矿井老空水实时监测系统的建立研究

吴铭渝 曾旺

作者简介：吴铭渝（1997-），女，福建泉州人，硕士，中国地质大学（武汉），研究方向：安全科学与工程;曾旺（1968-），男，湖南益阳人，中国冶金地质总局中南局安全生产处处长，教授级高级工程师，研究方向：安全生产管理与岩土施工。

摘 要：老空水是矿井水灾事故的最主要原因之一。对老空水的补径排条件和危害进行研究，选取监测指标与方法，通过建立老空水实时监测系统，能对采空区内积水实现较好的监测，实时捕捉突水发生的前兆信息，从而最大限度地避免老空水害的发生，保证矿井的开采安全。

关键词：矿井;老空水;监测

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.11.089

老空水是指在被废弃矿井和采煤空间中的积水，因矿井已停止开采，这部分积水无法自动排出，只能聚集在采空区内。老空水是矿区浅部采矿常见的充水水源，是透水事故发生、威胁矿井安全生产的主要原因之一，占近年来我国较大水害事故起数和死亡人数比例80%以上。建立针对老空水的监测系统，对采空区进行实时监测，及时发现工作面巷道老空水分布情况，对老空水害的预警与防治有重要意义。

1 老空水的补径排与危害

老空水的补给可来自于大气降水直接渗漏灌满，也可来自于地下水，地下水类型如砂岩水、断层水等，通过巷道直接沟通或采动裂隙带、导水断层、裂隙等通道，长期渗透积累或岩溶淹没，或通过相互连通的相邻采空区沟通。因其存在于废弃的采矿空间内，不具备自动排出的能力，需要人工疏干。老空积水多分布于矿体浅埋处，开采深度大多数为100m上下，个别可达200m。

老空水害是矿井水害事故的主要类型，尤其在一些开采历史较久远的矿区是不可轻视的充水水源。当工作面接近采空区，老空水可能以溃入、渗水、滴水的方式进入矿井。如阳新县鹏凌矿业有限公司赵家湾铜矿（一矿带），1998年以前曾有数家业主在-135m中段以上对Ⅰ号矿体开采，共开拓了8条斜井，采空区体积约99500m3。在开采-225m、-265m、-305m、-345m中段时，由于-193m中段已经开采完的Ⅳ号采空区未疏干的积水存在较高的地下水压，于2004年6月16日在-193m中段水平巷道渗水点发生了重大突水事故。本次突水造成了11人死亡，为重大恶性事故，并导致矿山至今处于淹没状态。老空水害的主要特点有：

（1）具有分布复杂性，在矿层本身分布不规律和外应力的作用下，采空区的空间分布难以判断，老空水的边缘、积水形状也难以判断，其分布分散、孤立、隐蔽。

（2）具有水体复杂性，一些特殊地岩石如沉凝灰岩、遇水会膨胀或软化的粘土岩、遇水会崩解的泥质砂岩等，都会让积水体内沉淀多种泥沙和岩块，导致积水情况复杂。由于采空区中煤层及顶底板岩层中黄铁矿的氧化作用，老空水可以成为酸性较强的积水，在突水时有时会同时伴随有毒有害气体H2S、CO2、CH4逸出，水的酸性对井下金属设施同样有腐蚀作用。

（3）具有空间动态性，以静储量如为主、动水补给为辅，总水量有限。

（4）具有突发性，一旦采掘工程意外接近或揭露采空区，水体导通，就会发生突水，水量集中且水势凶猛。若老空水与其他水体无水力联系，涌水量虽然很大，但持续时间不长，容易疏干;若与其他水体有水力联系，可形成量大而稳定的涌水量，对矿山生产危害甚大。如当地表降水可对老空水形成直接补给时，降水通过采空区下渗至矿井，涌水量会迅速增大，造成淹井事故发生。

2 老空水的监测指标选取

2.1 水位、水压、水量

水位和水压是在矿井监测体系中广泛选用的指标，便于测量监控，且在预测突水的可能性研究中有很好的可靠性。正常情况下，地下水的动态变化相对稳定;而一旦水力联系发生改变，突水位置附近同一含水层或存在联系的相邻含水层的水位、水压及水量方面会发生变化，水位逐步上升或下降，而水压明显减少时涌水量会明显增大，反之亦然。采空区的积水通过裂隙或断层等通道进入矿井或突入隔水层时，其水位、水压和水量会有所反映，预示有发生突水的可能性。同时，对水量的监测也有助于明确本采空区内的水量多少，在后期进行老空水探放时做好准备。

