宋吉曜（昆明煤炭設(shè)計研究院，云南　昆明　650000）

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煤礦突發(fā)水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

宋吉曜（昆明煤炭設(shè)計研究院，云南昆明650000）

煤炭資源為我國經(jīng)濟的高速發(fā)展提供了一定的動力，尤其是2010年以來煤炭的生產(chǎn)更是達到了一個新高度，隨著而來的安全問題也逐漸變的突出。煤礦的突發(fā)水災(zāi)害與其他事故有一定的區(qū)別，如果能對其提前進行預(yù)警，完全可以采取一定措施降低事故的損失或避免事故的發(fā)生。本文對突發(fā)水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計進行研究，分析突發(fā)水災(zāi)害的發(fā)生機理，進而建立一個監(jiān)測體系，使得煤礦的突發(fā)水災(zāi)害發(fā)生幾率以及造成的損失能減少到最低，為安全生產(chǎn)提供保障，為企業(yè)獲得經(jīng)濟效益。

煤礦突發(fā)水；災(zāi)害；預(yù)警系統(tǒng)；設(shè)計

煤炭是我國當前的主要能源，隨著綠色能源的提出，煤炭消耗可能會逐步降低，但是在未來一段時期內(nèi)，煤炭等化石能源仍然是能源消耗的主體部分。煤炭開采大多都是地下開采，瓦斯、水、火以及粉塵等因素都是煤礦安全生產(chǎn)的隱患因素。其中，水災(zāi)害造成的損失對煤礦事故來說占很大的比例，一旦發(fā)生水災(zāi)害，造成的損失是非常巨大的。據(jù)統(tǒng)計我國煤礦開采中突發(fā)水災(zāi)害造成的煤礦事故比例占到40%，突發(fā)水災(zāi)害具有破壞性大、救援較為困難等特點，并且當前針對煤礦事故的研究大多是救援方面的，但是，一旦發(fā)生事故，勢必會造成人員傷害以及經(jīng)濟損失，能挽回的損失僅僅占很小的比例。為此，我們可以采用科學(xué)的方式對事故進行預(yù)警，采取合理的防治措施，降低事故發(fā)生的幾率以及事故損失，為煤礦的安全生產(chǎn)保駕護航，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

1　煤礦突發(fā)水災(zāi)害發(fā)生原因分析

煤礦突發(fā)水災(zāi)害的產(chǎn)生主要受到地質(zhì)構(gòu)造、含水層、隔水層以及開采活動等因素影響。

1.1地質(zhì)構(gòu)造

煤礦突發(fā)水災(zāi)害的發(fā)生有很大原因都是由于煤礦開采區(qū)域的斷裂構(gòu)造造成的。地質(zhì)構(gòu)造的斷裂構(gòu)造主要表現(xiàn)為：①煤層底板受斷層構(gòu)造影響遭到破壞，使得煤層底板完整性大大折扣，并且底板隔水層抗壓能力大大降低；②斷裂構(gòu)造會造成煤層底板流水通道的出現(xiàn)，煤層底板導(dǎo)水性大大增加，一旦開采到該部位，突水事故發(fā)生的幾率大大增加；③斷層構(gòu)造的出現(xiàn)縮短了含水層與煤層的距離，部分或全部隔水層失去了隔水作用，引發(fā)了突發(fā)水災(zāi)害。

1.2含水層

含水層中水壓力及含水量的大小對突水事故的發(fā)生有一定的影響，水壓是底板突水現(xiàn)象的主要動力，高承壓水沖刷底板巖層的裂隙能夠向隔水層中不斷的滲水，一旦滲漏水通過導(dǎo)水通道接觸到煤層后，突發(fā)水災(zāi)害產(chǎn)生的幾率大大提升。含水層含水量突發(fā)水災(zāi)害水的主要來源，突發(fā)水災(zāi)害的用水量是由含水層中含水量大小決定的。

1.3底板隔水層

底板隔水層的作用是為了隔絕含水層與煤層，底板隔水層的抗壓與導(dǎo)水特性主要是由巖性以及隔水層厚度來確定，當隔水層抗壓能力大于含水層的水壓力時，煤礦一般不會發(fā)生突水事故。但是，當?shù)叵麻_采作業(yè)時，煤層與底板受開采時產(chǎn)生的破壞易產(chǎn)生破壞帶，破壞帶區(qū)域的隔水層隔水效果明顯降低，能發(fā)揮出阻隔作用還是完整的巖層。

