三维可视化水害预警系统研究及应用.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第5期 2020年5月 Vo l.43 No .5 May 2020 地测与水害防治 三维可视化水害预警系统研究及应用 王丹 河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台054000 摘要水害是煤矿开采的重大灾害之一，本文以葛泉矿东井水害预警系统为例，阐述了三 维可视化水害预警系统的组成原理、方法、功能特点及实际应用情况，利用微震与电法耦 合等科学有效的监测技术，实现了采掘全过程水害动态监测，为煤矿的安全生产提供了有 力保障。 关键词煤矿；奥灰水；水害；预警 中图分类号TD745 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 05-0079-03 Research and application of three-dimensional visualization of water hazard warning systems Wang Dan Hebei Coal Science Research Inst it ut e Corporat ion Lt d., Xingt cd 054000, Ch ina Abstract Water hazards are o ne o f the majo r disasters in co al mining . In this paper, the co mpo sitio n principle, metho d, f unctio nal characteristics and practical applicatio n o f the three-dimensio nal visualized w ater hazard w arning system o f Geq uan Mine east w ell w ater hazard w arning system w ere described, and the scientif ic and ef f ective mo nito ring techniq ues such as micro -seismic and electric co upling w ere used to realize the dynamic mo nito ring o f w ater hazards in the w ho le mining pro cess, w hich pro vided a stro ng g uarantee f o r the saf ety mining . Key w o rds mine; ash w ater; w ater hazard; early w arning 0引 言 葛泉矿东井为水文地质条件复杂矿井，主要开 采石炭系太原组9号煤，属典型的华北岩溶型煤 田。煤层底板距下伏奥陶系灰岩含水层约40 m, 受底板奥灰水威胁严重，开展以底板岩溶水害为主 的突水危险源实时监测预警技术与装备研究及应用 对矿井的安全生产具有重要的意义。 1三维可视化模型建立 针对华北型煤层开采存在的以底板岩溶水害为 主的突水危险源，通过光纤光栅传感、多频连续电 法、井一地TL联合微震的水害综合监测技术与装 备，形成监测预警系统，利用三维可视化软件， 构建矿井充水结构三维可视化的地质模型，实现 了对充水通道的应力、位移和导水性能等动态监 测预警。 2系统的组成和安装 2.1监测系统的组成 本文以葛泉矿东井11916工作面监测系统为 例，详细说明监测系统的组成和安装。该系统由3 大监测预警系统构成，分别为光纤传感器系统、微 震监测系统及连续电法监测系统。其中光栅光纤和 连续电法传感器部署于井下巷道或巷道孔中，微 震传感器分别部署于地面、巷道和井下孔中 图1 。 2.2监测系统的安装 1光纤传感器系统，通过在工作面煤层底 板均匀布置若干个钻孔，并在钻孔预定位置安装埋 责任编辑高小青 DOI 10.19286/ki.cci.2020.05.022 作者简介王 丹1988-,女，河北高邑人，工程师。 引用格式王 丹.三维可视化水害预警系统研究及应用[J].煤炭与化工，2020, 43 5 79-81. 79 2020年第5期 煤炭与化工 第43卷 设传感器，可以监测煤层底板变形情况、水温、水 压，以此来分析煤层底板的裂隙发育情况，以及判 断该层位是否与奥灰含水层发生水力联系。 根据监测层位，设计光纤光栅应力、应变传感 器置于井下钻孔中，传感器与钻孔的倾角一样埋设 于底板有效隔水层保护带底部位置，垂深约20 m, 钻孔主要布置在轨道巷（便于后期施工），每个钻 孔埋设应力应变、水温和水压传感器各1个，埋设 应力应变传感器间隔100 m。 （2）微震监测系统，用来实时监测采掘过程 中煤层底板破坏深度的范围，分析采掘扰动在底板 是否已形成导水通道，监测导水通道深度范围，分 析能否沟通下伏的奥灰含水层。 此次主要利用地面、井下巷道和井下钻孔联合 监测，其中地面传感器间距为120 m,井下传感器 间距50 m,地面传感器为浅孔埋置，孔深2 m,井 下传感器分为巷道和深孔2种，浅孔的孔深为2 m,孔深的垂深为20 m,微震传感器全部安装在 孔底。 （3）连续电法监测系统，将传统的音频电透 探测手段升级成连续监测手段，在回采的过程中连 续监测煤层底板含水层的富水性变化，分析采掘后 采空区底板是否与奥灰含水层发生水力联系。 