CN110410149B

CN110410149B - 一种实时自动监测煤矿老空水水情的装置及方法

Info

Publication number: CN110410149B
Application number: CN201910677896.XA
Authority: CN
Inventors: 刘钦; 牛小红; 冯国瑞; 郭森林; 韩艳娜; 崔家庆; 宋诚; 姜海纳; 赵德康
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: CN110410149A

Abstract

本发明公开一种实时自动监测煤矿老空水水情的装置及方法。该装置包括钢管、钢套、钢板A和钢板B、测试元件、信号接收器和控制器；在钢管外侧表面上设有压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计、ORP计，这些测试元件分别与信号接收器连接，由信号接收器传递给控制器；钢管和钢套之间设有环形空腔，上述测试元件位于该空腔内，钢管和钢套为等高的圆筒且二者同轴，在钢管和钢套的顶部设有钢板A，在钢管和钢套的底部设有钢板B；在钢套与钢板的表面均匀分布着矿井水穿入孔，在钢板上设有接线孔。本发明能够实时并自动地监测老空水水情，还可以人工设定监测时间，具有效率高、抗干扰能力强、工程量小和费用低等优点。

Description

一种实时自动监测煤矿老空水水情的装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿老空水水情监测装置及方法，具体涉及一种实时自动监测煤矿老空水水情的装置及方法，属于煤矿安全开采技术领域。

背景技术

矿井水害是矿井五大灾害之一，它对矿井造成的破坏仅次于瓦斯，排名第二。矿井水害类型可以分为顶板水害、底板水害、老空水害、断层及陷落柱水害和封闭不良钻孔水害，其中老空水水害是目前威胁煤矿安全生产的主要水害类型。煤矿采煤完成后，会在井下留下大量的废弃巷道和采煤空间，此时由于矿井停止排水，会在采空区内集聚大量的地下水，这种水称为老空水。老空水具有突发性，一旦通过裂隙通道导通水体，会有大量积水突然溃出，并常常伴有有毒有害气体溢出，极易造成财产损失和人员伤亡。如2012年山西洪洞县陆合集团基安达煤矿发生透水事故造成8人死亡，这一事故就是由于老空水水压增大并从底板溃出而造成的。

防治老空水水害的基本方法是探放水，探放水包括探水和放水两部分，即先用地球物理勘探的方法查明水体的具体空间位置和状况，再通过合理留设煤岩柱和钻孔疏放方法将老空水进行隔离和疏放，以预防水害的发生。目前探水方法中较为成熟的有物探、钻探、瞬变电磁和三维地震等。但这些方法存在效率低、抗干扰能力弱、工程量大及费用高昂等缺点，从而大大地限制了它们的广泛使用。因此，目前亟需一种新型的老空水水情监测的装置与方法，以弥补上述探水方法中存在的不足。

发明内容

本发明旨在提供一种实时自动监测煤矿老空水水情的装置及方法，对老空水进行实时的自动监测，探测方法方便快捷、效率高、价格低廉，可以用来有效预防老空水水害，保证矿井生产安全。

本发明提供了一种实时自动监测煤矿老空水水情的装置，包括钢管、钢套、钢板A和钢板B、压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS（总溶解固体）测试计、ORP计（氧化还原电位计）、信号接收器和控制器。

在钢管外侧表面上设有压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS（总溶解固体）测试计、ORP计（氧化还原电位计），这些测试元件在钢管外表面交错排列并分别与信号接收器连接，由信号接收器接收信号并传递给控制器进行数据处理；

钢管和钢套之间设有环形空腔，上述测试元件位于该空腔内，钢管和钢套为等高的圆筒且二者同轴，在钢管和钢套的顶部设有钢板A，在钢管和钢套的底部设有钢板B，钢板A、钢板B、钢管和钢套均同轴；在钢套与钢板的表面均匀分布着小圆孔，作为矿井水穿入孔，便于测试元件的监测，且钢板和钢套上的小圆孔彼此交错排列；在钢板上还分布有一大圆孔，作为接线孔，用于信号接收器与控制器之间的有线连接。

