CN113818929A - 一种矿井地下水动态监测系统、控制方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水文监测技术领域，公开一种矿井地下水动态监测系统、控制方法及应用，监控计算机通过运程通信适配器与智能水位遥测仪连接，智能水位遥测仪安装在野外水文观测孔中。本发明通过矿井水害综合防控技术研究与应用，建立矿井水化学实验室及井上下水情自动实时监测系统，形成快速突水水源判别系统及适合于矿区水害特征的防治关键技术体系，及时进行矿井突水预测预警，不仅对矿井防治水工作具有重要的指导意义，保证矿井安全生产建设；对周边具有类似水文地质条件的矿井防治水工作提供借鉴作用。完成煤矿突水危险性评价、控制技术体系建设，形成矿井水源快速判别、矿井地下水动态监测系统与应急机制联动体系，完善了矿区防治水综合管理体系。
Description
技术领域
本发明属于水文监测技术领域，尤其涉及一种矿井地下水动态监测系统、控制方法及应用。
背景技术
目前，矿井水害是影响矿井安全生产的重大隐患。在我国，几乎所有矿井都面临不同程度的水患困扰。而对于水患防治最重要的基础就是要确定出水的水源，从而采取合理的防治措施及对策。对于矿井水源的判别，目前主要有两种方法：其一为水质分析法，采集水样进行水质化验，按照水化学指标进行对比来判定水源；其二是现场经验法，根据现场的出水颜色、浊度、嗅觉、味觉、水温、水压等特征，通过经验判别水源。对于矿井水害的防治，主要在井下建立水仓，采用排水设备排水。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有常规水源判别方法存在论证周期长、效率低等问题，且易受到人为因素干扰。
(2)井下水仓虽然设有水位传感器，只能判定井下涌水是否增大，不能准确判定水源变化的准确位置和水质的变化。
解决以上问题及缺陷的难度为：
矿井水源往往是来自多个含水层形成的混合水，各含水层水质特征各有差异；
部分含水层具有明显的化学特征，但部分含水层相似的水化学特征比较类似，依靠单一因素难以准确识别，传统识别方法有较大局限；
因此，有必要通过数据收集、模拟判别等手段，判定水源变化的位置，建立一种矿井地下水动态监测系统。
解决以上问题及缺陷的意义为：
在矿区地下水循环数学模型基础上，完成煤矿突水危险性评价、控制技术体系建设，形成了矿井水源快速判别、矿井地下水动态监测系统与应急机制联动体系，完善矿区防治水综合管理体系。
通过对地表及矿井水的判别，能够快速准确地识别巷道突水水源；
对煤矿区域水判别方面提出了更系统，更有针对性的管理及防治办法。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种矿井地下水动态监测系统、控制方法及应用。
本发明是这样实现的，一种矿井地下水动态监测系统，所述矿井地下水动态监测系统控制方法如下；
所述水矿井地下水动态监测系统型号为KJ402型，该系统由设在调度室的主站、设在井下的若干分站构成。
监控计算机通过运程通信适配器与智能水位遥测仪连接，智能水位遥测仪安装在野外水文观测孔中。
进一步，所述野外水文观测孔上端设置有保护罩。
进一步，所述矿井地下水动态监测系统包括：
数据采集层：各种监测分站及传感器采集数据发送到水文监测系统主控站；
数据处理层：数据库服务器/WEB服务器对数据的存储，数据上传控制站从数据服务器读取数据后的上传；
矿业集团内部访问层：矿业集团内部具有访问权限的终端均可通过访问数据上传控制站实现系统的远程访问、查询功能；
省级及省级以上监察部门访问层：省级及省级以上监察部门通过指定的访问权限，实现系统的远程访问、查询功能。
进一步，所述矿井地下水动态监测系统采用组合的方式构成独立运行的系统模式：
基层系统；
基层系统和中层系统；
基层系统和高层系统；
