CN114046178A

CN114046178A - 一种用于煤矿井下防治水预警系统、方法及应用

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Publication number: CN114046178A
Application number: CN202111022028.1A
Authority: CN
Inventors: 王海军; 赵清全; 付康国; 李胜江; 曹运飞; 叶飞; 杨庆朝; 郑万成; 刘超
Original assignee: Coal Design And Research Institute In Sichuan Province; Yunnan East Yunnan Yuwang Energy Co ltd
Current assignee: Coal Design And Research Institute In Sichuan Province; Yunnan East Yunnan Yuwang Energy Co ltd
Priority date: 2021-09-01
Filing date: 2021-09-01
Publication date: 2022-02-15

Abstract

本发明属于煤矿预警技术领域，公开了一种用于煤矿井下防治水预警系统、方法及应用，包括：超前探查及回采工作面水害预测系统进行煤矿含水构造以及导水情况探测，确定回采工作面水害防治技术措施；地下水动态监测系统利用矿区水文动态监测系统进行地下水相应数据的采集、分析；矿井水水源快速判别系统基于现矿井资料，采用物探、钻探和化探方法，进行化验、分析，确定矿区水化学背景特征，建立矿区水化学数据库，建立井田内不同含水层水质的判别模型，快速判别各类涌水水源。本发明能及时进行矿井突水预测预警，可有的放矢地采取针对性的制定防治水措施,保证矿井安全、经济、合理的生产以及对水资源的综合利用。

Description

一种用于煤矿井下防治水预警系统、方法及应用

技术领域

本发明属于煤矿预警技术领域，尤其涉及一种用于煤矿井下防治水预警系统、方法及应用。

背景技术

目前：雨汪煤矿一井井下水文地质情况与原地质勘探成果较大出入，主要是对影响和控制水文地质条件的各类充水水源、通道的性质，围岩的含隔水层结构、空间组合关系等对其充水造成重大影响的基础因素研究程度较低，且未结合已获地质勘探及井下工程成果，对水源(或含水层)类型、水压大小、富水性强弱、边界条件、补给排条件、水源或含水层与开采煤层的相对空间位置关系进行深入综合研究，导致矿井存在井田构造条件不清、对矿区水文地质条件认识不清等问题。如果上述问题得不到及时解决，将对下一步煤矿投产形成严重的水患威胁。为此，矿井水害综合防控技术研究与应用已成为当前雨汪煤矿一井迫在眉睫的问题。

自上世纪60年代到目前，国内外现有预测评价理论方法主要是基于矿区水文地质条件和开采条件的采前静态评价(或矿井突水与否的中长期预报)。尚缺乏针对不同灾害类型且考虑采动时空演化过程的突水危险性动态评价模型和评价技术、致灾危险源动态辨识方法等。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术没有针对不同灾害类型且考虑采动时空演化过程的突水危险性动态评价模型和评价技术、致灾危险源动态辨识方法等。

解决以上问题及缺陷的难度为：随着工作面的不断推进，将造成覆岩的受力状态不断地发生变化，这是一个动态的发展过程，而以往的研究方法是把覆岩所受的水垂直压力简化为均布载荷，并采用静载的方法进行处理，模拟结果在边界效应等方面存在误差，特别是薄基岩的条件误差更大。无法实现对导水裂隙状况及水源准确及时的判别。

解决以上问题及缺陷的意义为：目前国内采用的的导水裂隙带高度预测方法主要是基于上世纪80年代东部矿区低速、低强度开采而获得的经验计算模型。及时并准确预测导水裂隙带的高度，不仅可以指导留设排水孔、防水煤柱的合理尺寸，保证安全生产，而且对矿区地下水资源的破坏有明显的减少作用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于煤矿井下防治水预警系统。

本发明是这样实现的，一种用于煤矿井下防治水预警系统，所述用于煤矿井下防治水预警系统包括：

超前探查及回采工作面水害预测系统，用于进行煤矿含水构造以及导水情况探测，同时用于采用音频电透视法及槽波地震勘探法，探测工作面顶、底板一定高度范围内的导水构造及富水区分布情况，隐伏小断层、煤层分叉与变薄带、煤层底板起伏情况、陷落柱及其他异常地质体，确定回采工作面水害防治技术措施；

地下水动态监测系统，用于利用矿区水文动态监测系统进行地下水相应数据的采集、分析；

矿井水水源快速判别系统，用于基于现矿井资料，采用物探、钻探和化探方法，进行化验、分析，确定矿区水化学背景特征，建立矿区水化学数据库，建立井田内不同含水层水质的判别模型，快速判别各类涌水水源。

进一步，所述矿区水文动态监测系统包括地下水动态监测子系统以及地表地层水文长观孔监测子系统；

所述地下水动态监测子系统，用于对矿井水文观测孔主要充水含水层的水位、水压、水温、水质、矿井涌水量进行长期动态监测以及井下采空区水位、水仓水位、隔水密闭墙承压以及排水明渠流量、管道流量的实时监测；基于监测数据生成报表、曲线以及对历史数据对比分析；与适配器、监测主机、分站、传感器、电源及其他设备进行数据通信；

地表地层水文长观孔监测子系统，用于进行矿井水文地质长期动态观测，并通过GSM短信将数据传输到地表中心站。

进一步，所述地下水动态监测子系统由主站及若干分站构成；

所述主站用于通过通讯设备向分站发送命令或接受数据、将数据整理保存到磁盘、完成数据的显示、查询、编辑、对数据进行处理、生成各种报表并打印输出、绘制水位、水压、温度、流量变化趋势曲线、直方及其他各种图形；

所述分站用于进行数据采集、数据暂存、数据显示。

进一步，所述矿井水水源快速判别系统包括：

分析测试模块，用于进行水样全分析、水样同位素分析、水样有机物分析及其他水样测试；

矿区水化学数据库构建模块，用于基于测试分析数据构建矿区水化学数据库；

判别分析模块，用于基于构建的矿区水化学数据库进行化验分析数据录入功、分析数据自动单位换算、处理、分析数据自动查询、水质类型自动判别、水质图像自动生成以及水质分析结果报表打印。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述用于煤矿井下防治水预警系统的用于煤矿井下防治水预警方法，所述用于煤矿井下防治水预警方法包括：

通过建立矿井水化学实验室及井上下水情自动实时监测系统，建立快速突水水源判别系统，全方位动态监测矿井主要威胁含水层的水位、矿井涌水量及其他参数，并根据所设置水文监测值的上、下限及变化量阈值，进行实时突水预测预警。