进一步地，钢管、钢套和钢板均为不锈钢材料，不易生锈且不容易被酸碱等腐蚀。其中钢管为φ150*250mm的实心钢管。钢套的内径为250mm，外径为300mm，它能承受的强度至少为30MPa，使钢套在承受水压、矿山压力和顶板冒落等综合作用后仍不发生破坏与变形。钢板A和钢板B为两块直径320mm、厚度50mm的圆形不锈钢钢板。在钢套的表面均匀交错排列着φ10mm的小圆孔，小圆孔间间距为20mm；在钢板A和钢板B的直径为150~250mm之间也均匀交错分布着φ10mm的小圆孔，间距为20mm，矿井水可以通过这些小圆孔进入到钢套中，进而被测试元件监测，称为矿井水穿入孔；在钢板A和钢板B上距离钢板中心100mm处分布有一个φ20mm的大圆孔，信号接收器可以通过该大圆孔与控制器进行有线连接，称为接线孔；信号接收器与控制器之间的连接线要具有绝缘性和耐腐蚀性。

进一步地，压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计和ORP计都要具有防水性和耐腐蚀性；其中压力传感器的工作温度范围要能满足并大于矿井的实际温度变化范围，传感器的量程能够满足矿井水压的变化范围；温度传感器要能抵抗矿井最大的水压变化范围，监测的温度范围能满足矿井水温的变化范围；pH传感器不易碎，能在矿井的苛刻环境中使用；水质硬度传感器的测量温度范围要能适应矿井水水温的变化，测量的硬度范围要广；TDS测试计的测量范围要大于矿化水的TDS范围；ORP计要能在不同pH条件下准确测定矿井水的氧化还原电位，适应矿井温度的变化，且测量范围大。

进一步地，测试元件工作的温度范围为18~30℃，水压范围为0~10MPa，pH范围为5~10，TDS范围为10~60ppm，硬度范围为0~600ppm，氧化还原电位范围为自来水的ORP范围：200~300 mV。

进一步地，信号接收器能实时地接收到压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计和ORP计监测的数值，并及时将接收到的信息发送给控制器。

进一步的，控制器通过光纤接入到井下已有的监测监控系统中，并通过监测监控系统将监测到的水情信息发送至地面。控制器能够根据人为意愿控制老空水水情监测的时间，并可以接收到信号接收器接收到的信号。

进一步地，压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计和ORP计交错地固定在钢管外侧面，信号接收器固定于距钢管底面约20mm的钢管外侧表面；将钢板A固定在钢管的顶部，并保证钢管与钢板A同轴；再用钢套套住钢管，使钢管和钢套之间保留一环形空腔，上述测试元件则位于该空腔内，并将钢套与钢板A进行固定；钢板B固定于钢管和钢套的底面，且钢管、钢套、钢板A、钢板B四者同轴。

进一步地，测试元件、信号接收器与钢管之间的固定方式可为螺栓连接也可为焊接；钢管、钢套、钢板A和钢板B之间为焊接。

本发明所述实时自动监测煤矿老空水水情的装置可凭自重沉于矿井水的底部。设置钢套和钢板的目的是为了保护固定在钢管表面的传感器和测试计不受破坏，即使顶板发生冒落时，该监测装置仍不会发生破坏和变形。该监测装置不能避免会有细小的岩块通过钢套和钢板表面的圆孔进入到仪器内部，但只要有矿井水通过岩块之间的裂隙进入到仪器内部时，传感器和测试计即可检测出相应的水情信息，并将该信息发送给信号接收器。

