自动监测系统在煤矿地下水监测中的应用分析

自动监测系统在煤矿地下水监测中的应用分析

尚文彦1   张金柱2     龙建林2

（1.陕西天地地质有限责任公司  陕西西安 710054   2.陕西一八五煤田地质有限公司 陕西榆林 719000）

摘要：自动监测系统可实现对地下水水位、水温、水质等数据的自动测量、储存，并依托移动网络将现场量测的数据传输到室内监测中心，工作人员可以在监测中心实时查看监测点地下水的水位、水文、水质等数据。根据需要可通过数据分析软件将所有监测数据导入数据库，生成各种报表和动态变化曲线图。该系统无需人值守，全天候自动工作，特别适合于煤矿区地下水长期监测或工作区距离远、交通条件较差的水文水资源监测项目，自动监测可大大减少人工测量的工作量，能够降低人工测量时的误差以及错误的概率，近年来在保水采煤及煤矿水害防治方面提供准确的数据支撑，已经取得了积极的效果。

关键词：地下水监测、水文水资源、煤矿地下水、监测系统

0引言

地下水监测主要是为了掌握地下水变化规律、了解地下水实时动态变化情况，对地下水的变化规律进行动态分析研究，从而用于指导地下水资源保护、水资源开采、煤炭开采等工作，为水资源可持续利用、生态环境协调发展、水害防治等提供基础的数据支撑。随着科学技术的飞速发展，地下水监测井呈现分布地域广、数量多的特点，自动观测系统的使用，让监测工作更加快捷方便、数据更加准确，也实现了良好的经济效益。本文以陕北侏罗纪煤田榆神矿区某煤矿地下水监测项目为例，对其应用效果进行分析评价。

1系统的组成和工作原理

1.1系统的组成

本地下水监测系统主要组成部分有：自动测量记录探棒、数据发送设备、移动网络、监测服务器。

1.2工作原理

测量探棒通过一条专用电缆线悬挂在监测井内，按照设置好的时间间隔自动量测记录水位、水温、水质等数据。数据发送设备定时对测量探棒记录的数据进行采集、发送，也可以根据需要将多次数据一次性采集、发送。数据发送设备通过移动网络连接室内服务器，时间与服务器进行自动同步。通水手机、平板电脑等移动设备在监测系统网页上也可以实时观测监测数据。自动测量探棒中的内存可记录保存近8万个数据（大约单监测点位2年的数据），可以使用专用数据线连接电脑，人工通过APP直接将历史记录数据导出，这样能够保证历史监测数据在网络传输不正常的情况下不丢失。

工作人员可以根据需要对传输回来的数据进行提取、整理，对实时数据进行分析，也可以在线生成水位、水温等动态曲线图，为保水采煤、煤矿水害防治分析等工作提供重要的数据支撑，从而也减轻了煤矿水文地质工作人员野外人工测量的工作强度，节省了监测的成本。

2应用实例分析

2.1工作区水文地质条件

2.1.1地表水

工作区北部有某河道及其支流，在煤矿内的某河道上建立有某水库和某水库，库容分别为438万及157万m3。支流上河长4.5km，为常年性河流。

2.1.2地下水含（隔）水层

根据工作区地下水的赋存条件及水力特征，将区内地下水划分为两种类型：即第四系松散岩类孔隙及孔隙裂隙潜水、碎屑岩类裂隙水；五个含水岩层（组）：上更新统冲湖积层孔隙潜水、第四系中更新统黄土孔隙裂隙潜水、烧变岩区孔洞裂隙水、侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙水、碎屑岩类裂隙承压水。

2.1.2.1第四系松散岩类孔隙及孔隙裂隙潜水

①全新统河谷冲积层孔隙潜水

含水层为细砂、粉砂夹砂质粉土及淤泥质条带，厚10～20m。岩性多以粉细砂层为主，含水层厚度大，富水性强。降深14.61～37.05m，涌水量为442.45～578.53m3/d，统降单位涌水量0.1719～0.4485L/s·m，渗透系数0.2221～2.7615m/d，富水性中等。

