煤矿防治水4 种基础台账建立与数据应用

吕玉广，李明振，胡发仑，刘 爽

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116；2.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299)

基础数据的收集和整理是技术工作的基础，碎片化的数据几乎等同于无效数据[1-2]，有效的数据必须具备完整性、持续性、准确性、规范性等特征。《煤矿防治水细则》(简称《细则》)第十五条规定：矿井应当根据实际情况建立16 种基础台账，并至少每半年整理完善一次[3-4]。由于煤矿井下涌水形式不同、主要涌水地点不同、排水方式不同、侧重点也不同，因此，《细则》没有给出统一的台账格式。2020 年山西省煤炭地质工程协会以团标形式发布的《煤矿防治水基础台账编制方法》，采用Microsoft Word 表格台账格式，该台账格式在计算功能和绘图功能方面有明显欠缺。电子表格在计算、筛选、排序、绘制趋势线等功能上较Word 表格强大得多，以Microsoft Excel 2007 为例，一张表格共有 1 048 576 行、16 384 列，可以满足建立各种台账的需要。因此，笔者提出基于Excel 格式的煤矿防治水4 种基础台账的建立方法，创建可供煤矿参考使用的模板；举例说明利用台账数据解决具体问题的方法，旨在拓展思路，供工程技术人员借鉴。

1 矿井涌水量台账及其数据应用

1.1 数据收集与台账建立

1) 数据收集

矿井涌水量分为全矿井涌水量、水平涌水量、采区涌水量、工作面涌水量以及集中出水点涌水量等[5]。根据现场条件，涌水量观测可选择浮标法、堰测法、容积法、明渠水文自动监测仪法、管卡式超声波流量计法、水泵铭牌额定值法等[6]。

矿井各地点的涌水经过采区泵房、水平排水系统，最后进入中央泵房水仓。由于各排水点排水时间不统一，不宜在水仓入口处设置观测站观测矿井总涌水量。有的煤矿企业将各点实测涌水量相加得到全矿井涌水量，由于测量时间节点不统一、测量方法不统一、散点水难以实测等原因，导致矿井涌水量数据误差较大。推荐在矿井中央泵房主排水管路上安装超声波流量计，尽量保持每天某一固定时间节点(如夜里零时)水仓内水位一致，以使中央泵房排水量与矿井当天的涌水量基本一致，即使有一定误差，但在大尺度时间跨度上，这种误差对涌水量变化趋势可以忽略不计。

2) 台账建立

涌水量数据每年占用1 张电子表格，设置为A3 号纸张大小，打印装订成册即为矿井涌水量台账，表格形式和内容见表1。

表1 矿井涌水量台账(××年)Table 1 Account of mine water inflow(××year)

矿井每天的涌水量(m3)按日期录入表格内，表格底部对应单元格内输入公式，自动计算月度平均涌水量(m3/h)、月度最大涌水量(m3/h)、月度总排水量(m3)、年度平均涌水量(m3/h)、年度最大涌水量(m3/h)、年度总排水量(m3)以及历年累计排水量(m3)，年度内平均涌水量可视为矿井正常涌水量。

采区涌水量台账可参照全矿井涌水量台账建立，采区涌水量、矿井涌水量足以反映全矿井的水情，一般没有必要再建立水平涌水量台账。

1.2 应用举例

以时间为标度的矿井涌水量数据反映出矿井过去涌水量变化特征，结合其他相关因素可以预测未来涌水量、判断水力联系、评价堵水效果等[7]。

1) 涌水量历时曲线

台账只是数据保存的一种格式，在解决具体问题时需要对数据格式做适当调整。当需要绘制矿井涌水量历时曲线时，在电子表格第1 行第1 列(如A1)单元格内输入时间(如年月日)，下拉鼠标得到时间序列；将台账(表1)中涌水量数据复制粘贴到此表的第2 列(如B 列)相应的单元格内，得到涌水量序列；如果需要计算每小时的涌水量，在第1 行第3 列单元格(如C1)内输入“=B1/24”，涌水量单位则由m3变换为m3/h，下拉鼠标完成全部数据单位的转换。选取第1 列+第2 列或第1 列+第3 列数据，电子表格可自动插入涌水量(逐日)历时曲线。按同样方法输入公式求取旬或月涌水量平均值，绘制逐旬或逐月涌水量历时曲线。

