（机械设计及理论专业论文）基于水位灰预测的煤矿井下排水监控系统研究.pdf

f - l l | i i ii iii i iii i iii i iii i l ， y 17 8 4 5 4 2 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g s t u d y o nm i n e d r a i n a g ea n dm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nw a t e rl e v e l d y n a m i c 1 1 ro r e c a s t c a n d i d a t e ：l i a n gx i a o m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i uc h u n s h e n g s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y h e i l o n g ji a n gi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y h a r b i n ，p r c h i n a ，15 0 0 2 7 j u n e2 0 1 0 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签名：蚴 导师签名 摘要 煤矿井下排水系统作为煤矿生产中主要的工作系统之一，在煤矿安全问 题中占有重要地位。目前国内矿井的排水系统多采用传统的人工监测方法， 人工加继电器进行控制。传统方法控制线路繁复，设备运行的自动化程度低， 可靠性相对较差，工人劳动强度大，排水系统应急能力不足，存在一定的安 全隐患，不适应煤炭工业发展的需要。 为实现煤矿井下自动排水系统可靠、经济运行的需要，根据不同季节和 时段，井下涌水量差异引起水位的不同变化，基于灰色预测理论的分析和几 种灰色预测模型的比较，提出了煤矿井底水仓水位的灰色动态预测方法，采 用新信息模型作为煤矿井底水仓水位动态预测的渐进模型，并采用实测的实 验数据加以验证，证明具有良好的符合度。 分析不同涌水量条件下，涌水充满水仓和用电峰谷的时间，提出了半躲 峰和完全躲峰的概念；以安全控制水仓水位和排水能耗最小为目标，建立矿 井水仓容量、涌水量、水泵运行台数与电价等相关参数间的数学模型；并确 定出排水系统的控制策略；通过实例验证，方案可行且经济有效。 本文设计的自动化排水监控系统采用p l c 和与p c 相结合的方式，弥补 了传统继电器控制的种种缺陷与不足，提高了工作可靠性和稳定性，具有使 用寿命长、维护方便等特点。 关键词：井下排水；p l c ；自动控制；灰色预测 ，i i m o d e l s ，p r o p o s e d 铲a yp e r f o r m a n c ef o r e c a s tm e t h o du s e d t of o r e c a s tt h ec o a lm i n e b o t t o m - h o l ew a t e rb u n k e rl e v e l c h o s et h en e wi n f o r m a t i o nm o d e la st h ec o a lm i n e b o t t o m - h o l ew a t e rb u n k e rl e v e lf o r e c a s t i n gg r a d u a lm o d e l ，a n dt h em e a s u r e dd a t a w a su s e dt op r o v ei t sg o o dc o n f o r m i t ya c c u r a c y t 0b ea n a l y s i s e do fd i f f e r e n tw a t e ri n f l o wc o n d i t i o n s ，w a t e ri n f l o w rf i l l e d w i t hw a t e rs t o r a g ea n de l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o np e a ka n dv a l l e yt i m e ，p u t sf o r w a r d c o n c e p to fh a l fe s c a p ep e a ka n dc o m p l e t e l ye s c a p ep e a k ；i no r d e rt ot a r g e ts a f e t y c o n t r o lw a t e rb u n k e rl e v e l a n d d r a i n a g em i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o n ， e s t a b l i