中國煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄

針對我國西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開采引發(fā)的水資源立體滲漏、礦井水害威脅與資源化利用低效等多重挑戰(zhàn)，以“安全開采-生態(tài)保護(hù)-資源循環(huán)”三位一體協(xié)同管控為核心理念，研發(fā)了礦井水資源全周期綜合管控技術(shù)。通過融合水文地質(zhì)模型、智能算法與數(shù)字孿生技術(shù)，研發(fā)了集礦井水量質(zhì)動態(tài)預(yù)測、水情水質(zhì)多源數(shù)據(jù)耦合監(jiān)測、水資源分級分質(zhì)調(diào)配于一體的智能管控平臺。實(shí)現(xiàn)了礦井水資源的協(xié)同管控，為西部典型礦區(qū)提供了礦井水資源高效利用的系統(tǒng)化解決方案。

文章來源：《智能礦山》2025年第7期“中國煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄”

第一作者：董書寧，研究員，博士生導(dǎo)師，礦山水文地質(zhì)學(xué)專家，國務(wù)院特殊津貼獲得者，現(xiàn)任中國煤炭科工集團(tuán)科技委副主任、一級首席科學(xué)家，煤礦災(zāi)害防控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。長期致力于礦山水害防治與水資源保護(hù)理論技術(shù)研究與工程實(shí)踐。獲國家科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng)，何梁何利科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎、孫越崎能源大獎、杰出工程師獎等榮譽(yù)，被評為中國煤炭工業(yè)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。E-mail：dongshuning@cctegxian.com

通訊作者：喬偉，博士，國家礦山安全監(jiān)察局陜西局安全生產(chǎn)專家，中國煤炭科工集團(tuán)首批“菁英雙百人選”，陜西省礦山水害智能防控技術(shù)與裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)骨干，主要從事礦井水害防控與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。E-mail：qiaowei@cctegxian.com

作者單位：中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司

引用格式：董書寧，王皓，苗賀朝，等. 礦井水資源全周期綜合管控系統(tǒng)平臺研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(7)：35-39.

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我國在生態(tài)脆弱的西部地區(qū)，煤炭開采導(dǎo)致水資源流失問題嚴(yán)峻，高強(qiáng)度開采引發(fā)的頂板裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)育造成地下水滲漏，嚴(yán)重威脅礦區(qū)水文循環(huán)系統(tǒng)；礦井水排放帶來的鹽離子污染、懸浮物超標(biāo)等環(huán)境問題，加劇了西部干旱區(qū)的水資源供需矛盾。

傳統(tǒng)礦山水文地質(zhì)研究多關(guān)注水災(zāi)防控，對礦區(qū)水資源問題研究較少，難以從根源上解決礦區(qū)水資源綜合管控問題，無法滿足國家“雙碳”目標(biāo)下，綠色礦山建設(shè)及煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需求，亟須構(gòu)建集水害防治、水質(zhì)保障、資源利用于一體的關(guān)鍵技術(shù)及智能化綜合管控體系。立足國家“三水統(tǒng)籌”戰(zhàn)略、聚焦礦區(qū)水資源戰(zhàn)略，基于“防-治-用-管”綜合技術(shù)，圍繞礦井水量水質(zhì)動態(tài)預(yù)測、水文地質(zhì)信息監(jiān)測和水資源調(diào)配綜合利用3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)并集成礦井水資源全周期綜合管控系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)了礦井水從災(zāi)害防治到資源管理的全鏈條技術(shù)升級，礦井水資源化關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示。

圖1 礦井水資源化關(guān)鍵技術(shù)

礦井水量水質(zhì)動態(tài)預(yù)測

1.1 水量水質(zhì)動態(tài)預(yù)測技術(shù)

（1）工作面隨采過程涌水量動態(tài)預(yù)測模型

基于采動頂板垂向重力釋水和側(cè)向徑向補(bǔ)給疊加，構(gòu)成工作面隨采動態(tài)涌水量的行業(yè)共識，提出工作面隨采動態(tài)預(yù)測2階動力系統(tǒng)計(jì)算模型為