基层系统和中层系统和高层系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过矿井水害综合防控技术研究与应用，建立矿井水化学实验室及井上下水情自动实时监测系统，形成快速突水水源判别系统及适合于矿区水害特征的防治关键技术体系，及时进行矿井突水预测预警，不仅对矿井防治水工作具有重要的指导意义，保证矿井安全生产建设；同时，对周边具有类似水文地质条件的矿井防治水工作提供借鉴作用。完成煤矿突水危险性评价、控制技术体系建设，形成矿井水源快速判别、矿井地下水动态监测系统与应急机制联动体系，完善了矿区防治水综合管理体系。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的矿井地下水动态监测系统结构示意图。
图2是本发明实施例提供的直流超前探测施工示意图。
图3是本发明实施例提供的矿井音频电穿透视施工示意图。
图4是本发明实施例提供的技术路线图。
图中：1、监控计算机；2、运程通信适配器；3、智能水位遥测仪；4、保护罩；5、野外水文观测孔。
图5是本发明实施例提供的多参数水文动态监测智能预警系统网络结构图。
图6是本发明实施例提供的某监测点动态数据实时提示示意图。
图7是本发明实施例提供的综合参数实时报警示意图。
图8是本发明实施例提供的极值预警图。
图9是本发明实施例提供的WEB发布子系统软件结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种矿井地下水动态监测系统、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
结合煤矿实际情况，设置1个地面监控中心，1个地面雨量监测站，1个地面长观孔监测站，4个井下监测站(根据矿井布置数量有所增减)
如图1所示，本发明实施例提供的矿井地下水动态监测系统中监控计算机1通过运程通信适配器2与智能水位遥测仪3连接，智能水位遥测仪3安装在野外水文观测孔5中，野外水文观测孔5上端设置有保护罩4。
KJ402矿井水文监测系统可以实现对矿井井下水仓水位、水温，钻孔水压、水温、流量，明渠流量和给排水管道流量、压力以及地面钻孔的水位、水温等水文参数进行自动测量和记录。地面子系统通过GSM网络通信将数据发送到水文监测系统主控站，井下子系统通过通讯电缆(光缆、电话线、井下工业以太网)将数据发送到水文监测系统主控站。
本系统设计之初考虑到系统安全及稳定性，采用物理四层结构，实现了从数据采集、数据处理、数据的网络发布与应用，每一层都由软硬件两部分组成。分别为：
(1)数据采集层(基层系统)：各种监测分站及传感器采集数据发送到水文监测系统主控站。
(2)数据处理层(中层系统)：数据库服务器/WEB服务器对数据的存储，数据上传控制站从数据服务器读取数据后的上传。
(3)矿业集团内部访问层(高层系统)：矿业集团内部具有访问权限的终端均可通过访问数据上传控制站实现系统的远程访问、查询等功能；
(4)省级(及省级以上)监察部门访问层(高层系统)：省级(及省级以上)监察部门通过指定的访问权限，实现系统的远程访问、查询等功能；
本系统的四层结构中，可以采用组合的方式构成独立运行的系统模式，能够构建的系统模式如下：(如图5所示)
基层系统
基层系统+中层系统
基层系统+高层系统
基层系统+中层系统+高层系统
数据处理软件实现效果如图6至图8所示。
图6某监测点动态数据实时提示。
图7综合参数实时报警。
图8极值预警图。
(5)软件信息处理过程
1)数据处理应用软件系统主要由C/S版和网络版客户端组成，C/S版软件包括数据采集、数据处理、数据分析和系统管理等模块；网络版(水文数据网络发布系统)可分成前台和后台两部分，前台包括数据浏览、曲线浏览、报表浏览，后台包括基本信息管理、用户管理等模块。
2)通过数据通讯接口发送命令或接收数据，将数据整理保存到磁盘，并上传到数据存储服务器；完成数据的显示、查询、编辑，对超限水文数据作出报警提示；绘制水压(水位)、温度、流量变化趋势曲线、水位等值线图，生成各种报表并打印输出；由历史水位数据做出水位趋势预测，生成预测水位等值线图；进行水文数据的网络发布,各有关部门通过网络进行数据浏览。