1.4采空區(qū)積水

一些采空區(qū)的小井多，整合后地質(zhì)資料不清，如果盲目開采煤層，容易使上部采空積水潰入井下，導(dǎo)致突水事故。此外，采空積水瞬時水量大，持續(xù)時間短，并且伴有有毒氣體，易產(chǎn)生較大破壞。

1.5開采活動

開采活動引發(fā)的突水事故是上述三個因素某個或全部作用產(chǎn)生的，地下開采活動會造成煤層周圍巖層的壓力產(chǎn)生變化，進而含水層、隔水層等巖層之間的原有狀態(tài)發(fā)生變化，當變化達到極限時，原有平衡狀態(tài)會打破，嚴重時會造成突水事故的發(fā)生。

2　建立煤礦突發(fā)水災(zāi)害監(jiān)測指標

本文以大河煤礦為例進行介紹，大河煤礦位于云南省曲靖市富源縣大河鎮(zhèn)，井田南北展布，寬達3.34km，長為9.58km，礦區(qū)地勢西高東低。地下水源較為豐富并且水壓高，易滲入裂縫擴張，形成突發(fā)水事故。

通過對煤礦突水災(zāi)害原因進行分析，誘發(fā)突水事故的原因主要有斷層、含水層水壓、隔離層厚度等因素，我們對這些因素分析后選擇幾個重點指標作為煤礦突發(fā)水災(zāi)害監(jiān)測指標，如圖1所示。

圖1　

2.1地質(zhì)構(gòu)造指標

地質(zhì)構(gòu)造指標主要是指斷裂構(gòu)造的斷層、裂隙以及陷落柱等構(gòu)造，斷層在煤礦中巖層的一個弱面，易在斷層周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，斷裂帶周邊的巖體最先發(fā)生變形，對突水事故產(chǎn)生影響最大。綜合技術(shù)以及經(jīng)濟因素的影響，并且預(yù)測的模型自身也具有局限性，因此，我們選擇斷層落差作為預(yù)警系統(tǒng)的指標。

2.2含水層指標

含水層對突水事故的影響主要表現(xiàn)在含水量大小及水壓兩個方面，煤礦突水事故的水源主要來自與含水層的水。水壓則為突水事故的發(fā)生提供直接應(yīng)力，并且介質(zhì)巖的塑性變形范圍與水壓是成正比的。當塑性變形范圍不斷增加時，一定與導(dǎo)水斷層連接，形成了突發(fā)水災(zāi)害的導(dǎo)水通道。對于已經(jīng)確定的礦區(qū)來說，含水量多少是明確的，水壓的大小則各不相同，因此，煤礦突發(fā)水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測指標選擇含水層水壓來進行監(jiān)測。

2.3隔水層指標

底板隔水層誘發(fā)煤礦突發(fā)水災(zāi)害的影響因素比較多，有隔水層厚度以及巖性組合等。在相同條件下，隔水層厚度越大，煤礦突發(fā)水的幾率越低；反之，厚度越小，發(fā)生突水的幾率越大。隔水層的巖性組合影響著隔水層的強度大小，當前巖層強度較大時，隔水層的強度也越大，產(chǎn)生的阻隔作用也越大。通過對比，我們選擇隔水層厚度來作為煤礦突發(fā)水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測指標。

2.4開采活動指標

開采活動會對煤層及周圍巖層產(chǎn)生影響，在開采過程中，開采的深度對隔水層完整性的影響較大，當隔水層完整性受到影響后，隔水層的抗壓強度會發(fā)生變化，在達到一定程度后，會導(dǎo)致突發(fā)水現(xiàn)象的發(fā)生。同時，地下開采傾角以及斜長等也會對突水造成影響，工作面斜長會影響控頂面積，對礦山壓力造成影響。因此，本文選擇開采深度以及工作面斜長作為開采活動指標來進行監(jiān)測。

2.5突水征兆指標

對于煤礦突發(fā)水災(zāi)害來說，突水征兆也是突水事故的一個重要監(jiān)測指標。我們對監(jiān)測點進行監(jiān)測，查看是有無突水征兆及程度來判定指標大小。突水征兆主要表現(xiàn)為：煤層是否潮濕、是否滴水、工作區(qū)域能否聽見“棚哪”聲以及工作區(qū)域是否存在冒頂、片幫等現(xiàn)象。突水征兆在煤礦突發(fā)水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中是一個重要的監(jiān)測指標。

