纳林河二号矿井井上下水情自动实时监测系统设计

刘毅涛，方 刚，梁向阳，黄 浩

（1.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017307；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；4.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054）

纳林河二号矿井位于东胜煤田纳林河勘查区的西部，行政区划隶属于鄂尔多斯市乌审旗无定河镇管辖。井田面积约180.67km2，矿井煤炭地质资源量为1507.65Mt，可采储量为796.38Mt，设计生产能力8.0Mt/a，服务年限71.1 年，采用立井式开拓，综合机械化开采。

矿井主采3-1煤层，其上覆有第四系松散含水层、白垩系洛河组含水层、侏罗系直罗组含水层和延安组含水层，根据矿井水文地质条件分析，矿井的直接充水水源为煤层上覆的侏罗系直罗组和延安组砂岩孔隙裂隙含水层水[1]。

矿井在勘探期间留设有白垩系洛河组含水层和侏罗系延安组含水层地面、井下观测孔及相关监测系统，现需增设专门对侏罗系直罗组含水层进行实时动态的监测系统，即可实现矿井主要充水含水层的全方位监测，同时完成矿井排水系统的水仓、排水管、水沟的流量及水压监测点增设及统一系统入网管理，进而对矿井整体的水情水害等实时立体掌握[2-3]。

1 水情实时监测系统构成

根据矿井水情监测的现场需要和预期目标，该系统要实现的主要功能包括实时水文数据采集、数据分析和处理以及系统管理等。从系统建设方面来说，主要分为硬件系统和软件系统[4-5]。

1.1 硬件系统

为实现以上目标，采用中煤科工集团西安研究院有限公司集电子技术、计算机技术、数据通信技术、网络技术于一体研发的KJ117 水情水害实时监测监控系统为此次设计的基础。该系统能够实现网上数据集成，数据传送，使得水文数据在网络上共享，方便维护及查询。利用无线GSM 网和INTERNET 网相结合，实现全集团范围内的水文信息共享，该系统实质是一个覆盖整个公司的网络化水文数据库。

该系统采用物理三层结构：底层的数据采集层（即各种矿用本安型水文监测分站）、中间数据处理层（即远程通讯适配器）、上层水文数据库及网络发布层（即WEB服务器）。同时，该系统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：（1）底层系统+中间层系统；（2）底层系统+中层系统+上层系统。

1.2 软件系统

软件系统由实时监测软件（Server）、WEB 服务软件（Web Server）、数据库服务器软件（Database Server）组成。为了便于与其他系统集成，监测系统软件提供了OPC 接口功能（见图1）。

图1 监测系统软件应用部署示意图

2 矿井水文地质实时监测技术

2.1 地面实时监测方案

地面监测方案的核心是由地面监测中心站、远程通信适配器、地面钻孔遥测站（即YJSY（A）遥测仪分站）、GSM 通信单元及被测物理量传感器组成（传感器类型由实际情况做相应调整）的地面监测系统（见图2）。该地面系统是基于GSM/GPRS 国家公网构成的无线监测系统，因此无地域限制，GSM/GPRS 国家公网信号覆盖之地都是可以监测的范围，地面观测站的个数根据需要安装，数量不受限制。

图2 地面遥测系统结构示意图

系统工作原理：无线监测系统是以手机短消息形式进行数据交换。系统工作方式可分为主叫应答或定时自动上传两种方式。即地面监测中心站通过远程通信适配器里的GSM 通信模块发送指令呼叫、地面钻孔遥测站应答发送短消息（数据）或预置地面钻孔遥测站时钟，定时自动发送短消息（数据），经远程通信适配器中继后由地面监测中心站接收。

