深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害监测预警系统及方法与流程

本发明涉及深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害监测预警系统及方法，特别适用于深部富含水环境下高强度煤层开采过程中的突水-冲击地压复合动力灾害实时监测与预警。

背景技术：

随着西部矿区开采规模与强度的进一步加大，开采过程中采动应力场、煤岩体动力学响应特征以及能量的集聚释放规律均发生了显著的变化，如陕西彬长矿区胡家河煤矿埋深630m，已成为首个出现冲击矿压现象的矿井；甘肃华能集团核桃峪煤矿副立井深度已达到975m，井巷工程矿压显现剧烈，支护困难；西部矿区“深部”开采矿压显现特征正日趋凸显。深部煤层开采中围岩“三高一扰动”的工程属性以及地下水、瓦斯、温度等多场、多相耦合作用是诱发冲击地压、突水、煤与瓦斯突出等多源动力灾害的根本原因，研究西部深井高强度开采过程中采动应力状态、围岩属性改变以及多灾源耦合作用致灾与控制机理，对于改善西部矿井开采环境条件、保障矿井安全绿色开采具有重要理论与工程实践价值，也是西部采矿工程领域面临的难点课题之一。

西部矿区水文地质条件复杂，陕西黄陇彬长矿区洛河组砂岩含水层广泛分布，厚及特厚煤层高强度开采过程中工作面顶板突涌水现象时有发生，当高强度开采空间(一次采厚、采宽加大、连续大面积开采)到一定临界尺寸时，采场围岩关键岩层结构失稳或破断，造成采场剧烈来压的同时造成更大范围的岩层移动和垮落，诱发采动煤岩体渗流场突变甚至局部失稳，是产生西部矿井突涌水事故或溃砂灾害的根本原因。由于西部矿区地质和水文条件的复杂性和特殊性，高强度开采矿井开始出现矿震、冲击地压以及诱发的煤与瓦斯突出、突水等复合性动力灾害之间具有明显的相关性，目前煤矿常用的冲击地压预警技术已不能满足安全生产的需要。

技术实现要素：

针对上述背景技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供本发明涉及一种深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害监测预警系统及方法，是一种地表水文地质动态观测、井下突涌水动态观测、顶板导水裂隙带观测、开采扰动区煤岩体冲击地压实时监测方法的系统集成，采用本发明的系统能够动态监测深部厚煤层开采工作面突涌水与冲击地压现象并实时分析，准确、科学便捷地实现深部富含水环境下高强度煤层开采过程中的突水-冲击地压复合动力灾害实时监测与预警，最大限度的避免多源动力灾害事故的发生；同时为研究采场顶板突水与冲击地压灾害机理相关性，揭示深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害发生机制，指导制定综合防控施工方案提供基础。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害监测预警系统，该系统至少包括：

冲击地压灾害分析与预警模块，用于将冲击地压基础资料采集模块采集的煤层开采数据和冲击地压前兆信息动态采集模块采集到的煤层数据统一分析显示，并与标准体系对比，综合分析深部煤层开采发生冲击地压灾害的危险性，并进行现场图像显示和信息报警；

工作面冲击地压处置措施模块，用于对工作面可能发生冲击地压灾害采取冲击地压处置措施，同时启动矿井突涌水动态信息采集模块实时监测，调整监测采集频率，及时监测施工效果并反馈；

工作面突涌水分析与预警模块，用于根据矿井水文地质资料采集模块和矿井突涌水动态采集模块现场测定的数据，确定工作面可能发生突涌水层位、突涌水量大小综合预测；对深部高强开采工作面推进过程中可能发生突涌水灾害程度进行预测预警；

工作面疏水降压措施模块，用于针对工作面可能发生突涌水灾害情况，采取工作面疏水降压措施，同时启动冲击地压前兆信息动态采集模块实时监测，调整监测采集频率，及时将动态信息反馈到冲击地压分析与预警模块；

