礦井工作面水害安全預(yù)警系統(tǒng)研究

礦井工作面水害安全預(yù)警系統(tǒng)研究

礦山面洪水是影響我國煤炭行業(yè)健康發(fā)展的一起事故之一，嚴(yán)重威脅著煤炭生產(chǎn)和礦工安全。隨著煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展,煤炭資源開采深度及強(qiáng)度不斷加大,高產(chǎn)高效的生產(chǎn)管理方式對礦井水害防治安全技術(shù)的要求越來越高。礦井工作面水害安全預(yù)警系統(tǒng)為各級生產(chǎn)指揮者和業(yè)務(wù)部門提供環(huán)境安全參數(shù)動態(tài)信息,為指揮生產(chǎn)提供第一手資料。正是礦井工作面水害安全預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建研究及應(yīng)用,大大提高了煤礦安全生產(chǎn)效率和安全管理水平,為我國礦山安全事業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。1工作面水害形成的歷史和現(xiàn)實背景預(yù)警是指通過相關(guān)技術(shù)及儀器提前發(fā)現(xiàn)某一警素的隱患,并把該警情傳送至安全管理部門,經(jīng)相關(guān)分析及判斷預(yù)報不正常狀態(tài)的時空范圍或危害程度,并采取相應(yīng)防范措施。簡單的說,預(yù)警系統(tǒng)即是基于一定的預(yù)警原理,以期完成預(yù)警任務(wù)而建立的一套完整系統(tǒng)。由圖1可見,礦井工作面水害安全預(yù)警系統(tǒng)是基于信息技術(shù)、安全技術(shù)、采礦技術(shù)、巖石力學(xué)、地質(zhì)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)以及哲學(xué)作為知識基礎(chǔ)的,在時間維上主要分為數(shù)據(jù)采集階段、系統(tǒng)分析階段、系統(tǒng)設(shè)計階段和系統(tǒng)實施階段。對于邏輯維,安全預(yù)警系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)是明確警情;尋找警源是分析警情的產(chǎn)生原因,是排除警患的基礎(chǔ);分析警情出現(xiàn)的先兆為預(yù)報警度的基礎(chǔ);預(yù)報警度是排除警患的依據(jù);而排除警患則為系統(tǒng)的終極目標(biāo)。礦井工作面水害主要包括頂板水害和底板水害,分別有其特定的水文地質(zhì)條件和采礦條件以及相應(yīng)的控制與影響因素。工作面突水是由于人為采掘活動誘發(fā)圍巖巖性、結(jié)構(gòu)(斷層或裂隙)和地質(zhì)環(huán)境(區(qū)域構(gòu)造場、滲流場、水理作用場)等發(fā)生綜合作用而導(dǎo)致的結(jié)果。頂板水害主要是由于采礦活動產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶,進(jìn)而引發(fā)煤層上覆含水層的水大量涌入礦井,影響工作面生產(chǎn)甚至淹沒礦井。底板水害則主要是由于煤層下伏承壓水沖破底板隔水層的阻隔以突發(fā)、緩發(fā)或滯發(fā)的形式進(jìn)入工作面,最后導(dǎo)致礦井涌水量增加甚至淹沒礦井。礦井工作面突水的產(chǎn)生有3大因素:水源、水量和導(dǎo)水通道。其中水源和水量兩大因素易于查明和預(yù)測分析,相反,導(dǎo)水通道,即斷層、陷落柱和不良封閉鉆孔等,具有較強(qiáng)的局部性和難以預(yù)測性,正是其不可預(yù)知性恰恰是導(dǎo)致突水事故發(fā)生的主要原因。礦井工作面水害的形成和產(chǎn)生都有1個發(fā)展的變化過程,不同的階段都有其相對應(yīng)的先兆。礦井工作面水害安全預(yù)警系統(tǒng)可以對控制和影響產(chǎn)生突水的關(guān)鍵因素進(jìn)行實時監(jiān)控和分析,對水害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)報和預(yù)警,提早啟動應(yīng)急預(yù)案,從而避免突發(fā)性災(zāi)害事故的發(fā)生。2系統(tǒng)中現(xiàn)有層的分析礦井工作面水害安全預(yù)警系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)(見圖2)可以根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建涉及的層面分為4大部分,即工作面警源監(jiān)測層、水害警情分析層、輔助決策層和應(yīng)用管理層。2.