本发明的另一目的在于提供一种构建所述用于煤矿井下防治水预警系统的用于煤矿井下防治水预警系统构建方法，所述用于煤矿井下防治水预警系统构建方法包括：

步骤一，开展野外水文地质调查、施工水文地质补充勘探钻孔、钻孔抽放水试验，建立相应的水文地质信息数据库；

(1)矿区水文地质

矿区地处丕德河与岔河分水岭地带，地势北西部高，南部及东部低，一般海拔1700～1900m，地形地貌总体为中山区。矿区最高点位于北部无名山头，标高2031.3m，最低侵蚀基准面为南西部丕德河细戈电站处，海拔1286.5m，相对高差744.8m。丕德河、岔河分别展布在矿区西部边缘与北东部，地表溪沟水及地下水呈复背斜流网，冲沟较发育，特别是丕德河河谷地带，冲沟切割深；地形地貌有利于地表水及地下水的排泄。

矿区内地层从新到老主要有：第四系，三叠系中统个旧组(T2g)，下统永宁镇组(T1y)、飞仙关组(T1f)、卡以头组(T1k)，二叠系上统长兴组(P2c)及龙潭组(P2l)、下统茅口组(P1m)；缺失二叠系上统峨眉山玄武岩组(P2β)地层，地层总厚1556.42m。

(2)施工水文地质补充勘探钻孔

本发明在钻孔钻进时对钻孔水文地质情况作了观测，对取芯钻孔裂隙发育情况作了记录。

雨汪煤矿一井101盘区轨道大巷K0+640m施工钻孔完成情况对照表

表3-4-3 101盘区轨道大巷出水钻孔观测表

(3)井下放水试验成果

本次共布置放水试验孔12个，K0+657m处布置5个(1#、2#、3#、补1#、4#)，K0+640m处布置7 个(新1#、新2#、新3#、新4#、新5#、新6#、新7#)。根据历史遗留和现状，将孔分为两类，一类为长期观测孔，另一类为交替放水(观测)试验孔。

试验区各钻孔均有水力联系，钻孔出水位置越低，水量越大水压越高，下部钻孔放水对上部钻孔影响较明显，上部钻孔放水对下部钻孔影响小些，下部钻孔放水时，恢复稳定时间比上部钻孔放水恢复时间长。

步骤二，采用井下直流电法、瞬变电磁法和瑞利波超前探测方法，对巷道掘进前方含水构造和富水异常区进行探测；

本发明采用瞬变电磁法和直流电法、瑞利波超前探测，主要用于预报迎头前方100m及K0+59米～K0+639米段巷道左、右、顶、底100m范围内含水性异常(含水构造)的位置。

101盘区轨道大巷工作点位于K0+59米～K0+639米段及K0+657米处。

步骤三，采用矿井音频透视和井下槽波探测方法，对回采工作面内部隐伏构造和顶板含水层富水异常区进行探查；

井下槽波观测系统道间距10m，炮间距20m，测线长度500m。设18个槽波数据采集站下井采集数据，每个采集站3道，其中一个采集站是放炮记录采集站。

步骤四，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长观钻孔，进行井下联合放水试验，得到用于煤矿井下防治水预警系统。

本次将101盘区轨道大巷钻孔(1#、2#、3#、补1#、4#)作为长期观测孔；K0+640m处钻孔(新1#、新2#、新3#、新4#、新5#、新6#、新7#)均安装了孔口管和孔口安全装置作为交替放水(观测)试验孔。

本次初步推断试验区补给水源主要为上部水，但不排除有下部承压水进行补给的可能；初步推断试验区水源补给通道为f2和其它水力通道，其它水力通道有待下步工作增加工程量进行查明。

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：本发明建立了基于人工智能技术的矿井水害来源识别模型库，为解决依据智能感知、智能判断和智能执行等智能化技术三要素的煤矿充水条件精准探测、有效预测、动态监测和水害的可靠治理问题打下良好基础。

云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井设计生产能力3.0Mt/a，目前正在进行基建施工。101盘区轨道大巷掘进工作面2015年8月施工6个地质长探孔，有5个钻孔出水，钻孔内总涌水量70-85m³/h，截止 2018年10月底，钻孔涌水量累计约196万m³。根据2017年6月专家咨询会专家组意见，开展本发明。

根据本次建立的矿井水害来源识别模型库、及件精准探测、有效预测、动态监测技术，提出了雨汪煤矿101盘区轨道大巷工作面钻孔涌水的防治水方案，，开展可疏性评价，提出后期采取帷幕注浆、疏水降压，同时留井下观测孔的方式开展煤矿井下水防治工作。其中注浆针对采面范围内未揭露导水构造和富水区的区域，提高围岩整体强度，拟设计区域为顶板抽采巷所处的物探低阻区；深部注浆深部注浆主要目的为超前封堵导水通道，拟设计区域为5个处于低阻区内，与水文地质构造相交的采面。将巷道K0+657m 处的钻孔(1#、2#、3#、补1#、4#)作为长期观测孔。

本发明查明了101盘区大巷钻孔涌水水源及通道，查清矿井充水条件，为后期矿井安全建设和回采制定了有效防治水措施提供技术支撑。基于建立的矿井水害来源识别模型库及煤矿充水条件精准探测、有效预测、动态监测对雨汪煤矿一井下一步巷道开拓掘进，矿井水防治，产生了切实有效的实际效益，实现了本次防治水预警系统工作。

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，可有的放矢地采取针对性的制定防治水措施,保证矿井安全、经济、合理的生产以及对水资源的综合利用。基于本发明，可进而建立一个涵盖滇东矿区各煤矿的全面、综合矿井水害类型划分方案；对滇东矿区各煤矿不同水害类型的致灾机制、影响因素的研究工作提供基础，同时可以更清楚地认识到导致水害发生的主要危险源，形成各种水害类型危险性评价、预防、治理理论指导和工程示范。

本发明重新评价矿井开采水文地质条件，利用三图双预测等方法对矿井突水危险性与危害程度进行评价，重新估算矿井正常涌水量及最大涌水量，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

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于煤矿井下防治水预警系统结构示意图；

图中：1、超前探查及回采工作面水害预测系统；2、地下水动态监测系统；3、矿井水水源快速判别系统。

图2是本发明实施例提供的用于煤矿井下防治水预警方法流程图。

图3是本发明实施例提供的用于煤矿井下防治水预警系统构建方法流程图。

图4是本发明实施例提供的雨汪煤矿矿界及现已完成的主要工程略图。

图5是本发明实施例提供的巷道出水点与地表水体位置对比图。

图6是本发明实施例提供的水文地质结构理论框架图。

图7是本发明实施例提供的雨汪煤矿一井1600米水平视电阻率≤180Ω·m区域平面分布图。

图8是本发明实施例提供的雨汪煤矿一井1400米水平视电阻率≤180Ω·m区域平面分布图。

图9是本发明实施例提供的雨汪煤矿一井1250米水平视电阻率≤180Ω·m区域平面分布图。

图10是本发明实施例提供的矿区水文动态自动监测系统示意图。

图11是本发明实施例提供的技术路线图。

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，本发明提供了一种用于煤矿井下防治水预警系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于煤矿井下防治水预警系统包括：

