点数据、监测数据管理、专家决策、预警管理、数据检索、数据分析、数据输出等工作。网络发布子系统主要实现对基础数据、资源数据与开采技术条件数据的查询，开采状态数据、实时监测数据的动态关联展示和异常数据的警示功能。

3 系统软件设计

竹林山煤矿水害监测预警系统采用C/S+B/S混合架构模式，系统需要存储海量的AutoCAD矢量图形和GIS矢量图形数据，监测静态和动态数据存储在Oracle 11 g数据库服务器中。该系统基于AreGIS10.0+Oracle 11 g的空间数据管理平台，该平台的作用如下：第一，可以实现对系统所有动态和静态数据的管理、共享、分析；第二，可以实现对所有异常数据的警示；第三，可以实现对预测结果的网络发布。系统软件流程如图2所示。

图2 系统总体数据流程

4 系统的实践应用

4.1 工程概况

山西阳城阳泰集团竹林山煤矿位于山西阳城县芹池镇马庄标一带，井田面积9.2582 km2，主要开采3#煤层，开采深度由770 m～350 m标高，设计生产规模90万t/a。3#煤层厚度为2.18～6.33 m，平均厚度为4.75 m，综合机械化放顶煤法采煤，全部垮落法管理顶板。煤矿水害事故预防主要手段之一是对矿井上、下的水文参数（水位、水量、水温等）进行动态监测。2018年以前竹林山煤矿全部是以人工野外数据采集为主，室内进行人工整理资料，井上、下的水文参数动态监测多以人工监测为主，然而人工动态监测存在很多弊端，表现在观测数据采集受人为因素影响很大、监测不及时、经济运行成本大等方面。为此，竹林山煤矿从2019年开始引进煤矿水害远程监测预警系统，来实现所有矿井地面观测孔水文动态的自动监测及预警。

4.2 煤矿水害监测预警系统的搭建

根据影响竹林山煤矿水害的关键因子，确定了对该煤矿水害监测的六大类监测指标，确定指标阀值并输入系统。煤矿水害监测预警系统的搭建步骤：第一，收集该矿防治水中长期规划、矿井井田水文地质报告、矿井综合水文地质图、矿井充水性图、矿井综合水文地质柱状图、矿井水文地质剖面图、矿井主要含水层等水位线图，原水文静动态监测点监测数据；第二，在相应区域安装煤矿水害监测预警系统，录入监测点信息，接入监测设备的监测数据；第三，煤矿水害监测预警系统对以往监测数据进行分析研究，经专业认可后设置水害预警阀值。

地面集控中心设置二台计算机连接煤矿水害监测预警系统，一台计算机对监测到的水文基础数据进行浏览和查询等操作，一台计算机进行动态监测数据显示和监控。当煤矿水害监测预警系统监测指标值达到设定的预警阀值后，系统会进行自动报警动作，同时在地图上显示报警的监测点，并向连接的移动设备发送报警预警消息。测试结果表明，煤矿水害监测预警系统及该设备配套软件能正常工作，功能齐全，反应迅速，实用性强。

4.3 效果分析

竹林山煤矿应用水害监测预警系统可以实现井上、井下水害指标的动态实时监测，并根据实际情况设定水害指标预警阀值，达到了实时监测、水害预警的目的，使用效果较好。特别是当矿区进入汛期时，技术人员可及时对矿区上下游河流观测站的水位、水温自动监测分站进行加密监测设置，及时捕捉沙河流量洪峰。同时，井下明渠流量自动监测系统可实时监测井下各个观测站的水量变化情况，可通过局域网起到水害预警效果。

煤矿水害监测预警系统没有启用之前，竹林山煤矿基本以人工野外数据采集为主，数据获取不及时，数据采集受人为因素影响很大。应用水害监测预警系统后，安全效益和经济效益显著。现以一个野外观测孔为例进行分析说明。采用传统人工方式，以10个野外观测孔为例，进行数据采集至少需要3人协同工作，以工资每人每月2 000元计，一年的费用为72 000元，考虑到车辆使用费用，一年的费用至少在100 000元以上。采用水害监测预警系统后，10个野外观测孔数据采集费用合计为26 000元，经济效益显著。相比之下，日常使用费用极为廉价，数据采集频率及精度则大为提高，非传统方式可比拟。所有费用主要为系统的一次性投资费用。从安全效益方面分析，因数据采集频率大大提高而准确分析水文地质情况，在很大程度上尽量避免水害事故的发生。

5 结论

煤矿水害监测预警系统在竹林山煤矿进行了实践应用，当前该系统运行正常，实用性强，能及时监测到各水害指标，并及时实现自动报警动作，为煤矿水害的防治提供了决策依据。