式中：為垂向重力釋水模型；為側(cè)向徑向模型；為重力釋水初始涌水量；為徑向補(bǔ)給初始涌水量；為重力釋水過程衰減系數(shù)；為徑向補(bǔ)給過程衰減系數(shù)；為t時刻工作面推采距與采寬的比值；為動態(tài)穩(wěn)定涌水量。

為進(jìn)一步開發(fā)具有工程實(shí)用價(jià)值的涌水量隨采動態(tài)預(yù)測模型，選取典型礦區(qū)，挖掘式（1）中參數(shù)主控因素，確定主要影響因素，構(gòu)建與可測量的水文地質(zhì)、采掘活動等有關(guān)的數(shù)學(xué)關(guān)系為

式中：_1-41-41-4為多元線性回歸各參量的相關(guān)系數(shù)，具體數(shù)據(jù)通過多因素相關(guān)性分析獲取；為殘余水頭；H為裂帶高度；為推采速度；為初始推采距；為單位涌水量；為含水層厚度；為重力給水度；為預(yù)疏放水量。

（2）采空區(qū)殘余涌水時變動態(tài)預(yù)測模型

我國部分礦井采空區(qū)涌水量占比已達(dá)到礦井涌水量的50%~70%，成為主要的礦井涌水量構(gòu)成。通過大量采空區(qū)涌水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了涌水量隨時間呈現(xiàn)指數(shù)衰減的動力學(xué)現(xiàn)象，據(jù)此，提出涌水量一階動力系統(tǒng)衰減時變模型為

式中：為回采結(jié)束工作面密閉形成采空區(qū)后的t時刻涌水量；為采空區(qū)涌水最終達(dá)到的動態(tài)穩(wěn)定涌水量；為采空區(qū)形成初始時刻涌水量；為采空區(qū)涌水量衰減系數(shù)。

（3）礦井開拓涌水量動態(tài)預(yù)測方法

礦井井巷開拓過程某時刻動態(tài)涌水量，主要由采動工作面、采空區(qū)殘余涌水、局部涌水點(diǎn)以及巷道掘進(jìn)滴淋水組成，其中局部涌水點(diǎn)和巷道滴淋水一般較為穩(wěn)定，礦井涌水量動態(tài)預(yù)測主要關(guān)注采動工作面和采空區(qū)殘余涌水。根據(jù)上述涌水量采動距變2階動力系統(tǒng)模型、采空區(qū)時變1階動力系統(tǒng)模型，給出某時刻t，即可進(jìn)行疊加預(yù)測。

（4）礦井水水質(zhì)動態(tài)預(yù)測模型

對于礦井水中某離子組分或污染物組分隨時間變化的預(yù)測，主要考慮2個方面的影響因素，礦井采動工作面、采空區(qū)殘余涌水及掘進(jìn)滴淋水各部分涌水量占比，以及不同來源涌水水質(zhì)本底值（一般較為穩(wěn)定）。據(jù)此，提出了礦井水典型污染組分比擬預(yù)測模型為

式中：_Pt為計(jì)劃采工作面的礦井水中典型污染組分的濃度；_1t2t3t分別為老采空區(qū)、回采工作面、掘進(jìn)工作面占總涌水量的比例；分別為老采空區(qū)、回采工作面、掘進(jìn)工作面礦井水中典型污染組分濃度。

1.2 水量水質(zhì)動態(tài)預(yù)測系統(tǒng)

（1）礦井涌水量動態(tài)預(yù)測模塊

基于涌水量采動距變2階動力系統(tǒng)模型、采空區(qū)時變1階動力系統(tǒng)模型、掘進(jìn)巷道滴淋水過程，以及礦井井巷開拓涌水量動態(tài)組成，集成開發(fā)了礦井多級涌水量動態(tài)預(yù)測模塊，實(shí)現(xiàn)了礦井總涌水量預(yù)測的精準(zhǔn)分解與占比分析，礦井涌水量預(yù)測模塊界面如圖2所示。

