为了研发煤矿地面及井下一体化水文监测预警系统, 首先对煤矿主要水害发生关键影响因素进行分析, 确定煤矿水文监测重要监测参数, 从实用性考虑设计了水文监测预警系统总体功 能结构, 分别对地面及井下水文监测运行结构进行了架构, 并进行了现场实践应用。现场应用结果 表明: 利用水文监测预警系统可以通过数字化手段实现对煤矿生产过程水害因素的有效监测预警, 及时掌握矿井水文地质动态变化规律, 分析获得井下可能的突水状况。
煤矿水害是煤炭资源开采中一种常见灾害, 我国煤炭资源丰富且地域分布辽阔, 各煤田区域水文地质条件差异性较大, 矿井水害呈现多样性, 其中华北区以老空水、底板奥灰水害为主, 华东区以冲积层水、底板岩溶水害为主, 华南区以地表水、老空水、 溶洞水害为主, 其它区以老空水害为主,是世界上矿山水害最严重的国家之一。
从2005年到2018年14年间,水害事故总起数556起, 水害事故死亡总人数 2544 人, 虽总体呈下降趋势, 但重大事故仍然多发, 甚至出现反弹, 其中自2012年以来,全国煤矿共发生水害事故97起、死亡422人(其中, 较大及以上水害事故 54 起、死亡352人,分别占煤矿水害事故总量的 61. 4%、死亡人数的 86. 5%), 平均每年有60名矿工生命被水患吞噬。
随着近年来煤炭资源开采深度、开采规模、开采范围及开采强度的不断加大, 大量小煤矿关闭后形成的积水区不断增加,煤矿开采的水文地质条件变得越来越复杂, 水害危害程度将更加突出, 突水频率和突水强度将不断加大, 矿井水害防治将会面临更大挑战。因此, 预防突水事故是我国煤矿安全生产的必要保证, 如何有效遏制矿井突水事故的发生, 是目前亟待解决的重大问题。
随着物联网技术的发展, 利用无线传感器网络技术和数据通讯技术, 研发基于物联网技术的水文监测预警系统, 通过监测设备的接入和质量管理, 能够实现及时、快速、高效地获取矿井水文动态监测, 能够保证高精度、自动化实时长期数据采集, 能够动态地、全面地掌握矿区内, 特别是容易发生水害区域的水文变化情况, 并根据实时数据进行主动预警, 提前采取相应防治措施, 防患于未然。国内专家学者对煤矿水害监测指标及预警模型、监测预警技术及装备及现场应用效果等进行了不同程度的分析研究, 基于国内研究现状, 进行煤矿井上下一体多参数水文监测系统设计研究, 并进行现场实际应用。
煤矿突水监测, 主要目的是通过对水文参数的动态监测, 能够实现及时、快速、高效地掌握矿区内, 特别是容易发生水害区域的水文变化情况, 并根据实时数据进行主动预警, 为矿区提供有效的水害基础数据, 通过分析各个突水点的形成原因与影响因素、与其他突水点的位置关系、对涌水量及水位变化的影响, 提前采取相应防治措施, 防止形成突水威胁。因此, 每一个监测元素, 必须具有合理性、科学性、可监测性及时效性。
国内目前的水文监测系统功能不一, 实现了矿井的水文地质因素水位、水压、水温和流量等部分因素的监测, 未能将水害相关因素进行有效的全面监测, 该系统设计拟实现地面及井下主要水害因素一体联合监测。根据各类水害关键影响因素分析和参数选取原则 , 考虑到当前技术水平, 此次主要选取的监测参数为水位、水温、水压、流量、位移及应力。其中水位、水温参数可通过地面水文长观孔实现含水层的监测, 水压、水温参数可通过井下 观测孔进行顶、底板承压含水层变化的监测, 水位参数还可用于水仓水位变化监测, 流量参数可用于排水管排水量的监测, 位移及应力参数可用于采空区密闭墙体结构变化的监测。
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