礦井水害防治保障體係的實時監測技術

摘 要：本文論述了礦井水害防治保障體係中的一種實時監測技術，利用KJ117礦井水壓實時監測係統，可對煤礦井下以總線網絡拓撲結構方式連接的水文觀測孔進行水壓、水位超遠距離的實時監測，其監測數據能及時反映當前礦井不同地質層位的水壓、水位及動態變化情況，為煤礦安全生產和防治水工作提供準確可靠的依據。

關鍵詞：水害防治；實時監測；遠程通信；預測

1 概述

礦井突水是煤礦的致命災害，嚴重威脅著煤礦的安全生產，有時會造成巨大的經濟損失和人員傷亡，隨著煤礦水害問題的日益突出，煤礦防治水研究將會越來越占有其重要的地位。目前我國大多數礦井水位、水壓等重要參數的監測都是靠人工進行觀測，定期進行人工測算，稍有疏忽，就會發生02manbetx.com ，同時也不便於管理。因此，對於如何保證安全采煤己成為大水礦區亟待解決的首要問題。煤炭科學研究總院西安分院總結了原煤炭部100項新技術推廣項目之一的SY-1A水壓水位自動記錄儀在水害較嚴重礦區所使用的經驗基礎上[1]，成功研製了煤炭行業迫切需要的一種集中化、智能化、高可靠性的礦用本質安全型KJ117礦井水壓實時監測係統。該係統可對煤礦井下幾個至上百個分布式水文觀測孔的水壓、水位進行“一線多點”形式的超遠距離地麵集中實時監測。采用高速數據交換技術，係統具有最佳的實時性。實時監測數據能及時反映當前礦井不同地質層位的水壓、水位及動態變化情況，通過取得的大量監測數據和組織管理經驗，以便及時采取防治措施，防患未然，為加強煤礦安全生產和防治水工作提供準確可靠的依據。KJ117礦井水壓實時監測係統的研製成功，實現了國內過去無法進行的遠程礦井水壓、水位實時監測，獲得了有關專家的高度評價。礦井水位、水壓實時監測技術對我國各個大水礦區建立水害防治保障體係提供了重要的手段，全麵推廣使用並盡快健全礦區地下水動態觀測網，對解決煤礦安全生產、預防水害發生將有著極其重要的意義。

2 監測係統的組成

礦用本質安全型KJ117礦井水壓實時監測係統的地麵監測中心站是由計算機、打印機、遠程數據通信設備及係統軟件（含係統控製、數據通信、數據處理等應用軟件）組成。井下子站（水壓測量點）主要由井下水壓/水位數據采集單元、高精度壓力/液位變送器、遠程數據通信單元、井下防爆電源、子站殼體安全保護罩等組成。係統包含1～256個子站。KJ117礦井水壓實時監測係統執行標準是Q/MKYX 029—2004，係統的組成如圖1所示。

圖1 KJ117礦井水壓實時監測係統原理框圖

3 主要技術參數

觀測方式： 自動、手動實時監測

數據記錄： 自動、手動任選

測量範圍： 0～10Mpa

測量精度： 0.3%F.S

通信距離： 10km (可擴展)

傳輸速率： ≥4800bps

觀測站點數：1～256（可擴充）

環境溫度： 0～＋40℃

環境氣壓: (0.80～1.06)×105Pa

環境氣體: 可含有甲烷、煤塵無腐蝕性氣體爆炸危險場所

相對濕度: ≤95%

防爆類型： 礦用本質安全型

防爆標誌： ExibI(150℃)

4 監測係統的設計及特點

4.1 KJ117係統的設計

KJ117礦井水壓實時監測係統原理是采用總線網絡拓撲結構方式連接幾個至上百個水文觀測孔上的子站，子站將水壓模擬信號轉換成數字信號，存儲並通過井下遠程通信適配器及通信電纜MHYVRP傳輸到地麵監測中心站。

圖4 巡回采集設置

圖3 單孔水壓監測月曲線

根據現場實際需要，將壓力變送器安裝在水文長觀孔中或井下泄水管口並配備相應的子站，子站殼體設計是防水全密閉結構。距離太遠或子站數量太多時，可通過中繼器擴展子站距離和數量。子站的電源設計采用了不間斷防爆電源裝置，將AC127V變換為DC12V供給子站，當電源裝置出現故障時自動切換子站內部電池供電，子站電原理框圖見圖2所示。

