CN105179014A - 煤矿突水灾害预警方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种煤矿突水灾害预警方法与装置，该方法是根据开采煤层特征，将开采区域分为开采煤层、监测层和预警层，在预警层施工监测孔，安装预警装置，同时监测水压、水质和水温数据。预警装置包括传感装置和电源存储报警装置，所述的传感装置与电源存储报警装置通过传输导向管连接；所述的传输导向管设置在钢管套中，传感装置设置在密封装置中；所述的传感装置包括水压传感器、水质传感器和温度传感器；所述的电源存储报警装置包括用于处理数据的处理器，与处理器相连的电源模块和存储器；所述的处理器还连接有报警器。

Description

煤矿突水灾害预警方法和装置
技术领域
本发明涉及煤矿水害防范技术领域，具体是一种煤矿突水灾害预警方法和装置，针对煤层开采时捕获、识别水害事故发生的前兆信息。
背景技术
我国煤矿床水文地质条件复杂，特别是岩溶水经常突入矿坑危害生产安全，华北型煤田下组煤（太原组煤）开采，普遍受到煤系地层基底奥灰承压含水层的威胁。煤矿底板水害不同于顶板水害，顶板水害问题主要涉及煤层开采覆岩移动，重点是查明采矿覆岩破坏波及的范围，即破坏性影响区范围。煤矿底板突水具有富水性强、水压大、隐伏性强、难预报的特点，危害极为严重，往往造成淹井的后果。焦作、峰峰、淄博、肥城、淮北等矿区开采受底板水威胁煤层已有40余年的历史，开采实践表明威胁最大的为奥陶系岩溶含水层，煤层底板薄层灰岩若因陷落柱或断层影响受到奥陶系含水层补给，则开采危险性更大，实践表明80%以上的底板突水事故是由构造破碎带引起的，所以导水、突水通道研究是防治底板水害的关键问题之一。目前对具有重大突水危险性含水层（即本发明中预警层）的突水监测都是采用钻孔直接打到预警层，且只监测水压值，并不能做到有效的实时监测，而且由于只监测预警层，水压几乎不变，监测值没有对比数据，无法确定监测值阙值，所以起不到预警作用，也就无法实现突水报警。
煤层开采过程中，奥灰水通过采动裂隙、构造破碎带涌入采掘空间过程中会经过石炭二叠系地层底部的薄层石灰岩岩溶含水层或砂岩孔隙裂隙含水层，同时由于奥灰水压大、富水性强、水质矿化度高、水温高的特点，奥灰与薄层石灰岩岩溶含水层或砂岩孔隙裂隙含水层的水文地质特征有较大的差异，此差异可以作为底板突水监测预警的重要依据。所以最具威胁性的底板含水层为预警层，预警层与煤层之间赋存稳定的含水层为监测层，监测层与预警层有较大的水文地质差异。煤矿底板突水监测预警工作过程中，在煤层开拓巷道施工监测孔，监测孔中埋设预警装置，预警装置具有识别水温、水压、水质变化的传感器，有一项指标发生显著改变时，传感器将突变信号传递给报警器，报警器进行报警，实现煤矿底板突水监测预警。
发明内容
本发明的目的在于克服目前现有技术的缺点，提供一种底板突水监测预警新方法和新设备，该方法可以实时监测采煤工作面或更大范围的含水层水温、水压、水质的动态变化，可以提前几天或提前几小时对可能突水的地点作出准确的预警预报，监测点可在构造破碎带附近加密布置，由于监测孔并不揭露高压奥陶系灰岩水，所以施工简单、方便；在监测孔安置的预警器具有识别水压、水质和水温变化的实时监测功能，为水压、水质和水温三个传感器的结合体，监测技术可行。本方法在空间和时间上对底板突水进行有效监测预警，可以有效防止底板大流量、灾难性的突水事故发生。
本发明采用的技术方案：一种煤矿突水灾害预警方法，包括以下步骤：
S1：确定开采煤层最具威胁的煤层充水含水层，将此含水层确定为预警层：如果对某一层含水层的矿井涌水量预计值超过60m3/h，则此含水层可以设定为预警层；如果煤层充水含水层中最具威胁的含水层为厚层灰岩含水层，则确定此厚层灰岩含水层为预警层，如果煤层充水含水层中最具威胁的含水层为厚层灰岩含水层和薄层灰岩含水层或多层含水层，则确定此两层或多层含水层均为预警层；
S2：确定预警层与煤层之间监测层：如果预警层为厚层灰岩含水层，则监测层为砂岩含水层或薄层灰岩含水层；如果预警层为厚层灰岩含水层，则监测层为砂岩含水层；