复合动力灾害综合监测预警平台，用于针对工作面可能发生突涌水灾害、冲击地压灾害的情况，提出相应施工方案的同时按照原有方案长期监测，若超过预警标准值则通过深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害综合分析监测预警平台分析发生工作面冲击地压与突涌水的相关性，确定复合动力灾害发生机理，发出预警指令；

复合动力灾害一体化防治措施模块，根据复合动力灾害综合监测预警平台做出的指令，用于提出突水-冲击地压复合动力灾害综合一体化防治施工方案。

进一步，所述冲击地压基础资料采集模块采集的煤层开采数据包括煤层开采技术条件、工作面钻屑量和地应力和煤岩体冲击倾向性试验参数。

进一步，所述冲击地压前兆信息动态采集模块采集的煤层数据包括工作面支架工作阻力、采动煤岩体应力和微震信号。

进一步，所述采场支架工作阻力时，在采场布置工作面支架压力监测站zi，测站布置在支架上，每隔3-5个支架布置一个压力传感器；采动煤岩体应力监测时，自工作面切眼后100m开始布置采动煤岩体压力测站ci，沿运输平巷间隔30-40m布置一个；在采动煤岩体压力测站矩形断面顶板中线附近布置锚杆测力计，在矩形巷道顶板两侧锚杆托盘和单体液压支柱上分别布置压力盒。

进一步，所述微震信号监测时，在工作面、巷道围岩布置微震监测站wi，在井下井底车场、大巷、上山、工作面、运输平巷位置按照一定的辐射半径每隔150-300m布设一个分站，井上一个总站。

进一步，所述矿井突涌水动态采集模块包括地表水文动态观测、采场平巷涌水观测、导水裂隙带观测以及涌水水质分析数据的采集与显示；所述采场平巷涌水测站观测相关覆岩含水层水压、流量和水温动态变化信息。

进一步，所述地表水文动态观测时，沿工作面推进方向自煤壁300m位置开始布置地表水文动态观测钻孔si，间隔250-300m布置一个；终孔深度为工作面覆岩含水层底板，并保证动态水文观测孔与矿区水文长期观测孔不重叠。

进一步，所述工作面平巷涌水观测时，在工作面切眼后100m开始布置地表水文动态观测站，间隔30-40m布置一个；在回风平巷内帮开钻窝施工，以仰角60°与煤壁夹角45°向煤层顶板工作面切眼方向施工，钻孔内分别布置水温、水压和流量传感器。

进一步，所述导水裂隙带高度观测时，自工作面切眼后300m开始布置导水裂隙带高度观测站，间隔300-400m布置一个；在回风平巷内帮开钻窝施工，以仰角60°与煤壁夹角45°向煤层顶板工作面采空区方向施工，钻孔终孔至覆岩含水层，测孔内布置钻孔电视或钻孔窥视仪。

进一步，所述矿井水文地质资料采集模块现场测定的数据包括矿井地质综合柱状信息、矿区含水层赋存条件以及开采技术条件基础数据。

本发明相应地给出了一种深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害监测预警方法，包括如下步骤：

1)针对深部富水覆岩厚煤层开采环境，通过现场测定或室内实验室测定获得煤层开采技术条件、工作面钻屑量和地应力、煤岩体冲击倾向性试验参数，将数据结果输入至冲击地压基础资料采集模块；将矿井综合柱状、矿区含水层赋存、开采技术条件输入至矿井水文地质资料采集模块；

2)工作面开采过程中，现场采集包括采场支架工作阻力、采动煤岩体应力和微震信号，在采场布置支架工作阻力监测站zi，在巷道围岩布置微震监测站wi，在采场布置采动煤岩体压力测站ci，将各站数据结果输入至冲击地压前兆信息动态采集模块，通过工作面冲击地压分析与预警模块对采场煤岩体冲击地压前兆信息进行分析判定；

