凡口鉛鋅礦區地下水自動監測預警系統開發

歐陽仕元 時永桂 曹文生

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東 韶關 512325；2.山東科瑞特自動化裝備有限責任公司，山東 泰安 271000)

凡口鉛鋅礦區地下水自動監測預警系統開發

歐陽仕元1時永桂2曹文生1

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東 韶關 512325；2.山東科瑞特自動化裝備有限責任公司，山東 泰安 271000)

凡口鉛鋅礦礦山帷幕截流工程完成后，地下水流場發生了變化。為及時掌握地下水動態，預防突水事故，為采區防治水工程設計提供科學依據，礦山開發了地下水自動監測預警系統。該系統由數據采集傳輸、數據處理分析、地下水動態預警和三維可視化4個部分組成，系統對礦區地下水水位、流量、水質等參數實時監測、自動統計、分析和處理，及時反映地下水的儲藏、運移、補排特征和動態變化規律，進行預警。應用表明，系統運行狀態、數據監測、成果輸出等準確反映了礦區地下水流場變化情況，預警信息可靠。

觀測站 監測系統 實時數據 預警閾值 可視化

凡口鉛鋅礦屬富水性強、補給充足、涌水量大的水文地質條件復雜型礦山[1]。該礦采取地面和井下綜合防治措施，確保了安全采礦40多a。隨著采區外擴及礦區帷幕截流工程[2]的建成，地下水流場[3]發生了根本變化，在采區外形成了高水位區，對近帷幕地段礦體的安全開采造成影響。密切監測地下水動態，研究礦體開采對帷幕造成的影響，確保帷幕長期有效運行，防范采區突水風險，是礦山水文地質工作的重點。該礦借助現代化儀器和監測手段[4]，建立了地下水自動監測預警系統，對地下水的儲藏、運移、補排特征及水位、流量、水質動態變化等進行實時監測、自動統計、分析和處理。該系統包括數據采集傳輸系統、數據處理分析系統、地下水動態預警系統和三維可視化系統4個部分。應用情況表明，系統運行狀況良好，數據監測準確，監控效果明顯，成果輸出真實有效，及時反映了礦區地下水運移規律，發布預警信息[5]，為防治水工程設計、預防礦坑突水提供了可靠依據。

1 自動監測系統設置

1.1 監測內容

系統監測內容主要包括4個方面：

(1)監測礦區地下水位。對地下水水位進行實時觀測，了解地下水動態，根據觀測結果，繪制等水位線圖，分析流場變化，判定地下水補排、運移及向礦坑充水方式和通道。

(2)監測礦坑涌水量。對礦區含水層涌水量進行實時觀測，根據觀測結果繪制流量實時動態圖，分析含水層充水量，了解礦坑充水量或判定突水變化。

(3)監測地下水水質。主要觀測地下水pH值和濁度2個指標，了解地下水含砂量及水質特征，及時掌握水環境[6]變化，判定地下水補給源情況。

(4)監測降雨量。觀測降雨天數和實時降雨量，根據觀測結果分析降雨與礦坑涌水量變化的關系，判定降雨對地下水垂向補給關系和補給量。

1.2 監測系統

監測系統包括4個部分：

(1)數據采集系統。主要由工業控制計算機、水位遙測儀、雨量遙測儀、流量監測儀、在線濁度儀和在線pH值傳感器以及通訊分站和電源等設備組成[7]。

(2)數據處理系統。數據接收各種監測儀器自動測量采集的數據并永久保存，根據需要自動形成水位、流量、渾濁度以及其他所有監測點的日報表，月報表和年報表，查詢歷史數據，繪制歷史曲線等。

(3)地下水動態預警系統。基于地下水動態監測數據，自動捕捉判斷異常數據，分析處理異常數據[8]。同時自動分析判斷相關聯的其他異常點。自動分析判斷各個監測點的異常變化，出現異常立即預警，及時捕捉、處理異常信息，以防突發涌水事故。

(4)三維可視化系統。構建含水層三維結構模型[9]，實現地下水動態三維可視化，地下水水質動態變化曲線，展現地下水與礦體賦存層位及采區的關系[4]。

1.3 數據采集傳輸

數據采集傳輸系統分為地面部分和井下部分。

(1)地面部分：包括監控主機、調度室終端、水工科管理中心、相關職能終端以及降雨量自動記錄儀和46個水文孔的水位自動測量。采集后的降雨量和地下水位數據通過移動GSM手機卡短信發送到監控主機。采集的水質、流量數據則通過工業以太網傳輸(如圖1)。

(2)井下部分：在-40 m中段分別在內外水倉和新南截流巷3處布置站點；安裝監測儀，監測內容包括地下水涌水量、渾濁度和pH值。監測數據通過井下工業環網傳輸到地面監控主機、調度室終端和水工科管理中心。