s h i n gr e l a t e dp a r a m e t e r sm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tm i n es u m pc a p a c i t y , w a t e ri n f l o w , w a t e rp u m pr u n n i n gn u m b e ra n de l e c t r i c i t yp r i c ee t c ；a n d d e t e r m i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo fd r a i n a g es y s t e m ；v e r i f i e dt h r o u g ha ne x a m p l e ， t h ep r o g r a mi sf e a s i b l ea n dc o s t - e f f e c t i v e ，p r o v i d eat h e o r e t i c a la p p r o a c ht ot h e m i n ew a t e rp u m ph o u s e ，r e a l i z ea u t o m a t i o nc o n t r 0 1 t h ea u t o m a t i s md r a i n a g es y s t e md e s i g n e di nt h i st h e s i sc o m b i n e dc o n t r o lb y p l cw i t hs t a k e o u tb yp c ，s ot h a ti tm a d eu pa v a r i e t yo fl i m i t a t i o na n ds h o r t a g eo f c o n v e n t i o n a lm e a n so fr e l a yc o n t r o l l i n ga n di m p r o v e dr u n n i n gr e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t y t h i ss y s t e m h a sc h a r a c t e r i s t i c so fl o n g o p e r a t i n gl i f e s p a n a n d c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dd r a i n a g i n g ；p l c ；a u t o m a t i cc o n t r o l l i n g ；g r e yf o r e c a s t i n g i i 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 1 国外井下排水系统主要发展概况2 1 2 2 国内井下排水系统主要发展概况3 1 3 本课题研究的主要内容5 1 4 小结5 第2 章统计数据分析7 2 1 新发煤矿统计数据分析7 2 1 1 新发煤矿涌水量影响因素7 2 1 2 新发煤矿数据图形分析8 2 2 峻德煤矿统计数据分析1 0 2 2 1 峻德煤矿涌水量影响因素1 0 2 2 2 峻德煤矿数据图形分析1 l 2 3 涌水量的影响因素1 2 2 4 小结1 4 第3 章煤矿井下水位的灰色预测1 5 3 1 水位变化影响因素分析1 5 3 2 预测方法的比较与选择1 5 3 3 灰色系统理论1 6 3 4 灰色预测模型1 8 3 4 1 水位灰色预测的基本模型1 8 3 4 2 动态模型的建立2 0 3 4 3 精度检验2 0 3 4 4 静态预测2 1 3 4 5 动态预测2 2 3 5 小结2 4 第4 章井下自动排水系统的控制策略2 5 i i i 4 1 排水情况分类2 5 4 2 水泵运行数学模型2 7 4 2 1 目标函数2 7 4 2 2 约束函数2 7 4 3 数学模型的求解2 8 4 4 控制策略验证3 0 4 5 小结3 2 第5 章煤矿井下排水监控系统总体设计3 3 5 1 排水系统的组成3 3 5 2 排水监控系统的软硬件3 3 5 2 1 可编程控制器3 3 5 2 2 组态软件3 6 5 2 3 传感器技术3 9 5 2 4 泵效检测3 9 5 3 煤矿井下排水监控系统4 1 5 3 1 传感器4 2 5 3 2p l c 选型4 4 5 3 3 自动排水系统监控实现的功能与特点4 5 5 3 4 排水监控系统的实现4 6 5 4 排水监控系统工作过程5 3 5 5 冗余设计5 6 5 6 小结5 7 第六章总结与展望5 8 6 1 总结5 8 6 2 展望5 8 致谢i 6 0 参考文献6 1 附录( 另成一册) 6 4 作者简介6 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 第1 章绪论 煤炭是我国主要的基础能源，在一次能源构成中占7 0 以上，随着国民 经济的高速发展，对煤炭的需求量将进一步增长【l 】。