超前探查及回采工作面水害预测系统1，用于进行煤矿含水构造以及导水情况探测，同时用于采用音频电透视法及槽波地震勘探法，探测工作面顶、底板一定高度范围内的导水构造及富水区分布情况，隐伏小断层、煤层分叉与变薄带、煤层底板起伏情况、陷落柱及其他异常地质体，确定回采工作面水害防治技术措施；

本发明主要用于预报迎头前方100m及K0+59米～K0+639米段巷道左、右、顶、底100m范围内含水性异常(含水构造)的位置。

地下水动态监测系统2，用于利用矿区水文动态监测系统进行地下水相应数据的采集、分析；

现行《煤、泥炭地质勘查规范》规定:水文地质勘查要对各类充水矿床的复杂井田(矿区)建立地下水动态长期观测网，直接(间接)充水含水层的长观钻孔数为6～8个。

2019年5月26日-2020年5月1日在101盘区轨道大巷K0+640m处新施工了7个钻孔(新1、新2、新3、新4、新5、新6、新7号钻孔)，对钻孔出水位置、裂隙发育情况进行了记录。

矿井水水源快速判别系统3，用于基于现矿井资料，采用物探、钻探和化探方法，进行化验、分析，确定矿区水化学背景特征，建立矿区水化学数据库，建立井田内不同含水层水质的判别模型，快速判别各类涌水水源。

本发明实施例提供的矿区水文动态监测系统2包括地下水动态监测子系统以及地表地层水文长观孔监测子系统；

本发明实施例提供的地下水动态监测子系统由主站及若干分站构成；

主站用于通过通讯设备向分站发送命令或接受数据、将数据整理保存到磁盘、完成数据的显示、查询、编辑、对数据进行处理、生成各种报表并打印输出、绘制水位、水压、温度、流量变化趋势曲线、直方及其他各种图形；

分站用于进行数据采集、数据暂存、数据显示。

本发明实施例提供的矿井水水源快速判别系统包括：

如图2所示，本发明实施例提供的用于煤矿井下防治水预警方法包括：

S101，通过建立矿井水化学实验室及井上下水情自动实时监测系统，建立快速突水水源判别系统；

S102，全方位动态监测矿井主要威胁含水层的水位、矿井涌水量及其他参数，并根据所设置水文监测值的上、下限及变化量阈值，进行实时突水预测预警。

如图3所示，本发明实施例提供的用于煤矿井下防治水预警系统构建方法包括：

S201，开展野外水文地质调查、施工水文地质补充勘探钻孔、钻孔抽放水试验，建立相应的水文地质信息数据库；

S202，采用井下直流电法、瞬变电磁法和瑞利波超前探测方法，对巷道掘进前方含水构造和富水异常区进行探测；

S203，采用矿井音频透视和井下槽波探测方法，对回采工作面内部隐伏构造和顶板含水层富水异常区进行探查；

S204，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长观钻孔，进行井下联合放水试验，得到用于煤矿井下防治水预警系统。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：

一、目的和意义

一)华能滇东矿业分公司滇东矿区基本情况

华能滇东矿业分公司成立于2008年，是特大型煤电一体化企业配套的煤矿项目，是云南省“四个一百” 重点建设项目。矿区总面积131.37平方公里，可采煤层11层,地质储量28.78亿吨，可采储量14.79亿吨，是长江以南最大的整装煤田，煤质为发热量6000至7000大卡的优质无烟煤。国家发改委批复滇东矿区建设5对煤矿，总规模1260万吨/年。

华能滇东矿业分公司在滇东矿区主要煤矿情况为：

2003年4月，国家发展改革委《关于云南省老厂矿区总体规划的批复》(发改能源【2003】186号) 对矿区总体规划予以批复，矿区总规模13.90Mt/a，其中：白龙山矿井5.00Mt/a、细冲矿井3.00Mt/a、雨汪矿井5.00Mt/a、大坡山矿井0.90Mt/a。

根据国家大型煤炭基地建设的要求，《国家发展改革委关于大型煤炭基地建设规划的批复》(“发改能源【2006】352号”文)中，确定将老厂矿区未开采区划分为2个大型矿井，总规模13.00Mt/a，其中：白龙山矿井8.00Mt/a，雨汪矿井5.00Mt/a。

1、白龙山矿井

2005年7月，《国家发展改革委关于云南滇东煤电工程核准的批复》(发改能源【2005】1277号)，核准白龙山矿井设计生产能力8.0Mt/a。

2011年4月，国家发展和改革委员会办公厅《关于调整云南老厂矿区白龙山煤矿项目建设方案的复函》 (发改办能源【2011】746号)批复：原白龙山煤矿分为三个井区开采，一井、二井共用同一工业场地，三井独立布置。白龙山煤矿一井、二井建设规模分别为3.00Mt/a、1.80Mt/a，充分利用现有独路河、五乐工业场地的地面和井下设施；白龙山煤矿三井项目按照3.00Mt/a开展前期工作。

2、雨汪矿井

根据国家发展和改革委员会第19号令颁布的《企业投资项目核准暂行办法》，雨汪煤矿实行核准制，在完成各项支持性文件后，国家发改委以(发改能源[2009]660号)文核准了雨汪煤矿项目，核准雨汪煤矿设计生产能力3.0Mt/a。

2010年初雨汪煤矿变更云南滇东雨汪能源有限公司建设运营，该公司隶属华能国际电力股份有限公司。主要经营范围为电力项目投资、开发及经营管理；发电生产及销售；新能源的开发及经营管理；煤炭项目投资、开发、生产及经营管理；电力、能源项目咨询；环保技术开发、技术转让、技术咨询、技术服务。

公司在云南省曲靖市富源县境内开发滇东煤电联营项目，电厂一期规模为滇东电厂4×600MW燃煤发电机组和配套煤矿，2007年12月投产四台机组全部投产运行。二期规模为雨汪电厂4×600MW燃煤发电机组和配套煤矿，已核准的2×600MW燃煤发电机组于2009年初发电。

雨汪煤矿已取得采矿许可证，其证号：C1000002012011120123293，有效期限30年：2012年1月至 2042年1月。面积50.4673km²，开采深度2200～550m标高。

由于地质条件、安全条件的变化、新的安全核准政策的实施、矿区电煤的迫切需求等因素的影响，为保障煤矿安全生产，促进煤炭资源合理开发和煤电一体化建设，云南省发改委以(云发改能源[2012]773 号)文上报了“关于上报雨汪煤矿建设方案调整的请示”，国家发改委以(发改办能源[2013]573号)“关于调整云南老厂矿区雨汪煤矿项目建设方案的批复”同意在原雨汪煤矿采矿许可证范围内对其建设方案进行调整，原雨汪煤矿分为两个井区开采，以4307勘探线为界划分为雨汪煤矿一井和雨汪煤矿二井，其中雨汪煤矿一井建设规模300万t/a，利用下马戛村工业场地的地面和井下设施；雨汪煤矿二井按180万t/a开展前期工作。