若未超过预警标准值则按照原有方案继续长期监测，若超过预警标准值则通过复合动力灾害综合监测预警平台分析发生工作面冲击地压与突涌水的相关性，确定复合动力灾害发生机理；

3)现场观测采集包括地表动态水文动态观测、采场平巷涌水观测、导水裂隙带观测、涌水水质分析数据，并将数据结果输入矿井突涌水动态采集模块，在现场布置地表水文动态观测钻孔si、工作面平巷涌水观测测站和导水裂隙带高度观测站；将采集到的地表动态水文观测、采场平巷涌水观测、导水裂隙带观测、涌水水质分析数据经光缆传输到地面接入矿井突涌水动态信息采集模块；

4)冲击地压灾害分析与预警模块将冲击地压基础资料采集模块和冲击地压前兆信息动态采集模块采集的数据进行综合分析与处理，将分析与预警结果传输至工作面冲击地压处置措施模块；

5)工作面突涌水分析与预警模块将矿井水文地质基础资料、矿井突涌水动态数据进行综合分析和工作面突涌水灾害分析判定，并将预警结果传输至工作面疏水降压措施模块；

6)复合动力灾害综合监测预警平台根据冲击地压灾害分析与预警模块、工作面突涌水分析与预警模块数据结果与系统设定的标准值进行比较，若未超过预警标准值，则按照原有方案继续长期监测，若超过预警标准值则分别采取相应灾害控制措施，同时启动冲击地压前兆信息动态采集模块、矿井突涌水动态信息采集模块，由复合动力灾害综合监测预警平台给出工作面复合动力灾害发生机理及预警结果；

7)复合动力灾害一体化防治措施模块根据复合动力灾害综合监测预警平台分析结果，分析发生工作面冲击地压与突涌水的相关性，提出突水-冲击地压复合动力灾害综合解危施工方案。

本发明集成的深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害综合监测预警系统，该系统具有以下优点：

(1)采用数字化监测，通过监测系统终端实时进行顶板突水、冲击地压基础数据采集，避免了误差累计的同时，使监测工作安全性更高；

(2)可实时动态采集深部富水覆岩厚煤层开采采场煤岩宏观采动压力、岩体破裂能量释放、工作面水文地质、顶板突涌水前兆信息，通过监测数据的综合分析评判、掌握深部受地下水威胁煤层高强度开采过程中的煤岩体力学特性突变前兆信息并进行预警，最大限度的避免冲击矿压-突水复合动力灾害事故的发生；

(3)通过两个灾害预警子系统多参量综合分析与预警标准值分析对比，对可能发生的复合动力灾害进行预测预警并提出相应处治措施，保障工作面安全正常生产。

本发明设计合理，可操作性强，可考虑各种复杂地质环境，准确、科学便捷、有效地实现深部富含水环境下高强度煤层开采过程中的突水-冲击地压复合动力灾害实时监测与预警。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2-1为本发明应用于支架工作阻力、采动煤岩体应力观测站布置示意图；

图2-2为本发明应用于采动煤岩体应力监测断面设备布置示意图；

图3-1为本发明应用于地表水文观测钻孔、采场平巷涌水灾害监测站布置示意图；

图3-2为本发明应用于采场平巷突涌水监测站钻孔布置示意图；

图3-3为本发明应用于采场平巷涌水监测站、导水裂隙带观测钻孔方向布置示意图；

图中：1、冲击地压基础资料采集模块；2、冲击地压前兆信息动态采集模块；3、矿井突涌水动态信息采集模块；4、矿井水文地质资料采集模块；5、冲击地压灾害分析与预警模块；6、工作面冲击地压处置措施模块；7、工作面突涌水分析与预警模块；8、工作面疏水降压措施模块；9、复合动力灾害综合监测预警平台；10、复合动力灾害一体化防治措施模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明的深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害监测预警系统包括：冲击地压灾害分析与预警模块5，用于将冲击地压基础资料采集模块1采集的煤层开采技术条件、工作面钻屑量、地应力和煤岩体冲击向性试验参数等工程地质环境数据，以及冲击地压前兆信息动态采集模块2采集到的采场支架工作阻力、采动煤岩体应力和微震信号统一分析显示，并与标准体系对比，综合分析深部煤层开采发生冲击地压灾害的危险性，并进行现场图像显示和信息报警；