S3：确定监测孔施工位置：监测孔施工位置位于掘进工作面或采掘工作面，优先在工作面内的断层上盘和岩溶陷落柱周边布置监测孔，如工作面内无断层和陷落柱等构造破碎带，则将监测孔布置在监测层与预警层层间距相对较小的位置区域；
S4：在井下煤层开采的石门、运顺或轨顺等巷道中施工监测孔：1、施工第一段孔径Φ170mm，钻进10m，下入第一层套管10m，套管管径Φ146mm，第一层套管与钻孔之间进行封闭高压注浆，下入的第一层套管即为孔口管；2、施工第二段孔径Φ130mm，钻进监测层顶界面，下入第二层套管，套管管径Φ108mm，第二层套管与钻孔、第二层套管与第一层套管之间进行封闭高压注浆；3、施工第三段为裸孔段，不再下入套管，孔径Φ91mm，钻进至监测层底界面停止；
S5：在监测孔中安装预警装置，预警装置监测监测层中水压、水质和水文指标，若其中某一项指标发生变化，则在监测孔处发出报警信号，并通过传输系统将报警信号传至地面，停止生产进入突水预警状态；
S6：在构造破碎带附近加密布置预警装置，在开采区域形成预警网进行全方位预警；同时在非开采区域施工监测孔并埋设预警装置，形成多指标实时水文地质监测网。
一种煤矿突水灾害预警装置，包括传感装置和电源存储报警装置，所述的传感装置与电源存储报警装置通过传输导向管连接；所述的传输导向管设置在钢管套中，传感装置设置在密封装置中；所述的传感装置包括水压传感器、水质传感器和温度传感器；所述的电源存储报警装置包括用于处理数据的处理器，与处理器相连的电源模块和存储器；所述的处理器还连接有报警器。
本发明的有益效果：根据煤层的特征划分开采煤层、监测层和预警层，并通过在监测层施工监测孔的方法设置预警装置，每个预警装置都可以实时监测所在位置的水压、水质和水温数据，当某一项指标发生显著改变时，将突变信号传给报警器进行报警，矿井进入突水戒备状态。通过监测监测层的水压、水质和水温数据，能够更早地发现突水现象。
附图说明
图1是本发明预警装置安装示意图；
图2是本发明预警装置结构示意图；
图3是本发明预警装置原理框图；
图中，1.水压传感器，2.水质传感器，3.温度传感器，4.密封装置，5.钢管套，6.传输导向管，7.电源模块，8.存储器，9.处理器，10.报警器，11.隔离板。
具体实施方式
为了进一步表述本发明技术方案的细节及其优点，现结合附图和实施例进一步说明。
如图1所示，一种煤矿突水灾害预警方法，包括以下步骤：
S1：确定开采煤层最具威胁的煤层充水含水层，将此含水层确定为预警层：如果对某一层含水层的矿井涌水量预计值超过60m3/h，则此含水层可以设定为预警层；如果煤层充水含水层中最具威胁的含水层为厚层灰岩含水层，则确定此厚层灰岩含水层为预警层，如果煤层充水含水层中最具威胁的含水层为厚层灰岩含水层和薄层灰岩含水层或多层含水层，则确定此两层或多层含水层均为预警层；
S2：确定预警层与煤层之间监测层：如果预警层为厚层灰岩含水层，则监测层为砂岩含水层或薄层灰岩含水层；如果预警层为厚层灰岩含水层，则监测层为砂岩含水层；
S3：确定监测孔施工位置：监测孔施工位置位于掘进工作面或采掘工作面，优先在工作面内的断层上盘和岩溶陷落柱周边布置监测孔，如工作面内无断层和陷落柱等构造破碎带，则将监测孔布置在监测层与预警层层间距相对较小的位置区域；
S4：在井下煤层开采的石门、运顺或轨顺等巷道中施工监测孔：1、施工第一段孔径Φ170mm，钻进10m，下入第一层套管10m，套管管径Φ146mm，第一层套管与钻孔之间进行封闭高压注浆，下入的第一层套管即为孔口管；2、施工第二段孔径Φ130mm，钻进监测层顶界面，下入第二层套管，套管管径Φ108mm，第二层套管与钻孔、第二层套管与第一层套管之间进行封闭高压注浆；3、施工第三段为裸孔段，不再下入套管，孔径Φ91mm，钻进至监测层底界面停止；
S5：在监测孔中安装预警装置，预警装置监测监测层中水压、水质和水文指标，若其中某一项指标发生变化，则在监测孔处发出报警信号，并通过传输系统将报警信号传至地面，停止生产进入突水预警状态；