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、統(tǒng)計分析及預(yù)測理論的準(zhǔn)備警源監(jiān)測層主要是對設(shè)立的預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測,判斷是否達(dá)到相關(guān)指標(biāo)的警戒值。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、統(tǒng)計分析以及預(yù)測理論為警情分析作相應(yīng)的準(zhǔn)備。預(yù)警指標(biāo)體系必須科學(xué)地、客觀地、盡可能全面地考慮各種因素,包括組成系統(tǒng)的主要因素及有關(guān)系統(tǒng)性能、費(fèi)用、效果等方面,這樣就可以明確地對各方案進(jìn)行對比和評價,并對其缺陷籌劃適當(dāng)?shù)膶Σ摺?1)頂?shù)装鍛?yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和承壓水動態(tài)分析在工作面頂?shù)装逵^測鉆孔中設(shè)置相關(guān)智能傳感器,實時超前監(jiān)測采動過程中頂?shù)装鍛?yīng)力應(yīng)變狀態(tài)(應(yīng)力、位移、變形)和承壓水的動態(tài)(水壓、水溫),并通過該傳感器將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給報警儀。一旦判斷有隱患出現(xiàn),報警儀便發(fā)出聲光報警信號,地面主機(jī)同時也開始報警,通知管理人員。(2)巷道底板水低阻異常體探測地球物理探測常用的方法是電磁法勘探。運(yùn)用瞬變電磁勘探技術(shù)定期對工作面頂?shù)装搴畬痈凰畢^(qū)分布和構(gòu)造的含、導(dǎo)水情況以及隔水層厚度等進(jìn)行探測,特別是要準(zhǔn)確查明礦壓破壞帶和導(dǎo)升斷裂帶厚度。瞬變電磁法是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場,用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布,來達(dá)到查明各種地質(zhì)目標(biāo)體的目的。井下瞬變電磁法可以將線圈平面以任意角度放置于巷道中進(jìn)行測量,探測線圈平面法線方向一定深度內(nèi)含水異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律。因此,通過對發(fā)射線圈方位的調(diào)整可實現(xiàn)對整個工作面內(nèi)頂板和底板一定范圍內(nèi)含水低阻異常體分布規(guī)律的探測。圖3為某礦-550m西翼運(yùn)輸巷瞬變電磁視電阻率斷面圖。-550m西翼運(yùn)輸巷藍(lán)色區(qū)域(低阻異常)離巷道底板距離不到100m,-550m西翼運(yùn)輸巷底板離1煤的距離大約在100m左右。藍(lán)色區(qū)域(低阻異常)為1煤頂板砂巖區(qū)低阻異常區(qū)。瞬變電磁探測存在把低阻異常放大拉長的特點,判斷低阻異常位置通常取異常的中心位置。異常中心位置在巷道底板以下70m左右,因此判斷距離1煤頂板30m左右有1層砂巖含水層,這層砂巖含水性不均一。含水性即相對最強(qiáng)的區(qū)域(A級異常)為:0~70m、260~320m、500~600m、800~1000m和1300~1400m。含水性相對較強(qiáng)的區(qū)域(B級異常)為:400~500m、650~750m、1100~1200m和1500~1600m。巷道底板100m以下區(qū)域,在580~690m段(B級異常)有1個低阻異常區(qū),異常區(qū)的中心在640m左右,在750~850m段(B級異常)有1個低阻異常區(qū),異常區(qū)中心在800m左右,在1050~1220m段(B級異常)有1低阻異常區(qū),異常區(qū)中心在1100m左右。在1400~1450m段(B級異常)有1個低阻異常區(qū),異常區(qū)中心在1420m左右。在1560~1630m段(B級異常)有1個低阻異常區(qū),異常區(qū)的中心在1600m左右。這5個異常區(qū)深度達(dá)到了200m左右。根據(jù)層位關(guān)系,達(dá)到了太灰地層。這幾段太灰地層含水性增強(qiáng),其他區(qū)域太灰地層含水性相對減弱。電阻率層析成像技術(shù)是運(yùn)用靜電場理論來探測目標(biāo)體的電性差異。通過分析不同時間的頂?shù)装鍘r石電阻率變化情況,進(jìn)而得到與開采活動有關(guān)的頂?shù)装鍘r石破壞程度、頂?shù)装逅鲃訝顩r等,從而實現(xiàn)對頂?shù)装迤茐暮晚數(shù)装逅\(yùn)動狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測,提早識別、預(yù)報突水前兆信息。