王 健 ，屈世甲 ，于世雷

（1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

2021 年，全國原煤產(chǎn)量約41.3 億t，煤炭消費(fèi)量占能源消耗總量比重下降至56%，依然是我國重要的基礎(chǔ)能源[1]。持續(xù)高效的煤炭開采活動已嚴(yán)重破壞礦區(qū)地下原始巖層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致礦井涌水量快速增大，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2014 年至2019 年期間，我國因采掘煤炭產(chǎn)生的礦井總水量達(dá)288.09 億m3，但大部分直接外排至地面，造成大量水資源流失和浪費(fèi)[2-3]。

煤礦地下水庫的建設(shè)和實(shí)施為利用礦井地下水資源提供了技術(shù)手段。通過煤礦開采過程中遺留的保護(hù)煤柱及人工建設(shè)的防水密閉，圍繞采空區(qū)建設(shè)封閉儲水區(qū)域，避免直接外排至地面所造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染；同時很大程度上為礦區(qū)工業(yè)用水和生活用水提供了保障[4-6]。因此煤礦積水采空區(qū)安全運(yùn)行的穩(wěn)定性對煤礦正常生產(chǎn)至關(guān)重要，而擋水煤柱本身的多孔及松散特性，其內(nèi)部水流滲透及受力情況更是地下積水采空區(qū)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域[7-8]。

針對上述重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者和煤礦企業(yè)技術(shù)人員對擋水煤柱通過數(shù)值模擬、相似物理實(shí)驗(yàn)及理論分析等手段，對擋水煤柱穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行了大量有益研究[9-12]。顧大釗院士等[13]通過數(shù)值仿真結(jié)合相似物理實(shí)驗(yàn)，對比了不同地震等級下，擋水煤柱抗震薄弱環(huán)節(jié)、影響因素及安全性；黃輝等[14]采用自主研發(fā)分析軟件，模擬采空區(qū)水位變化對擋水煤柱滲流場演化規(guī)律的研究，揭示了擋水煤柱安全性一般規(guī)律；智國軍等[15]根據(jù)擋水煤柱邊側(cè)壓力分布規(guī)律及FLAC3D數(shù)值模擬軟件，得出了采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透率的分布規(guī)律和煤體內(nèi)部塑性區(qū)變化影響因素。

上述研究極大的充實(shí)了我國煤礦地下積水采空區(qū)安全理論與技術(shù)體系，為我國煤炭綠色開采及水資源保護(hù)提供了重要借鑒。雖然這一成果在西北礦區(qū)應(yīng)用較為廣泛，但從相關(guān)成果可以看出，目前缺少實(shí)際應(yīng)用于井下積水采空區(qū)擋水煤柱監(jiān)測預(yù)警的案例[16-18]。為此，以內(nèi)蒙某礦42108 輔運(yùn)巷32 與33 聯(lián)巷間擋水煤柱為研究對象，運(yùn)用概率論和矩陣等相關(guān)知識，對擋水煤柱監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合安全評價，實(shí)現(xiàn)煤礦積水采空區(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行的監(jiān)測、分析和預(yù)警。

1 方案及評價理論

1.1 監(jiān)測方案

參照國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司《神東礦區(qū)煤礦儲水采空區(qū)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》8.8節(jié)“監(jiān)測監(jiān)控”部分的要求，井下儲水采空區(qū)監(jiān)測監(jiān)控設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“在儲水采空區(qū)低洼處的煤柱和防水密閉墻內(nèi)安裝應(yīng)力應(yīng)變計(jì)、基巖變位計(jì)、微震解調(diào)儀等傳感器，對防水密閉墻墻體與圍巖的相對位移，特別是接觸縫的位置”進(jìn)行監(jiān)測的原則。

根據(jù)上述監(jiān)測要求和相關(guān)研究成果，給出擋水煤柱具體監(jiān)測設(shè)計(jì)方案，擋水煤柱監(jiān)測安裝位置示意圖如圖1。圖中：A～A4為鉆孔應(yīng)力計(jì)，鉆孔直徑44 mm，深度3 m；B1～B2為滲壓傳感器，鉆孔直徑48 mm，深度4 m。

圖1 擋水煤柱監(jiān)測安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation position of water-blocking coal pillar monitoring