工作面冲击地压处置措施模块6，用于对工作面可能发生冲击地压灾害的情况下，提出工作面冲击地压处置措施，同时启动矿井突涌水动态采集模块3实时监测，并同时调整监测采集频率，及时监测施工效果并进行信息反馈；若未超过预警标准值则按照原有方案继续长期监测；若超过预警标准值则通过深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害综合分析监测系统平台分析发生工作面冲击地压与突涌水的相关性；

工作面突涌水分析与预警模块7，包括矿井水文地质资料采集模块4和矿井突涌水动态采集模块3两个部分，矿井突涌水动态采集模块3包括对地表水文动态观测、采场平巷涌水(水压、流量和水温等)观测、导水裂隙带观测以及涌水水质分析数据的采集与显示；采场平巷涌水测站观测相关覆岩含水层水压、流量和水温动态变化信息。矿井水文地质资料采集模块4包括对矿井地质综合柱状信息、矿区含水层赋存条件以及开采技术条件基础数据进行现场测定采集，用于根据现场测定数据结果，确定工作面可能发生突涌水灾害的危险性，并对突涌水层位、涌水量大小进行综合预测；对深部高强开采工作面推进过程中可能发生突涌水灾害程度进行预测预警；

工作面疏水降压措施模块8，用于针对工作面可能发生突涌水灾害的情况，提出工作面疏水降压措施，同时启动冲击地压前兆信息动态采集模块2实时监测，并同时调整监测采集频率，及时将动态信息反馈到冲击地压分析与预警模块5；若未超过预警标准值则按照原有方案继续长期监测，若超过预警标准值则通过复合动力灾害综合监测预警平台9分析发生工作面冲击地压与突涌水的相关性，确定复合动力灾害发生机理；

复合动力灾害综合监测预警平台9，用于针对工作面可能发生突涌水灾害、冲击地压灾害的情况，提出相应施工方案的同时，按照原有方案继续长期监测，若超过预警标准值则通过深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害综合分析监测预警平台分析发生工作面冲击地压与突涌水的相关性，确定复合动力灾害发生机理，发出预警指令；

复合动力灾害一体化防治措施模块10，根据复合动力灾害综合监测预警平台9做出的指令，用于提出突水-冲击地压复合动力灾害综合一体化防治施工方案。

如图2-1所示，冲击地压前兆信息动态采集模块2采集煤层信息时，在工作面、运输、回风平巷煤体中一定范围内布置微震、支架工作阻力、采动煤岩体应力监测点，采用微震系统和煤体采动应力系统实时采集煤岩体内能量释放和煤体应力。

在进行工作面支架工作阻力监测时，测站zi(i＝1,2,3,…)布置在工作面液压支架上，每隔3-5个支架布置一个压力传感器；采动煤岩体压力监测时，采动煤岩体压力测站ci(i＝1,2,3,…)工作面切眼后100m开始布置采动煤岩体压力测站，沿运输平巷间隔30-40m布置一个测站。如图2-2所示，在采动煤岩体压力测站矩形断面顶板中线ab附近布置锚杆测力计、支承压力观测点测定采动煤岩体压力，支承压力盒分别布置在矩形巷道顶板靠近两帮处的锚杆托盘和单体液压支柱上。通过锚杆测力计、锚杆托盘上、单体液压支柱上的压力盒传感器监测压力数据，将采集到的实时围岩压力信号或数据经光缆传输到地面接入冲击地压前兆信息动态采集模块2，通过冲击前兆信息动态采集模块2实时显示采动煤岩体压力数据。