3)通过遥测主站发送命令或接收数据，将数据整理保存到磁盘；完成数据的显示、查询、编辑，对超限水文数据作出报警提示；绘制水压(水位)、温度、流量变化趋势曲线、水位等值线图，生成各种报表并打印输出；由历史水位数据作出水位趋势预测，生成预测水位等值线图；水文数据的网络发布,各有关部门通过网络进行数据浏览。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
1、矿井水文地质条件分析研究与评价
通过采取野外水文地质调查、施工水文地质补充勘探钻孔、进行抽放水试验，从而建立相应的水文地质数据库。采用井下直流电法超前探测和瑞雷波探测方法，对巷道掘进前方含水构造和隐蔽瓦斯构造进行探测；采用矿井音频透视和井下槽波探测方法，对采掘工作面内部构造和顶板含水层富水异常区进行探查；利用井下已有巷道和掘进工作面有利条件，井上下结合布置专门水文地质探查和长观钻孔，进行井下联合放水试验，开展水文地质补充勘探工作，建立矿井水文地质动态监测系统。重新评价矿井开采水文地质条件，预测矿井涌水量及矿井突水危险性与危害程度等，为矿井防排水系统、抗灾能力设计及防治水工作开展提供可靠的依据。
2、建立矿井水源快速判别实验室
建立矿井水源快速判别实验室，通过有计划的对井田内各含水层采取水样，进行化验、分析研究，揭示矿区(井)水化学背景特征，建立矿区水化学数据库，从而建立井田内不同含水层水质的判别模型，达到快速判别各类涌水水源的目的。
3、建立地下水动态监测系统
为掌握地下水的水位动态变化规律，研究矿井水文地质条件，分析奥陶系灰岩含水层补给、径流、排泄条件。利用水位地质补充勘探钻孔建立了矿区水文动态自动监测系统。系统结构详见图1。
1)系统组成
KJ402水文监测系统由主站(设在调度室)、若干井上分站(设在水文长观孔孔口)构成。
2)系统功能
⑴主站功能
①通过通讯设备向分站发送命令或接受数据；
②将数据整理保存到磁盘；
③完成数据的显示、查询、编辑；
④对数据进行处理，生成各种报表并打印输出；
⑤绘制水位(水压)、温度、流量变化趋势曲线、直方等各种图形；
⑵分站功能；
①数据采集；
②数据暂存；
③数据显示；
④井上子站通过GSM短信将数据传输到监测中心。
该系统具有适用面广、集成化数据处理、配置灵活、可靠性高、数据通讯稳定、抗干扰性强、安装方便、兼容独立等特点，是能够连续长期测量并利用计算机分析、辅助决策的，适用各种不同环境的水位(水压)观测系统，对于保障煤矿的正常安全生产具有重要的现实意义。
水文地质补勘工程结束后，设计3个钻孔留作长期观测孔：井下卡以头组和飞仙关组水文长观孔各1个，井下茅口组灰岩水长观孔1个，并安装水位遥测仪器，初步建立矿井水文地质长期动态观测系统。
4、掘进工作面前方富水性超前探查
1)勘探目的
探测101盘区C2煤层顶板轨道大巷掘进前方含水构造；探测101盘区C2煤层顶板轨道大巷掘进前方隐蔽含、导水及瓦斯富集构造；探测1010201工作面顶板含水层富水区。
2)拟选用的物探及岩体测温技术
⑴轨道大巷掘进前方含水构造探测——直流电法(瞬变电磁法)超前探测
地层或构造所含水体往往具有较高矿化度，因此可大幅增强其赋存介质的导电性，含水体附近电性特征为低阻异常。直流电法超前探测可以较为准确的确定巷道正前方低阻异常的位置、范围，为探放水钻孔施工提供依据，大大提高探放水钻孔的针对性并有效减少钻探工作量，是掘进工作面前方隐蔽含导水构造探测预报的主要方法。目前，该方法的有效超前探测距离为80～100m。
⑵1010201工作面顶板含水层富水区的探测——矿井音频电透视
由于地下各种岩(矿)石之间存在导电差异，影响人工电场的分布形态。矿井音频电穿透法就是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律达到解决地质问题的目的。
回采工作面刚刚形成，设备尚未安装之时是矿井音频电透视法实施的最好时机。矿井音频电透视技术可采用双频工作，探测预报工作面顶、底板一定高度范围内富水区分布特征，为工作面探放水施工提供目标。
3)井下槽波地震勘探