圖1 觀測站數據采集傳輸態勢

2 監測站點的布置

2.1 地表監測站

(1)雨量監測站。布置在開闊的房頂，通過雨量遙測儀[10]進行監測。雨量計采用的是0.2 mm精度的余量傳感器，數據采集部分采用GSM無線短信傳輸；當降雨時儀器打到預定的設置啟動工作，數據自動發送。

(2)鉆孔水位觀測站。在礦區受采礦排水影響的11 km2范圍內施工了70余個觀測鉆孔，選擇46個孔建立自動監測站，其余為人工手動觀測站。46個自動監測站中帷幕內布置11個，帷幕外布置35個。采用YHYC200水位遙測儀自動測量記錄地下水水位，并遠程傳輸，借助GSM/GPRS移動網絡，預約定時測量、定時發送數據。采用太陽能和鋰電池組供電(如圖2)。孔內線纜長度根據觀測孔深度、地下水動態情況設置。礦區鉆孔線纜長度30～150 m，水下最大量50.4 m，最小量10.8 m，余量最大26.6 m，余量最小0.8 m。

圖2 地下水水位野外觀測站

(3)監控主站。井下監測數據通過工業環網上傳到地面監控主機。監控主站包括監控主機、輸出電視屏、SQL Server 2005數據庫、KRTV3.5實時監測軟件。在水工科管理中心，輸出設備由4塊電視屏組成客戶端，分別顯示井下監控界面、井上監控界面、三維可視化界面和井下視頻可視化界面(如圖3)。

圖3 輸出顯示終端

2.2 井下監測站

井下監測站包括-40 m外水倉、-40 m內水倉和新南截流巷3個站點。監測內容包括水量、水的渾濁度和pH值。信號通過井下工業以太網信息傳輸平臺傳至地面。

(1)-40 m內水倉監測站。嚴格按照巴歇爾槽的規格尺寸和要求，采用2 mm厚的不銹鋼鋼板加工焊接而成。該堰槽的測點最大量程為5 070 m3/d。

(2)新南截流巷監測站。新南截流巷監測站包括流量監測、水質濁度監測和pH值在線監測。安裝堰口寬度為1 m的巴歇爾槽，最大水頭高度30 cm，最大量程為 69 000 m3/d。

(3)-40 m外水倉監測站。-40 m外水倉監測站包括流量監測、水質濁度監測和在線pH值監測。安裝的巴歇爾槽堰口寬度為30 cm，最大水頭高度30 cm，最大量程為9 300 m3/d。

2.3 井下監測設備配置

(1)流量監測儀。采用YHL100-Z礦用本安型流量監測儀，配套GML100礦用本安型流量傳感器和KDW28-18礦用隔爆兼本安不間斷電源[11-12]，用于自動測量、記錄和實時傳輸礦井涌水量。

(2)在線濁度儀。對涌水水質進行流通式[10]現場自動檢測并實時傳輸數據。

(3)在線pH計。進行自動、連續測量礦井涌水酸堿度并遠程傳輸數據。采用測量電極和顯示器分體式結構，現場顯示中文界面菜單，實時傳輸，配置高低限報警信號輸出。

(4)通訊分站。采用KJ628-F礦用本安型數據傳輸分站，實現數據遠距離傳輸。

(5)信號轉換裝置。采用KJ628-J礦用本安型信號轉換器，實現數據采集器與上位機交互通信。

(6)電源箱。采用KDW81 礦用隔爆兼本安電源箱，輸出穩定的直流電壓。

(7)排污泵。采用ZW型自吸式無堵塞排污泵。自吸高度4.5～6.0 m。

(8)行燈變壓器。由BK控制變壓器、LS3-2型主令開關及保護外殼組成，由主令開關接通和分斷。

3 數據處理分析系統

數據處理分析系統包括：歷史數據查詢、歷史曲線繪制、日報表、月報表、年報表、水文簡報、流量統計報表、降雨量統計報表、手動數據錄入、水位流量聯動分析、降雨量水位聯動分析、降雨量流量聯動分析等。對自動采集傳輸的數據進行統計、處理和分析，實時發布預警信息。

3.1 歷史數據查詢

點擊“歷史數據查詢”出現查詢界面，按站點和時間進行查詢。所有數據可導出EXCEL表格，根據需要進行修改、編輯。

3.2 歷史曲線繪制

點擊“歷史曲線”選中需要查詢站點，確定起止時間，便可繪制該站點監測數據的歷史曲線。

3.3 報表處理

(1)日報表。選取起止時間，便可查詢、導出EXCEL或者PDF報表。日報表生成的計算方法:日報表的報表基數以小時為時間單位，即每1 h報1個數。水位和流量是將每小時內所有的數據剔除異常數據后求平均，作為該小時內的測量值；如果數據每小時不夠1個，就將所有數據按照時間列表。降雨量是將每小時內的統計值進行累加，得出的和作為該小時的數據。