2.2 水温

在礦井向深处开采过程中，不同深度、不同水源补给条件、不同含水层的水温都有着差异。地下水向工作面渗透时，围岩的温度也会受到影响。但当含水层距离矿层较近时，该含水层的水温与矿井正常涌水的水温较接近，用以判断突水的准确性较低，不如水位和水量来得精准。当采空区积水受到充水水源补给，其温度可能会出现较明显的变化，对水温进行监测，可以及时了解老空水的补给变化情况。

2.3 水化学指标

不同地层深度的水文化学环境大不相同，发生在不同地层的水岩相互作用也大不相同。地下水的水化学成分往往呈现出明显的水平或垂直分带分布特征，由于隔水层的存在，矿井中各含水层的水化学特征也往往有独立性。常用的水化学指标有离子成分、TDS与硬度和pH数值，此处选用离子成分和pH数值作为监测指标。

（1）离子浓度。地下水中溶解有气体、各类常见元素和微量元素的离子，一般分布含量最多的离子成分包括Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。而不同地层地下水的由于各地水文地质条件的区别，在选用水化学的离子指标时应先进行有效性验证，对矿区的水样取样后统计水样中各离子浓度的数据，判断哪个离子的区分性、有效性好，且易于验证分析，作为老空水监测体系的监测指标。

（2）pH。不同含水层的pH存在一定差异，但这种差异不具有区分度，难以量化，在以往的矿井地下水监测系统中很少作为指标之一。但老空水的pH值和其他含水层的pH值差异较大，如罗立平在分析淮南煤田新区和老区的老空水水化学特征时，发现老空水因充水水源与其他含水层不同，pH值有着较明显的区别。因此，当前期调查表明老空水和其他含水层的pH区别较大，pH可以作为监测指标，根据这个差异对老空水进行监测。

2.4 岩石力学指标

采空区突水发生的主要原因是动力影响，在突水事件发生前，周围岩体因外力施加而失稳或裂隙发育成导水通道，都会出现破裂、运动和微震的现象。通过监测岩体的岩石力学指标，可以及时捕捉到突水发生的前兆信息，从而做好预警和防护工作。常见的岩石力学指标有应力、岩层位移和微震，此处选用应力和微震作为监测指标。

（1）应力。

应力的集中与释放会影响岩层的稳定性，而應力、应变也能够反应岩层的破坏程度。当岩层的破坏程度越大，造成的裂隙越多，可形成的导水通道也越多，从而更容易导致突水的发生。在突水即将发生前，岩石的应力和应变会发生突变，即应力达到峰值。应力的变化明显且易于监测捕捉，是矿井突水监测预警的有效指标。

（2）微震。

当岩体被外力破坏时，会发生应力集中和能量累积。能量积累到极限就会以波的形式释放出来，引起岩体震动。多项研究表明，采动应力和地下水的共同作用会引发微震。而涌水量的增大往往也伴随微震事件数量和微震能量释放变化幅度的增大。在监测微震活动后，采用岩层应力理论和数学统计的分析方法对岩体微震的活动规律进行研究，计算微震事件的能量和频次曲线，得到能量释放率ξ和能量密度ε。能量释放率可以作为分析微震活动强度发展变化的依据，当能量释放的频率高且密集时，就极有可能发生突水;而能量密度可以作为量化微震活动强弱程度的依据。

3 老空水的监测方法

3.1 传感器监测法

传感器目前广泛应用于矿山地下水的水文地质监测中，经过多年的改进换代，如今的传感器具有准确度高、稳定性好、可靠性优的优点，防水、抗腐蚀、抗干扰能力强，能够适应各种各样的水文监测环境。在井下采空区、富水层等位置布置水位、水温、应力应变传感器，可以对老空水的水位、水温、应力应变实现实时在线监测;布置水质传感器，经离子分析仪快速测定离子指标与pH数值。传感器在自动采集数据后，存储、传输至监测中心，便于统计分析。针对各种传感器品种多样导致的通信协议不规范、不兼容、难以集中管理的问题，可以采用技术手段将传感器系统与局域网络集成，如黑龙江某矿使用光纤传感的技术手段集成传感监测系统，以光纤通信技术为平台，实现对老空水的远距离、大容量、多通道的实时监测。

3.2 物探法

物探法在矿山地下水探测中应用较广，具有较高的经济性和工作效率。传统的物探法包括激电法、放射法、核磁共振法等，这些方法将探寻地下矿物的方法用于地下水监测勘测，需要经过对物探曲线的详细分析和结合现代信息传感、信号处理技术，才能解决物探仪器观测结果多解的困难。以下介绍两种已应用于老空水监测的物探方法：