本发明提供了采用上述装置实时自动监测煤矿老空水水情的方法，可分别在井下、井上和开采过程中使用，其中井下使用包括以下步骤：

（1）在某矿井中，当上部煤层开采完成后开采下部煤层前，在掘进巷道中斜向上45°向上部采空区打钻孔；

（2）将本发明的监测装置通过钻孔送入到上部煤层采空区，该装置由于自重可一直处于该采空区的底板；

（3）装置送入完成后，用水泥—水玻璃注浆浆液封堵钻孔，避免老空水通过钻孔流入到该煤层的掘进巷道中；

（4）通过调节控制器，每隔12h监测一次上部煤层采空区的水情。如果各参数出现异常时，自动加密观测数据（1次/min），确保下部煤层的安全开采。

本发明的实时自动监测煤矿老空水水情的井上使用方法包括以下步骤：在某采深低的矿井中，从地面垂直向下向采空区打钻孔；将本发明的监测装置通过钻孔送入到采空区，该装置由于自重落入到采空区的底部；装置送入完成后，用水泥—水玻璃注浆浆液封堵钻孔，减缓线缆的风化及孔壁塌陷对线缆造成的损伤，并避免钻孔暴露在地表；通过调节控制器，每隔15d监测一次采空区的水情，如果各参数出现异常时，自动加密观测数据（1次/min）。

本发明的实时自动监测煤矿老空水水情方法在本煤层开采过程中的使用步骤如下：煤层开采完成后，在该煤层采空区放置一个本发明的监测装置；通过调节控制器，每隔30d监测一次采空区的水情，如果各参数出现异常时，自动加密观测数据（1次/min）。

本发明的有益效果：

（1）本发明将多个传感器与测试计固定在一个装置中，能够实时并自动地检测老空水的水情，还可以人工设定监测时间，相对传统的监测方法具有效率高、抗干扰能力强、工程量小和费用低等优点，可以大范围地推广使用；

（2）本发明装置适用范围广，可以在井上、井下和开采过程中使用。

（3）可以通过本发明检测到的矿井老空水水情，针对性地进行煤矿安全应急管理，降低水害发生的可能性，保证矿井的安全正常生产；

（4）通过在多个地点布置该装置，可以根据得到的各地的老空水水情判断突水水源，为煤矿突水水源的判定提供一种依据；

（5）通过该装置可以得到地下采空区水资源的水情实时变化情况，进而加强对水资源的管理、开发和利用。

附图说明

图1为测试元件在钢管表面的布置示意图；

图2是本发明中钢板上圆孔的布置示意图；

图3是本发明的钢套上圆孔的布置示意图（四分之三剖面图）；

图4为本发明监测装置结构的四分之三剖面图；

图5是井下布置本发明的实时自动监测煤矿老空水水情装置的示意图；

图6是井上布置本发明的实时自动监测煤矿老空水水情装置的示意图。

图中：1-钢管，2-钢套，3-钢板A，4-钢板B，5-压力传感器，6-温度传感器，7-pH传感器，8-水质硬度传感器，9-TDS测试计，10-ORP计，11-信号接收器，12-控制器，13-钻孔，14-浆液，15-本发明的监测装置，16-光纤，17-监测监控系统，18-老空水富集区，19-矿井水穿入孔，20-接线孔；Ⅰ-岩层，Ⅱ-上部煤层采空区，Ⅲ-本煤层，Ⅳ-采空区。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~图4所示，一种实时自动监测煤矿老空水水情的装置与方法，其特征在于包括钢管1、钢套2、钢板A 3和钢板B 4、压力传感器5、温度传感器6、pH传感器7、水质硬度传感器8、TDS测试计9、ORP计10、信号接收器11和控制器12；在钢管1外侧表面上设有压力传感器5、温度传感器6、pH传感器7、水质硬度传感器8、TDS测试计9、ORP计10，这些测试元件分别与信号接收器11连接，由信号接收器11接收信号并传递给控制器12进行数据处理；

钢管1和钢套2之间设有环形空腔，上述测试元件位于该空腔内，钢管1和钢套2为等高的圆筒且二者同轴，在钢管1和钢套2的顶部设有钢板A3，在钢管1和钢套2的底部设有钢板B4，钢板A3、钢板B4、钢管1和钢套2均同轴；在钢套2的表面均匀分布着小圆孔，作为矿井水穿入孔19，便于测试元件的监测，且钢套2上的小圆孔彼此交错排列；在钢板A3和钢板B4上还分布有一大圆孔，作为接线孔20，用于信号接收器11与控制器12之间的有线连接。