但是煤矿地下开采的过 程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透等原因，将要有大量 的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件 有关系，涌水量在不同的季节也呈现不同。所以煤矿井下排水系统是保证矿 井安全生产的关键设备，担负着井下积水排除的重要任务。然而，目前我国 普遍使用的井下排水系统依然是传统的人工操作方式。本章分析了国内排水 系统存在的问题和国内外排水系统的发展现状，为排水系统实现自动化提供 依据。 1 1 引言 目前国内矿井的排水系统自动化程度低，多采用传统的人工监测，人工 加继电器进行控制的方法。传统方法控制线路复杂，设备自动化程度低，可 靠性较差，工人劳动强度大，排水系统应急能力不足，存在一定的安全隐患， 不适应煤炭工业发展的需要，也不能满足煤炭产量的逐年增高的需要。对煤 矿井下排水系统控制与监测的研究，就是要改变这种状况。 井下排水设备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千 瓦到上千千瓦。在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的 1 8 0 o , - 4 1 ，一般为2 0 左右【2 j 。若水泵房采取节能的排水方法，一年可以减 少用电几百万度，直接节省开支几十甚至上百万元：排水系统可在水泵房无 人职守，少人巡检的情况下实现地面监控，减少水泵房的人员投入、改善工 人工作环境；此外，由于监测环节的完善可延长设备使用寿命，降低设备检 修频率，节约相应的人力物力，并保证生产连续进行。因此，改善目前井下 排水系统的状况不但可以提高效率、节省费用，而且减少安全隐患。 目前国内虽对井下自动排水系统做了大量的研究，取得了一定的成果。 但也存在很多问题：自动排水系统与矿井实际情况相脱节；系统本身存在某 些缺陷，导致排水设备运转不理想，甚至不如人工控制效果好。国内少数安 装了自动排水设备的矿井均已经将其拆除或闲置，转为人工操作，造成极大 的浪费。国外产品系统集成不能适应我国煤矿实际生产状况【3 叫。所以研制一 套成熟的适合我国煤矿的井下排水系统势在必行。 1 2 国内外研究概况 黑龙江科技学院硕士学位论文 井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代 检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了较大进步。 1 2 1 国外井下排水系统主要发展概况 国外在软件设计方面提出了许多简单实用的算法。例如，前苏联国家镍 业研究设计院开发的软件包能根据复杂的水文和地质条件，以及矿井排水系 统运行参数，调整水泵房的运行状态，并有一定的计算机辅助设计功能。 1 9 9 4 年俄罗斯国立莫斯科开放大学教授、技术科学博士波波夫教授、巴 塔诺戈夫技术科学副博士和北乌拉尔铝土矿生产联合公司工程师沙尔塔诺夫 通过实验验证了矿井排水高扬程水泵采用双电机拖动的优越性。简要介绍矿 井高扬程水泵双电机拖动装置的结构、技术性能、实际运行情况及较适用的 方案，此外，还探讨了矿井高扬程水泵双电机拖动设计和运行中需要注意的 一些问题【7 1 。 俄罗斯国立莫斯科开放大学技术科学副博士b b 马祖连科依据费用相 等的原则，推导出水泵最佳使用期和管道清理周期的两种形式相似的计算公 式。提出了要提高矿井排水设备运行的经济性，必须对水泵的使用期和管道 的清理周期进行优化的理论。论文中的优化方法在通货膨胀条件下仍能保持 其正确性，因此具有一定实用价值瞵j 。b b 马祖连科副博士还介绍了作为排 水设备主要类型的离心泵的能耗估算方法，以及离心泵工况点经修正后的能 耗估算方法。并以北乌拉尔铝土矿和斯塔哈诺夫煤炭生产联合公司为例，具 体介绍了几种工况点经修正后的离心泵能耗估算情况1 9 】。 此外，一些矿产资源丰富的国家，在将自动化技术引进矿业生产方面， 取得了突飞猛进的成就。加拿大提出了数字化矿山的概念，建立综合信息基 础框架，使全体开采过程与集成化支持系统连成网络；大力发展生产监控方 面的传感技术，减小排水设备的自动控制和监测的误差；还要发展遥控机器 人和全矿机器人技术。芬兰采矿工业则发布了智能化矿山技术项目，目标是 实现实时资源管理和生产控制；全矿范围的信息网络：新型机器和自动化；以 及生产及维护的自动化。俄罗斯则针对矿山设备的研制，提出了采用以微处 理技术为基础的自动控制和故障诊断系统以及保护和安全操作系统【l 。 虽然这些国家没有将排水设备的自动化单独进行研究，但他们将这一方 面的内容列入了矿山整体自动化的规划之中，将所有的控制信息包括水泵的 运行都集中给中心控制室，进行统一控制。无论是发展传感器技术，还是建 立统一的通信网络，都关系到自动排水系统的发展。 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 2 国内井下排水系统主要发展概况 国内的科研工作者在理论研究和设计方面也作了大量的工作。