冲击地压前兆信息动态采集模块2采集微震信号监测时，在工作面、巷道围岩布置微震监测站wi(i＝1,2,3,…)，在井下井底车场、大巷、上山、工作面、运输平巷位置按照一定的辐射半径每隔150-300m布设一个分站，井上一个总站。

矿井突涌水动态采集模块3包括对地表水文动态观测、采场以及工作面平巷涌水测站观测、导水裂隙带观测以及涌水水质分析等数据的采集与显示；采场平巷涌水测站观测相关覆岩含水层水压、流量和水温动态变化信息。

如图3-1所示，矿井突涌水动态采集模块3进行地表水文动态观测时，沿工作面推进方向自煤壁300m位置开始布置地表水文动态观测钻孔si，间隔250-300m布置一个水文观测孔，终孔深度为工作面覆岩含水层底板，并保证动态水文观测孔与矿区水文长期观测孔不重叠。

在进行采场平巷涌水观测时，自工作面切眼后100m开始布置，间隔30-40m布置一个地表水文动态观测站；在回风平巷内帮开钻窝施工，以仰角60°与煤壁夹角45°向煤层顶板工作面切眼方向施工；钻孔内布置水温传感器和水压、流量传感器各一个，并配备配套的排水设施，使钻孔涌水能够及时排至井下水仓或地面；同时做好见水位置、水压、水量、水温等水文资料观测记录；通过水化学分析手段，对出水层位做出判定。

在进行导水裂隙带高度观测时，观测站自工作面切眼后300m开始布置导水裂隙带高度观测站，间隔300-400m布置一个测站，在回风平巷内帮开钻窝施工，以仰角60°与煤壁夹角45°向煤层顶板工作面采空区方向施工，钻孔终孔至覆岩含水层，测孔内布置钻孔电视或钻孔窥视仪，观测开采过程中工作面覆岩离层、破坏高度。

本发明提出了一种深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害监测预警方法，包括如下步骤：

1)针对深部富水覆岩厚煤层开采环境，通过现场测定或室内实验室测定获得煤层开采技术条件、工作面钻屑量、煤岩体冲击倾向性试验参数，同时将数据结果输入至冲击地压基础资料采集模块1；对矿井工程与水文地质条件进行详细的调查，包括矿井综合柱状、矿区含水层赋存、开采技术条件等，将数据结果输入至系统矿井水文地质资料采集模块4；

2)工作面开采过程中，现场观测采集包括微震监测信号、支架工作阻力、采动煤岩体应力传感器数据，将数据结果输入至冲击地压前兆信息动态采集2。

如图2-1所示，在采场布置工作面支架压力监测站zi，(i＝1,2,3,…)，设置在工作面液压支架上，每隔3-5个支架布置一个压力传感器，实时显示工作面支架工作组力；采动煤岩体压力测站ci(i＝1,2,3,…)，自工作面切眼后100m开始布置，沿运输平巷间隔30-40m布置一个测站，矩形断面顶板中线附近布置锚杆测力计、支承压力观测点测定采动煤岩体压力，压力盒分别布置在矩形巷道顶板靠近两帮处锚杆托盘和单体液压支柱上；通过冲击前兆信息动态采集模块2实时显示采动煤岩体压力数据，通过锚杆测力计、锚杆托盘上、单体液压支柱的压力盒传感器监测；

如图2-2所示，工作面开采过程中，现场观测采集包括微震监测信号、支架工作阻力、支承压力、采动煤岩体应力传感器数据，将数据结果输入至冲击地压前兆信息动态采集2。工作面、巷道围岩微震监测站wi(i＝1,2,3,…)，根据矿井总体布局考虑布置，井下在井底车场、大巷、上山、工作面、运输平巷等位置按照一定的辐射半径每隔150-300m布设一个分站，井上一个总站，集合各个分站监测数据并进行分析和图形处理；分析处理结果连接进入在冲击地压前兆信息动态采集模块2中，通过工作面冲击地压分析与预警模块5对采场煤岩体冲击地压前兆信息进行分析判定；