S6：在构造破碎带附近加密布置预警装置，在开采区域形成预警网进行全方位预警；同时在非开采区域施工监测孔并埋设预警装置，形成多指标实时水文地质监测网。
一种煤矿突水灾害预警装置，包括传感装置和电源存储报警装置，所述的传感装置与电源存储报警装置通过传输导向管6连接；所述的传输导向管6设置在钢管套5中，传感装置设置在密封装置4中；所述的传感装置包括水压传感器1、水质传感器2和温度传感器3；所述的电源存储报警装置包括用于处理数据的处理器9，与处理器9相连的电源模块7和存储器8；所述的处理器9还连接有报警器10。处理器9通过隔离板11与电源模块7和存储器8隔离。
其中，所述的处理器9通过隔离板11与电源模块7和存储器8隔离。
所述的水压传感器采用PROTRAN系列PR3860型高温平膜压力变送器。
所述的水质传感器采用AquaTROLL400水质传感器。
所述的温度传感器采用TP21PT100热电阻温度传感器。
所述的处理器9和存储器8均连接有用于通讯的数据接口。
在本实施例中，步骤S4中高压注浆使用的是水泥砂浆，步骤S5中监测阈值的设定方法包括以下步骤：
S51：水压阈值设定，根据矿井对预警层含水层的水文地质勘探资料绘制水压等值线图，在预警层水压等值线上找到预警装置位置，将相应位置的预警装置水压阈值设置为监测层该位置水压值；
S52：水质阈值设定，主要为水离子浓度阈值确定，首先对监测层和预警层水质进行全分析，获得全分析数据，然后对比监测层和预警层的水质全分析中离子浓度差异，找出浓度差异最大的离子成分作为重点监测离子，分别测定监测层和预警层重点监测离子浓度，以预警层中重点监测离子浓度范围的下限值和监测层中重点监测离子浓度范围的上限值的中间值作为水离子浓度阙值；例如，华北型深部煤层开采受到奥陶系灰岩岩溶水威胁，奥陶系灰岩岩溶水与煤层之间存在薄层灰岩预警层，此时预警层与监测层的水的主要区别为硫酸根离子，奥陶系岩溶含水层（预警层）硫酸根离子含量较高，而薄层灰岩含水层（监测层）硫酸根离子含量较低，所以可以选择针对硫酸根离子监测的溶质传感器，将硫酸根离子作为重点监测离子。
S53：水温阈值设定，获取全矿井监测层和预警层的水温数据，确定监测层和预警层各自的水温变化范围，以预警层水温下限值和监测层水温上限值的中间值作为水温阈值。
本发明的原理如下：华北型煤田石炭二叠系底部存在下组煤（深部煤层），下组煤开采普遍受到来自深部奥陶系石灰岩含水层的突水威胁；下组煤与奥灰含水层之间存在一定厚度的隔水层，此隔水层实际上是由一系列泥岩层、泥质砂岩层、砂纸泥岩层、薄层灰岩裂隙含水层、砂岩孔隙裂隙含水层等组成。奥灰水通过隔水层进入到下组煤采掘空间过程中，势必会经过薄层灰岩裂隙含水层和砂岩孔隙裂隙含水层，由于奥灰水的水压、水质、水温与薄层灰岩裂隙含水层、砂岩孔隙裂隙含水层的有显著差异，奥灰水压高（3-10MPa）、矿化度高（2000-6000mg/L）、水温高（30-40℃），所以本发明的预警方法为在薄层灰岩裂隙含水层或砂岩孔隙裂隙含水层中埋设预警器，多个预警器形成预警网，通过预警网的水压（水头）、水质、水温的变化来判断奥灰向上导升位置，对奥灰向上导升这一过程进行预警预报。
目前的监测手段是采用钻孔直接打到预警层，且只监测水压值，并不能做到有效监测，本发明的煤矿突水灾害预警方法根据煤层的特征划分开采煤层、监测层和预警层，在监测层施工监测孔放置预警装置，这样比直接钻孔打到预警层监测指标更实时和精细，使用范围更广泛。

Claims (10)

1.一种煤矿突水灾害预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定开采煤层最具威胁的煤层充水含水层，将此含水层确定为预警层：如果对某一层含水层的矿井涌水量预计值超过60m3/h，则此含水层可以设定为预警层；如果煤层充水含水层中最具威胁的含水层为厚层灰岩含水层，则确定此厚层灰岩含水层为预警层，如果煤层充水含水层中最具威胁的含水层为厚层灰岩含水层和薄层灰岩含水层或多层含水层，则确定此两层或多层含水层均为预警层；
