煤矿地下积水采空区挡水煤柱分级预警模型研究

王 健 ，屈世甲 ，于世雷

（1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

2021 年，全国原煤产量约41.3 亿t，煤炭消费量占能源消耗总量比重下降至56%，依然是我国重要的基础能源[1]。持续高效的煤炭开采活动已严重破坏矿区地下原始岩层结构，导致矿井涌水量快速增大，据相关统计，2014 年至2019 年期间，我国因采掘煤炭产生的矿井总水量达288.09 亿m3，但大部分直接外排至地面，造成大量水资源流失和浪费[2-3]。

煤矿地下水库的建设和实施为利用矿井地下水资源提供了技术手段。通过煤矿开采过程中遗留的保护煤柱及人工建设的防水密闭，围绕采空区建设封闭储水区域，避免直接外排至地面所造成的资源浪费和环境污染；同时很大程度上为矿区工业用水和生活用水提供了保障[4-6]。因此煤矿积水采空区安全运行的稳定性对煤矿正常生产至关重要，而挡水煤柱本身的多孔及松散特性，其内部水流渗透及受力情况更是地下积水采空区的重点关注区域[7-8]。

针对上述重点和难点问题，国内外众多学者和煤矿企业技术人员对挡水煤柱通过数值模拟、相似物理实验及理论分析等手段，对挡水煤柱稳定性和安全性进行了大量有益研究[9-12]。顾大钊院士等[13]通过数值仿真结合相似物理实验，对比了不同地震等级下，挡水煤柱抗震薄弱环节、影响因素及安全性；黄辉等[14]采用自主研发分析软件，模拟采空区水位变化对挡水煤柱渗流场演化规律的研究，揭示了挡水煤柱安全性一般规律；智国军等[15]根据挡水煤柱边侧压力分布规律及FLAC3D数值模拟软件，得出了采空区多孔介质渗透率的分布规律和煤体内部塑性区变化影响因素。

上述研究极大的充实了我国煤矿地下积水采空区安全理论与技术体系，为我国煤炭绿色开采及水资源保护提供了重要借鉴。虽然这一成果在西北矿区应用较为广泛，但从相关成果可以看出，目前缺少实际应用于井下积水采空区挡水煤柱监测预警的案例[16-18]。为此，以内蒙某矿42108 辅运巷32 与33 联巷间挡水煤柱为研究对象，运用概率论和矩阵等相关知识，对挡水煤柱监测数据进行综合安全评价，实现煤矿积水采空区安全稳定运行的监测、分析和预警。

1 方案及评价理论

1.1 监测方案

参照国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司《神东矿区煤矿储水采空区安全技术标准》8.8节“监测监控”部分的要求，井下储水采空区监测监控设计应遵循“在储水采空区低洼处的煤柱和防水密闭墙内安装应力应变计、基岩变位计、微震解调仪等传感器，对防水密闭墙墙体与围岩的相对位移，特别是接触缝的位置”进行监测的原则。

根据上述监测要求和相关研究成果，给出挡水煤柱具体监测设计方案，挡水煤柱监测安装位置示意图如图1。图中：A～A4为钻孔应力计，钻孔直径44 mm，深度3 m；B1～B2为渗压传感器，钻孔直径48 mm，深度4 m。

图1 挡水煤柱监测安装位置示意图Fig.1 Schematic diagram of installation position of water-blocking coal pillar monitoring

1.2 评价方法

评价方法以1 h 为单位，以7 d 监测数据为基础数据库，监测数据以(xi,xi+1,xi+2,xi+3,···,xi+n)形式排列，共有168 个数据。4 组钻孔应力监测数据记为：A1={a11,a12,a13,···,a16k}；A2={a21,a2n,a23,···,a16s}；Aa={asi1,aaz,aas,···,a16b}；A4={a41,a42,a48,···,a168}。2 组渗压监测数据记为：B1={b11,b12,b13,···,b168}B2={b21,b22,b23,···,b168}。计算上述6 组各数据组期望E(X)和方差σ（X）。

1.2.1 单一传感器分级报警方法

单一传感器异常数据判定流程如图2。

图2 单一传感器异常数据判定流程Fig.2 Single sensor abnormal data judgment process

图3 综合分析评价判定流程Fig.3 Comprehensive analysis, evaluation and judgment process

2 系统搭建

监控系统方案如图4。

图4 监控系统方案Fig.4 Monitoring system scheme

井下特殊环境限制，当监测范围及距离较大时，为减少电缆长度及可能破坏信号的电磁干扰。因此，安装在挡水煤柱上的动态监测系统分为2个子系统，通过光纤和信号电缆连接。子系统1由4 个光纤钻孔应力计、2 个光纤渗压计和摄像仪组成；子系统2 由声光报警及相关显示设备组成。2 个子系统都连接到井下环网交换机，通过地面核心交换机传输数据，计算机与地面服务器光纤连接，允许远程访问。