受地形条件限制，井田内至今未进行地面三维地震勘探。井田范围内除地面野外调查了解的大型断层外，其余中小规模的断层、裂隙带、陷落柱等发育情况尚未查清，而往往这些断层及裂隙带又多是地下水及瓦斯的聚集区和导入通道。
槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播的导波，探查煤岩层不连续性的—种地球物理方法，是地震勘探的一个分支。槽波地震勘探可以探查小断层、陷落柱、煤层分叉与变薄带、充水采空区及废弃巷道等地质异常，具有探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征较易于识别以及最终成果直观的优点。
4)岩体测温
采用深孔测温与浅孔测温相结合的方式，对掘进巷道岩体温度场变化进行监测。
深孔测温在已开掘较长时间的巷壁上打深孔，将测温探头送入孔底，封孔后，经一定时间达到稳定状态再测岩温。
浅孔测温是在连续推进的掘进工作面周围内未形成完全通风系统的巷道迎头，在新暴露的岩面上，打深度为2m以内的浅孔，将测温探头送入孔底，用黄泥等材料将孔口封堵，经过一段时间，待孔内温度稳定后，即可测定原岩温度。
5、回采工作面水害防治技术措施
在回采工作面形成以后，采用音频电透视及槽波技术探测工作面顶、底板一定高度范围内的构造及富水区分布情况，再采用钻探方法对富水区实施探放水工作，为工作面安全回采提供可靠的保障。
下面结合具体实验对本发明的技术方案作进一步的描述。
1、主要技术经济指标
1)建立矿井水源快速判别实验室。在某地首创煤矿区地下水差别体系，采用水温水位法、水化学分析法、数理分析法等方法判别。判别时间不大于20分钟。
2)建立矿井水化学实验室及井上下水情自动实时监测系统，全方位动态监测矿井主要威胁含水层的水位(压)、矿井涌水量等参数，并根据所设置水文监测值的上、下限及变化量阈值，进行实时预警。
水位测量范围：0——600m，分辨率：0.5cm，精度：0.1％F.S(满量程误差)；
水压测量范围：0Mpa——10Mpa，分辨率：0.01Mpa，精度：0.1％F.S；
温度测量范围：0——80℃，分辨率：0.1℃，精度：±0.2℃F.S；
明渠流量测量范围：0——1000m3/h，分辨率：0.001m3/h，精度：≤1‰；
管道流量测量范围：3.5——500m3/h，分辨率：0.001m3/h，精度：≤1‰；
测量时间间隔：1分钟——24小时任意设置；
3)通过井下放水试验，重新预计矿井正常及最大涌水量。
4)针对矿井主采煤层受水害威胁类型、特征，建立防治关键技术体系。
5)针对该矿区地表特殊的卡斯特地貌，分析研究其对煤系地层顶板富水性的影响程度。
2、主要仪器与设备
从2005年开始，分别与中国矿业大学、昆明理工大学、昆明煤炭设计研究院、云南能源职业技术学院、昆明煤炭科学研究所等单位建立了各类科研合作团队。自主开发了能兼容和MATLAB、Surfer、Voxler、MAPGIS、AutoCAD等工程软件，并能综合处理地质、水文地质常规资料及瞬变电磁仪、高密度电阻率仪、井下瞬变电磁仪等物探设备数据地质成果的解释程序。
自主开发了能兼容和MATLAB、Surfer、Voxler、MAPGIS、AutoCAD等工程软件，并能综合处理地质、水文地质常规资料及瞬变电磁仪、高密度电阻率仪、井下瞬变电磁仪等物探设备数据的地质成果解释程序。完全能满足本发明的数据生产及处理工作。
有专业的地球物理勘探和无人机队伍。地对地形切割大或其他特殊条件下的区段可用无人机进行“地—空”地球物理勘探，为各类项目顺利完成提供了新的工程支撑手段。
3、技术路线
通过水文地质野外调查、水文地质物探、钻探、水化学等手段，对矿井水文地质条件进行评价。通过井下放水试验，对矿井最大、正常涌水量进行重新预计，为矿井防排水系统设计提供依据；通过建立不同含水层水质的判别模型，从而形成快速、有效的突水水源判别系统；引进顶板水害风险预测预报、井下超前探放水、突水水源判识和小断层构造预测的先进技术与装备；建立矿区地下水动态观测网及井上下水情自动实时监测系统，为矿井突水进行预测预警。矿井水源快速判别实验室、地下水动态监测系统建成后，立即应用于矿井生产建设中，并根据工程实践暴露出的问题及缺陷进行完善，最终形成适用于滇东矿区的水害综合防治技术。
