会泽铅锌矿超深井矿山矿井水文在线监测系统的研究与应用.pdf

传统的矿山水文监测方法，通常采用人工携带仪器设备到水文观测点进行测量和记录，该方式无法全面、实时掌握水文参数变化，难以满足安全生产要求，一旦突发涌水、淹井等矿山水害事故，依靠人工观测根本无法及时获取地下水信息，无法做到地下水系统的实时监控与预警功能，严重影响到矿山的安全和生产1。会泽铅锌矿随着矿山建设向深部、边部开展，探矿及井巷工程均已处于矿区最低侵蚀基准面以下，且部分工程揭露了岩溶裂隙水含水层，各含水层空间结构、组合关系、水力联系复杂多变，矿坑涌水量将逐渐增大，矿床直接充水含水层与矿床顶*收稿日期：2023-09-28作者简介：任周洪（1993-），男，云南昭通人，工程师，主要从事矿山水文地质、工程地质、环境地质工作。通讯作者：杨宇鸿（1993-），男，山东平邑人，工程师，从事水工环地质勘探研究工作，E-mail：。Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY会泽铅锌矿超深井矿山矿井水文在线监测系统的研究与应用*任周洪1，杨宇鸿2，夏荣辉1，胡体才1*（1.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖 6550002.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050000）摘要：针对会泽铅锌矿，其深部岩溶及构造含水带发育，矿井涌水点多，涌水量大等问题，采用了矿井水文监测系统对水文地质参数包括水位、水压、温度、流量、涌水突变等进行实时监测。应用表明：该系统可实时监测矿井水文参数变化，及时、准确、全方位监控矿山地下水、地表水情况，为井下工程开拓、排水优化及水害事故的预警提供了数据支撑，以保障矿山的安全和生产。关键词：矿山水害；防治水；水文在线监测；矿井预警中图分类号：TD263文献标识码：A文章编号：1006-0308（2024）02-0007-07Research and Application of Mine Hydrology Online Monitoring Systemon Ultra-deep Mines in Huize Lead-zinc Mining AreaREN Zhou-hong1,YANG Yu-hong2,XIA Rong-hui1,HU Ti-cai1(1.Yunnan Chihong Zn&Ge Co.,Ltd.,Qujing,Yunnan 655000,China;2.North China Engineering Investigation Institute Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei 050000,China)ABSTRACT：Huize lead-zinc mine is a deep karst,tectonic aquifer development mine,there are many mine inflow points and ithas other problems,so the real-time monitoring for hydrogeology parameters that water level,water pressure,temperature,flow,and waterinflow mutation was carried out by using of mine hydrology online monitoring system.The application results show,that the system can beused for monitoring mine hydrology parameters change,the underground water,and surface water can be monitored all-round,accuratelyand in time,it can provide data support to water discharge optimization and flood accident warning,and provide guarantee to mine safetyand production.KEY WORDS：mine water disaster;reinforced measures for water;hydrological on-line monitoring;mine warning7Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY底板间接含水层之间水头差越来越大。