礦井老空水實時監測系統的建立研究

吳銘渝 曾旺

作者簡介：吳銘渝（1997-），女，福建泉州人，碩士，中國地質大學（武漢），研究方向：安全科學與工程;曾旺（1968-），男，湖南益陽人，中國冶金地質總局中南局安全生產處處長，教授級高級工程師，研究方向：安全生產管理與巖土施工。

摘 要：老空水是礦井水災事故的最主要原因之一。對老空水的補徑排條件和危害進行研究，選取監測指標與方法，通過建立老空水實時監測系統，能對采空區內積水實現較好的監測，實時捕捉突水發生的前兆信息，從而最大限度地避免老空水害的發生，保證礦井的開采安全。

關鍵詞：礦井;老空水;監測

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.11.089

老空水是指在被廢棄礦井和采煤空間中的積水，因礦井已停止開采，這部分積水無法自動排出，只能聚集在采空區內。老空水是礦區淺部采礦常見的充水水源，是透水事故發生、威脅礦井安全生產的主要原因之一，占近年來我國較大水害事故起數和死亡人數比例80%以上。建立針對老空水的監測系統，對采空區進行實時監測，及時發現工作面巷道老空水分布情況，對老空水害的預警與防治有重要意義。

1 老空水的補徑排與危害

老空水的補給可來自于大氣降水直接滲漏灌滿，也可來自于地下水，地下水類型如砂巖水、斷層水等，通過巷道直接溝通或采動裂隙帶、導水斷層、裂隙等通道，長期滲透積累或巖溶淹沒，或通過相互連通的相鄰采空區溝通。因其存在于廢棄的采礦空間內，不具備自動排出的能力，需要人工疏干。老空積水多分布于礦體淺埋處，開采深度大多數為100m上下，個別可達200m。

老空水害是礦井水害事故的主要類型，尤其在一些開采歷史較久遠的礦區是不可輕視的充水水源。當工作面接近采空區，老空水可能以潰入、滲水、滴水的方式進入礦井。如陽新縣鵬凌礦業有限公司趙家灣銅礦（一礦帶），1998年以前曾有數家業主在-135m中段以上對Ⅰ號礦體開采，共開拓了8條斜井，采空區體積約99500m3。在開采-225m、-265m、-305m、-345m中段時，由于-193m中段已經開采完的Ⅳ號采空區未疏干的積水存在較高的地下水壓，于2004年6月16日在-193m中段水平巷道滲水點發生了重大突水事故。本次突水造成了11人死亡，為重大惡性事故，并導致礦山至今處于淹沒狀態。老空水害的主要特點有：

（1）具有分布復雜性，在礦層本身分布不規律和外應力的作用下，采空區的空間分布難以判斷，老空水的邊緣、積水形狀也難以判斷，其分布分散、孤立、隱蔽。

（2）具有水體復雜性，一些特殊地巖石如沉凝灰巖、遇水會膨脹或軟化的粘土巖、遇水會崩解的泥質砂巖等，都會讓積水體內沉淀多種泥沙和巖塊，導致積水情況復雜。由于采空區中煤層及頂底板巖層中黃鐵礦的氧化作用，老空水可以成為酸性較強的積水，在突水時有時會同時伴隨有毒有害氣體H2S、CO2、CH4逸出，水的酸性對井下金屬設施同樣有腐蝕作用。

（3）具有空間動態性，以靜儲量如為主、動水補給為輔，總水量有限。

（4）具有突發性，一旦采掘工程意外接近或揭露采空區，水體導通，就會發生突水，水量集中且水勢兇猛。若老空水與其他水體無水力聯系，涌水量雖然很大，但持續時間不長，容易疏干;若與其他水體有水力聯系，可形成量大而穩定的涌水量，對礦山生產危害甚大。如當地表降水可對老空水形成直接補給時，降水通過采空區下滲至礦井，涌水量會迅速增大，造成淹井事故發生。

2 老空水的監測指標選取

2.1 水位、水壓、水量

水位和水壓是在礦井監測體系中廣泛選用的指標，便于測量監控，且在預測突水的可能性研究中有很好的可靠性。正常情況下，地下水的動態變化相對穩定;而一旦水力聯系發生改變，突水位置附近同一含水層或存在聯系的相鄰含水層的水位、水壓及水量方面會發生變化，水位逐步上升或下降，而水壓明顯減少時涌水量會明顯增大，反之亦然。采空區的積水通過裂隙或斷層等通道進入礦井或突入隔水層時，其水位、水壓和水量會有所反映，預示有發生突水的可能性。同時，對水量的監測也有助于明確本采空區內的水量多少，在后期進行老空水探放時做好準備。