4、最终成果
通过矿井水害综合防控技术研究与应用，建立矿井水化学实验室及井上下水情自动实时监测系统，形成快速突水水源判别系统及适合于矿区水害特征的防治关键技术体系，及时进行矿井突水预测预警，不仅对矿井防治水工作具有重要的指导意义，保证矿井安全生产建设，同时，对周边具有类似水文地质条件的矿井防治水工作提供借鉴作用。完成煤矿突水危险性评价、控制技术体系建设。形成矿井水源快速判别、矿井地下水动态监测系统与应急机制联动体系，完善矿区防治水综合管理体系。
本发明系统主要功能具有：测点定义自动识别；数据实时显示；历史曲线、数据查询；用户权限分级分类设置等功能。
网络发布系统能自动识别水文监测系统测点定义的变化，如新增测点、改变、删除等；由实时监测系统采集到数据以后，系统可自动不断更新实时数据页面；各级领导及有关人员通过局域网，用IE浏览器即可及时方便的浏览各测点的实时监测数据画面；水文数据的历史曲线、历史数据的查询功能，查询结果可以通过列表形式显示也可以通过曲线图或直方图的形式显示；用户分类和用户权限设定功能，用户登录时进行身份验证从而确定该用户的网络权限，管理员可以进入用户管理界面进行系统网络用户的设定，普通用户则直接进入查询界面。系统的软件结构如图9所示。
该系统由登陆模块、数据查询模块、曲线浏览模块、报表浏览与打印等模块构成。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种矿井地下水动态监测系统，其特征在于，所述矿井地下水动态监测系统设置有：
监控计算机；
监控计算机通过运程通信适配器与智能水位遥测仪连接，智能水位遥测仪安装在野外水文观测孔中。
2.如权利要求1所述的矿井地下水动态监测系统，其特征在于，所述野外水文观测孔上端设置有保护罩。
3.如权利要求1所述的矿井地下水动态监测系统，其特征在于，所述矿井地下水动态监测系统包括：
数据采集层：各种监测分站及传感器采集数据发送到水文监测系统主控站；
数据处理层：数据库服务器/WEB服务器对数据的存储，数据上传控制站从数据服务器读取数据后的上传；
矿业集团内部访问层：矿业集团内部具有访问权限的终端均可通过访问数据上传控制站实现系统的远程访问、查询功能；
省级及省级以上监察部门访问层：省级及省级以上监察部门通过指定的访问权限，实现系统的远程访问、查询功能。
4.如权利要求1所述的矿井地下水动态监测系统，其特征在于，所述矿井地下水动态监测系统采用组合的方式构成独立运行的系统模式：
基层系统；
基层系统和中层系统；
基层系统和高层系统；
基层系统和中层系统和高层系统。
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Cited By (3)
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| CN114412571A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-04-29 | 中国矿业大学 | 一种煤矿水文动态监测系统 |
| CN115324592A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-11-11 | 陕西延长石油矿业有限责任公司 | 建井用含水层动态监测及动态响应控制方法 |
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2021
- 2021-08-26 CN CN202110989748.9A patent/CN113818929A/zh active Pending
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