(3)挖掘技術(shù)為了彌補(bǔ)物化探技術(shù)的缺陷,還可以采用鉆探方法對頂?shù)装搴畬舆M(jìn)行探測,以驗證物化探的結(jié)果,增加相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。2.2礦井突水的主要突水因素警情分析層根據(jù)礦井工作面水害突出機(jī)理及主要控制因素的研究成果,利用突水信息原位采集技術(shù)、突水因素適時檢測技術(shù)、突水因素遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、突水信息動態(tài)分析和人工智能判別技術(shù),直接從礦井突水的前兆因素入手,利用現(xiàn)代信號檢測、數(shù)據(jù)傳輸和模式識別技術(shù),對所得到的工作面突水相關(guān)信息進(jìn)行定性描述和定量分析,然后做出預(yù)處理和評判。警情分析的目的是使信息定量化、條理化和可操作化,以便真正反映工作面含水層的實際情況,確定工作面突水的類型。(1)參數(shù)對比檢驗明確警情是預(yù)警的前提。警情分為無警、輕警和重警3種情況。通過相關(guān)分析,結(jié)合過去積累的有效經(jīng)驗,對所獲得的參數(shù)進(jìn)行對比檢驗,以明確警情。通過對工作面頂?shù)装搴畬訑?shù)值模擬、物探數(shù)據(jù)處理,來明確工作面水害安全預(yù)警系統(tǒng)的警情。(2)工作面突水的警源尋找警源是分析警情產(chǎn)生的原因。根據(jù)警源產(chǎn)生的原因以及生成機(jī)制的不同,把警源分為自然警源、內(nèi)生警源和外生警源。含水層的富水性是發(fā)生工作面突水的內(nèi)在因素,它決定著突水水量的大小及突水量的動態(tài)變化特征;水壓力的存在是驅(qū)動含水層水流入礦井的動力;而頂?shù)装迤茐乃纬傻钠屏褎t是地下水得以流動的通路和咽喉;只有當(dāng)3者同時存在并達(dá)到某種特殊組合時,才能發(fā)生突水。(3)警源擴(kuò)散的警源警兆是警情爆發(fā)的先兆。在預(yù)警過程中,分析警兆是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。警兆可以是警源的擴(kuò)散,也可以是警源擴(kuò)散過程中其他相關(guān)的共生現(xiàn)象。通過對警源進(jìn)行分析或者根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗可以確定警兆,接著進(jìn)一步分析警兆與警情間的數(shù)量關(guān)系,找出相對應(yīng)的警區(qū),然后借助警區(qū)來預(yù)報警度。(4)專家和經(jīng)驗方法對警度的預(yù)報是預(yù)警過程中重要的環(huán)節(jié)。為了提高預(yù)報的精度,可以結(jié)合專家方法和經(jīng)驗方法。根據(jù)警兆相應(yīng)的變動區(qū)間,以及警情的警限或等級,運(yùn)用定性和定量方法,結(jié)合專家意見經(jīng)驗預(yù)報警度。2.3支持決策者應(yīng)充分考慮到預(yù)警分析不能得出正確結(jié)論的情況。設(shè)置輔助決策層,通過專家的咨詢服務(wù)系統(tǒng)輔助管理層決策。(1)經(jīng)驗評估根據(jù)以往積累的經(jīng)驗,通過相關(guān)分析,對監(jiān)測到的情況作出正確判斷。(2)此條目需要數(shù)據(jù)研究通過查詢專業(yè)書籍或相關(guān)資料作為參考,更好的輔助系統(tǒng)作出正確可靠的決策。(3)專家咨詢專家咨詢就是在預(yù)警過程中收集有關(guān)專家的意見,通過規(guī)范化程序,從中提取出最一致的信息,利用專家的知識、經(jīng)驗進(jìn)行正確的預(yù)警分析。2.4礦井突水防治應(yīng)用管理層主要是評價警情分析的結(jié)果,通過應(yīng)急預(yù)案,采取相應(yīng)的防范措施,并對發(fā)生的事故進(jìn)行討論,找出事故的誘因,避免再次發(fā)生類似的險情。工作面一旦發(fā)生突水后,應(yīng)立即查出突水水源。采用截流注漿防治礦井水害技術(shù),封堵井下突水口,以恢復(fù)被淹礦井。事故妥善解決后,要針對此次突水,討論誘發(fā)的原因及事故處理的經(jīng)驗教訓(xùn),完善應(yīng)急預(yù)案,避免事故的再次發(fā)生。3礦井工作面水害安全預(yù)警技術(shù)我國當(dāng)今煤炭生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻,礦井水害事故時有發(fā)生,特別是工作面頂?shù)装甯?/p>