2.2 水溫

在礦井向深處開采過程中，不同深度、不同水源補給條件、不同含水層的水溫都有著差異。地下水向工作面滲透時，圍巖的溫度也會受到影響。但當含水層距離礦層較近時，該含水層的水溫與礦井正常涌水的水溫較接近，用以判斷突水的準確性較低，不如水位和水量來得精準。當采空區積水受到充水水源補給，其溫度可能會出現較明顯的變化，對水溫進行監測，可以及時了解老空水的補給變化情況。

2.3 水化學指標

不同地層深度的水文化學環境大不相同，發生在不同地層的水巖相互作用也大不相同。地下水的水化學成分往往呈現出明顯的水平或垂直分帶分布特征，由于隔水層的存在，礦井中各含水層的水化學特征也往往有獨立性。常用的水化學指標有離子成分、TDS與硬度和pH數值，此處選用離子成分和pH數值作為監測指標。

（1）離子濃度。地下水中溶解有氣體、各類常見元素和微量元素的離子，一般分布含量最多的離子成分包括Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。而不同地層地下水的由于各地水文地質條件的區別，在選用水化學的離子指標時應先進行有效性驗證，對礦區的水樣取樣后統計水樣中各離子濃度的數據，判斷哪個離子的區分性、有效性好，且易于驗證分析，作為老空水監測體系的監測指標。

（2）pH。不同含水層的pH存在一定差異，但這種差異不具有區分度，難以量化，在以往的礦井地下水監測系統中很少作為指標之一。但老空水的pH值和其他含水層的pH值差異較大，如羅立平在分析淮南煤田新區和老區的老空水水化學特征時，發現老空水因充水水源與其他含水層不同，pH值有著較明顯的區別。因此，當前期調查表明老空水和其他含水層的pH區別較大，pH可以作為監測指標，根據這個差異對老空水進行監測。

2.4 巖石力學指標

采空區突水發生的主要原因是動力影響，在突水事件發生前，周圍巖體因外力施加而失穩或裂隙發育成導水通道，都會出現破裂、運動和微震的現象。通過監測巖體的巖石力學指標，可以及時捕捉到突水發生的前兆信息，從而做好預警和防護工作。常見的巖石力學指標有應力、巖層位移和微震，此處選用應力和微震作為監測指標。

（1）應力。

應力的集中與釋放會影響巖層的穩定性，而應力、應變也能夠反應巖層的破壞程度。當巖層的破壞程度越大，造成的裂隙越多，可形成的導水通道也越多，從而更容易導致突水的發生。在突水即將發生前，巖石的應力和應變會發生突變，即應力達到峰值。應力的變化明顯且易于監測捕捉，是礦井突水監測預警的有效指標。

（2）微震。

當巖體被外力破壞時，會發生應力集中和能量累積。能量積累到極限就會以波的形式釋放出來，引起巖體震動。多項研究表明，采動應力和地下水的共同作用會引發微震。而涌水量的增大往往也伴隨微震事件數量和微震能量釋放變化幅度的增大。在監測微震活動后，采用巖層應力理論和數學統計的分析方法對巖體微震的活動規律進行研究，計算微震事件的能量和頻次曲線，得到能量釋放率ξ和能量密度ε。能量釋放率可以作為分析微震活動強度發展變化的依據，當能量釋放的頻率高且密集時，就極有可能發生突水;而能量密度可以作為量化微震活動強弱程度的依據。

3 老空水的監測方法

3.1 傳感器監測法

傳感器目前廣泛應用于礦山地下水的水文地質監測中，經過多年的改進換代，如今的傳感器具有準確度高、穩定性好、可靠性優的優點，防水、抗腐蝕、抗干擾能力強，能夠適應各種各樣的水文監測環境。在井下采空區、富水層等位置布置水位、水溫、應力應變傳感器，可以對老空水的水位、水溫、應力應變實現實時在線監測;布置水質傳感器，經離子分析儀快速測定離子指標與pH數值。傳感器在自動采集數據后，存儲、傳輸至監測中心，便于統計分析。針對各種傳感器品種多樣導致的通信協議不規范、不兼容、難以集中管理的問題，可以采用技術手段將傳感器系統與局域網絡集成，如黑龍江某礦使用光纖傳感的技術手段集成傳感監測系統，以光纖通信技術為平臺，實現對老空水的遠距離、大容量、多通道的實時監測。