为保证矿山安全生产，需实现水文“24 h”在线监测，快速准确的掌握各出水点、各中段的涌排水情况。随着计算机技术、传感器技术及通讯技术的迅速发展，让水文在线监测逐步成为可能，它的应用降低了水文监测的人力成本，提升了水文数据的实时性和准确性，增强了矿山水文预警能力，对有效应对水害事故的发生具有重要意义3-5。1矿山水文地质概况会泽铅锌矿为水文地质条件中等偏复杂的老矿井，从水文地质单元看属于地下水补给耀径流区，矿床直接含水层为石炭泥盆系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，总体上富水性弱，局部受构造影响为中等。近年来随着矿山建设向深部、边部开展，矿山排水量大幅增加，严重影响下步工程开拓进程。1.1地质地貌特征矿区属云贵高原区乌蒙山系，高山构造侵蚀、构造溶蚀耀侵蚀地貌为主，地形陡峻，地势西高东低、北高南低，海拔 1 550耀2 830.6 m。区内发育一条由南向北流经矿区的河流，构成当地最低侵蚀基准面，矿区段河床标高约 1 550 m，流量 11耀698 m3/s，西南部者海湖为区内地表水、地下水的重要汇集地，现已基本退化为沼泽、湿地，面积不足 1.5 km2，水深一般小于 1 m。图 1矿区水系分布图Fig.1Distribution diagram of mine river system常年性河（溪）流季节性河（溪）流牛栏江小江分水岭次级分水岭湖泊、水库灰岩泉山峰村、镇图例81.2含水层水文地质特征矿山深部由三个碳酸盐岩岩溶裂隙含水层和两个相对隔水层构成，含水层受地层岩性、构造、补给源等因素影响，各含水层富水性极不均；含水层和隔水层相间分布，三个岩溶裂隙含水层相对独立，局部地段相对隔水层中构造裂隙含水带使相邻岩溶裂隙含水层有一定水力联系，断裂破碎带及两翼影响带与含水层共同构成了深部地下含水系统。矿井主要含水层包括：二叠系岩溶裂隙水含水层，顶板间接含水层，厚度 450耀600 m，单位涌水量 0.031耀0.822 L/s m（中等富水），渗透系数0.14耀9.42 m/d（透水性中等-强）；石炭泥盆系岩溶裂隙水含水层，矿床直接充水含水层，厚 220耀310m，单位涌水量 0.014耀0.607 L/s m，渗 透 系数0.006 6耀0.103 5 m/d，富水性弱-中等，渗透性差，且不均一；震旦系岩溶裂隙水含水层，总厚度大于 500 m，地下水静水压力达 4耀6 MPa，整体富水性中等-强。1.3地下水运动规律以往矿山开采主要集中地下水位以上，矿山开采对地下水运动影响甚微。从上世纪 90 年代至今，人工开采改变了地下水的天然流场。目前，矿山深部总排水量一般在 16 000耀17 000 m3/d，丰水期矿山厂井下排水量最大可达 19 368耀20 352m3/d。矿山排水形成了以开拓巷道为中心的地下水降落漏斗，区内三个岩溶裂隙含水层相对独立，由于矿区深部不同含水层揭露情况和地下水排泄量的不同，震旦系含水层、石炭泥盆系含水层及栖霞-茅口组含水层在深部形成不同的地下水降落漏斗，地下水降落漏斗陡峭，影响范围不大。2矿井水文监测系统2.1系统功能及特性在当下信息技术自动化的发展趋势下，随着传感器、通信、计算机软件等技术领域逐渐成熟，矿井水文监测系统实现了对地下水和地表水的水位、压力、温度、流量等参数的转换、采集、传输、计算、存储、共享、预警等功能；从而能够及时掌握矿井水文条件的动态变化，为矿井水害防治提供决策依据5。系统通过对水文观测孔某一含水层水文参数（水位、温度）进行长期观测，判断该区域水文地质条件变化情况6。矿井水文监测系统具有以下功能特点：淤监测设备安装维护操作简单，隔水、防水性能好，能防尘；于实现各站点数据的传输与监测，便于掌握矿山水文动态变化；盂以网络进行传输，适合本矿山地表及井下不利工作坏境；榆利用网络进行长距离时空传输，解决了矿山布线困难，维护成本高；虞支持局域网客户端模式的数据共享；愚井下各水文数据能根据研究需求实时监测、实时传输及超限报警；舆存储数据量庞大，可建立丰富的矿井水文数据库；余软件分析功能强大，根据研究需求可自行设置查看分站的曲线变化；俞系统更新换代快，可根据矿山需求同步做好监测系统升级。2.2系统设计的基本原则1）系统性原则：从系统整体角度出发，从组织到系统需求，满足优化经济合理；2）实用性原则：系统不改变计算机管理系统，兼容性强，操作方便快捷；3）可靠与安全性原则：系统设备能可靠、稳定工作；4）最优性价比原则：在满足系统整体功能的基础上，项目的经费投入合理；5）先进性原则：监测系统的技术水平达到国内外领先水平，适应性强；6）升级原则：系统维护简单，根据研究需求可提供优质的售后技术和服务。