钢管1、钢套2、钢板A3和钢板B4均为不锈钢材料，不易生锈且不容易被酸碱等腐蚀，它们能承受的强度至少为30MPa，使他们在承受水压、矿山压力和顶板冒落等综合作用后仍不发生破坏与变形。其中钢管1为φ150*250mm的实心钢管；钢套2的内径为250mm，外径为300mm；钢板A3和钢板B4为两块直径320mm，厚度50mm的圆形不锈钢钢板。在钢套2的表面均匀交错排列着φ10mm的小圆孔，小圆孔间间距为20mm；在钢板A3和钢板B4的直径为150~250mm之间也均匀交错分布着φ10mm的小圆孔，间距为20mm，矿井水可以通过这些小圆孔进入到钢套中，进而被测试元件监测，称为矿井水穿入孔19。并且在钢板A3和钢板B4上距离钢板中心100mm处分布有一个φ20mm的大圆孔，信号接收器11可以通过该大圆孔与控制器12进行有线连接，称为接线孔20；信号接收器11与控制器12之间的连接线要具有绝缘性和耐腐蚀性。

所述压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计和ORP计都具有防水性；其中压力传感器的工作温度范围要能满足并大于矿井的实际温度变化范围，传感器的量程能够满足矿井水压的变化范围；温度传感器要能抵抗矿井最大的水压变化范围，监测的温度范围能满足矿井水温的变化范围；pH传感器不易碎，能在矿井的苛刻环境中使用；水质硬度传感器的测量温度范围要能适应矿井水水温的变化，测量的硬度范围要广；TDS测试计的测量范围要大于矿化水的TDS范围；ORP计要能在不同pH条件下准确测定矿井水的氧化还原电位，适应矿井温度的变化，且测量范围大。

所述压力传感器5为SIN-P300型，可防水防尘防腐蚀，其工作温度范围为-10~70℃，测量的压力量程为-0.1~60MPa。所述温度传感器6为DS18B20型，其探头为防水型钢管，尺寸为φ6*50mm，可监测的温度范围为-55℃~125℃。所述pH传感器7为Honeywell型，可测量的pH范围为0~14，该传感器非玻璃型，不易碎，并且能在严苛的应用环境中提供快速、准确而可靠的pH测量。所述水质硬度传感器8为CA-BTA型，该传感器的可置温度范围为0~50℃（无温度补偿），测量范围为0.2~40000ppm。所述TDS测试计9为BTDPOCKET C2型，该测试计具有良好的防水性能，测量范围为5~1000ppm。所述ORP计10为TM40-S型，它可以在pH范围0~14、温度范围-10~100℃、离子浓度范围0~30000ppm下正常工作，可测量的氧化还原电位范围为-1999~1999mV。所述测试元件的工作条件及监测量程均满足本装置的要求。信号接收器11与控制器12之间的连接线为塑料电缆，它具有绝缘性能好，护套耐腐蚀，敷设的落差不受限制的特点。

信号接收器能实时地接收到压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计和ORP计监测的数值，并及时将接收到的信息发送给控制器，且信号接收器与控制器之间的连接线具有绝缘性和耐腐蚀性；控制器通过光纤接入到井下已有的煤矿监测监控系统17中，并通过监测监控系统17将监测到的水情信息发送至地面。

压力传感器5、温度传感器6、pH传感器7、水质硬度传感器8、TDS测试计9和ORP计10分别按如图1所示交错地通过螺栓或焊接固定在钢管1表面，信号接收器11固定于距钢管1底面约20mm的钢管1外侧表面；将钢板A3固定在钢管1的顶部，并保证钢管1与钢板A3同轴；再用钢套2套住钢管1，使钢管1和钢套2之间保留一环形空腔，上述测试元件则位于该空腔内，并将钢套2与钢板A3进行固定；钢板B4固定于钢管1和钢套2的底面，且钢管1、钢套2、钢板A3、钢板B4四者同轴。