圖2 礦井涌水量預(yù)測模塊界面

（2）水量水質(zhì)耦合水質(zhì)預(yù)測模塊

以礦井水中典型離子組分水文地質(zhì)比擬預(yù)測方法為基礎(chǔ)，利用礦井多尺度涌水量預(yù)測結(jié)果，以及不同涌水單元典型例子組分背景數(shù)據(jù)，集成開發(fā)了采動工作面、工作面采空區(qū)以及井田尺度礦井水水質(zhì)預(yù)測模塊，實(shí)現(xiàn)了礦井涌水量和水質(zhì)預(yù)測方法的耦合，礦井水質(zhì)預(yù)測系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 礦井水質(zhì)預(yù)測系統(tǒng)界面

礦井水文地質(zhì)信息在線監(jiān)測

在礦井采動過程中對涌水量水質(zhì)動態(tài)預(yù)測的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在線監(jiān)測，支撐水資源綜合管控。研發(fā)了導(dǎo)水裂縫帶“井-地”微震與電阻率協(xié)同監(jiān)測，主要對礦井水資源和導(dǎo)水通道的監(jiān)測與動態(tài)識別方法。多空間（頂板含水層、井下水倉和溝渠等）監(jiān)測的全場景多參數(shù)主要包括水量、水位及水質(zhì)。

2.1 頂板導(dǎo)水裂縫帶耦合監(jiān)測

基于光纖光柵技術(shù)，研發(fā)了微震監(jiān)測與電阻率成像融合的立體監(jiān)測系統(tǒng)、加速度傳感器監(jiān)測技術(shù)及采集系統(tǒng)，適用于煤安認(rèn)證要求的高速光纖信號解調(diào)設(shè)備及配套的數(shù)據(jù)軟件，替代傳統(tǒng)的煤礦動圈檢波器，實(shí)現(xiàn)煤礦井下高濕、高瓦斯環(huán)境的微震信號的采集與實(shí)時傳輸保存，主要具有3方面優(yōu)勢，導(dǎo)水裂縫帶監(jiān)測及頂板損傷區(qū)域劃定如圖4所示。

圖4 導(dǎo)水裂縫帶監(jiān)測及頂板損傷區(qū)域劃定

（1）多源數(shù)據(jù)同步采集：利用時間同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)多臺解調(diào)儀表的數(shù)據(jù)同步采集，采集對象主要包括光纖光柵傳感器的波長、加速度值。

（2）智能數(shù)據(jù)處理：開發(fā)了基于反演算法的異常數(shù)據(jù)融合算法，進(jìn)一步提升了裂縫帶發(fā)育識別準(zhǔn)確率。

（3）可視化分析平臺：構(gòu)建三維裂縫發(fā)育動態(tài)模型，可實(shí)時為導(dǎo)水通道演化過程。

2.2 水量水質(zhì)全場景在線監(jiān)測

研制了1套符合GB 3836.1—2021等煤安標(biāo)準(zhǔn)的適用于煤礦地面礦井水、地下水庫礦井水、含水層地下水等各類水質(zhì)監(jiān)測場景的裝置，礦井水質(zhì)在線監(jiān)測裝置具備4個方面的優(yōu)勢，礦井水質(zhì)在線監(jiān)測裝置及人機(jī)界面如圖5所示。

圖5 礦井水質(zhì)在線監(jiān)測裝置及人機(jī)界面

（1）多介質(zhì)適應(yīng)性：支持潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、礦化礦井水、酸性礦井水等6類監(jiān)測場景的免試劑水質(zhì)在線監(jiān)測及分析。

（2）全參數(shù)感知：實(shí)時采集包括pH、ORP、濁度、電導(dǎo)率、水硬度、離子濃度、溫度等在內(nèi)的16項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

（3）智能通信架構(gòu)：采用RS485與以太網(wǎng)雙通信模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)秒級上傳與遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。

（4）便捷精準(zhǔn)：具有多參數(shù)集成式一體化、外形美觀、操作界面友好、安裝操作便利、測量結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定等特點(diǎn)。

礦井水資源調(diào)配利用

3.1 礦井水資源調(diào)配技術(shù)