本系统在运行的同时，还要充分考虑到系统的安全性，以及当数据受到破坏时应采取的应急措施。2.3系统组成矿井水文监测系统综合运用现代传感器技术、计算机技术、网络通讯技术，PLC 高速分析运算，可对系统各项参数包括水位、水压、温度、流量、涌水突变等进行实时检测，也可配接矿井排水系统各传感器，完成各种数据采集。所有数据通过总线传至地面监测服务器，由监测服务器进行数据分析，打印报表，绘制历史曲线，可视化的CAD 图直观展示设备安装位移。矿井水文监测系统一般由地面无线遥测系统、任周洪，等：会泽铅锌矿超深井矿山矿井水文在线监测系统的研究与应用9Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 2矿井水文监测示意图Fig.2Schematic diagram of mine hydrological monitoring云平台流量温度传感器水位温度传感器流量温度传感器水位温度传感器流量温度传感器水位温度传感器超声波流量计压力温度传感器水质传感器超声波流量计压力温度传感器水质传感器超声波流量计压力温度传感器水质传感器分站分站分站电源电源电源交换机交换机交换机遥测传感器井下地面孔口保护电源太阳能两种供电方式可选GPRS流量遥测主站GPRS流量交换机环网总线CAN 线井下地面客户端平板手机运行软件监测服务器接口井下实时监测系统组成。其中设备包括：各类传感器、井下监测分站、数据传输分站、无线遥测分站、本安电源、通讯电缆、交换机、光端机、服务器等构成。软件系统包括：主控软件、客户端、WEB 软件。设备组成和主要参数如下，具体详见图 2：1）地面监控中心：监测服务器、打印机、UPS 不间断电源、电源避雷器、信号避雷器、地面输出本安型数据传输接口、分析软件等；2）井下水文：矿用本安型流量温度传感器；矿用本安型压力温度传感器；矿用本安型水位温度传感器；矿用本安型超声波流量计；矿用本安型水质传感器；矿用本安型分站；矿用本安型数据采集仪。2.4传感器参数1）矿用本安型流量温度传感器：对矿区井下明渠内的水流量或其他涌水点的水流量进行实时自动测量、本地显示和数据传输，同时对水温进行测量。量程：流量 0耀1 000 m3/h、温度 0耀100益；误差：流量 依 2%FS、温度 依 2%FS；配套设备颐巴歇尔槽、三角堰槽、矩形槽等；2）矿用本安型压力温度传感器：矿用本安型压力温度传感器用于矿井下水压观测孔及管道水压、温度实时自动监测，本地显示及实时传输。量程：压力 0耀10 MPa，温度 0耀98 益；误差：压力依2%FS、温度依2%FS；3）矿用本安型水位温度传感器：矿用本安型水位温度传感器在矿井下实时监测水仓及明渠等的水位、温度。传感器自动测量水位、温度并本地显示和实时数据传输。量程：水位 0耀100 m，温10表 2监测系统与人工尺读数据对比表Tab.2Comparison of data from monitoring system and manual reader测点位置人工尺读数据单位系统监测调整后对比备注SK200.18MPa0.320.230.05水压参数调整前参数调整后石门段水仓口700.98m3/h723.28720.1819.20流量水泵房2#排水管道162.00m3/h169.00166.004.00流量水泵房1#排水管道407.00m3/h420.00414.007.00流量排水管4.23m3/h5.204.790.56流量SK019.27m10.209.380.11水位DZK-4-24.15m5.784.200.05水位SK030.65m0.720.800.15水位表 1在线监测系统建设情况Tab.1Construction situation of on-line monitoring system序号测点位置监测时间测量名称测量值单位流量/温度状态8SK2014:25:39压力0.23MPa18.00正常1石门段水仓口14:26:44流量720.18m3/h22.37正常2水泵房2#排水管道14:26:44流量166m3/h43 721正常3水泵房1#排水管道14:26:44流量414m3/h8 590正常4排水管14:26:44流量4.79m3/h4 537正常5SK0114:25:39水位9.38m18.30正常6DZK-4-214:25:39水位4.20m18.70正常7SK0314:25:39水位0.80m18.20正常度 0100 益；误差：水位 依2%FS 温度依2%FS；4）矿用本安型超声波流量计：矿用本安型超声波流量计是用于矿井下管道流量的测定，可对水流数据进行自动测量、远程传输的自动化设备。测量过程不需破坏管道，不需停产，传感器不与被测介质接触，无压损。