结合水泵 特性研究的多种控制方法在不同地区得到应用。大多工作集中在水泵闸阀的 设计与控制系统的改进方面。但由于起步比较晚，和国外仍有一定的差距。 2 0 世纪8 0 年代初抚顺矿务局老虎台矿，提出了集中排水的新方案，从 而改变了过去多段分散排水的落后局面，提出按钮控制水泵启、停的半自动 控制方法。 2 0 世纪9 0 年代，随着煤炭产量的增长，科学技术的发展，井下排水系 统得到了快速的发展。主要表现在两个方面：根据矿井排水系统面临的具体 问题提出相应解决措施；随着科学技术的发展提出了新的井下排水系统控制 方案。 1 9 9 2 年叶会华、王淑香、张志荣提出了煤矿井下主排水设备的计算机辅 助设计，将计算机应用于矿山排水系统的设计【1 1 】：山东矿业学院的陶安利、 于耀国、李兆庆等人提出了一种井下排水泵微机监控系统的容错设计方案， 其特点是在功能板级进行混合冗余设计，便于工程实现。 1 9 9 4 年唐又驰等人结合兴安矿的矿井实际建立了矿井排水系统模拟模 型，并借助模型分析了现有排水系统的合理性，还对延深水平排水进行多方 案模拟，为选择最优的排水方案提供了依据；华东地质学院的李金轩介绍了 线性规划模型在基坑井点降水工程优化设计中的应用。用该方法所确定的降 水设计方案，能在确保基坑施工安全的前提下，使排水成本降至最低【1 2 】。 1 9 9 5 年煤炭部充州研究设计院的李树仁针对位于山东省齐河县和东阿 县境内的邱集矿井，形成了边勘探、边设计、边建设的局面，借鉴了德国西 马克公司在摩洛哥王国杰拉达煤矿三号井井筒装备设计，由此而带来的经济 效益是显著的【1 3 】；新汉矿务局潘西矿闰家华针对该矿原排水设备老化、效率 低、排水能力小，已无法满足矿井抗灾能力要求的现状，对矿井排水系统进 行了改造。系统改造后，不仅节电取得明显效果，同时也提高了矿井的抗灾 能力，有利于矿井的安全生产【1 4 1 。 1 9 9 6 年邢台矿务局的张凯等人针对邢台矿八采区内断层及节理裂隙发 育、涌水量大、水文地质条件复杂的情况，从经济技术合理角度出发，进行 采区排水系统优化设计，选择合理的方式布置采区放水巷。这对整个采区的 采掘衔接和安全生产发挥了十分重要的作用，并为煤矿老空水害防治提供了 一条有效途径【l 川。 1 9 9 7 年辽宁工程技术大学的付华等人针对矿井排水系统属于多变量、非 黑龙江科技学院硕士学位论文 线性、时变的复杂系统，介绍了一种新颖的矿井排水计算机自动控制系统。 该系统采用了先进的集散式控制方式，建立了多级模块化的结构体系，提出 了多参数的模糊综合决策方法1 1 6 1 。 1 9 9 8 年鸡西矿务局二道河子矿王桂荣和哈尔滨煤矿机械研究所王启龙 针对鸡西矿务局设计院设计的排水系统存在的一些问题，简化排水系统、分 析水泵与排水系统的合理配置，并进行了改进，从而达到节省电能的效果， 具有可观的经济效益1 1 7 j 。西安矿业学院的王再英在解决了矿井排水系统运行 最优调度问题的基础上，提出了实现矿井排水系统优化运行自动控制系统的 基本功能和一种可行的实现方案设计。该设计的主控系统采用s t d 总线结 构，以8 0 9 8 单片机为主机芯片 1 8 1 。 2 0 0 0 年以后随着计算机技术的发展，控制理论的成熟，已将智能化控制、 规则控制、模糊控制、神经网络方法、专家系统等智能型的控制方法应用到 井下排水系统的设计当中，能够实现实时控制，自动监测排水系统的运行状 况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵软启动 的自动切换及控制断电等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。 2 0 0 3 年郑州煤炭设计研究院的张朝晖从安全、经济运行的角度出发，对 排水设备效率进行了分析，提出排水设备选型中，应在保证水泵不气蚀的前 提下，以水泵效率与管路效率乘积最大时为排水设备最佳运行点【1 9 1 。 2 0 0 5 年开始至今，太原理工大学对煤矿井下排水系统做了大量的研究： 用工业专用可编程控制器p l c 和超声波液位检测装置，组成自动监控系统， 根据水仓水位的变化及变化速度，实现自动排水；并充分考虑“避峰填谷”的 原则，自动判定启动水泵的时间和台数，在保证安全的基础上，尽量减少耗 电费用，以达到煤矿生产的经济高效【2 0 】；提出了一种新的基于虚拟仪器的排 水监控系统的设计方案，采用的数据采集卡和图形化设计软件l a b v i e w ，实 现了数据的实时采集和排水系统的实时监控，同时可对液位、水压等数据进 行实时记录、图表显示和历史查询等。尽管国内外研究者在井下自动排水系 统的研究中取得了很多成果，但仍存在亟待解决的问题： ( 1 ) 水位检测问题 用人工进行检测( 如人工检测水仓水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设 备状况等) ，这种检测控制方法效率低，工人劳动强度大，且由于井下环境恶 劣，故障率较高1 2 1 2 7 1 ； ( 2 ) 可控闸阀问题团j 目前，在相关领域的研究中，以电动闸阀为主，在手动闸阀机构的基础 4 器仍然为传 经不能满足 煤矿井下排水系统是关系到煤矿安全生产的重要问题。