二)雨汪煤矿一井基本情况

雨汪煤矿一井含煤地层为二叠系上统龙潭组，共有可采煤层11层。C₃、C₇₊₈、C₉、C₁₄、C₁₆计5层为全区可采煤层；C₂、C₁₃、C₁₈、C₁₉计4层为大部可采煤层；局部可采煤层有C₁₅、C₁₇计2层，可采总厚18.08m。

雨汪煤矿开工建设至今，工业广场外部公路运输道路、内部联络道路、110kV变电站，综合办公楼、食堂、3#单身公寓、副井提升机房、副井井口房已建成投入使用，地面永久瓦斯抽采泵站土建工程完工、设备安装工程施工完成，目前进行设备调试，矿井水处理站已建成；主副井区域永久监测监控系统已安装完成，人员定位、工业电视和调度通讯系统正在试运行。

井巷工程中主立井、副立井已施工到位，井底车场、水泵房及变电所硐室、水仓、装载输送机检修斜巷等巷道已施工完成，+1250m水平轨道石门、+1250m胶带石门已施工；1号回风立井、1号进风斜井均揭露C₇₊₈煤层底板，施工完成回风石门、原设计01采面瓦斯抽采巷部分巷道，形成回风井区域临时负压通风系统。井下主要巷道见图4。

三)雨汪煤矿一井施工过程中的水文地质基本情况

滇东矿区雨汪煤矿一井基建过程中发现，实际揭露的水文地质条件与原勘探报告所述内容差异较大，水文地质条件复杂程度超过预期，见图5及表1-1。目前井下揭露情况如下：

1)主副井区域共发生12次突水，其中轨道石门及胶带石门施工过程中发生涌水量超过100m³/h的突水共4次；井底车场五号交岔点J10出水点，最大涌水量为103.0m³/h，历时13.0个月，累计涌水量达20.0 万m³。涌水量在50～100m³/h之间共7次，所有突水点累计涌水量达到56.8万m³。101盘区轨道大巷工作面2015年8月施工6个地质长探钻孔，有5个钻孔涌水，钻孔总涌水量70～85m³/h，出水时间3年，至今钻孔涌水量无明显减少，钻孔总涌水量稳定在75m³/h；截止2019年3月底累计涌水约220万m³。

2)矿井实测正常涌水量：38～86m³/h，最大涌水量为268.0m³/h。原地质勘探报告预测矿井涌水量为 36.25m³/h，目前巷道掘进期间矿井涌水量已经远远超过勘探报告预测的矿井涌水量。

3)101盘区轨道大巷迎头超前探孔涌水点与松毛林水库水力联系未确定，雨汪煤矿一井井下涌水是上覆地层来水还是下伏地层来水不明确。

4)滇东矿区雨汪煤矿一井水文地质条件与周边矿井相差较大。邻区白龙山煤矿一井102采区C₂煤层顶板岩石辅运上山在掘进过程中曾出现涌水现象，出水量约15m³/h，该处近四年水量稳定在10m³/h，综合分析为C₂煤层顶板砂岩裂隙水。

四)资料收集

至今已收集了与该研究项目有关的如下资料：

1、《云南省富源县余家老厂、古木、富村、庆云煤矿初步普查报告》(云南省地矿局第六地质队、1964)；

2、《富源县老厂矿区五勘区煤矿精查储量报告》(云南省地矿局第六地质队、1978年6月)；

3、《富源老厂煤矿区一勘区详细勘探地质报告》(云南省地矿局第六地质队、1980年5月)；

4、《富源老厂煤矿区二勘区详细勘探地质报告》(云南省地矿局第一地质大队、1985年12月)；

5、《富源老厂煤矿区四勘区普查报告》(云南省地矿局第一地质大队、1988年12月)；

6、《富源老厂煤矿区六勘区普查报告》(云南省地矿局第一地质大队、1989年6月)；

7、《富源老厂煤矿区三勘探区详查勘探地质报告》(云南省地矿局第一地质大队、1989年6月)；

8、《富源老厂煤矿区总体地质报告》(云南省地矿局第一地质大队、1990年6月)；

9、《云南省富源县老厂煤矿区四勘区详查报告》(云南省煤田地质局、2001年4月)；

10、《云南省富源县雨汪井田煤炭勘探报告》(云南省煤田地质局、2006年12月)；

11、《云南滇东煤电工程二期(雨汪煤电一体化)工程雨汪煤矿煤与瓦斯突出防治专项设计》(中煤科工集团煤炭科学研究总院重庆研究院、2009年)；

12、《云南滇东煤电工程二期(雨汪煤电一体化)工程雨汪煤矿瓦斯抽采及利用工程初步设计》(中煤科工集团煤炭科学研究总院重庆研究院、2009年)；

13、《雨汪煤矿一井C2煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》(中煤科工集团煤炭科学研究总院重庆研究院、2009年)；

14、《雨汪煤矿一井C8+1煤层瓦斯基本参数测定报告》(中煤科工集团煤炭科学研究总院重庆研究院、 2009年)；

15、《云南滇东煤电工程二期(雨汪煤电一体化)工程雨汪煤矿初步设计》(昆明煤炭设计研究院、2009 年)；

16、《云南滇东煤电工程二期(雨汪煤电一体化)工程雨汪煤矿初步设计安全专篇》(昆明煤炭设计研究院、2009年)；

17、《关于云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井安全设施设计修改》(昆明煤炭设计研究院、2014 年)；

18、《雨汪煤矿一井瓦斯抽采工程初步设计修改》(中煤科工集团煤炭科学研究总院重庆研究院、2015 年)；

19、《雨汪煤矿一井防治煤与瓦斯突出专项设计修改》(中煤科工集团煤炭科学研究总院重庆研究院、 2015年)；

20、《中国华能云南滇东雨汪能源有限公司雨汪一井101盘区C2煤层顶板轨道大巷超前探测试验报告》 (中煤科工集团西安研究院有限公司、2015年)；

21、《雨汪煤矿一井水文地质分析报告》(云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井、2015年)；

22、《云南滇东雨汪能源有限公司云南滇东煤电工程二期雨汪煤矿一井初步设计修改》(昆明煤炭设计研究院、2016年1月)；

23、《水质检测报告》(云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井、2017年)；

24、《101盘区轨道大巷K0+657m测水情况》(云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井、2017年)；

25、《雨汪煤矿一井101盘区轨道大巷涌水量累计K0+657m涌水量观测记录(2)》(云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井、2017年)；