②上更新统冲湖积层孔隙潜水（简称萨拉乌素组潜水）

含水层基本上呈面状连续分布于滩地区，地下水赋存条件严格受现代地貌、古地理环境及含水层厚度和岩性的控制。根据区内钻探成果，结合机民井调查资料，该区萨拉乌苏组地层一般厚30～58.50m。涌水量一般在300～600m3/d，统降单位涌水量0.122～0.157L/s·m，渗透系数1.356～4.027m/d，富水性中等。

③第四系更新统黄土孔隙裂隙潜水

含水层岩性主要为粉土质黄土，厚度一般为20～30m。含水层厚度28.12～119.24m，水位埋深14.88～16.30m，降深18.89～46.86m，涌水量28.08～51.93m3/d，单位涌水量0.014～0.0196L/s·m，渗透系数0.013～0.0834m/d，富水性弱。

2.1.2.2烧变岩区孔洞裂隙水

本煤矿西南部有3号煤层烧变岩区。煤层自燃后，其顶板岩石烧烤后变为紫红色，煤层烧完后顶板失重塌落，造成了较厚的破碎层和裂隙密集带，具有良好的储水空间及导水通道。煤矿西南部烧变岩区曾划分有一小煤矿，投资方施工有一立井，井径5m，井深95米，烧变岩层深57～95m，厚度38m；水位埋深80m，含水层厚度15m。当掘进深度约57m时，岩石颜色已变为紫红色，深度约80m时井筒涌水量开始增大，至95m时，曾用3台15m

3/h潜水泵连续抽水，亦未曾抽干，故涌水量大于1000m3/d。由于烧变岩区面积较大，埋藏较浅，北部又有头道河从其上覆流过，地下水补给条件优越，故富水性强。

2.1.2.3中生界碎屑岩类裂隙孔隙潜水及承压水

根据水力特征划分为两个含水岩组，即侏罗系碎屑岩类风化带裂隙水及碎屑岩类裂隙承压水。

（1）侏罗系碎屑岩类风化带裂隙潜水

含水层为基岩顶部的风化裂隙带，一般厚20～30m。据调查，基岩风化裂隙带内最大涌水量40～60m3/d；据煤矿内Y23钻孔抽水试验成果，含水层厚度18.42m，当降深23.26m，涌水量20.48m3/d，单位涌水量0.039L/s·m，渗透系数0.174m/d，富水性弱。水化学类型为HCO3-Na·Mg·Ca型，矿化度260.00mg/L。

（2）碎屑岩类裂隙承压水

以3号煤层为界分上、下两个含水岩段。

①3号煤之上碎屑岩类裂隙承压水

分布于3号煤层之上，主要为延安组第四岩性段，厚25.55～81.43m，平均厚49.50m。含水层主要由延安组第四段底部“真武洞砂岩”等组成。据钻孔抽水试验（表2-2），水位埋深+0.84～20.05m，含水层厚度21.45～52.95m，当降深24.57～58.65m，涌水量9.85～28.08m3/d，单位涌水量0.005～0.00191L/s·m，渗透系数0.007～0.0456m/d，富水性弱。

表2-1碎屑岩类（3号煤层之上）裂隙承压水抽水试验成果表

②3号煤之下碎屑岩类孔隙裂隙承压水

分布于3号煤层至延安组底界之间层段中。岩性主要为浅灰色粉、细砂岩与深灰色泥岩不等厚互层夹煤层，因埋藏深，岩石较完整，裂隙不发育，含水层较薄。故富水性极弱。

2.1.2.4隔水层

在基岩中，厚度较大且连续分布的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及部分粉砂岩等泥岩类，与含水层相间分布，厚度一般为10～40m，为层间裂隙承压水的隔水层。

2.1.3地下水补给、径流、排泄条件

本煤矿地貌形态为黄土梁岗区、沙漠滩地区，其上多为现代风积沙堆积，故第四系松散含水层潜水以大气降水补给为主，部分为沙漠凝结水及灌溉回归水补给。地下水的径流主要受地形地貌的控制，流向由高至低与现代地形吻合，即大体由煤矿东南向西北方向径流。排泄是以泄流的形式补给上河及头道河地表水，次为蒸发消耗、垂向渗漏和人工开采。