各大煤矿都很重 视井下排水系统的组建。目前国内外的排水系统均以检测到的水位高低作为 启、停水泵的标准，对于突发事故的预见能力差，当水位变化出现异常时， 不能及时预警和处理。针对此问题，本课题重点研究煤矿井下排水监控系统 以下几个方面内容： ( 1 ) 分析国内、外煤矿井下排水系统的相关资料，总结出目前国内排水 系统的特点，为井下排水系统监控研究创造条件； ( 2 ) 分析地质水文条件和地理位置对涌水量的影响，并采集煤矿涌水量 和水位的数据，总结煤矿井下涌水量的变化规律； ( 3 ) 利用逐渐成熟的灰色预测理论，动态预测涌水量的变化，实现提前 预警，也为制定合理的控制策略提供依据； ( 4 ) 通过分析目前国内用电制度和煤矿用电特点，制定合理的控制策略， 实现用电“避峰填谷”的目的； ( 5 ) 采用上位机( 计算机) 和下位机( p l c ) 结合的方式，实现煤矿井 下排水系统有效的监控。 1 4 小结 本章介绍了煤矿井下水的形成及排水的重要性，阐述了国内外在排水系 黑龙江科技学院硕士学位论文 统研究方面的现状。从我国煤矿井下排水系统的实际情况出发，对现有井下 排水系统自动化程度低、安全可靠性差等缺点，提出了本课题研究的主要内 容：对井下涌水影响因素的分析和水仓水位的灰色预测，制定合理的控制策 略，实现用电“避峰填谷”、轮流启泵，可以延长水泵使用寿命；选择性价比 高的p l c 等硬件设备，设计适用于煤矿安全生产的井下自动排水监控系统。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 第2 章统计数据分析 2 1 新发煤矿统计数据分析 2 1 1 新发煤矿涌水量影响因素 鸡西矿务局新发煤矿位于黑龙江省鸡西市西效乡梁家村境内，井型6 0 万讹，服务年限为7 2 2 年。井筒地层自上而下为新生界的第四系，中生界 上侏罗系。主副井区第四系砂砾层为6 5 9 m ，无分选，未胶结成岩，透水性 好【3 0 】。 本区含水层由地表向下可分为，第四系冲积含水层和侏罗系含水层。侏 罗系含水层根据其分布位置。含水层性质、富水积度等因素又可进一步分为 穆棱组风化裂隙含水岩组、穆棱组和城子河组基岩裂隙含水岩组及断裂含水 带。 侏罗系地层，直接涌水含水带属于裂隙充水矿床。但是本区普遍发育有 第四系孔隙含水层，为矿井的间接涌水含水层，虽属间接涌水含水层，但与 风化裂隙水层无隔水层，本含水层直接受大气降水入渗补给，同时又和穆棱 河及其它地面水体有密切的水力联系，加之本区断层发育，因此降水和地面 水是裂隙涌水矿床的补给水源；本区南北侧为低山丘陵区，地表径流除流向 河谷平原外。其余部分亦渗入地下。特别是本区东北侧城子河组地层直接出 露地表，煤层埋藏最浅处只有1 8 0 m 左右，上覆第四系孔隙含水层很薄，降 水可以直接入渗。降水是矿床涌水的主要补给水源：城子河组断层是矿井涌 水的主要因素。断层多与风化裂隙带相通，风化裂隙带又与冲积层有水力联 系，冲积层又与降水与地面水体有水力联系。因此一旦被揭露水量便会增加， 流量高峰持续时间短促，随后流量减小直至稳定都是一个缓慢的过程。 人为因素对矿井涌水的影响： ( 1 ) 煤层开采深度的影响：本矿井煤层露头部位处于穆棱河河体两侧， 煤系地层与以砂岩为主的上覆岩层直接接触，透水性强且与地面水体及第四 系冲积层联系密切。 ( 2 ) 断层煤柱对矿井涌水的影响：区内以断层多，断层面破碎，导水性 较强为主要特征，落差大于l o o m 的断层，覆侧留5 0 m 煤柱；落差在5 0 l o o m 之间的断层，覆侧留3 0 m 煤柱，落差小于5 0 m 的断层，覆侧留2 0 m 煤柱。 ( 3 ) 施工钻孔对矿床涌水的影响：钻孔有的封孔质量差有可能沟通上部 冲积层和风化带水，形成水力联系，造成矿井涌水。 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 1 2 新发煤矿数据图形分析 煤矿井下涌水量虽然受到很多不确定因素的影响，但是其在一定的条件 下也有一定的规律性。表2 1 为新发煤矿全年涌水量变化数据。 表2 1 新发煤矿涌水量统计表 t l b 2 1w a t e ri n f l o ws t a t i s t i c a lt a b l eo fx i n f ac o a lm i n e 黑龙江科技学院硕士学位论文 根据表2 1 中的数据分别绘制出每月1 号、1 0 号以及1 月、2 月涌水量 的变化曲线。每月特定某天的涌水量变化趋势基本相同，只是大小有稍微的 变化，如图2 1 、图2 2 所示。但两个月之间的涌水量变化趋势比较明显，如 图2 3 、图2 4 所示，1 月份每天的涌水量基本呈下降趋势，但是二月份却基 本保持不变，且有上升的趋势。便于更直观的了解新发煤矿2 0 0 8 年涌水量的 变化情况，分别以日、月和涌水量为坐标轴，画出涌水量三维立体图2 5 。在 月坐标轴，8 月份的涌水量最大，分别向两边月份递减，大约在2 月份涌水 量最小，日坐标轴，每月3 0 天涌水量的变化很小。