本发明的实时自动监测煤矿老空水水情方法的井下使用步骤如下（如图5所示）：

（1）在某矿井中，当上部煤层开采完成后开采下部煤层前，在掘进巷道中斜向上45°向上部采空区打钻孔13，钻孔13的孔径为320mm；

（2）将实时自动监测煤矿老空水水情的装置通过钻孔13送入到上部煤层采空区Ⅱ，该装置由于自重一直处于该采空区Ⅱ的底板；

（3）装置送入完成后，用水泥—水玻璃注浆浆液14封堵钻孔13，避免老空水流入到该煤层的掘进巷道中；

（4）通过调节控制器12，每隔12h监测一次上部煤层采空区Ⅱ的水情，如果各参数出现异常时，自动加密观测数据（1次/min），确保下部煤层的安全开采。

实施例2：

本发明的实时自动监测煤矿老空水水情方法的井上使用步骤如下（如图6所示）：在某采深低的矿井中，从地面垂直向下向采空区钻孔13，钻孔13的孔径为320mm；将实时自动监测煤矿老空水水情的装置通过钻孔13送入到采空区Ⅳ，该装置由于自重落入到采空区Ⅳ的底部；装置送入完成后，用水泥—水玻璃注浆浆液14封堵钻孔13，减缓线缆的风化及孔壁塌陷对线缆造成的损伤，并避免钻孔13暴露在地表；通过调节控制器12，每隔15d监测一次采空区Ⅳ的水情，如果各参数出现异常时，自动加密观测数据（1次/min）。

其余同实施例1。

实施例3：

本发明的实时自动监测煤矿老空水水情方法在本煤层开采过程中的使用步骤如下：煤层开采完成后，在该煤层采空区放置一个本发明的监测装置15；通过调节控制器12，每隔30d监测一次采空区的水情，如果各参数出现异常时，自动加密观测数据（1次/min）。

其余同实施例1。

Claims

1.一种实时自动监测煤矿老空水水情的方法，其特征在于：该方法采用一种实时自动监测煤矿老空水水情的装置，该装置包括钢管、钢套、钢板A和钢板B、压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计、ORP计、信号接收器和控制器；

在钢管外侧表面上设有压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计、ORP计，这些测试元件分别在钢管外表面交错排列并与信号接收器连接，由信号接收器接收信号并传递给控制器进行数据处理；

钢管和钢套之间设有环形空腔，上述测试元件位于该空腔内，钢管和钢套为等高的圆筒且二者同轴，在钢管和钢套的顶部设有钢板A，底部设有钢板B，钢板A、钢板B、钢管和钢套均同轴；在钢套与钢板A、钢板B的表面均匀分布着小圆孔，作为矿井水穿入孔，便于测试元件的监测，且钢板A、钢板B和钢套上的小圆孔彼此交错排列；在钢板A、钢板B上还分布有一大圆孔，作为接线孔，用于信号接收器与控制器之间的有线连接；

钢板A和钢板B为两块直径320mm、厚度50mm的圆形不锈钢钢板；在钢板A和钢板B的直径为150~250mm间均匀交错分布着φ10mm的小圆孔，间距为20mm，矿井水通过这些小圆孔进入到钢套中被测试元件监测，这些小圆孔称为矿井水穿入孔；且在钢板A和钢板B上距离钢板中心100mm处分布着一个φ20mm的大圆孔，信号接收器通过该大圆孔与控制器进行有线连接，该大圆孔为接线孔；