26、《雨汪煤矿一井101盘区轨道大巷涌水异常分析处理方案》(中国矿业大学、2017年)；

27、《松毛林水库对雨汪煤矿一井评估报告》(云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井、2017年)；

28、《华能滇东矿业雨汪煤矿一井101盘区井下水文补勘及防治水工程(一期)项目井下钻探报告》(云南省煤田地质局、2020年)；

29、《云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井101盘区同位素测试及水质化验报告》(云南省煤田地质局、2020年)；

30、《云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井101盘区地面瞬变电磁勘探报告》(云南省煤田地质局、 2020年)；

31、《云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井101盘区轨道大巷工作面出水钻孔监测与放水实验报告》(云南省煤田地质局、2020年)；

五)问题

雨汪煤矿一井井下水文地质情况与原地质勘探成果较大出入，主要是对影响和控制水文地质条件的各类充水水源、通道的性质，围岩的含隔水层结构、空间组合关系等对其充水造成重大影响的基础因素研究程度较低，且未结合已获地质勘探及井下工程成果，对水源(或含水层)类型、水压大小、富水性强弱、边界条件、补给排条件、水源或含水层与开采煤层的相对空间位置关系进行深入综合研究，导致矿井存在井田构造条件不清、对矿区水文地质条件认识不清等问题。如果上述问题得不到及时解决，将对下一步煤矿投产形成严重的水患威胁。为此，矿井水害综合防控技术研究与应用已成为当前雨汪煤矿一井迫在眉睫的问题。

表1-1雨汪煤矿一井井下主要出水点情况表

六)项目的目的和意义

云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目，积极响应了以煤矿生产、安全、经营、管理等多系统集成为重点，创新智能化发展的新兴业态和应用模式，实现矿山信息的集成共享和科学决策的国家煤矿产业发展的大趋势。重点在于创新智能化煤矿地质工作模式，探索应用综采(掘)工作面超前精准探测技术，研发应用物探、化探、钻探一体的矿山地质综合探测技术，提升基础地质数据与地质信息服务保障能力。建立基于人工智能技术的矿井水害来源识别模型库，为解决依据智能感知、智能判断和智能执行等智能化技术三要素的煤矿充水条件精准探测、有效预测、动态监测和水害的可靠治理问题打下良好基础。

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，可有的放矢地采取针对性的制定防治水措施,保证矿井安全、经济、合理的生产以及对水资源的综合利用。基于本发明的研究成果，可进而建立一个涵盖滇东矿区各煤矿的全面、综合矿井水害类型划分方案；对滇东矿区各煤矿不同水害类型的致灾机制、影响因素的研究工作提供基础，同时可以更清楚地认识到导致水害发生的主要危险源，形成各种水害类型危险性评价、预防、治理理论指导和工程示范。

二、研究或建设目标

按云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件要求，本发明主要研究内容有五项(即项目共有五个子课题)：1、矿井水文地质条件分析研究与评价；2、建立矿井水源快速判别实验室；3、建立地下水动态监测系统；4、掘进工作面前方富水性超前探查；5、回采工作面水害防治技术措施。

本发明拟按预测+监测→判识→决策程序，研究三个目标来完成项目招标文件的五个子课题：

一)超前探查及回采工作面水害预测

其目标是，达到《煤矿防治水细则》第三十八条“在地面无法查明水文地质条件时，应当在采掘前采用物探、钻探或者化探等方法查清采掘工作面及其周围的水文地质条件。”及招标文件“掘进工作面前方富水性超前探查”要求。

掘进工作面前方富水性超前探查详细叙述如下：

(1)探查目的

探测101、102盘区C2煤层顶板轨道大巷掘进前方含水构造；探测1010201首采工作面顶底板含水层富水区；探测掘进巷道前方构造导水情况。

(2)拟选用的物探方法

①101、102盘区C2煤层顶板轨道大巷掘进前方含水构造探测

拟采取直流电法(或瞬变电磁法)等有效物探方法，探明101、102盘区C2煤层顶板轨道大巷四周 80～100m范围(要求覆盖三条大巷)富水异常区及导水通道分布特征，为掘进工作面探放水施工提供依据。

②1010201首采工作面顶板含水层富水区的探测

要求在1010201首采工作面形成后及时采取矿井音频电透视和槽波地震勘探法，探明整个首采工作面顶、底板不小于50m范围内富水异常区、导水通道分布特征，为回采工作面探放水施工提供依据。

③岩体测温技术

通过岩体测温技术获得含水构造附近水体渗透压力造成的岩体温度场变化特征，进一步查明掘进巷道前方构造导水情况。要求对井下各主要掘进巷道进行岩体测温。拟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。

回采工作面水害预测：

在回采工作面形成以后，采用音频电透视法及槽波地震勘探法，探测工作面顶、底板一定高度范围内的导水构造及富水区分布情况，隐伏小断层、煤层分叉与变薄带、煤层底板起伏情况、陷落柱等异常地质体，编制回采工作面水害防治技术措施，为工作面安全回采提供可靠的依据。

二)地下水动态监测系统设备集成及数据实时采集

其目标是完成招标文件“2.2.2建立矿井水源快速判别实验室”及“2.2.3建立地下水动态监测系统”要求。

1、建立地下水动态监测系统

该系统建设目标是完成项目标书规定的井下水位、水压、温度、明渠流量、管道流量等数据的实时采集，为开展水害因素分析，进行矿井水害预测提供依据。

该系统能够实现的功能和系统相关参数要求如下：

(1)系统功能应满足以下要求：

①满足《煤矿防治水细则》第九条要求，实现对矿井水文观测孔主要充水含水层的水位(水压)、水温、水质、矿井涌水量进行长期动态监测，并根据所设置水文监测值的上、下限及变化量阈值，进行实时突水预测、预警；实现井下采空区水位、水仓水位、隔水密闭墙承压以及排水明渠流量、管道流量等实时监测。

②要求系统便于安装、易维护、易操作、采集精度高且性能稳定可靠，配套软件具有自动巡检可读取观测数据并可生成报表、曲线以及对历史数据对比分析等功能。

③系统应由井下监测系统和地面监测系统组成，实现井下地面一体化管理，实现由地面监测中心统一管理，系统组成应包含监测中心站、远程通讯适配器、井下数据通讯网络(敷设专线或者井下以太网)或基于GSM/GPRS国家公网构成的无线监测分站、数据采集分站、被测物理量传感器、井下防爆电源等。

④数据通信适配器、监测主机、分站、传感器、电源等均为矿用本质安全型。

(2)系统主要参数应满足以下要求：

①水位测量范围：0——600m，分辨率：0.5cm，精度：0.1％F.S(满量程误差)