構(gòu)建礦井水資源多目標(biāo)分級分質(zhì)優(yōu)化配置技術(shù)。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)分析礦區(qū)來水、用水及水資源的基本情況，構(gòu)建礦區(qū)水量平衡-水質(zhì)分級耦合模型；依照分級分質(zhì)的礦井水利用原則，建立多目標(biāo)優(yōu)化配置模型并使用優(yōu)化算法求解；使用熵權(quán)-TOPSIS決策系統(tǒng)提供1組推薦方案集，依據(jù)方案集制定具體配水方案，礦井水資源多目標(biāo)分級分質(zhì)優(yōu)化配置技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 礦井水資源多目標(biāo)分級分質(zhì)優(yōu)化配置技術(shù)路線

基于上述算法及模型，開發(fā)了礦區(qū)水資源優(yōu)化配置程序，程序?yàn)榈V井水分級分質(zhì)配置提供具體方案，提高礦井水綜合利用率，供需水量計(jì)算結(jié)果界面如圖7所示。

圖7 供需水量計(jì)算結(jié)果界面

3.2 礦井水三維數(shù)字孿生管控系統(tǒng)

傳統(tǒng)礦井供排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依賴二維圖紙和人工經(jīng)驗(yàn)，難以直觀復(fù)雜的地下空間結(jié)構(gòu)，易導(dǎo)致管道布局沖突、排水能力不足等設(shè)計(jì)漏洞，且缺乏動態(tài)模擬能力，難以預(yù)測極端工況下的系統(tǒng)響應(yīng)。為解決此類實(shí)際問題，基于數(shù)字孿生技術(shù)，開發(fā)出礦井水三維管網(wǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)4類核心功能，礦井水三維數(shù)字孿生管控系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 礦井水三維數(shù)字孿生管控系統(tǒng)界面

（1）全要素三維建模：構(gòu)建包含管網(wǎng)、設(shè)備、監(jiān)測點(diǎn)的高精度三維模型，支持毫米級細(xì)節(jié)。

（2）動態(tài)模擬分析：模擬極端工況下的水流分配與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提前預(yù)警管道沖突與排水瓶頸。

（3）方案智能優(yōu)化：通過遺傳算法自動調(diào)整管網(wǎng)布局，使排水效率提升18%。

（4）虛實(shí)交互管控：實(shí)時同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)與虛擬模型的雙向控制。

礦井水資源全周期綜合管控系統(tǒng)平臺應(yīng)用成效

礦井水資源智能管控平臺通過數(shù)據(jù)中臺實(shí)現(xiàn)6類核心系統(tǒng)的無縫集成，構(gòu)建了“監(jiān)測-預(yù)測-決策-執(zhí)行”的閉環(huán)管控體系，主要特點(diǎn)包括4個方面，礦井水資源智能管控模塊界面如圖9所示。

圖9 礦井水資源智能管控模塊界面

（1）數(shù)據(jù)層：整合地質(zhì)、水文、工程等8大類120余項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立時空數(shù)據(jù)庫。

（2）模型層：部署32個專業(yè)模型與18種智能算法，支持在線模型訓(xùn)練與更新。

（3）應(yīng)用層：開發(fā)包括GIS一張圖、三維可視化、智能預(yù)警在內(nèi)的12個功能模塊。

（4）終端層：適配PC、移動端與大屏展示，實(shí)現(xiàn)多終端數(shù)據(jù)同步與協(xié)同管控。

礦井水資源全周期綜合管控系統(tǒng)平臺在西部某千萬噸級礦區(qū)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水資源利用最大化、環(huán)境影響最小化、安全風(fēng)險(xiǎn)可控化的協(xié)同優(yōu)化管控。

結(jié) 語

研究構(gòu)建的礦井水資源全周期綜合管控系統(tǒng)平臺，通過“機(jī)理模型+數(shù)據(jù)驅(qū)動+智能決策”的深度融合，實(shí)現(xiàn)了礦井水全生命周期的精準(zhǔn)管控，結(jié)合相關(guān)防治水平臺的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了礦井水的治用綜合協(xié)同。面向“雙碳”目標(biāo)下的智能礦山建設(shè)，未來將進(jìn)一步融合區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)水資源管理的全流程溯源，引入數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建礦區(qū)水系統(tǒng)的虛擬鏡像，為煤炭行業(yè)綠色低碳發(fā)展提供更有力的科技支撐。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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