圖2 子站電原理框圖

鍵盤/顯示

程有線通信網絡係統對井下子站進行有效控製，實時地監測並記錄礦井所有觀測點的水壓、水位值及其變化情況。係統自動將實時水壓數據進行整理、編輯添加至已建立的礦井水文水情數據庫中。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。圖3是某礦區的一個單孔水壓時間月變化曲線圖。

KJ117係統設計采用了基於現場工業控製總線技術，所有子站均由內置計算機係統控製，完成水壓/水位數據的采集、轉換和存儲。通過有線遠程通信單元並按係統約定通信協議實現數據的遠程傳輸，為監測中心提供實時監測數據。圖4所示的是水壓監測係統“巡回采集” 界麵，圖中顯示有數據區、采集地名、站號、時間、子站采集的壓力值、采集站的水位標高、警戒值、采集間隔、存儲間隔和手動方式等內容。其中警戒值是達到設定值時自動報警，如果所測水壓值小於小值或大於大值時，那麼將進行報警提示，並用紅色顯示水壓值。采集間隔是采集數據時的間隔，每隔一定的時間從1號子站到10號子站采集一次數據。存儲間隔是每隔設定的時間存儲一次數據（從1號站采集到10號站），采集10號站到下一次采集1號站的時間為采集間隔，手動方式是每按1次回車從1號站到10號站采集一次。通訊端口為通訊所使用的端口，通訊站號為當前子站通訊的站號，連接時間是啟動巡回采集到當前的時間，單位為分鍾。

KJ117係統支持井下監測點距離超過10Km或帶載容量超過10個子站的擴展，二次擴展傳輸距離≥5Km；帶載容量10個子站。圖1 所示的中繼器連接設計，其目的是對信號進行放大、數據透明轉發、延長通信距離和擴展子站數量，保證現場實際監測點距離的需要。

係統壓力變送器實際安裝位置的選擇，要應用相關物探技術[2]，如直流電法儀，音頻電穿透儀，瞬變電磁法等方法，結合鑽探資料，在預測可能發生突水的部位來安裝，通常方便的安裝方法是選擇井下泄水管口。

4.2係統功能及特點

該係統具有量程大、測量精度高、實時性最佳、超遠距離數據傳輸可靠、人機界麵友好、操作簡便和無人職守可智能化工作等特點。係統的主要功能如下：

對各地點、各參數、各時間單位傳感器所接收的數據進行測量；

完成地麵中心站與各子站數據的傳輸，主機能實時地接收由各子站采集來的數據，並進行實時處理；

通過地麵中心站可以觀察所有井下監測點的實時水壓情況，並以圖形畫麵直觀顯示監測係統中的觀測數據；

監測點的年、月、日曲線顯示和數據報表顯示，自動生成係統中監測數據的報表，可打印年、月、日報表和對比報表、曲線，以及柱狀圖打印、柱狀對比圖打印。

可以任意選定觀測站進行重點監測；

各個監測點的瞬時值和曆史記錄顯示；

各個監測點越限報警顯示；

對實時監測數據自動03manbetx 和判斷是否超出報警範圍，水壓超限時，中心站計算機顯示有關報警數據。

所有監測數據可通過組態在3分鍾到24小時範圍內進行設定和存儲。

係統監測數據最快每3分鍾存盤一次，以隨機值形成曆史曲線，所有數據可以存儲一年以上。

5 結語

通過對KJ117礦井水壓實時監測係統在多個礦井的工業性試驗，受到了現場技術人員的高度評價。下一步可以將該係統功能進行擴展，利用該係統的超遠距離數據傳輸和控製技術，研究開發出礦井突水預測和預報係統。由於礦井水害的因素十分複雜，防治水工作不單純是水文地質問題，而是一項多學科的係統工程。在礦井水害防治保障體係的實時監測係統研究中，應研究礦井突水發生的物理力學過程，尋找出物理量的可監測性和監測內容[3]。目前，我們對如何擴展其監測內容進行03manbetx 、論證和試驗，如：監測水壓直接反映承壓水導升部位，監測水溫變化是否反映有深部承壓水的補給，並監測煤層底板中的應力、應變狀態等內容。通過選擇不同類型的傳感器，就可達到對多個監測內容的數據變化特征進行綜合03manbetx 和研究，實現對礦井監測部位突水的可能性進行準確的預測和預報。

參考文獻

[1] 李劍鋒.我國礦山深水位觀測有突破.有色金屬(礦山部分)，1998,3,P27

[2] 王秀輝.采煤工作麵底板突水預報的多參數測試方法.煤田地質與勘探，1998,S1,P38

[3] 鄭綱.東龐礦9103工作麵底板突水前兆實時監測技術.煤炭科學技術，2004,3,P5,P27