S2：确定预警层与煤层之间监测层：如果预警层为厚层灰岩含水层，则监测层为砂岩含水层或薄层灰岩含水层；如果预警层为厚层灰岩含水层，则监测层为砂岩含水层；
S3：确定监测孔施工位置：监测孔施工位置位于掘进工作面或采掘工作面，优先在工作面内的断层上盘和岩溶陷落柱周边布置监测孔，如工作面内无断层和陷落柱等构造破碎带，则将监测孔布置在监测层与预警层层间距相对较小的位置区域；
S4：在井下煤层开采的石门、运顺或轨顺等巷道中施工监测孔：1、施工第一段孔径Φ170mm，钻进10m，下入第一层套管10m，套管管径Φ146mm，第一层套管与钻孔之间进行封闭高压注浆，下入的第一层套管即为孔口管；2、施工第二段孔径Φ130mm，钻进监测层顶界面，下入第二层套管，套管管径Φ108mm，第二层套管与钻孔、第二层套管与第一层套管之间进行封闭高压注浆；3、施工第三段为裸孔段，不再下入套管，孔径Φ91mm，钻进至监测层底界面停止；
S5：在监测孔中安装预警装置，设置预警装置监测阈值，监测层中水压、水质和水温指标，若其中某一项指标发生变化，则在监测孔处发出报警信号，并通过传输系统将报警信号传至地面，停止生产进入突水预警状态；
S6：在构造破碎带附近加密布置预警装置，在开采区域形成预警网进行全方位预警；同时在非开采区域施工监测孔并埋设预警装置，形成多指标实时水文地质监测网。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿突水灾害预警方法，其特征在于：步骤S3中高压注浆采用的是水泥砂浆。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿突水灾害预警方法，其特征在于：步骤S5中监测阈值的设定方法包括以下步骤：
S51：水压阈值设定，根据矿井对预警层含水层的水文地质勘探资料绘制水压等值线图，在预警层水压等值线上找到预警装置位置，将相应位置的预警装置水压阈值设置为监测层该位置水压值；
S52：水质阈值设定，主要为水离子浓度阈值确定，首先对监测层和预警层水质进行全分析，获得全分析数据，然后对比监测层和预警层的水质全分析中离子浓度差异，找出浓度差异最大的离子成分作为重点监测离子，分别测定监测层和预警层重点监测离子浓度，以预警层中重点监测离子浓度范围的下限值和监测层中重点监测离子浓度范围的上限值的中间值作为水离子浓度阙值；
S53：水温阈值设定，获取全矿井监测层和预警层的水温数据，确定监测层和预警层各自的水温变化范围，以预警层水温下限值和监测层水温上限值的中间值作为水温阈值。
4.一种煤矿突水灾害预警装置，其特征在于：包括传感装置和电源存储报警装置，所述的传感装置与电源存储报警装置通过传输导向管（6）连接；所述的传输导向管（6）设置在钢管套（5）中，传感装置设置在密封装置（4）中；所述的传感装置包括水压传感器（1）、水质传感器（2）和温度传感器（3）；所述的电源存储报警装置包括用于处理数据的处理器（9），与处理器（9）相连的电源模块（7）和存储器（8）；所述的处理器（9）还连接有报警器（10）。
5.根据权利要求3所述的一种煤矿突水灾害预警装置，其特征在于：所述的处理器（9）通过隔离板（11）与电源模块（7）和存储器（8）隔离。
6.根据权利要求3所述的一种煤矿突水灾害预警装置，其特征在于：所述的水压传感器采用PROTRAN系列PR3860型高温平膜压力变送器。
7.根据权利要求3所述的一种煤矿突水灾害预警装置，其特征在于：所述的水质传感器采用AquaTROLL400水质传感器。
8.根据权利要求3所述的一种煤矿突水灾害预警装置，其特征在于：所述的温度传感器采用TP21PT100热电阻温度传感器。
9.根据权利要求3所述的一种煤矿突水灾害预警装置，其特征在于：所述的处理器采用ATmega8535AVR单片机。
10.根据权利要求3所述的一种煤矿突水灾害预警装置，其特征在于：所述的处理器（9）和存储器（8）均连接有用于通讯的数据接口。
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