②水压测量范围：0Mpa——10Mpa，分辨率：0.01Mpa，精度：0.1％F.S

③温度测量范围：0——80℃，分辨率：0.1℃，精度：±0.2℃F.S

④明渠流量测量范围：0——1000m3/h，分辨率：0.001m3/h，精度：≤1‰

⑤管道流量测量范围：3.5——500m3/h，分辨率：0.001m3/h，精度：≤1‰

⑥测量时间间隔：1分钟—24小时任意设置

⑦井下监测：

数据通信模式：远程数据通信适配器与主机通信为RS232信号制；远程数据通信适配器与主机分站通信为CAN2.0信号制；

传输速率：远程数据通信适配器与主机通信为9600bps；远程数据通信适配器与主机分站通信为5kbps；

传输距离：≥10km，误码率≤1*10-8；

巡检周期：≤30s

⑧地面监测：

数据通信模式：无线(GSM/GPRS)

最大传输距离：GSM/GPRS网络覆盖范围

2、矿井水质快速采集系统

该系统建设目标是完成矿井水质数据采集，为矿井地下水水源快速判别提供数据支撑。及时发现标型元素、标型化合物和标源离子的变化，为矿井地下水水源(或含水层)类型提供指向依据。同时完成项目标书规定的“建立矿区水化学数据库，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。”

三)水害判识系统引进集成及开发

本发明水害判识系统引进集成及开发，主要基于现矿井资料，采用物探、钻探和化探成果，建立数学模型。分充水水源、煤层与充水含水层相对位置关系及导水通道三个专项，深入研究滇东矿区充水水源、采煤驱动下矿区地下水循环规律与突水机理，建立针对特定类型，形成煤矿突水危险性评价、控制技术体系，引进集成及开发适合于滇东矿区水害判识系统。完成项目标书规定的“达到快速判别各类涌水水源的目的，实现矿井水文动态自动监测与预警功能。”

本发明会按照招标文件的要求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，揭示矿区水化学背景特征，建立矿区水化学数据库，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。

四)自上世纪60年代到目前，国内外现有预测评价理论方法主要是基于矿区水文地质条件和开采条件的采前静态评价(或矿井突水与否的中长期预报)。尚缺乏针对不同灾害类型且考虑采动时空演化过程的突水危险性动态评价模型和评价技术、致灾危险源动态辨识方法等。

矿山水文地质结构概念(见图6)的提出是基于我国煤炭矿井开采研究现状。我国矿井水害事故频发，其根本原因一是顶底板岩体结构的采动效应，二是承压水作用及影响。而地质结构系统与地下水系统是水文地质结构体系的两个基本构成要素。目前，对于煤矿水文地质结构的系统性研究成果较少，同时缺乏以矿山水文地质结构为切入点的矿井水害研究工作。

本发明的水害判识系统主要基于矿山水文地质结构理论，提出突水危险源的静、动态联合辨识方法与突水危险性评价技术，解决矿井突水危险源静、动态辨识的方法问题，为矿井水害防控技术提供技术支撑。并力争形成以矿井水害研究工作为切入点的矿山水文地质结构理论上有新突破。

本发明主要基于现矿井资料，采用物探、钻探和化探成果，拟根据≥1600米、1400米、≤1250米三个高程区段的物探水文构造单元进行静态辨识方法与突水危险性评价，见图7、图8、图9。

本发明主要基于地下水动态监测系统集成设备(地下水动态监测系统及矿井水质快速采集系统)数据进行动态辨识方法与突水危险性评价。

其中基于矿山水文地质结构理论突水危险源的静、动态联合辨识方法与突水危险性评价技术、物探水文构造单元区分法、地下水动态监测系统及矿井水质快速采集系统数据动态联合辨识方法与突水危险性评价三项关键技术均为国内外尚未形成研究成果的技术创新点。

三、内容

按云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件要求，本发明拟：

1、完成矿区水文动态自动监测系统及矿井水源快速判别实验室两项工程建设；

2、完成掘进工作面前方富水性超前探查、地面卡以头组及飞仙关组水文长观孔钻探、井下茅口组钻探、井下放水试验钻探及岩体测温五项工程施工；

3、完成矿井水文地质条件分析研究与评价、地下水动态监测系统及矿井水质快速采集系统数据动态联合辨识方法与突水危险性评价两项理论研究及相关软件引进集成及开发。

具体建设内容为：

一)工程建设

1、矿区水文动态自动监测系统建设

矿区水文动态自动监测系统建设工程建设分为地下水动态监测系统及地表地层水文长观孔监测系统，见图10。

(1)地下水动态监测系统

水文监测系统由主站及若干分站构成。系统功能如下：

主站功能包括：通过通讯设备向分站发送命令或接受数据；将数据整理保存到磁盘；完成数据的显示、查询、编辑；对数据进行处理，生成各种报表并打印输出；绘制水位(水压)、温度、流量变化趋势曲线、直方等各种图形。

分站功能包括：数据采集、数据暂存、数据显示。本次根据煤矿井下工程完成情况拟建4个进下分站。

系统功能满足云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件的如下要求：

系统由下表(表3-1)所列主要设备组成。

表3-1地下水动态监测系统主要设备表

系统设备主要参数满足系统功能满足云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件的如下要求：

①水位测量范围：0—600m，分辨率：0.5cm，精度：0.1％F.S(满量程误差)；

②水压测量范围：0Mpa—10Mpa，分辨率：0.01Mpa，精度：0.1％F.S；

③温度测量范围：0—80℃，分辨率：0.1℃，精度：±0.2℃F.S；

④明渠流量测量范围：0—1000m³/h，分辨率：0.001m³/h，精度：≤1‰；

⑤管道流量测量范围：3.5—500m³/h，分辨率：0.001m³/h，精度：≤1‰；

⑥测量时间间隔：1分钟—24小时任意设置；

⑦数据通信模式：远程数据通信适配器与主机通信为RS232信号制；远程数据通信适配器与主机分站通信为CAN2.0信号制；传输速率：远程数据通信适配器与主机通信为9600bps；远程数据通信适配器与主机分站通信为5kbps；传输距离：≥10km，误码率≤1*10-8；巡检周期：≤30s。

(2)地表地层水文长观孔监测系统

在完成的地面卡以头组及飞仙关组水文长观孔安装水位遥测仪器，初步建立矿井水文地质长期动态观测系统，并通过GSM短信将数据传输到地表中心站。

系统由下表(表3-2)所列主要设备组成。

表3-2地表地层水文长观孔动态监测系统主要设备表

④测量时间间隔：1分钟—24小时任意设置；

⑤数据通信模式：无线(GSM/GPRS)、最大传输距离：GSM/GPRS网络覆盖范围。

2、矿井水源快速判别实验室建设

响应云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件2.2.2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，揭示矿区水化学背景特征，建立矿区水化学数据库，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。”要求。

关键技术：矿井水水源快速判别技术及便携测试装置应用研究。具体包括：矿井水害判别和预警指标体系、矿井水害预警数据采集系统、矿井水害预警数据处理和软件。实现整个工作面多点、多参数实时监测预警。