控制器通过光纤接入到井下已有的监测监控系统中，并通过监测监控系统将监测到的水情信息发送至地面；

所述钢管为实心钢管，用钢套套住钢管，使钢管和钢套之间保留一环形空腔，上述测试元件则位于该空腔内；

利用上述装置实时自动监测煤矿老空水水情的方法包括井下、井上、开采过程中三种使用情况：步骤如下：

第一种：井下使用方法，包括以下步骤：

（1）在矿井中，当上部煤层开采完成后开采下部煤层前，在掘进巷道中斜向上45°向上部采空区打钻孔；

（2）将所述的装置通过钻孔送入到上部煤层采空区，该装置由于自重将一直处于该采空区的底板；

（4）通过调节控制器，每隔12h监测一次上部煤层采空区的水情；如果各参数出现异常时，自动加密观测数据，周期为1次/min，确保下部煤层的安全开采；

第二种，井上使用方法，包括以下步骤：在采深低的矿井中，从地面垂直向下向采空区打钻孔；将所述的装置通过钻孔送入到采空区，该装置由于自重落入到采空区的底部；装置送入完成后，用水泥—水玻璃注浆浆液封堵钻孔，减缓线缆的风化及孔壁塌陷对线缆造成的损伤，并避免钻孔暴露在地表；通过调节控制器，每隔15d监测一次采空区的水情；如果各参数出现异常时，自动加密观测数据，周期为1次/min；

第三种，在本煤层开采过程中的使用方法，包括以下步骤：煤层开采完成后，在该煤层采空区放置所述的装置；通过调节控制器，每隔30d监测一次采空区的水情；如果各参数出现异常时，自动加密观测数据，周期为1次/min。

2.根据权利要求1所述的实时自动监测煤矿老空水水情的方法，其特征在于：所述钢管、钢套和钢板均为不锈钢材料，不易生锈且不容易被酸碱腐蚀。

3.根据权利要求2所述的实时自动监测煤矿老空水水情的方法，其特征在于：所述钢管为φ150*250mm的实心钢管；钢套的内径为250mm，外径为300mm，它能承受的强度至少为30MPa，使钢套在承受水压、矿山压力和顶板冒落的综合作用后仍不发生破坏与变形，在钢套的表面均匀交错排列地分布着φ10mm的小圆孔，小圆孔的间距为20mm。

4.根据权利要求1所述的实时自动监测煤矿老空水水情的方法，其特征在于：压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计和ORP计都具有防水性；其中压力传感器的工作温度范围要能满足并大于矿井的实际温度变化范围，传感器的量程能够满足矿井水压的变化范围；温度传感器要能抵抗矿井最大的水压变化范围，监测的温度范围能满足矿井水温的变化范围；pH传感器不易碎，能在矿井的苛刻环境中使用；水质硬度传感器的测量温度范围要能适应矿井水水温的变化，测量的硬度范围要广；TDS测试计的测量范围要大于矿化水的TDS范围；ORP计要能在不同pH条件下准确测定矿井水的氧化还原电位，适应矿井温度的变化，且测量范围大。

5.根据权利要求4所述的实时自动监测煤矿老空水水情的方法，其特征在于：测试元件工作的温度范围为18~30℃，水压范围为0~10MPa，pH范围为5~10，TDS范围为10~60ppm，硬度范围为0~600ppm，氧化还原电位范围为自来水的ORP范围：200~300 mV。

6.根据权利要求1所述的实时自动监测煤矿老空水水情的方法，其特征在于：信号接收器能实时地接收到压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计和ORP计监测的数值，并及时将接收到的信息发送给控制器，且信号接收器与控制器之间的连接线具有绝缘性和耐腐蚀性。

7.根据权利要求1所述的实时自动监测煤矿老空水水情的方法，其特征在于：压力传感器、温度传感器、pH传感器、水质硬度传感器、TDS测试计和ORP计交错地固定在钢管外侧面，信号接收器固定于距钢管底面约20mm的钢管外侧表面；将钢板A固定在钢管的顶部，并保证钢管与钢板A同轴；再用钢套套住钢管，使钢管和钢套之间保留一环形空腔，上述测试元件则位于该空腔内，并将钢套与钢板A进行固定；钢板B固定于钢管和钢套的底面，且钢管、钢套、钢板A、钢板B四者同轴。

8.根据权利要求7所述的实时自动监测煤矿老空水水情的方法，其特征在于：测试元件、信号接收器与钢管之间的固定方式为螺栓连接或焊接；钢管、钢套、钢板A和钢板B之间为焊接。