　锦界煤矿位于秃尾河流域东部, 矿井生产揭露表明地下水比较丰富。目前矿井已开采完4个工作面, 矿井涌水量已超过2500m3 /h, 远大于勘探报告预计的涌水量(原勘探报告预计的正常涌水量711.6m3 /h, 涌水量时868.8m3 /h)。随着矿井开采面积的增大, 矿井涌水量呈继续增加的趋势。预计矿井涌水量与实际涌水量的严重不符,说明对矿井水文地质条件的认识与实际情况有较大偏差。

　　因此, 需要重新分析矿井水文地质条件, 确定矿井的主要充水水源、充水通道和充水特征, 制定切实可行水文地质条件探查思路和矿井的防治水方案, 以保证锦界煤矿的安全生产。

　　1　矿井水文地质条件分析

　　1.1　矿井主要充水水源

　　根据矿井水文地质条件、煤层覆岩结构类型及矿井实际涌水情况分析, 锦界井田地表水的主要充水水源为青草界沟(长年流水), 地下水主要充水水源是第四系松散岩类潜水和顶板砂岩裂隙水, 顶板砂岩裂隙水主要是直罗组风化岩孔隙裂隙承压水, 从矿井开采过程中实际揭露的含水层来看, 直罗组风化岩水远比第四系沙层水涌水量要大得多, 这与其它相邻矿区以第四系沙层水为主的赋水特征迥然不同。

　　1.2　充水通道

　　1.2.1　导水裂隙带

　　1)导水裂隙发育高度。锦界井田范围内岩样饱和极限抗压强度平均值略大于40MPa, 故采用《三下》规程[ 3] 中的中硬岩类冒落带、导水裂隙带及保护层厚度计算公式进行计算, 得出的冒落带高度为11.83m, 导水裂隙带高度为42.94m, 保护层厚度为20.04m。

　　据此分析, 本区3 -1 煤层开采后冒落带高度(含保护层)为31.87m, 导水裂隙带高度(含保护层)62.98m, 3-1煤层上覆基岩厚度在青草界沟及两侧和隐伏沟地段小于导水裂隙带发育高度(图1)。冒裂裂隙可直接沟通风化基岩含水层, 成为全区的主要充水通道。局部导水裂隙可沟通松散沙层潜水, 特别是青草界沟谷地带冒落带及土层缺失的“天窗” 地段, 可直接沟通松散沙层含水层而造成突水溃砂。

　　2)导水裂隙发育特征。由上述计算结果和神北矿区大柳塔矿井实际观测资料说明, 近水平煤层, 上覆基岩厚度在30 ～ 50m, 受上部松散层的压应力作用, 采空区冒裂特征不*以“三带” 发育规律呈现, 可能发生切冒和抽冒现象。

　　从3-1煤层上覆基岩等厚线图上可看出, J705 孔区基岩厚度仅5.6m左右, 冒落带*贯通基岩。在J605、J505、J706、J403孔区基岩厚度均小于40m, 这些基岩薄弱区是地质直罗期发育的古冲沟, 发育长度700 ～ 3000m, 宽度200 ～ 500m, 此区是导水裂隙带强烈贯通基岩区, 是地下水严重影响矿井开采的地段, 在导水裂隙带沟通第四系沙层中等富水区的地段, 应提前采取顶板水预疏放措施;在可能沟通青草界沟地表水体地段, 应在地面采取沟底覆膜或敷设导水管的方法, 避免突水溃砂事故的发生。

　　在实际开采过程中, 根据工作面涌水量和地表塌陷情况判断, 导水裂隙带已经直接波及至地表, 其发育高度远大于理论计算值。另据类似水文地质条件非常相似的补连塔煤矿3140 工作面导水裂隙带实测结果, 其导采比为31.93 ～ 34.98[ 4] 。因此, 锦界煤矿在该种水文地质条件下开采, 导水裂隙带是矿井的主要导水通道。

　　1.2.2　断层、构造等地质异常体

　　锦界煤矿位于鄂尔多斯台向斜东翼——— 陕北斜坡上,基本构造形态为一缓缓向北西倾斜的单斜构造。地层产状平缓, 总体倾角小于10°左右, 区内未发现褶皱, 亦无岩浆活动, 目前近发现小型宽缓的波状起伏和三条高角度正断层。根据类似矿区开采经验, 采动裂隙将贯通上覆各含水层, 而断裂带附近可能发育基岩相对富水地段。