1.2 評價方法

評價方法以1 h 為單位，以7 d 監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，監(jiān)測數(shù)據(jù)以(xi,xi+1,xi+2,xi+3,···,xi+n)形式排列，共有168 個數(shù)據(jù)。4 組鉆孔應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)記為：A1={a11,a12,a13,···,a16k}；A2={a21,a2n,a23,···,a16s}；Aa={asi1,aaz,aas,···,a16b}；A4={a41,a42,a48,···,a168}。2 組滲壓監(jiān)測數(shù)據(jù)記為：B1={b11,b12,b13,···,b168}B2={b21,b22,b23,···,b168}。計(jì)算上述6 組各數(shù)據(jù)組期望E(X)和方差σ（X）。

1.2.1 單一傳感器分級報(bào)警方法

單一傳感器異常數(shù)據(jù)判定流程如圖2。

圖2 單一傳感器異常數(shù)據(jù)判定流程Fig.2 Single sensor abnormal data judgment process

圖3 綜合分析評價判定流程Fig.3 Comprehensive analysis, evaluation and judgment process

2 系統(tǒng)搭建

監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖4。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)方案Fig.4 Monitoring system scheme

井下特殊環(huán)境限制，當(dāng)監(jiān)測范圍及距離較大時，為減少電纜長度及可能破壞信號的電磁干擾。因此，安裝在擋水煤柱上的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分為2個子系統(tǒng)，通過光纖和信號電纜連接。子系統(tǒng)1由4 個光纖鉆孔應(yīng)力計(jì)、2 個光纖滲壓計(jì)和攝像儀組成；子系統(tǒng)2 由聲光報(bào)警及相關(guān)顯示設(shè)備組成。2 個子系統(tǒng)都連接到井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過地面核心交換機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)與地面服務(wù)器光纖連接，允許遠(yuǎn)程訪問。

3 結(jié)果分析

3.1 單一傳感器分級報(bào)警

以煤柱7 d 監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，煤體內(nèi)部受力和滲壓情況基本呈現(xiàn)周期性變化。因保護(hù)煤柱與頂板、底板及圍巖體在空間上構(gòu)成相對穩(wěn)定的整體，煤體內(nèi)部受力各方向上基本保持平衡。采空區(qū)流動的水體作為動態(tài)變化量，對擋水煤柱的沖擊和滲透是一重要影響因素。

采空區(qū)內(nèi)部水頭高度變化，引起擋水煤柱不同高度受壓大小差異，導(dǎo)致水體在煤柱內(nèi)部裂隙各點(diǎn)滲透速度及強(qiáng)度不同，水體在垂向裂隙、離層裂隙和微裂隙中滲流路徑和流量依次減弱[19]。水雖對煤體表面有軟化作用，但微小水分子充實(shí)煤體內(nèi)部孔隙，與煤柱又重新構(gòu)成一個整體，受液體表面張力、重力及摩擦力等影響，在一定程度上提高煤柱整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗拉強(qiáng)度，所以煤體內(nèi)部受力和壓強(qiáng)情況可能存在階段性的變化。鉆孔應(yīng)力和滲壓數(shù)據(jù)及分級指標(biāo)如圖5。

圖5 鉆孔應(yīng)力和滲壓數(shù)據(jù)及分級指標(biāo)Fig.5 Drill hole stress, seepage pressure data and grading indicators

針對上述單一傳感器分級和煤柱受力理論研究，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分級計(jì)算，應(yīng)力分級由大到小分別為194.6、174.5、152.6 Pa，建立4 級區(qū)間 分 別 為[0，152.6）、[152.6，174.5），[174.5，194.6），[194.6，+∞）。

觀 察 圖5（a）發(fā) 現(xiàn)，7 d 基 礎(chǔ) 數(shù) 據(jù) 中，大 于0.152 6 的數(shù)據(jù)中共有22 個，約占總數(shù)據(jù)比例為13.1%，說明按此方法分級可有86.9%的數(shù)據(jù)都正常。采用逐級判定邏輯，若數(shù)據(jù)屬于[0，0.152 6），說明監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，常態(tài)化觀察即可，燈光顯示藍(lán)色；若數(shù)據(jù)屬于[0.152 6,0.174 5），發(fā)出三級聲光報(bào)警，燈光顯示黃色，人工加強(qiáng)監(jiān)測即可；若數(shù)據(jù)屬于[0.174 5，0.194 6），則發(fā)出二級聲光報(bào)警，燈光顯示橙色；若數(shù)據(jù)達(dá)到0.194 6 kPa 以上，則發(fā)出一級聲光報(bào)警，燈光顯示紅色。同理，滲壓監(jiān)測分級也是如此。