(1)完成水样全分析(8件)、水样同位素分析(8件)、水样有机物分析(8件)及其他必需的水样测试；

(2)矿区水化学数据库

在上述水样数据基础上完成矿区水化学数据库建设，矿区水化学数据库包括：化验分析数据录入功能；分析数据自动单位换算、处理功能；分析数据自动查询功能；水质类型自动判别功能；水质图像自动生成功能；水质分析结果报表打印功能；完成招标文件要求的“水化学实验室台面设计订制及水化学实验室配套设备及耗材”工程。

矿区水化学数据库通过建立含水层的水质背景资料，利用软件中灰色关联法、多组逐步判别方法判别分析突水水源所属含水层，该系统与数据库连接一起，可方便的调出标准水源水质资料参与建模分析过程中，实现了水质分析、数据管理到水源判别一体化。

(3)配置水质快速检测分析设备

本次拟配备20-30种指标的便携式多参数水质分析仪，以满足云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件的“地下水快速判别体系，判别时间不大于20 分钟。”要求，完成招标文件要求的“水化学实验室精密仪器设备”配置。

二)工程施工

工程施工完成云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件要求的：掘进工作面前方富水性超前探查、地面卡以头组及飞仙关组水文长观孔钻探、井下茅口组钻探及井下放水试验钻探工程及岩体测温五项工程施工。

(1)掘进工作面前方富水性超前探查

该项工程完成云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件要求的：探测101、102盘区C₂煤层顶板轨道大巷掘进前方含水构造；探测1010201首采工作面顶底板含水层富水区，探测掘进巷道前方构造导水情况。

该项工程按云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件要求施工如下：

①101、102盘区C2煤层顶板轨道大巷掘进前方含水构造探测，采取直流电法(或瞬变电磁法)等有效物探方法，探明101、102盘区C₂煤层顶板轨道大巷四周80～100m范围(要求覆盖三条大巷)富水异常区及导水通道分布特征，为掘进工作面探放水施工提供依据。

②1010201首采工作面顶板含水层富水区的探测，在1010201首采工作面形成后及时采取矿井音频电透视和槽波地震勘探法，探明整个首采工作面顶、底板不小于50m范围内富水异常区、导水通道分布特征，为回采工作面探放水施工提供依据。

(2)地面卡以头组及飞仙关组水文长观孔钻探

施工一个120米孔径不小于94mm)的钻孔，为地表地层水文长观孔动态监测系统提供监测源。

(3)井下茅口组钻探

施工一个400米(孔径不小于94mm)的钻孔，对茅口组地层含水性进行探测。

(4)井下放水试验钻探

施工总进尺300米的井下放水试验钻孔，重新估算矿井正常涌水量及最大涌水量，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。

⑤岩体测温

对井下各主要掘进巷道进行岩体测温。拟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。

三)联合辨识方法与突水危险性评价两项理论研究

1、矿井水文地质条件分析研究与评价

按云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件 “通过开展野外水文地质调查、施工水文地质补充勘探钻孔、钻孔抽放水试验，从而建立相应的水文地质信息数据库；采用井下直流电法、瞬变电磁法和瑞利波超前探测方法，对巷道掘进前方含水构造和富水异常区进行探测；采用矿井音频透视和井下槽波探测方法，对回采工作面内部隐伏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长观钻孔，进行井下联合放水试验，建立矿井水文地质动态监测预警系统。通过上述工作的开展，重新评价矿井开采水文地质条件，利用三图双预测等方法对矿井突水危险性与危害程度进行评价，重新估算矿井正常涌水量及最大涌水量，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。”的要求，建立主要基于现矿井资料，采用物探、钻探和化探成果的数学模型。从分充水水源、煤层与充水含水层相对位置关系及导水通道三个专项入手，深入研究滇东矿区充水水源、采煤驱动下矿区地下水循环规律与突水机理，建立针对特定类型，形成煤矿突水危险性评价、控制技术体系，引进集成及开发适合于滇东矿区水害判识系统。形成以矿井水害研究工作为切入点的矿山水文地质结构理论新突破。

2、地下水动态监测系统及矿井水质快速采集系统数据静、动态联合辨识方法与突水危险性评价

按云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件 “建立矿井水化学实验室及井上下水情自动实时监测系统，建立快速突水水源判别系统，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，进行实时突水预测预警。”的要求，及时发现标型元素、标型化合物和标源离子的变化，为矿井地下水水源(或含水层)类型提供指向依据。最终满足云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件“建立矿区水化学数据库，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。”的目标。

四、思路与技术路线

1、思路

本发明主要基于矿山水文地质结构理论，主要因素为补给条件、边界类型、地下水温度场、地下水动力场、地下水化学场及人工改造未来预测。综合已有矿井资料、物探、钻探和化探成果，在完成本次项目的地面卡以头组及飞仙关组水文长观孔钻探、井下茅口组钻探、井下放水试验钻探及岩体测温五项工程施工的基础上，揭示煤矿水源(或含水层)类型、水压大小、富水性强弱、边界条件、补给排条件、水源或含水层与开采煤层的相对空间位置关系等特征。分析标型元素、标型化合物、标源离子、水量、水压、水温等敏感因子相联规律，形成矿井水文地质条件分析研究与评价综合研究成果，完成静、动态联合辨识方法与突水危险性评价技术，最终有指导体系的矿区水文动态自动监测系统、矿井水源快速判别实验室长效工作机制

2、路线

七、工作重点、难点分析

矿井水的涌出不仅与含水体本身水体类型，富水性特征以及赋存条件有关，还与煤层各隔水岩层的地层结构、水文地质条件及采矿地质条件有关，是一个十分复杂的地质力学作用过程，其影响因素是多方面的。虽然对矿井涌水已有如下研究方向：

1、传统水文地球化学研究：一般专注于分析特定研究区常规水化学数据(一般指pH值、电导率EC、氧化还原电位Eh、总溶解固体TDS等综合指标,Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃ ^-、Cl^-、S0₄ ^2-、CO,等宏量组分以及部分中、微量组分)在天然或人类工程活动影响下的时空变化,进而揭示研究区不同循环深度下的水化学特征及其演化规律。

2、水-岩作用水文地球化学研究：一般情况下,研究区考虑统一水力联系的地下水系统存在地下水流速不同的地下水空间,即使其它水文地球化学条件相同,其中不同的含水空间类型中的地下水仍具有不同的水化学组分。因此,应遵循水文地球化学相关理论,去确定不同类型地下水中化学元素迁移的基本类型,去识别不同类型地下水中化学元素迁移的内在因素,才易于阐明地下水-岩作用机制。