图1 为某煤矿涌水量(逐日)历时曲线，可以看出，该矿井从2011 年11 月至2020 年11 月涌水量总体稳定，正常涌水量约110 m3/h；矿井涌水量与开采面积、掘进进尺等相关性不明显；矿井涌水量出现过4 次异常性增加，第1 次异常对应一次采煤工作面突水，第2 次异常对应一次巷道底板突水，第3 次异常对应一次井下单孔放水试验，第4 次异常对应一次井下多孔放水试验。

图1 某矿井涌水量(逐日)历时曲线Fig.1 Duration curve of mine water inflow(day by day)

2) 井上下水力联系判断

大气降水量台账是《细则》要求的16 种台账之一，利用台账数据绘制矿井涌水量与大气降水量相关性曲线，如果雨后一段时间内井下涌水量明显增加，可判断井上下存在水力联系[8]。通常一年内大气降水集中在某个季节或某些月份，据此区分丰水季和枯水季，如果连续多年矿井涌水量没有随季节(或月份)有规律地增减，则说明矿井涌水量与大气降水(或地表水)之间没有联系。

上述某矿位于我国西北部地区，年降水量集中在7 月下旬至9 月上旬。根据涌水量台账数据(剔除2 次突水和2 次放水试验期间涌水量数据)，按旬绘制矿井涌水量历时曲线叠合图(图2)，可以看出，雨季矿井涌水量没有明显增加，枯水季涌水量也没有明显减少，多年均如此，说明大气降水对矿井涌水量没有影响。

图2 某矿井不同年份涌水量(逐旬)历时曲线Fig.2 Superposition diagram of water inflow(every ten days) duration curves of a mine in different years

利用矿井涌水量台账数据还可以预测涌水量、评价注浆堵水效果等，限于篇幅不再举例。

2 含水层水位台账及其数据应用

2.1 数据采集与台账建立

1) 数据采集

矿井主要含水层有井上或井下水文观测孔，地面观测孔内可安装NDCS 分布式控制的智能自动监测系统，水位数据实时无线传输[9]；井下水文自动监测报警系统通过以太网、GPRS 和GSM 等通信手段实现数据传输[10]。地面观测含水层水位埋藏深度，经过孔口高程换算成水位高程；井下观测含水层水压，通过水位与水压关系换算成含水层水位高程。本文推荐，正常情况下，观测频率可设置为每隔8 h 发送1 个水位数据(如每天0:00、8:00、16:00 三个时间点)，这样便于台账建立、绘制趋势线；井下出现水情时可加密观测。

2) 台账建立

含水层水位数据台账见表2，台账包括观测时间、水位埋深等，设置公式自动换算成水位高程。单元格内设置公式，求取当日3 个数据的平均值作为当日水位，用来绘制水位逐日历时曲线；日升降幅度=当日平均水位-前日平均水位，差值为正数代表水位上升，字体设置为黑色；差值为负数代表水位下降，字体设置为红色，视觉上更加直观。含水层水位日升降数列可用来绘制水位日升降条形图，反映水位变化剧烈程度。观测日期必须连续，当仪器出现故障、数据有缺失时，应保留空格，否则水位历时曲线失真。需要做其他比较性计算时，表内可随时插入行或列。

表2 含水层水位数据台账Table 2 Standing book of aquifer water level data

2.2 应用举例

利用含水层水位台账数据，通过绘制各种曲线图，可判断含水层间水力联系、预测突水灾害、评价疏放水效果，可判断突水水源、补给水源和补给通道等[11]，下文举例说明。

1) 水位历时曲线

鼠标选取表2 中观测日期和平均水位数据，电子表格插入功能可自动生成水位历时曲线。图3 为某矿直罗组J1观测孔自2012 年9 月11 日至2020 年7 月31 日期间的水位历时曲线，可以看出，该含水层水位总体呈逐年下降趋势；几次较大的水位波动对应着几次异常水情(突水或放水试验影响)。