（1）地下磁流体法利用天然的大地电磁场为探测源，依靠不同地层对电磁波的不同耦合特征，来进行地质构造判断。地下磁流体法所得到的电磁波信息具有唯一性，即对地下水和采空区有唯一识别功能，可以对采空区的所处位置以及是否塌陷、是否存在积水进行判断，并大致估算老空水的水量。该方法具有深度大、周期短、效率高、精确度高、安全性高、成本低的特点，可以在地面直接进行。岳金华使用该法对矿井进行水害监测，在采矿过程中对老空水害实施监测，大大减少了传统物探方法需要的人力物力，根据监测数据做好水害预警。

（2）矿井并行电法技术属于激电法的一种，以岩体介质的导电性差异为物理基础，通过天然存在或人工建立条件下电场的分布来研究矿井地质构造。当地质构造发生变化，介质的电性也会发生变化。通过对电性的分析，可以推测出监测点的地质构造特征、富水性等情况，从而推断出矿下哪处区域存在已采掘的旧巷和空洞、存在老空水。该技术方法自动化程度和施工效率高，由于采用并行采集技术，保证各电极点在电厂环境完全相同的情况下采集数据，相比传统的电法技术提高了信号保真度和地质情况分辨能力。霍州薛虎沟煤矿采用该法通过实时对井下施工巷道跟踪探测，采集数据后分析，最终预测巷道前方和顶、底板的地质构造及富水情况，一旦出现老空水水害变化，及时向检测人员发送结果信息，做出对策。

3.3 微震电磁耦合监测法

微震电磁耦合技术对岩体的微震活动和因震动造成水体变化时而产生的电磁脉冲信号进行监测，结合微震与电磁波变化，监测生产活动对岩层的影响。该方法在井下采空区布置探头，实时采集微震与电磁数据，采用微震能量、频次分析的方法分析是否有微震异常，若发现有异常活动，便对实时统计得到的能量、频次和能量释放率ξ、能量密度ε结合分析，研究微震活动性的发展变化，综合微震状况与实际水位地质条件，分析突水发生的原因和可能性，以便采取有效措施解决问题。

4 老空水实时监测系统的建立

老空水实时监测系统应当能对当前矿井采空区内的水压、水位、水温、水量、水化学指标和岩石力学指标动态的变化情况进行实时测量，为老空水害的预警和防治工作提供可靠的依据，系统的设计思路如图1所示。

系统由主站及若干井下分站构成。主站位于地面的监控中心，可直接将井下监测得到的数据显示在屏幕上，并通过中心计算机处理、分析数据，采用图形化的表现形式将数据整合展示，便于用户分析研究。数据经处理，主站将数据发送至数据服务器，由数据服务器进行保存。根据需要生成相关的年月日报表、数据曲线，进行水文地质数据资料管理及打印输出结果，方便历史数据的对比研究。用户在主站设置监测阈值条件，控制数据采集，可以选定任意观测点进行重点监测。若监控的区域状况达到设置的阈值条件，系统自动发出警报，同时向预先指定的客户端发送报警信息。

子站按照矿井实际情况设置在井下采空区。在井下布置传感器、离子快速分析仪、探针探头等信号探测设备，子站的探测装置负责接收探测得到的信息，既可将信息通过井下通信线路、光线线路、通讯模块在光电信号转换后发送至主站，也可通过现场总线电缆与其他探测装置连接。地面监控中心则通过远程有线通信网络系统对井下子站进行有效控制，实时监测并记录数据。

5 结语

老空水害作为威胁矿井安全生产的重要因素之一，一直是矿井水害预警和防治的重点。通过研究老空水的补径排条件与危害，抓住老空水的特点，正确选取监测指标和方法，建立老空水实时监测系统，能对采空区内积水实现较好的监测，实时捕捉突水发生的前兆信息，从而最大限度地避免老空水害的发生。

参考文献

[1]郭彦华.老空水水害事故原因分析及防治措施研究[J].中国安全科学学报，2006，（10）：141-144+1.

[2]王革纯.复杂环境下采动影响导致老空突水案例分析[J].煤炭与化工，2021.44（02）：24-26+30.

[3]王鑫.矿井突水实时监测预警的理论研究[D].徐州：中国矿业大学，2020：125.

[4]罗立平.矿井老空水形成机制与防水煤柱留设研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2010.

[5]毕可仁.黑龙江煤矿安全隐患全覆盖光纤监测预警技术探讨[J].内蒙古煤炭经济，2019，（01）：85+108.

[6]岳金华.矿井水害监测预警技术分析[J].技术与市场，2014，21（06）：153-154.

[7]武晓剑.薛虎沟煤矿2-105工作面老空水预警系统设计与分析[J].能源技术与管理，2017，42（04）：174-175.

[8]窦林名，何江，巩思园，等.采空区突水动力灾害的微震监测案例研究[J].中国矿业大学学报，2012，41（01）：20-25.