从整体角度可以看出，全 年涌水量变化趋势很明显，有明显的季节影响因素，但是在短期内，涌水量 的变化却很小，可以认为短期内涌水量基本保持不变。 图2 - 1 每月1 号涌水量变化 f i g 2 - 1w a t e ri n f l o wc h a n g eo f m o n t h l y1 吼 图2 - 31 月每天涌水量变化 f i g 2 3w a t e ri n f l o wc h a n g eo f e a c hd a yi nj a n u a r y 9 时阿( 月) 图2 - 2 每月1 0 号涌水量变化 f i g 2 - 2w a t e ri n f l o wc h a n g eo fm o n t h l y l0 也 时阿( 天) 图2 - 42 月每天涌水量变化 f i g 2 4w a t e ri n f l o wc h a n g eo f e a c hd a yi nf e b r u a r y 黑龙江科技学院硕士学位论文 时间 图2 5 新发矿涌水量三维图 f i g 2 - 5t h r e e - d i m e n s i o ng r a p ho fx i n f ac o a lm i n ew a t e ri n f l o w 2 2 峻德煤矿统计数据分析 2 2 1 峻德煤矿涌水量影响因素 鹤岗市峻德矿区位于小兴安岭东南麓居改道后的鹤立河东岸，兴安矿以 南。地势东部较高，标高为+ 2 3 0 o + 2 6 0 0 m ，属低山丘陵区，南部较低，位 于鹤立河下游河床，河谷地带。矿区径流条件良好，除采空区塌陷坑雨季积 水外，地表无大积水体，矿区雨季降水以径流及人工河的形式流出矿区注入 鹤立河。面积2 0 1 6 ( k m ) 2 ，煤系含可采煤层2 3 层，总厚度5 1 3 7 m 。该矿设计 生产能力为3 0 0 万吨，但由于水文地质条件复杂而达不到。该矿北翼有8 3 的煤炭储量受水害威胁而无法开采，南翼的煤层全部压在厚层的第四系含水 层之下，亦无法展开p 。 峻德煤矿位于鹤岗矿区南端丘陵与平原相接处，井田面积2 3 为河谷区， 井田地表为第四系含水砂层，砂层下面有基岩裂隙含水层和构造裂隙含水层， 矿井的主要补给源有西侧河流侧渗补给，西侧和南侧地下水径流补给及大气 降水补给和人工排水沟补给。由于以上补给源的存在，加之煤系地层之上直 接覆盖第四纪含水砂层，层间无隔水层，彼此有较强的水力联系，同时煤系 地层距地表8 0 1 0 0 m 范围内风化裂隙发育地层构造复杂，根据地质资料记载， 现己拥有落差大于2 0 m 的大断层9 7 条，小断层纵横交错。这些风化裂隙、 构造裂隙、层间裂隙及大多数断裂带构成了良好的矿井充水通道，因此峻德 1 0 咄伽卸啪咖咖釉孤。扣 j 1 fe)率苄溪 黑龙江科技学院硕士学位论文 矿属水文地质条件复杂型矿井。建井到开采过程中矿井涌水量一直比划3 2 】。 2 2 2 峻德煤矿数据图形分析 峻德煤矿特殊的地理环境和复杂的涌水影响因素，使其煤矿井下排水工 作难度很大，历史曾发生过多次透水事故。这种复杂条件下的涌水量变化的 研究，对制定煤矿井下排水监控系统自动化有非常重要的意义。附录为峻德 煤矿0 7 年、0 8 年和0 9 年2 5 0 水平部分月份每天的水位变化情况数据，选取 0 8 年水位变化数据估计、折算成涌水量变化，画出图形如图2 - 6 、图2 7 和 图2 8 所示。 从每月特定某一天观察全年涌水量变化特点，最大涌水量大概出现在8 月份左右，大约为2 7 5 x 1 0 3 ( m 3 ) 如图2 - 6 所示；而且8 月份内每天涌水量 的变化很大如图2 7 所示：如图2 8 所示2 月份内每天涌水量变化也很大， 并不像新发煤矿有明显的递减趋势。造成短期内涌水量变化的主要原因是三 水平每天不定时向2 5 0 水平排水造成的。 对阊( 胃) 图2 - 6 每月1 号涌水量变化 f i g 2 6w a t e ri n f l o wc h a n g e o fm o n t h l y1 3 图2 78 月份每天涌水量变化 f i g 2 - 7w a t e ri n f l o wc h a n g e o f e a c hd a yi na u g u s t 黑龙江科技学院硕士学位论文 图2 82 月份涌水量变化图 f i g 2 8w a t e ri n f l o wc h a n g e o f e a c hd a yi nf e b r u a r y 卫钾鬯4 j 竺! ?芒兰苎飞 ! 二挫! ￥$ 鑫 r 一一 图2 - 97 月1 日 2 日时水位变化图 f i g 2 9j u l y1 2w a t e rl e v e lc h a n g e b ye a c h h o u r 为了更进一步了解峻德煤矿涌水量变化的特点，采集了2 0 0 9 年7 月1 日上午9 点7 月2 日上午9 点间2 4 小时2 5 0 水平水仓水位变化数据及水泵 的启、停情况，如图2 9 所示( 部分数据见第三章表3 1 、表3 2 ) 。