图3 某矿直罗组J1 孔观测孔水位历时曲线Fig.3 Water level duration curve of observation hole(hole J1) in Zhiluo Formation of a mine

2) 水位日升降幅度条形图

选择某矿宝塔山砂岩含水层B1 孔水位数据进行分析说明，鼠标选取表2 中“观测日期”+“水位日升降幅度”数列，插入水位日升降幅度条形图(图4)，水位升降幅度反映了该含水层放水试验的全过程：2019 年6 月15 日以前水位有微小的升降，总体稳定；2019 年8 月25 日至2019 年9 月15 日试放水，水位大幅度下降，最大日降1.2 m；2019 年9 月16 日至2019 年10 月10 日关闭阀门，水位快速恢复，最大日升0.7 m；2019 年10 月11 日至2019 年11 月10 日正式放水，水位快速下降，最大日降2.7 m；2019 年11 月11 日以后关阀结束放水试验活动，水位回升速度由快至慢，最后回到放水试验前的水位变化规律。水位升降幅度与放水量结合，可以定性判断含水层给水能力。

图4 宝塔山砂岩含水层(B1 孔)水位日升降幅度Fig.4 Daily rise and fall of water level in Baotashan sandstone aquifer(hole B1)

3) 水力联系判断

B-9 孔为白垩系含水层观测孔、B-36 孔为三叠系延长组含水层观测孔、B-44 孔为延安组宝塔山砂岩含水层观测孔，利用水位台账数据绘制这3 个钻孔水位叠合曲线。井下对宝塔山含水层开展放水试验期间，白垩系含水层、延长组含水层水位均随宝塔山含水层的水位同升同降(图5)，说明这3 个含水层之间存在紧密的水力联系，延长组含水层与宝塔山含水层之间水力联系相对更加密切。

图5 某矿多含水层水位历时曲线Fig.5 Water level duration curves of aquifers in a mine

3 水质数据台账及其应用

3.1 台账建立

矿井通常经历找煤、普查、详查、勘探、建设、生产、补充勘探等多个阶段，积累大量的水质化验数据，水质指标可达数十种，需要建立台账对数据进行管理，电子表格是首选工具[12]。

表3 为水质化验数据台账的基本形式，每1 份水质分析报告占用一行；行中主要阴、阳离子及其他指标依次填入表中。同一采样点或同一含水层多次采样时，按时间先后顺序排列，便于上下滚动鼠标初步了解水质随时间变化的规律。不同含水层或不同取样点的化验数据在台账内分段存放，也可以按采样点或含水层分类分别建表。

表3 水质化验数据台账Table 3 Standing book of water quality test data

3.2 应用举例

长期积累的水化学数据可以用来确定含水层水化学类型、判断含水层之间水力联系、判定突水水源等[13]。

1) 补给水源判断

某矿三采区13301 工作面突水前，一采区11305工作面采空区出水的矿化度稳定在4.7 g/L 左右；13301 工作面突水后，11305 工作面采空区水的矿化度快速降为3.10～3.24 g/L，矿化度历时曲线出现明显的台阶(图6)，说明三采区和一采区之间存在水力联系。

图6 某矿11305 工作面采空区水矿化度历时曲线Fig.6 Mineralization duration curve of goaf water in working face 11305 of a mine

2) 水质类型划分

该矿开采山西组3上煤层，主要含水层包括侏罗系砂岩(J3)、煤层顶板砂岩(简称3 砂)、太原组三灰(第三层灰岩)、太原组七灰(第七层灰岩)、奥灰(奥陶系灰岩)等含水层。

根据台账数据，取各含水层各项指标的平均值得到各含水层水质特征指标(表4)，据此划分各含水层水质类型如下：J3为SO4·CL-Na·Mg 型；3 砂为SO4·CLNa 型；三灰为SO4·CL-Na 型；七灰为SO4-Na 型；奥灰为SO4-Ca·Na 型。

表4 某煤矿主要含水层水质特征指标Table 4 Characteristics and water quality indexes of main aquifers in a coal mine