(2)月報表。選取所要查詢的月份，便可生產月報表，導出EXCEL報表，同時可根據需要修改。月報表生成的計算方法：月報表的報表基數是以天為時間單位，即每天報1個數。水位和流量將當天的數據剔除異常數據后，求得全天數據的平均數作為本天數據。降雨量是將當天所有的統計數據進行累加，作為當天數據。

(3)年報表。選中年份，再選取站點，確認產生報表，可導出EXCEL表格，根據需要修改。年報表生成的計算方法：年報表的報表基數是以月為時間單位，即每月報1個數，將當月的數據剔除異常數據后，求得全月數據的平均數作為本月數據。降雨量除外，降雨量是將當月內所有的統計量進行累加，作為當月監測值。

(4)水文簡報。根據礦山的水文簡報設計了報表格式，內容包括礦坑排水量、降雨量、沉泥庫壩體滲流量及各個站點的數據，點擊確認可導出EXCEL表格進行編輯和打印。

(5)流量統計報表。點擊流量統計報表，選擇日期，生成報表。每個中段的流量自動統計，導出EXCEL表格、打印。-40 m的數據由設備自動監測取得，其余中段的流量通過人工輸入時間，利用水泵功率計算得出。

(6)雨量統計報表。點擊降雨量統計表，選擇日期，生成報表。內容包括降雨的天數、每天的降雨量、降雨最大出現日等，導出EXCEL表格、打印。降雨量沒有日報月報，只有年報。

(7)手動數據錄入。手動錄入分水位數據錄入和流量數據錄入。點擊手動錄入，選擇所要手動添加的類型站點，根據提示進行錄入即可，可添加、修改、刪除。

(8)異常數據的剔除。異常數據的剔除方法：以5 min(可根據需要修改)為時間段，將該時間段內的所有數據求平均，將高出或低于該平均數20%的數據全部剔除掉。

(9)原數據庫導入。原數據庫采用DBASEIII編寫，已使用20 a。分析研究老數據庫結構，找出原數據庫中數據的對應關系，編寫數據抽取軟件，將原數據庫中的記錄逐條讀取，再變換成新數據庫的數據結構，寫入新數據庫保存。

(10)累計流量的計算。日流量等于日平均瞬時流量×24。月流量等于該月中每天日流量的累加。年流量等于該年中每天日流量的累加。

(11)等水位線計算方法。根據鉆孔水位監測值變化自動繪制等水位線。等水位線的計算根據鉆孔的水位利用內差法和外推法2種方法計算出某點的水位，再使用多點曲線繪制水位線。

4 地下水動態預警

4.1 水情聯動分析系統

(1)降雨量水位聯動分析。通過降雨量與鉆孔水位的曲線分析，對災害的發生提前進行預防、判斷或采取防范措施。

(2)水位流量聯動分析。通過鉆孔的水位與井下涌水量曲線分析比較，對井下突水災害的發生進行提前判斷、預防。

(3)降雨量流量聯動分析。通過降雨量與井下涌水量曲線分析比較，了解地表水對地下水補給量的變化，判斷帷幕的運行狀況，掌握數據異常情況。

4.2 水文動態預警設置

水文動態預警首先應設置預警閾值[13]。分析研究歷年水文地質數據，結合礦山安全生產、規劃發展及設備運行等情況，確保閾值設定科學合理，做到萬無一失，保證有效預警。不同預警項的預警方式不同，設置藍色為正常狀態，黃色為警覺狀態，橙色為預警狀態，紅色為報警狀態。

(1)降雨量預警方式。以礦區近10 a的降雨量大小對礦井涌水的影響程度的記錄為依據，確定降雨量預警門限：

降雨量≤80 mm，狀態顯示為藍色，正常；

降雨量80～120 mm，狀態顯示為黃色，提示加強防洪防汛檢查；

降雨量120～150 mm，狀態顯示為橙色，提示重點區域值班監視；

降雨量≥150 mm，狀態顯示為紅色，全礦進入應急響應狀態。

(2)新南截流巷流量預警方式。礦井近10 a最大的日涌水量是53 640 m3，2013年8月23日涌水量為12 500 m3；根據歷史記錄確定-40 m新南截流巷預警門限(如圖4)。