其中水位 的变化很大，不时有外来因素( 主要是三水平排水) 影响，以至于出现了很 多凸起的点，但是随着水泵的启、停水位也明显的出现变化：当有多台水泵 启动时，水位快速下降，当只有一台或两台水泵运行时，水位又开始上升。 如图在7 月2 日凌晨2 点3 点之间开启水泵时，水位曲线出现了急剧的下降 趋势，随着这台泵的停止，水位又回复了相对平稳的下降。虽然有三水平的 排水影响，针对2 5 0 水平，水位的变化仍然有一定的规律性。 2 3 涌水量的影响因素 1 水文地质条件对涌水量的影响嘲 矿井水文地质条件是影响矿井排水量的关键因素，其中包括含水层厚度、 富水性、节理、裂隙、岩溶发育程度和补给来源。一般规律是含水层厚度大， 含水性强，附近补给来源丰富，矿井水涌水量就大，反之则小。其次是所处 的地理位置，一是煤矿平面位置与附近井、泉、河水的关系，一般离井、泉、 河水近，且水利关系密切，侧向补给来源大，则矿坑涌水量就大，反之则小： 二是开采煤层与当地侵蚀面及区域地下水位关系，一般是位于当地侵蚀面和 区域地下水位以下，且补给关系密切，则涌水量大，反之则小；三是与当地 降水量、入渗系数大，降水可直接转化为矿井水，煤层开采后导水裂隙带影 响到地面，则矿井涌水量就大，且季节性变化明显，反之则小。 1 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 地质构造特征对涌水量的影响 矿井涌水量的大小与地质构造，特别是褶曲断层有直接关系，地质构造 对地下水、地面水起着重要的控制与导水作用，但主要决定于褶曲断层补给 来源丰富程度和断层两盘含水层、隔水层对接情况。一般规律是地质构造愈 复杂，断层愈多，开采煤层离断层愈近，补给充分，则涌水量就愈大。反之 构造简单，开采煤层离断层愈远，补给来源少，则涌水量愈小，如大同、平 朔等矿区。 3 煤矿开采阶段对涌水量的影响 煤矿开采不同阶段，矿井涌水量变化很大，一般可分为四个阶段：首先， 煤矿开采初期，即由基建到生产期间，揭露的含水层相对多，含水层处于饱 和状态，含水性就强，随着开采面积的增大，就会逐步顶板冒落，沟通裂隙 导水带，煤系顶部含水层中地下水就会直接渗入矿坑。在有河沟地段煤层浅 的矿井，地表水也可能渗入矿坑，矿井涌水量将相对增大。其次，当矿井开 采进入中期以后，一般不会大面积揭露新的含水层，由于开采时间增长，含 水层水位不断降低，以矿井为中心的降落漏斗趋于稳定，部分含水层为无压， 矿井涌水量靠渗入补给，处于补、径、排平衡状态。第三，当矿井开采进入 后期，含水层部分被疏干，地表入渗补给量逐步减少，则矿井涌水量逐步衰 减。第四，当矿井开采进入末期( 停采) ，在其影响范围内，矿坑涌水量变小 到几乎没有。但是如果停止排水，由于煤系底部有隔水层存在，坑区逐步积 水成为“地下水库”。这就是煤矿开采涌水量经历增大、平衡、衰减、到非常 小，逐步恢复到一般变化的过程。需要指出的是上述四个阶段是在正常条件 下的全部过程和共性，如构造破坏或地表水、岩溶水发生联系，则可能发生 局部、暂时的突变，涌水量就增大1 3 3 j 。 4 大气降水及地表水对涌水量的影响 涌水量与降水量有明显的对应关系，一般规律是：矿井开采初期降水量 增大，涌水量也增加。在年变化内有这种特征，即每年雨季7 、8 、9 月降水 量大，矿井涌水量也增加，在浅部这种关系更为明显。但到开采中期，这种 关系就不明显了，即降水增加，涌水量增加很少或不增加【3 4 1 。 5 开采面积对涌水量的影响 煤矿开采面积逐年增加，这是由矿井设计生产人为因素决定的。在初期 矿井开采面积与涌水量有相互增长的规律，当开采达到一定深度后，无论开 采面积是否增加，涌水量将基本保持不变，部分矿井还随着开采深度的增加， 黑龙江科技学院硕士学位论文 向相反的方向发展。这是因为矿井涌水量主要受水文地质条件等决定。即使 有人为因素的干扰，也不能改变上述几个阶段的基本规律【3 5 1 。 6 开采沉陷对涌水量的影响 开采沉陷与涌水量有密切关系，一般是开采煤层越厚，贯通含水层越多， 矿井涌水量就增大，其增加大小，主要决定于开采深度和岩层含水性。一般 在浅部比教明显，浅部开采沉陷后，裂隙导水带直接影响到地面，既可使地 表水、降水直接入渗地下，又可使浅部风化带含水层水流速度增加，快速渗 入井下，因而矿井涌水量增加【3 酬。 7 煤炭开采量对涌水量的影响 开采量与涌水量一般具有较好的相关性，在一定水文条件、地质条件、 气象条件下涌水量随着开采量的增加而增加。开采初期开采量与涌水量一般 具有较好的正相关性，虽然开采初期随着含水层顶板不断被打开，涌水量会 发生跳跃式增长，但在较长的时间段内开采量与涌水量仍然表现出较好的正 相关性。而随着含水层全部被打开，不会再有新的涌水量突变，同时已打开 含水层的涌水不断被疏干，开采量的增加与涌水量呈现负相关性，即开采量 增加涌水量下降。当煤矿开采处于末期时，矿井水文地质变化不明显，开采 量也进入较稳定的时期，矿井涌水量相对比较平刮”】。 2 4 小结 本章主要采集了新发煤矿和峻德煤矿涌水量的大量数据，通过不同角度 绘图分析涌水量的变化情况，结合相关资料总结出了影响煤矿井下涌水量变 化的7 个主要因素。