4 地层信息

4.1 基础数据表

地层信息本不属于防治水台账之一，近年来，随着“三图-双预测”[14]以及“双图评价”[15]等富水性评价技术的应用，地层(岩性)信息与防治水工作愈加紧密相关，故本文将地层信息单独建立台账。

钻探是获取地层信息最基本手段，地质柱状图是重要的勘探成果之一，包含岩性、埋藏深度、富水性等大量信息[16-17]。以钻孔地层柱状图为基础，将地层信息尽可能全面地录入Excel 表格内形成基础数据表，基础数据是后续评价、研究工作的基础。

基础数据表(台账)建立原则如下：

①钻孔(编号)按行排列，每个钻孔占用3 列，分别为岩性、岩层厚度、岩层底板埋深；

② 第1 列为标志层，包括含水层、煤层、地层底界等，所有钻孔同一个标志层保持同行对齐；

③各钻孔揭露的标志层之间地层层数不等时，层数少的保留空格，确保标志层同行对齐。

建立地层基础数据见表5，矿井所有钻孔地层信息纳入一张电子表格内。

表5 地层信息基础数据(台账)Table 5 Basic data sheet of the strata information(standing book)

4.2 工作表

工作表是用来完成专题计算任务的表格，根据工作任务建立相应形式的工作表，以地层信息基础数据表为信息源，提取相关的数据，通过公式设置、自动计算得到一组数据，用来绘制专题成果图[18]。举例说明如下：

1) 底板突水系数专题图

工作表第1 列为钻孔编号，钻孔孔口坐标(X、Y、Z)占3 列，这是工作表的固定部分；工作表是开放性表格，根据工作任务，如绘制底板突水系数专题图时，需要从基础数据表内提取奥灰顶界埋深、奥灰水位埋深、煤层底板埋深等数据。在相应单元格内设置公式自动计算出底板隔水层厚度、隔水底板承受的水压、突水系数等(表6)。

表6 底板突水系数专题工作表Table 6 Worksheet of water inrush coefficient

如果水文观测孔较少，可利用少量的水位埋深数据绘制水位埋深等值线图，再采用插值法得到其他孔位上的水位埋深。

将计算得到的突水系数列表导入绘图软件(如Surfer)，即可得到煤层底板突水系数等值线图。

2) 砂地比专题图

砂地比可定性表征地层的富水性[19]。研究煤层顶板富水性的实质是研究导水裂隙带高度范围内地层的富水性，砂地比可简单表述为导水裂隙带范围内砂岩累加厚度与导水裂隙带高度之比。工作表中钻孔编号、钻孔参数等与表6 相同，根据综采支架型号以及钻孔揭露的煤层厚度，预定各孔位上的采高(不是煤层实际厚度)；在导水裂隙带高度相应的单元格内输入公式自动计算；砂岩层厚度在基础数据表中简单相加可得；砂地比单元格内输入“=砂岩厚度/导水裂隙带高度”(表7)。将计算得到的砂地比数据导入绘图软件得到砂地比专题图。

表7 砂地比专题工作表Table 7 Worksheet of thickness ratio on sandstone to strata

“五图·双系数”[20]中的“五图”以及“三图-双预测”中的“三图”均可以通过建立相应的工作表完成计算任务，利用计算结果绘制相应的专题图，使日常防治水分析工作更加便捷。

5 结 论

a.基础数据是煤矿防治水技术工作的基础，数据的收集、整理是一项长期持续性工作，大量的数据需要一套行之有效的管理方法，采用Microsoft Excel 建立的台账能够满足数据存储、分析、预测预报需要，同时促使数据收集更加及时、规范。

b.基于Microsoft Excel 建立的涌水量台账、钻孔(含水层)水位台账等，可以用来记录历史上水文地质事件、预测涌水量变化趋势、判断井上下水力联系，甚至判断堵水工程效果等。

c.基于Microsoft Excel 建立的水化学数据台账，便于开展水质分析，确定水质类型，评价水力联系等。

d.基于Microsoft Excel 建立的地层基础数据表，将矿井全部钻孔揭露的地层信息记录于一张表格内，便于查阅；根据任务要求建立的工作表灵活多样，大量计算过程可通过表格自身功能实现。