同時對滲壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多個方法擬合，得出的7 d 滲壓數(shù)據(jù)多方法擬合效果如圖6。

圖6 7 d 滲壓數(shù)據(jù)多方法擬合效果Fig.6 Multiple fitting effects of 7-day seepage pressure data

由圖6 可知，運(yùn)用的分段線性、臨近插值、三次樣條及多項(xiàng)式插值法都具有較好的擬合效果，但多項(xiàng)式插值法擬合效果最優(yōu)，線條較為平整。

以多項(xiàng)式插值法為基礎(chǔ)，對比后續(xù)5 d 120 個滲壓數(shù)據(jù)，并結(jié)合分級預(yù)警方法，對預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到的多項(xiàng)式插值法5 d 數(shù)據(jù)擬合效果如圖7。圖7 中：一級指標(biāo)=61.141；二級指標(biāo)=60.982；三級指標(biāo)=60.912。

圖7 多項(xiàng)式插值法5 d 數(shù)據(jù)擬合Fig.7 Fitting effect of 5-day data by polynomial interpolation method

對比后續(xù)5 d 的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該單一監(jiān)測數(shù)據(jù)分級方法仍然具有可靠的分級預(yù)警效果；同時結(jié)合多項(xiàng)式插值方法的數(shù)據(jù)，可以起到對未來數(shù)據(jù)變化趨勢的預(yù)測預(yù)警效果，提前了解擋水煤柱單一測點(diǎn)的安全性。

3.2 綜合分析評價

運(yùn)用矩陣QR 分解法和最小二乘法同時對鉆孔應(yīng)力和滲壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，建立區(qū)間范圍，提供基于鉆孔應(yīng)力和滲壓監(jiān)測的綜合安全評價方法，能夠較全面掌握擋水煤柱整體運(yùn)行狀態(tài)，同單一測點(diǎn)預(yù)警相同，采用逐級判定邏輯，判定τi歸屬區(qū)間范圍，發(fā)出指定區(qū)間預(yù)警方式和警報(bào)。將滲壓和鉆孔應(yīng)力監(jiān)測的168 個數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，得到的滲壓實(shí)際與預(yù)測數(shù)據(jù)分級對比效果如圖8。

圖8 滲壓實(shí)際與預(yù)測數(shù)據(jù)分級對比效果Fig.8 Comparison effect of actual and predicted seepage pressure data grading

觀察圖8 可知，預(yù)警分級結(jié)果大多落入3 級以下區(qū)間，少數(shù)達(dá)到3 級預(yù)警指標(biāo)，僅5 組數(shù)據(jù)達(dá)到4 級預(yù)警指標(biāo)。結(jié)合單一傳感器分級預(yù)警結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單一測點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)警級別4 級時，擋水煤柱整體危險(xiǎn)指數(shù)卻并非也是4 級。說明相對煤柱整體運(yùn)行狀況，單點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力或滲壓出現(xiàn)異常時，微小水分子充實(shí)煤體內(nèi)部孔隙，保持靜態(tài)平衡狀態(tài)，受相互作用力等影響，與煤柱構(gòu)成空間上統(tǒng)一整體，提高擋水煤柱抗壓強(qiáng)度。因此未影響到煤柱整體安全指數(shù)，擋水煤柱仍具有可靠的運(yùn)行條件。

4 結(jié) 語

1）給出了針對擋水煤柱監(jiān)測預(yù)警的單一傳感器分級預(yù)警和綜合分析預(yù)警計(jì)算方法及判定流程，通過實(shí)際搭建監(jiān)測系統(tǒng)，采集各類傳感器數(shù)據(jù)，提高對煤柱整體安全性監(jiān)測預(yù)警效果。

2）單一測點(diǎn)分級預(yù)警效果較優(yōu)，能較準(zhǔn)確對定點(diǎn)區(qū)域危險(xiǎn)信息進(jìn)行分析預(yù)警，同時結(jié)合插值方法與實(shí)際數(shù)據(jù)對比，該預(yù)警技術(shù)仍有較好的預(yù)警機(jī)制。

3）單一測點(diǎn)分級結(jié)果并不能代表擋水煤柱綜合分析預(yù)警等級，說明個別微小區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)并不影響煤柱整體安全狀態(tài)，仍具有較高的運(yùn)行可靠性。