为后续的涌水量或者水位预测做准备。 1 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 第3 章煤矿井下水位的灰色预测 随着我国煤炭生产领域的发展，不断吸收融合高新技术，煤矿企业将步 入数字化时代，数字化矿井要求排水系统能够实现诸如实现提前预警、反映 水仓动态水位变化趋势、自动启停水泵等要求，这些都涉及到水仓水位的预 测。因此，煤矿井下水仓水位的预测是实现煤矿井下排水监控系统自动化的 基本条件，也是实现数字化矿井必不可少的一部分；另外，供电系统对用电 大户普遍采取分时计费政策，若通过对水仓水位的预测，选择更加合理的排 水方案，则可节省大量的排水费用。因此煤矿井下水仓水位变化的准确预测， 对于煤矿的生产安全及成本控制具有重大意义。而预测的准确与否，则不仅 取决于对矿井涌水条件的正确分析和计算参数的合理选用，也取决于预测方 法的正确选择。 3 1 水位变化影响因素分析 涌水量变化和水仓形状是影响煤矿井下水仓水位变化的主要因素，水仓 的形状一般在建井初期就已经确定，所以水位的变化主要受涌水量的影响。 矿井涌水量受所在矿区水文条件、地质条件、气象条件、开采状况等复 杂因素的影响，每一因素下又包含诸多子影响因素，任一因素的变化都会引 起矿井涌水量的变化【3 引。特别是随季节变化比较明显，雨季的涌水量会明显 增多，由于地质构造等因素的影响，其反映到井下水位变化一般都有一定的 延迟。矿井涌水量这种受多种不确定因素影响而表现出无规律性、随机性和 波动性的特点使水仓水位的变化也随之表现出相似的特点。 3 2 预测方法的比较与选择 预测是对某一事物( 或事件) 的行为特征量在未来某一时段内可能发生的 变化特征量或变化趋势做出估计和推断。预测作为一门科学，在一定理论的 指导下，以事物发展的历史和现状为出发点，以调查研究资料和统计资料为 依据，以对事物发展进行深入的定性分析和严密的定量计算为基础，研究并 认识事物的发展变化规律，进而对事物的未来变化预先做出科学推测。且必 须经过实践检验取得实效。预测方法可以分为两大类，就是定性预测方法和 定量预测方法。 定性预测方法是预测者根据自己掌握的实际情况、实践经验、专业水平， 对事物的发展前景的性质、方向和程度做出的判断。表面看来，定性方法似 乎缺乏可信度，但是在掌握的数据不多、不够准确或主要影响因素难以用数 黑龙江科技学院硕士学位论文 字描述，无法进行定量分析时，定性预测就成为唯一可行的方法。与定性方 法相比，定量方法的科学性、精确性和可操作性要更强一些。 定量方法的基础是各种数学模型，模型的不同就形成了各种定量预测方 法，而且每一种数学模型，或者说预测方法，都有其适用的范围和处理方法。 预测技术主要包括回归分析法、时间序列法、趋势分析法、人工神经网络方 法、模糊预测法、灰色预测法、专家系统预测法、小波分析方法和数据挖掘 技术等。科学地预测尚未发生的事物是预测的根本目的和任务，无论对于个 体还是对于组织，在其制定规划策略等面向未来的决策过程中，预测是必不 可少的重要环节，它是科学决策的重要前提。目前用得较多的不确定性预测 方法包括：模糊数学建模法；灰色系统理论建模；未确定数学建模法。表3 1 是这三种预测方法的比较，从表中可以看出灰色系统理论的研究对象是“部 分信息已知、部分信息未知的“小样本 、“贫信息 不确定性系统，它 通过对“部分 已知信息的生成、开发实现对现实世界的确切描述和认识。 且对原始数据的长度要求不高，不过多地涉及系统的结构和输入，其出发点 是对系统的输出序列进行研究u 引。 表3 1 三种不确定性预测方法的比较 t a b 3 1c o m p a r i s o no f t h r e eu n c e r t a i n t yp r e d i c t i o nm e t h o d s 因此，灰色预测模型可以克服一般模型对水仓水位影响因素难以分析、 数据采集困难的缺陷，通过建立简单的数学模型，将影响涌水量的各种复杂 因素“灰色处理”，大大降低了建模难度、计算难度及对数据的依赖，同时预 测精度又能较好地满足井下水仓水位变化趋势的预测需要。 3 3 灰色系统理论 现代科学技术在高度分化的基础上高度综合的大趋势，导致了具有方法 1 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 论意义的系统科学学科群的出现。系统科学揭示了事物之间更为深刻、更具 本质性的内在联系，大大促进了科学技术的整体化进程：许多科学领域中长 期难以解决的复杂问题随着系统科学新学科的出现迎刃而解；人们对自然界 和客观事物演化规律的认识也由于系统科学新学科的出现而逐步深化。2 0 世 纪4 0 年代末期诞生的系统论、信息论、控制论，产生于2 0 世纪6 0 年代末、 7 0 年代初的耗散结构理论、协同学、突变论、分形理论以及7 0 年代中后期 相继出现的超循环理论、动力系统理论等都是具有横向性、交叉性的系统科 学新学科。 在系统研究中，由于内外扰动的存在和认识水平的局限，人们所得到的 信息往往带有某种不确定性。随着科学技术的发展和人类社会的进步，人们 对各类系统不确定性的认识逐步深化，不确定性系