3.2 物探法

物探法在礦山地下水探測中應用較廣，具有較高的經濟性和工作效率。傳統的物探法包括激電法、放射法、核磁共振法等，這些方法將探尋地下礦物的方法用于地下水監測勘測，需要經過對物探曲線的詳細分析和結合現代信息傳感、信號處理技術，才能解決物探儀器觀測結果多解的困難。以下介紹兩種已應用于老空水監測的物探方法：

（1）地下磁流體法利用天然的大地電磁場為探測源，依靠不同地層對電磁波的不同耦合特征，來進行地質構造判斷。地下磁流體法所得到的電磁波信息具有唯一性，即對地下水和采空區有唯一識別功能，可以對采空區的所處位置以及是否塌陷、是否存在積水進行判斷，并大致估算老空水的水量。該方法具有深度大、周期短、效率高、精確度高、安全性高、成本低的特點，可以在地面直接進行。岳金華使用該法對礦井進行水害監測，在采礦過程中對老空水害實施監測，大大減少了傳統物探方法需要的人力物力，根據監測數據做好水害預警。

（2）礦井并行電法技術屬于激電法的一種，以巖體介質的導電性差異為物理基礎，通過天然存在或人工建立條件下電場的分布來研究礦井地質構造。當地質構造發生變化，介質的電性也會發生變化。通過對電性的分析，可以推測出監測點的地質構造特征、富水性等情況，從而推斷出礦下哪處區域存在已采掘的舊巷和空洞、存在老空水。該技術方法自動化程度和施工效率高，由于采用并行采集技術，保證各電極點在電廠環境完全相同的情況下采集數據，相比傳統的電法技術提高了信號保真度和地質情況分辨能力?；糁菅厦旱V采用該法通過實時對井下施工巷道跟蹤探測，采集數據后分析，最終預測巷道前方和頂、底板的地質構造及富水情況，一旦出現老空水水害變化，及時向檢測人員發送結果信息，做出對策。

3.3 微震電磁耦合監測法

微震電磁耦合技術對巖體的微震活動和因震動造成水體變化時而產生的電磁脈沖信號進行監測，結合微震與電磁波變化，監測生產活動對巖層的影響。該方法在井下采空區布置探頭，實時采集微震與電磁數據，采用微震能量、頻次分析的方法分析是否有微震異常，若發現有異?；顒?，便對實時統計得到的能量、頻次和能量釋放率ξ、能量密度ε結合分析，研究微震活動性的發展變化，綜合微震狀況與實際水位地質條件，分析突水發生的原因和可能性，以便采取有效措施解決問題。

4 老空水實時監測系統的建立

老空水實時監測系統應當能對當前礦井采空區內的水壓、水位、水溫、水量、水化學指標和巖石力學指標動態的變化情況進行實時測量，為老空水害的預警和防治工作提供可靠的依據，系統的設計思路如圖1所示。

系統由主站及若干井下分站構成。主站位于地面的監控中心，可直接將井下監測得到的數據顯示在屏幕上，并通過中心計算機處理、分析數據，采用圖形化的表現形式將數據整合展示，便于用戶分析研究。數據經處理，主站將數據發送至數據服務器，由數據服務器進行保存。根據需要生成相關的年月日報表、數據曲線，進行水文地質數據資料管理及打印輸出結果，方便歷史數據的對比研究。用戶在主站設置監測閾值條件，控制數據采集，可以選定任意觀測點進行重點監測。若監控的區域狀況達到設置的閾值條件，系統自動發出警報，同時向預先指定的客戶端發送報警信息。

子站按照礦井實際情況設置在井下采空區。在井下布置傳感器、離子快速分析儀、探針探頭等信號探測設備，子站的探測裝置負責接收探測得到的信息，既可將信息通過井下通信線路、光線線路、通訊模塊在光電信號轉換后發送至主站，也可通過現場總線電纜與其他探測裝置連接。地面監控中心則通過遠程有線通信網絡系統對井下子站進行有效控制，實時監測并記錄數據。

5 結語

老空水害作為威脅礦井安全生產的重要因素之一，一直是礦井水害預警和防治的重點。通過研究老空水的補徑排條件與危害，抓住老空水的特點，正確選取監測指標和方法，建立老空水實時監測系統，能對采空區內積水實現較好的監測，實時捕捉突水發生的前兆信息，從而最大限度地避免老空水害的發生。

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