若未超过预警标准值则按照原有方案继续长期监测，若超过预警标准值则通过复合动力灾害综合监测预警平台9分析发生工作面冲击地压与突涌水的相关性，确定复合动力灾害发生机理；

3)现场观测采集包括地表动态水文动态观测、采场平巷涌水观测、导水裂隙带观测、涌水水质分析数据，并将数据结果输入矿井突涌水动态采集模块3，在现场布置地表水文动态观测钻孔si、工作面平巷涌水观测测站和导水裂隙带高度观测站；

如图3-1所示，地表水文动态观测钻孔si(i＝1,2,3,…)沿工作面推进方向自煤壁300m位置开始布置，间隔250-300m布置一个水文观测孔，终孔深度为工作面覆岩含水层底板，并保证动态水文观测孔与矿区水文长期观测孔不重叠；动态水文观测孔内布置水位遥测仪、管道超声流量监测仪，实时观测主要含水层动态变化；

如图3-1、图3-2、图3-3所示，工作面平巷涌水观测测站自工作面切眼后100m开始布置，间隔30-40m布置一个测站；在回风平巷内帮开钻窝施工，以仰角60°与煤壁夹角45°向煤层顶板工作面切眼方向施工，钻孔ф89mm，长度依据现场情况而定，钻孔内布置水温传感器和水压、流量传感器各一个，钻窝附近应配备水泵(排水量不小于50m³/h，扬程不小于50m，并预备备用水泵)并配备配套的排水设施，使钻孔涌水能够及时排至井下水仓或地面；同时做好见水位置、水压、水量、水温等水文资料观测记录；通过水化学分析手段，对出水层位做出判定；

如图3-1所示，导水裂隙带高度观测站自工作面切眼后300m开始布置，间隔300-400m布置一个测站，在回风平巷内帮开钻窝施工，以仰角60°与煤壁夹角45°向煤层顶板工作面采空区方向施工，钻孔ф75mm，钻孔终孔至覆岩含水层，测孔内布置钻孔电视或钻孔窥视仪，观测开采过程中工作面在覆岩离层、破坏高度；钻窝附近应配备水泵(排水量不小于50m³/h，扬程不小于50m，并预备备用水泵)并配备配套的排水设施；

4)冲击地压灾害分析与预警模块5将冲击地压基础资料采集模块1和冲击地压前兆信息动态采集模块2采集的数据进行综合分析与处理，对工作面冲击地压危险性实时评价分析，将分析与预警结果传输至工作面冲击地压处置措施模块6；

若未超过预警标准值则按照原有方案继续长期监测；若超过预警标准值则通过深部富水覆岩厚煤层开采复合动力灾害综合分析监测系统平台分析发生工作面冲击地压与突涌水的相关性；

5)工作面突涌水分析与预警模块7将矿井水文地质基础资料、矿井突涌水动态数据进行综合分析和工作面突涌水灾害分析判定，并将预警结果传输至工作面疏水降压措施模块8；

6)复合动力灾害综合监测预警平台9根据冲击地压灾害分析与预警模块5、工作面突涌水分析与预警模块7数据结果与系统设定的标准值进行比较，若未超过预警标准值，则按照原有方案继续长期监测，若超过预警标准值则分别采取相应灾害控制措施，同时启动冲击地压前兆信息采集模块2、矿井突涌水动态采集模块3，由复合动力灾害综合监测预警平台给出工作面复合动力灾害发生机理及预警结果；

7)复合动力灾害一体化防治措施模块10根据复合动力灾害综合监测预警平台9分析结果，分析发生工作面冲击地压与突涌水的相关性，提出突水-冲击地压复合动力灾害综合解危施工方案。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。