基岩风化带裂隙水，在煤矿内绝大部分是通过上覆松散层潜水的下渗而间接得到大气降水的补给。该潜水层与松散层潜水除局部地段存在隔水夹层外，大部分地区均具有密切水力联系的统一含水体，故其补给、径流、排泄与松散层潜水基本一致。

煤矿内基岩承压水主要通过区域基岩风化裂缝带潜水的下渗补给，还接受基岩裸露地段地表水的渗入补给。受区域上向西微倾的单斜构造的影响及上下隔水层的制约，径流方向基本沿岩层倾向由东向西或西南方向运移，愈向西部，埋藏愈深，交替循环条件愈差，基本形成了较为封闭的储水空间，故水量小，水质差。

2.2监测点布置

本工作区主要为查明地下水动态的变化规律与地下水化学组分的空间分布现状和发展趋势，为地下水环境现状评价和环境影响预测提供基础数据。监测布点采用控制性和功能性布点相结合的原则。监测井点以第四系潜水为目的层。监测点较均匀地布置在工作区上游、下游。共布置自动监测点12个（见图1）。

2.3水位动态监测成果

本矿区属于沙漠滩地，主要接受大气降水的补给，大气降水渗入砂层后，沿砂层底界（即基岩面古地形）侧向运移。流向具多向性。雨季地下水得到补给，地下水位逐渐抬升，但一般要滞后1个月左右，枯水季节地下水逐渐排泄，地下水位下降达到最终峰后，雨季来临，又得到降水入渗补给，地下水位又开始抬升，如此周期性升降。

从本次地下水动态观测资料可以看到，地下潜水由东北向西南方向移动，一般潜水面水力坡度约为15‰左右，3、4月份，雨季来临以前，降水稀少，气温回升，水位微小波动。进入6、7月，降水增多，补给加强，因此潜水水位抬高，水位上升幅度0.29－2.57m不等。10月份以后降水减少，水位明显下降，并且逐渐趋于稳定（详见图2）。

图1监测点布置及潜水等水位线图

图2萨拉乌苏组地下水动态曲线

2.4结论

本区的第四系上更新统萨拉乌苏组（Q3s）含水层资源量较丰富，水质优良，是目前陕北沙漠滩地前缘地区居民生活与工农业生产用水的主要水源，也是未来矿区大规模开发的供水水源。从本次监测成果分析，没有出现水位明显下降，水质明显变化的情况，因此表明目前煤矿开采对第四系潜水含水层未造成大的影响。

建议某某煤矿在今后的开采过程中，应注重保水采煤技术研究，保护地下水资源。根据地下水观测成果，采取有效技术措施，保证水资源不被破坏。只有合理开发煤炭资源，做到水资源保护与煤炭资源开采并重，才能实现矿区经济的可持续发展。

3结束语

（1）自动监测系统的应用结果表明,地下水自动监测系统性能稳定,测量数据准确,所获的地下水参数与实际值较为吻合。

（2）本系统无需人员值守，全天候自动工作，特别适合于监测点距离远、监测点分散、交通条件较差的野外水文观测项目。仪器结构简单,操作方便,利于推广应用。

（3）本系统应用于大型矿区地下水监测中，成功地解决了人工测量成本高、工作量大的难题,可以为矿区地下水动态研究提供较为准确的数据支撑,对地下异常水体分析、煤矿水害防治等方面工作具有指导意义。

（4）本系统可以根据实际需要生成水文数据日报表、月报表、年报表等任意时段的报表,也可以直接生成一个时间段内的数据变化动态曲线图，在煤矿水文监测、区域地下水长期监测等领域亦有良好的应用前景。

（5）为提高系统数据传输实时性、安全性和可靠性,还需进一步扩大移动网络信号覆盖范围广、优化数据处理软件、提高数据传输速率、增强微功耗接收传输设备的通信质量、提升监测探头与连接电缆插头间的密封性等。

参考文献：

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