圖4 新南截流巷預警方式設置

涌水量≤10 000 m3，狀態顯示為藍色，正常；

涌水量10 000～12 000 m3，狀態顯示為黃色，提示加強防洪防汛檢查；

涌水量12 000～16 000 m3，狀態顯示為橙色，-40 m水泵房做好應急準備；

涌水量≥16 000 m3，狀態顯示為紅色，檢查是否有大規模塌陷或凡口河垮塌，進入應急響應狀態。

(3)-40 m水倉流量預警方式。設置方式同上。

流量≤1 600 m3，狀態顯示為藍色，正常；

流量1 600～2 400 m3，狀態顯示為黃色，提示加強防洪防汛檢查；

流量2 400～3 200 m3，狀態顯示為橙色，-40 m水泵房做好應急準備；

流量≥3 200 m3，狀態顯示為紅色，檢查是否有大規模塌陷或凡口河道垮塌，進入應急響應狀態。

(4)鉆孔水位預警方式。鉆孔水位的預警根據單位時間內水位的變化率[13]，同時結合降雨量大小設置報警門限。共設置藍色、黃色、橙色和紅色4種狀態。以1 h為時間單位，水位變化率設置以下幾種狀態：

變化率≤30 cm/h，狀態顯示為藍色，正常；

變化率30～50 cm/h，狀態顯示為黃色，加強該鉆孔及相關區域的防水檢查；

變化率50～80 cm/h，狀態顯示為橙色，重點檢查相關區域是否有大量地表水下灌造成局部突水風險；

變化率≥80 cm/h，狀態顯示為紅色，進行緊急處理，檢查帷幕完好性，是否存在大范圍突水風險。

5 三維可視化系統

利用三維定位理論[14]和信息集成模型理論[15]構建含水層三維結構模型[16]，包括地層結構、含(隔)水層結構、鉆孔結構、帷幕結構及部分巷道結構等(如圖5)，以及地面建筑物三維立體模型，實現地下水動態三維可視化。

圖5 水文地質三維模型

建立的三維數字化模塊，只要確定切面的起點和終點，可以實現任意方向自動剖切剖面圖，形象直觀的看到該剖切面上地層構造和地下水水位的實時狀態。從剖切的463223線水文地質剖面圖(如圖6)可見，礦山截流帷幕工程內外出現了明顯的水位差。隨著監測數據的變化，圖中水位線也隨著上下移動。若水位差在逐漸變小，同時流量和水質也發生變化，則應考慮帷幕的有效性，及時采取措施。

圖6 463223線水文地質剖面

6 結 語

(1)針對礦區水文地質條件的變化和帷幕安全運行的要求，及時開發建立礦區地下水自動監測預警系統，開創了有色金屬礦山水文地質監測技術和防治水技術的先河，提升了礦山的地下水防治監測水平。

(2)根據礦山地下水補排、運移特征，有針對性的設置預警項和預警閾值，符合實際，科學合理，能有效預報地下水異常，為防范突水風險提供依據。

(3)系統運行情況反映，數值觀測準確，傳輸可靠，設備運行正常，效果良好，直觀地反映了礦山的水文地質條件和地下水運移規律，滿足礦山對水害防范管理的需要。

(4)系統從數據采集傳輸到輸入輸出等界面直觀明了，使復雜變為簡單快捷，便于操作管理，使礦山水文地質工作從手動操作逐步向智能自動化轉變，大大減輕了作業強度。

(5)根據礦山發展，需進一步完善系統舊數據的鏈接，規范三維可視化圖界面、等水位線等圖件的設計、制作功能等；根據水文地質情況變化和安全生產風險管理需要，進一步調整融合聯動分析和預警方式。

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(責任編輯 徐志宏)

Development of Automatic Monitoring and Pre-warning System for Groundwater in Fankou Lead-zinc Mine

Ouyang Shiyuan1Shi Yonggui2Cao Wensheng1

(1.FankouLead-zincMine，ShenzhenZhongjinLingnanNonfemetCo.，Ltd.，Shaoguan512325，China;2.ShandongKeruiteAutomationEquipmentCo.，Ltd.,Taian271000，China)

After the completion of Fankou Lead-zinc Mine curtain intercepting projects，groundwater flow field has been changed.In order to promptly grasp the ground water tendency and prevent from flooding accident，the automatic monitoring and pre-warning system for groundwater in the mine is developed to provide the scientific basis for the water conservancy project design.The system consists of 4 parts of data acquisition and transmission，data processing and analysis，groundwater dynamic early-warning and 3D visualization.The system carries out the real-time monitoring automatic statistics analysis and processing on the groundwater level，flow and water quality parameters，which can timely reflect the storage，transportation，supply and drainage characteristics and dynamic changes of groundwater to realize early warning.The application shows that the run state，data monitoring，and result output of the system accurately reflect the changes of groundwater flow in mining area，and the early warning is reliable.

Observation station，Monitoring system，Real time data，Threshold value of pre-warning，Visualization

2015-01-28

廣東省教育廳產學研結合引導項目(編號：2011B090400007)。

歐陽仕元(1964—)，男，高級工程師。

TD745

A

1001-1250(2015)-04-267-06