3 结果分析

3.1 单一传感器分级报警

以煤柱7 d 监测数据进行统计和计算发现，煤体内部受力和渗压情况基本呈现周期性变化。因保护煤柱与顶板、底板及围岩体在空间上构成相对稳定的整体，煤体内部受力各方向上基本保持平衡。采空区流动的水体作为动态变化量，对挡水煤柱的冲击和渗透是一重要影响因素。

采空区内部水头高度变化，引起挡水煤柱不同高度受压大小差异，导致水体在煤柱内部裂隙各点渗透速度及强度不同，水体在垂向裂隙、离层裂隙和微裂隙中渗流路径和流量依次减弱[19]。水虽对煤体表面有软化作用，但微小水分子充实煤体内部孔隙，与煤柱又重新构成一个整体，受液体表面张力、重力及摩擦力等影响，在一定程度上提高煤柱整体结构的稳定性和抗拉强度，所以煤体内部受力和压强情况可能存在阶段性的变化。钻孔应力和渗压数据及分级指标如图5。

图5 钻孔应力和渗压数据及分级指标Fig.5 Drill hole stress, seepage pressure data and grading indicators

针对上述单一传感器分级和煤柱受力理论研究，对数据进行处理和分级计算，应力分级由大到小分别为194.6、174.5、152.6 Pa，建立4 级区间 分 别 为[0，152.6）、[152.6，174.5），[174.5，194.6），[194.6，+∞）。

观 察 图5（a）发 现，7 d 基 础 数 据 中，大 于0.152 6 的数据中共有22 个，约占总数据比例为13.1%，说明按此方法分级可有86.9%的数据都正常。采用逐级判定逻辑，若数据属于[0，0.152 6），说明监测数据正常，常态化观察即可，灯光显示蓝色；若数据属于[0.152 6,0.174 5），发出三级声光报警，灯光显示黄色，人工加强监测即可；若数据属于[0.174 5，0.194 6），则发出二级声光报警，灯光显示橙色；若数据达到0.194 6 kPa 以上，则发出一级声光报警，灯光显示红色。同理，渗压监测分级也是如此。

同时对渗压监测数据进行多个方法拟合，得出的7 d 渗压数据多方法拟合效果如图6。

图6 7 d 渗压数据多方法拟合效果Fig.6 Multiple fitting effects of 7-day seepage pressure data

由图6 可知，运用的分段线性、临近插值、三次样条及多项式插值法都具有较好的拟合效果，但多项式插值法拟合效果最优，线条较为平整。

以多项式插值法为基础，对比后续5 d 120 个渗压数据，并结合分级预警方法，对预测数据进行对比，得到的多项式插值法5 d 数据拟合效果如图7。图7 中：一级指标=61.141；二级指标=60.982；三级指标=60.912。

图7 多项式插值法5 d 数据拟合Fig.7 Fitting effect of 5-day data by polynomial interpolation method

对比后续5 d 的数据发现，该单一监测数据分级方法仍然具有可靠的分级预警效果；同时结合多项式插值方法的数据，可以起到对未来数据变化趋势的预测预警效果，提前了解挡水煤柱单一测点的安全性。

3.2 综合分析评价

运用矩阵QR 分解法和最小二乘法同时对钻孔应力和渗压监测数据进行综合分析，建立区间范围，提供基于钻孔应力和渗压监测的综合安全评价方法，能够较全面掌握挡水煤柱整体运行状态，同单一测点预警相同，采用逐级判定逻辑，判定τi归属区间范围，发出指定区间预警方式和警报。将渗压和钻孔应力监测的168 个数据处理和计算，得到的渗压实际与预测数据分级对比效果如图8。

图8 渗压实际与预测数据分级对比效果Fig.8 Comparison effect of actual and predicted seepage pressure data grading

观察图8 可知，预警分级结果大多落入3 级以下区间，少数达到3 级预警指标，仅5 组数据达到4 级预警指标。结合单一传感器分级预警结果发现，单一测点出现预警级别4 级时，挡水煤柱整体危险指数却并非也是4 级。说明相对煤柱整体运行状况，单点区域应力或渗压出现异常时，微小水分子充实煤体内部孔隙，保持静态平衡状态，受相互作用力等影响，与煤柱构成空间上统一整体，提高挡水煤柱抗压强度。因此未影响到煤柱整体安全指数，挡水煤柱仍具有可靠的运行条件。

4 结 语

1）给出了针对挡水煤柱监测预警的单一传感器分级预警和综合分析预警计算方法及判定流程，通过实际搭建监测系统，采集各类传感器数据，提高对煤柱整体安全性监测预警效果。

2）单一测点分级预警效果较优，能较准确对定点区域危险信息进行分析预警，同时结合插值方法与实际数据对比，该预警技术仍有较好的预警机制。

3）单一测点分级结果并不能代表挡水煤柱综合分析预警等级，说明个别微小区域风险并不影响煤柱整体安全状态，仍具有较高的运行可靠性。