地面遥测仪分站由仪器主机，仪器保护罩和传感器三部分组成。安装时，把配备的仪器保护罩（管径为150mm）焊接到监测孔的孔口上，连接好传感器和仪器（见图3）。

图3 地面水位遥测仪安装图

2.2 井下实时监测方案

主要由地面监测中心站、远程通信适配器、井下数据通信网络、井下数据采集分站、被测物理量传感器、井下防爆电源等构成（见图4）。

图4 井下监测系统结构示意图

井下线路布置：井下通信使用MHYVRP1×2×7/0.52（截面积为1.5mm2）通信电缆，通信电缆从监测主站连接到井下各个监测点，线路以树形结构敷设，分主干线路和分支线路，主干线路和分支线路之间用中继器连接。各分站和中继器配电源箱，就近使用127V 电源。

3 矿井KJ117 水情实时监测系统

矿井KJ117 煤矿水文实时监测系统是中煤科工集团西安研究院有限公司自主研发的煤矿安全监测系统，作为新型煤矿防治水技术设备，近年来已被许多国有大型煤矿广泛应用于对矿井水情的实时监测。

该系统可自动、实时地观测煤矿井下、地面不同区域、不同含水层（段）的水压、水位、温度、流量等与水文地质相关的物理参数，可快速、准确地反映煤矿水情动态变化情况。通过预警功能设置，系统能自动分析现场实时监测数据进行相关辅助决策。实时监测的水文数据、历时数据由数据库管理，通过企业内部的局域网或INTERNET 可方便实现煤矿水文地质信息的多级共享。

建立纳林河二号矿井KJ117 煤矿水情实时监测系统对加强煤矿矿井水害治理、提高煤矿防治水技术及保障煤矿安全生产具有极其重要意义。

4 水文监测系统工程设计

如前所述，矿井水文实时监测系统监测项目主要有以下方面：地面水文观测孔水位；井下水文观测孔孔口水压；井下水仓水位；排水管路水压及流量。

4.1 地面水文观测系统

综合分析纳林河二号矿井各阶段完成的勘探钻孔，目前适合安装水文监测设备的钻孔主要有1 号水文补勘孔和4 号水文补勘孔[6-7]，鉴于已经在这2 个水文补勘孔安装了水文监测设备，该设计中暂不考虑地面钻孔水位监测点的布设。

4.2 井下水文观测系统

根据目前井下已掘巷道情况，计划分别在31102 工作面回风巷切眼附近、中央一号辅助运输大巷（YF28测点附近的倒车硐室）、中央一号回风大巷与中央带式输送机大巷之间联巷（二号主水仓附近）布置三个水文观测孔，观测的目的层为直罗组底部砂岩含水层[8-9]，并将3 个水文观测孔分别标记为JX-01 孔、JX-02 孔、JX-03 孔（见图5）。

图5 井上下监测孔布置图

4.3 排水系统（水仓、排水管路）水文监测系统

（1）水仓监测。矿井排水系统为接力排水模式，在一盘区设计二号水仓，井底车场设计一号水仓。目前一号水仓3#、4#水仓已施工完成，2#水仓正在施工，1#水仓暂停施工。因此，本次设计安装2 台GUY30 型水仓液位传感器，布置在3#、4#水仓，未来在一盘区二号水仓及永久水仓的2#水仓完成后再布置水位监测装置。

（2）排水管路监测。一号主排水泵房到地面设计4趟Φ377mm 管路，副井、风井到地面的各2 趟Φ377mm管路均已投入使用。

矿井二号主排水泵房到一号主排水泵房设计安装4趟Φ377mm 管路，均安装在中央二号回风大巷，且均已投入使用。

此次设计安装4 套矿用隔爆兼本质安全型数字超声波流量计，型号为LCZ-803，分别布置在副井至地面和二号主排水泵房经风井到一号主排水泵房。

5 结束语

综上所述，通过实施纳林河二号矿井井上下水情自动实时监测系统，一般情况下，基本可稳定、可靠、高效地对井田内目前采掘3-1 煤层范围的主要充水含水层水、突水点水、矿井涌水量、采区涌水量等信息进行实时动态监测及数据分析处理，在准确掌握地下水活动规律及空间数据变化的基础上，合理有效地指导矿井的水文地质及防治水工作。