多频连续电法监测系统的电极主要部署在工作 面巷道外侧底板的浅孔中，孔深2 m,电极之间的 距离为10 m。 11916工作面微震监测共布置物理测点12个， 其中11916运料巷布置6个，东翼运输大巷布置6 个，为了能够更好的监测底板的破坏深度，此次监 测选择11916东翼运输大巷，在11916工作面回采 过程中，该巷道不会垮落，部署在该巷道的传感器 能更好的监测采空区中底板的破坏。 图1监测系统实际布置 Fig . 1 Layo ut o f mo nito ring system 3实际应用处理 3.1微震监测数据处理 2019年9月，共接收到570个微震事件，其 中发生在底板的微震事件数量为332个，发生在顶 板的数量为238个。综合分析，靠近运料巷附近的 底板破裂点要比运输巷附近的多，运料巷附近底板 破坏深度较浅，在10 15 m,在运输巷附近底板 破坏深度较深，在20 25 m。 靠近运料巷附近的底板破裂点要比运输巷附近 的多，分析认为造成这种现象主要有2个原因① 运输巷本身比运料巷低，受到的压力也更大，从运 输巷外帮片帮和变形量就能看出，而运料巷外帮几 乎没有变形；②运料巷外帮是11915的采空区，运 料巷附近底板在11915工作面回采时就已经被破坏 过一次，11916工作面回采时，底板发生更多的是 塑性变形而不是脆性破裂，因此微震事件较少。 3.2连续电法监测数据处理 2019年9月，主要对31 - 51号电极控制200 m长的区域进行动态监测。总体来说，运料巷的电 极因受进入采空区的影响较大，相较于东翼皮带 巷，运料巷发射电流大小起伏变化较大。31号电 极较早进入采空区，发射电流基本为零，证明发生 了电极线发射了断裂。41号电极发射电流情况与 80 王丹三维可视化水害预警系统研究及应用2020年第5期 31号相似，经查看是因生产需要电极线被人为割 断。其余电极在进入采空区前后发射电流平稳，除 个别时间点以外大小总体变化不大，电流值集中在 40 60 mA,证明采掘活动对电极接地情况影响不 大，采动破坏并未波及该区域。东翼皮带巷中除 31号电极因施工被剪断外，其余电极发射电流均 平稳变化，采掘活动对发射电流基本没有影响。连 续电法监测部分成果图如图2所示。 a 2019年9月9日监测结果 500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300 20 40 60 80 100 a 2019年9月10日监测结果 500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300 -----------------------------------------------------------------------------------------0 20 40 60 80 __________________________________________________________ 100 （c） 2019年9月14日监测结果 500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300 0 20 40 60 80 100 d 2019年9月30日监测结果 图2连续电法监测部分成果图 Fig . 2 Partial results o f co ntinuo us electrical mo nito ring 图2显示，采空区内发育有显著的低阻异常， 低阻异常随着采掘活动进行转移，判断该低阻异常 为采空区积水所致。根据z向剖面图可见底板破坏 深度应在30 m以下。从监测结果可以看出，在此 次监测时段内电阻率整体变化较小，靠近切眼处有 1处小规模低阻异常，需要在后续监测结果中予以 留意。 综上可以得出，①在3151号电极控制范围 内，11916工作面底板整体呈高阻，采空区成像明 显的低阻异常，采空区赋水性较强。②11916工作 面底板破坏深度以下，暂时没有明显的导水通道发 育迹象，发生底板突水的风险较小。 4结语 通过研发集光纤光栅传感、多频连续电法、 井一地一孔联合微震的水害综合监测技术与装备, 形成全空间全过程矿山水害智能监测预警系统，实 现了采掘全过程突水危险源动态辨识与实时预警。 一方面给煤矿安全生产提供了技术支撑，保障了煤 矿安全生产；另一方面为进一步制定矿井防治水方 案提供了实测数据。 参考文献 [1] 段李宏.煤矿水害预警系统设计[J].工矿自动化，2013, 39 （9） 16-11 [2] 黄采伦，黄晓煌.矿区水害监测预警方法与应用研究[J].华 北科技学院学报，2009 , 6（4） 11-1 x /w vw s/w s/w w w w w s/w s/w w w w w w w w w （上接第78页） 磁探查技术的研究。 4结论 （1） 在高压富水含水层中施工首要任务是 “治水”，通过超前探査孔的施工，将含水层中裂隙 水引至钻孔中，避免巷道施工中集中涌水的出现, 保证施工安全及进度。 （2） 设立井下专用测压孔可以动态监测含水 层水位，通过与井上含水层观测孔的结合使用，能 更准确的了解区域含水层水位，为生产提供可靠水 文参数。 （3） 在高压富水且具有软岩的巷道施工中， 需坚持探査一疏水一掘进施工一探査一疏水一进 施工循环探査方法，坚持先治理后施工、不治理不 施工的工作方针，避免出现水害事故。 （下转第85页） 81