3　煤礦突發(fā)水災(zāi)害預(yù)警等級的劃分

3.1確定預(yù)警等級劃分指標

煤礦突水事故對企業(yè)造成的損失非常巨大，通常表現(xiàn)為破壞煤層、淹沒礦井等形式。對于經(jīng)濟損失來說，精確的預(yù)測突水量就可以有針對性的采取措施，幫助企業(yè)排查突水隱患，通過合理的處理措施，能夠幫助企業(yè)挽回一部分突水災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失。突水量作為監(jiān)測預(yù)警的指標對資源以及資金等造成的浪費較大，一些監(jiān)測點的突水量雖然較大，但是該區(qū)域的排水條件較好，能夠及時排出，造成的影響較小。在這種情況下，將突水量作為預(yù)警指標，勢必有些浪費資源。因此，我們不單將突水量作為預(yù)警的指標，還要將最大排水量作為預(yù)警指標進行劃分。

3.2劃分預(yù)警等級

劃分預(yù)警等級主要需要明確預(yù)警級數(shù)以及不同等級的指標值。我們針對煤礦突發(fā)水災(zāi)害的原因以及排水量等因素，將預(yù)警等級分為3級：安全、存在隱患以及將發(fā)生水災(zāi)害事故，分別采用綠燈、黃燈以及紅燈顯示。同時突水量以及最大排水量之間的關(guān)系來明確預(yù)警等級的劃分。突水量用Q代表，最大排水量用M代表，預(yù)警等級可以劃分為表1。

表1　預(yù)警等級劃分表

我們對煤礦突發(fā)水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中監(jiān)測點最大突水量以及最大排水量進行對比，然后依據(jù)預(yù)警等級對該監(jiān)測點的突水進行預(yù)警也是預(yù)警系統(tǒng)最終的輸出。監(jiān)測人員根據(jù)系統(tǒng)的輸出能夠及時制定突水事故的預(yù)防及處理措施，使得企業(yè)最終能夠降低煤礦突發(fā)水災(zāi)害的幾率，實現(xiàn)了降低經(jīng)濟損失的目標。

4　煤礦突發(fā)水災(zāi)害預(yù)警設(shè)計

4.1預(yù)測界面

預(yù)測界面包括監(jiān)測點的編號、所屬區(qū)域、經(jīng)緯度、最大突水量及排水量預(yù)警值。其中編號、區(qū)域、經(jīng)緯度以及排水量是錄入到預(yù)警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，在預(yù)測界面調(diào)出即可。預(yù)測界面如圖2所示。

圖2　

4.2預(yù)報界面

預(yù)報界面是對預(yù)測界面的顯示，通過對突水量及排水量關(guān)系的對比分析，預(yù)報界面可以根據(jù)預(yù)警等級對預(yù)測結(jié)果進行劃分等級，然后以綠、黃、紅三種指示燈顯示。預(yù)報界面僅需顯示預(yù)報等級及預(yù)測突水量兩個信息。

4.3事后錄入

突水事故發(fā)生后要對水災(zāi)害的信息進行錄入，監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入是對預(yù)測數(shù)據(jù)的錄入，突水事故災(zāi)害事后錄入的信息則是監(jiān)測周期結(jié)束夠?qū)⒈O(jiān)測信息錄入到系統(tǒng)的過程，使得預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠進行更新，如圖3所示。

圖3　

如圖3所示，事后錄入界面主要是監(jiān)測點編號、時間、是否突水以及最大突水量。

5　總結(jié)

煤礦突發(fā)水災(zāi)害能夠提前進行預(yù)測，進而采取相應(yīng)的措施能大大降低突發(fā)水災(zāi)害造成的損失。

（1）對煤礦的突發(fā)水產(chǎn)生原因進行分析，然后針對主要因素（含水層水壓、隔水層厚度及開采深度等）建立監(jiān)測指標，然后建立起煤礦突發(fā)水災(zāi)害預(yù)測體系，并通過對煤礦個體的實驗，該監(jiān)測預(yù)警體系精確度較高，能夠應(yīng)用到煤礦的突發(fā)水災(zāi)害監(jiān)測當中。

（2）結(jié)合煤礦突發(fā)水預(yù)警體系及預(yù)報等級，我們可以結(jié)合計算機軟件來設(shè)計預(yù)警系統(tǒng)，主要是由預(yù)測及預(yù)報來完成，具有較好的操作性以及有效性，能夠在煤礦中進行推廣應(yīng)用。

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宋吉曜（1966-），男，工程師，主要從事煤礦采掘技術(shù)、地測防治水管理、煤礦項目設(shè)計及基建工程管理等工作。

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2095-2066（2016）11-0025-02

2016-3-8