量程：0耀500 m3/h；误差：依2%FS；5）矿用本安型水质传感器：矿用本安型水质传感器是矿井下水质浊度，pH 值，电导率的测量，具有参数超限声光报警，液晶显示，电池电压检测，数据传输等功能。传感器具有操作简单，携带方便，测量水质参数准确可靠等优点。量程：0耀400伊10-9；误差：依0.1%FS。3矿井水文监测系统应用实施及监测结果对比3.1应用实施根据该金属矿山工程布置特点、已有监测点位置及下步研究对水文自动化监测需求，目前井下已建成管道超声波流量传感器 3 套、沟渠流量传感器 1 套、钻孔水压传感器 1 套、钻孔水位传感器 3 套，具体详见下表 1。后期相继会大量推广建设，建成集地表气象站、地表沟系、钻孔水位遥测及井下观测站点为一体的水文在线监测系统。3.2监测结果对比前期该金属矿山水文数据收集以人工尺读为主，虽操作繁琐，准确性不高，但矿区排水系统扩能设计、涌水量预测及基础地质研究都以该方法监测数据为依据。为检验本次水文在线监测系统数据的可靠性，应用前后多次对该系统监测数据与人工尺读数据进行对比校核，根据误差不断对系统进行调整，最终调整后得到相对比较可靠的数据，目前该系统运行比较平稳，水量波动在可控范围，以下数据为最终的对比，详见表 2。任周洪，等：会泽铅锌矿超深井矿山矿井水文在线监测系统的研究与应用11Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 3水泵房 1#排水管道水文情况实时监测图表Fig.3Hydrological real time monitoring diagram of 1#drainage pipes in water pump room图 4矿山井下监测多站点实时连续监测图Fig.4Multi-site real-time continuous monitoring diagram for underground mine通过表 2 中数据可以发现，在线监测数据与人工尺读在参数调整前相差较大，调整后监测数据略偏大，可知数据越大两者相差就越大，但通过数据分析仍处于正常偏差范围，对矿井安全预判及后期基础研究的影响不大。为保证监测系统运行的稳定性及监测数据可靠性，系统应用后三个月内仍将采用人工尺读，并长期进行数据对比分析，保障后期监测数据的准确性。3.3实时数据监测本次安装水文在线监测系统可实现 24 h 连续对该金属矿山各个监测站点的水位、降雨量、蒸发量、流量、水压等水文信息进行监测，间隔2min 进行一次监测并上传，真正准确的实现了各个站点的水文情况实时在线监测（图 3：水泵房 1#排水管道水文情况实时监测图表）。图表中折线图表示涌水量的实时变化趋势，可查出统计区间的水量最大值、最小值、水温及数据条数等参数。3.4多站点数据监测对比该系统可对井下监测站点进行实时连续监测，以下为石门段水仓口、水泵房 1#排水管道及水泵房 2#排水管道监测站点同期监测数据对比，可直观观测到拟对比监测站点的水量变化情况，通过曲线可清楚的显示统计区段的最大、最小及平均水量，详见如图 4。12因此，采用该套水文实时在线监测系统对该金属矿山地面及井下进行水文监测，不仅改善了以前监测方法的不足，还能达到以下效果：1）登陆简便。可同时监测到所有需要监测的水文变化情况，不再传统的单点观测模式；2）数据查询便捷。能实现全天“24 h”连续监测、查询及存储，每隔 0耀24 h 数据更新一次（根据研究需要自行设定时间间隔），实时显示当前水文数据，做到所有水文观测点实时在线监测；3）数据曲线功能强大。根据图表变化情况能够清晰的找到水量异常变化区域，为下步查找原因节省时间，进而快速解决异常问题；4）分类报表处理功能灵活。可以分点设置，制作周、月、季度及年度报表，并且能对任一水文监测点绘制趋势曲线，为早期预防提供数据依据；5）可自行设置报警功能。整套系统建成后，可对比分析雨季、旱季的降雨量来分析对矿区井下各中段监测站点的补给影响，强化矿区水文地质研究，观察水量的增大趋势逐步采取措施进行防治。4结 语1）矿井水文监测系统综合应用了计算机技术、通信技术及水文信息处理技术等技术手段，弥补了传统矿井水文监测方法的不足，同时极大限度的降低了人力、物力消耗；2）根据矿山实际应用，该系统对金属矿山探采区突涌水点涌水量、钻孔水位、钻孔水压及地表降雨量等进行全方位在线监测，能够满足水文地质条件复杂的超深井金属矿山水文数据采集和分析处理的需求，当前安装的设备运行条件，在井下恶劣环境条件下设备稳定性好；3）随着矿山工程开拓及气候变化，利用矿井水文监测系统进行实时监测，对矿井涌水量和水位的变化趋势做出合理预判，为今后矿山水害防治、工程规划及排水系统扩能设计提供指导依据。参考文献：1 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