3、同位素水文地球化学研究：水文地球化学研究区的地下水系统的复杂性、隐蔽性给全面认识地下水系统水循环规律与水化学环境带来一系列困难。水化学分析与同位素分析方法的有机结合开展综合研究, 使研究者能够定性或定量地评价地下水的流动与化学演化规律,从而更为合理地去解释地下水化学与水循环之间的变化关系。

4、微量元素水文地球化学研究：近年来,特别是近30年来,国内外微量元素分析技术及其相关分析仪器获得了较显著的发展,其中,应用电感藕合等离子发射光谱法(ICP-MAS)对多种元素进行同时测定报道得很多。例如,刘全吉等运用ICP-MAS法同时测定研究区浅层水中12种微量元素；谢建滨等运用ICP-MAS法测定研究区浅层水中17种微量元素。随着微量元素水文地球化学研究技术的进步,将微量元素应用于区域地下水的课题大量涌现。

5、水文地球化学综合研究：水文地球化学研究大都分析相关井田、采区或工作面主要突水含水层的水化学特征及其所处的水动力循环条件。不管是地下水动力条件,还是地下水化学环境,均受控于区域水循环。

但本发明区涉及地层有：含煤地层上覆的三叠系中统个旧组(T_2g)，下统永宁镇组(T_1y)、飞仙关组 (T_1f)、卡以头组(T_1k)，含煤地层下伏的二叠系下统茅口组(P_1m)及含煤地层。矿区水化学背景特征复杂，对本发明造成如下困难：

1、区内分别存在地表水、裂隙水、岩溶层、构造带内水等，各套地层含水即相对独立又局联通，增加了矿区水化学数据库的复杂程度；

2、煤矿尚未开采，无现场采空区水样样本；

3、煤矿在实际建井过程中发现井下地质情况与原地质勘探成果有较大出入，难以判断本次拟定的水文观测钻孔方案是否切合实际；

4、煤矿尚未形成开采工作面，井下物探针对性工作有待研究。

针对上述重点和难点，本发明准备：

1、扩大水样采集范围，从普遍性中找出各套地层水的特殊规律，形成区别各类水源的判别方法及模型；

2、重新分析已有地质、地面物探资料，形成针对性强的水文观测钻孔设定及拟开采工作面预探的项目方案；

3、依托国家级、省部级高校及科研单位搭建合理的学术梯队。责任落实、分工明确，形成快速高效的科研管理机制。

八、对本发明的合理化建议

滇东矿区地表为三叠系永宁镇组灰岩强岩溶含水层，煤系地层顶板以二叠系至三叠系砂岩裂隙弱含水层为主，煤系地层下伏的二叠系下统茅口组(P1m)灰岩强岩溶含水层，含水性具有非均质性。建议将部分钻探工程改为地面物探加密工程。

为了及时将项目成果转化为工作实效，建议在本发明启动时，煤矿应同时配置相应工作人员，以便实时掌握成果情况和设备情况。达到科学研究、人才培养、成果及时转化的目的。

九、新技术、新设备应用

1、专用技术

其中基于矿山水文地质结构理论突水危险源的静、动态联合辨识方法与突水危险性评价技术、物探水文构造单元区分法、地下水动态监测系统及矿井水质快速采集系统数据动态联合辨识方法与突水危险性评价三项关键技术均为国内外尚未形成研究成果的新技术。

2、新设备应用

本次拟配备20-30种指标的便携式多参数水质分析仪，以满足云南滇东雨汪能源有限公司雨汪煤矿一井《滇东矿区水害综合防控技术研究与应用》项目招标文件的“地下水快速判别体系，判别时间不大于20 分钟。”要求，

3、新方法

本发明拟对标型元素、标型化合物和标源离子等敏感因素及关联性进行分析，为矿井地下水水源(或含水层)类型提供指向依据。

为查明矿区轨道大巷钻孔涌水水源及通道，为治理钻孔涌水提供可靠依据，同时，查清矿井充水条件，为后期矿井安全建设和回采制定有效防治水措施提供技术支撑，实现及时进行矿井突水预测预警，采取针对性的制定防治水措施的目的，采取以下步骤开展工作：

对矿区水文地质情况及各含水层特征进行了调查。

本次共布置放水试验孔12个。

采用瞬变电磁法和直流电法、瑞利波超前探测，主要用于预报迎头前方100m及K0+59米～K0+639米段巷道左、右、顶、底100m范围内含水性异常(含水构造)的位置。

井下槽波观测系统道间距10m，炮间距20m，测线长度500m。设18个槽波数据采集站下井采集数据。

根据对同位素分析报告、地面物探、井下超前探测、并结合井下钻探等资料综合分析，得出以下结论：

初步推断试验区补给水源主要为上部水，但不排除有下部承压水进行补给的可能；初步推断工作面水源补给通道为f2和其它水力通道。2015年8月101盘区轨道大巷施工的5个钻孔总涌水量为70-85m³/h， 2019年5月施工2个取芯孔后涌水量上升为89.9m³/h，2020年4月施工5个钻孔后，共计12个钻孔，总涌水量为216.84m³/h，其中新7号孔涌水量最大，为77.54m³/h；放水实验期间，初始涌水量最高为第四次放水实验前，各钻孔测量的涌水量累计为369.745m³/h，水压数值最高为第一次放水实验前的新7号孔、第四次放水实验前的新5号孔，均为2MPa。

本发明通过野外水文地质调查、施工水文地质补充勘探钻孔、钻孔抽放水试验，确定矿区水化学背景特征为f2断层及其他水利通道，确定了矿区水化学背景特征；通过采用井下直流电法、瞬变电磁法和瑞利波超前探测方法，矿井音频透视和井下槽波探测方法，建立了矿区水化学数据库，并建立井田内不同含水层水质的判别模型，快速判别各类涌水水源。从而达到及时进行矿井突水预测预警，采取针对性的制定防治水措施的目的。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

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

1.一种用于煤矿井下防治水预警系统，其特征在于，所述用于煤矿井下防治水预警系统包括：

2.如权利要求1所述的用于煤矿井下防治水预警系统，其特征在于，所述矿区水文动态监测系统包括地下水动态监测子系统以及地表地层水文长观孔监测子系统；

3.如权利要求1所述的用于煤矿井下防治水预警系统，其特征在于，所述地下水动态监测子系统由主站及若干分站构成；

所述分站用于进行数据采集、数据暂存、数据显示。

4.如权利要求1所述的用于煤矿井下防治水预警系统，其特征在于，所述矿井水水源快速判别系统包括：

5.一种执行权利要求1-4所述用于煤矿井下防治水预警系统的用于煤矿井下防治水预警方法，其特征在于，所述用于煤矿井下防治水预警方法包括：

6.一种构建如权利要求1-4任意一项所述用于煤矿井下防治水预警系统的用于煤矿井下防治水预警系统构建方法，其特征在于，所述用于煤矿井下防治水预警系统构建方法包括：