　　1.3　矿井充水特征

　　锦界井田内第四系松散层潜水含水层富水性不均, 黄土隔水层厚度变化较大, 并存在透水“天窗”, 煤层顶板基岩厚度变化也较大, 因此不同地段矿井充水强度也存在较大差异。有利于矿坑充水的各种因素集中发育区, 即基岩薄, 土层厚度薄, 潜水富水性好, 大气降水易于汇聚地带, 如青草界沟谷及北侧土层古冲沟发育区, 矿井涌水量较大并可能伴有溃砂现象, 尤其是冒落带沟通潜水地段, 充水量一般是由大逐渐变小, 其历时受充水水源的储水量大小控制。

　　在井田内基岩厚度较大、土层缺失、潜水富水性不确定地段, 矿井涌水量变化较大。本区直罗组含水层富水性中等区主要位于一盘区, 北部富水性弱, 南部漏水孔分布地段直罗组含水层会造成局部矿井涌水量显著增大。

　　当松散层潜水和风化层承压水富水性一定时, 冒裂通道导通程度则决定充水强度的大小。裂隙密集畅通, 充水强度相对就大, 反之则小。初次冒裂范围大, 充水强度则大。由于本区充水层包括冲、湖积层潜水, 所以, 当冒落裂隙发育较窄小时, 初始涌水携带少量泥砂, 经过一段时期裂缝变大时, 则携带的泥砂量也较大, 甚至对生产造成威胁。

　　2　矿井水文地质条件探查技术

　　2.1　水文地质条件补勘内容

　　鉴于井田面积大, 大范围物探工作投入过大, 而到目前为止, 对于大面积范围内古河道和古冲沟的探查尚无有效手段, 在本次水文地质补充勘探的方式上, 提出首先以GIS平台下的遥感水文地质调查为区域和井田普查手段, 圈定可疑富水区域和古河道, 然后以地面电法为重点验证手段, 在重点地段和可疑区域进行探查和验证, 用水文地质钻探验证并获取可疑地段的水文地质资料。应用本方案可以加快井田水文地质补勘的进度, 减少物探和钻探工程量, 从而降低补勘的成本。

　　2.2　水文地质条件探查方法

　　针对锦界煤矿的水文地质特征及现有技术手段, 以6种方法综合探查井田水文地质条件, 为防治水方案制定和矿井涌水量预测提供依据。这6种探查方法是:GIS平台下的遥感探查、水文地质钻探、水文地质物探、水文地质试验、水文地球化学研究、水文地质观测网建立和水文地质调查等。

　　2.3　各探查方法的目的和任务

　　2.3.1　GIS平台下的遥感探查

　　遥感探查目的和任务主要是为了查明区域完整的水文地质单元, 以区域地下水的补、迳、排条件为重点, 圈定区域水文地质测绘面积;通过水文地质遥感调查, 查明矿床疏干可能影响的范围及补给边界, 以及矿床充水因素和矿区水文地质边界条件。

　　2.3.2　水文地质钻探

　　水文地质钻探是指勘探孔、抽水试验孔、水位观测孔的施工, 它是取得直观水文地质资料的重要手段。其目的是通过详细钻孔编录和描述, 确定含水层水位、沙层厚度、潜水含水层厚度、直罗组风化基岩厚度、正常基岩顶界面、基岩厚度、含水层和隔水层岩性、厚度、裂隙发育程度及其富水性等资料。通过钻探探查第四系含水层和侏罗系直罗组含水层的厚度、空间展布、富水性, 补给、径流和排泄条件, 为矿井涌水量评价和实施疏降水开采的可行性论证提供基础资料;同时探查第四系与基岩风化带之间的红土隔水层的厚度、分布及其稳定性、阻水能力, 为充分利用隔水层防治第四系松散层潜水和地表水体提供基础资料;此外, 还可以验证遥感和物探圈定的富水异常区域。

　　2.3.3　水文地质物探

　　目前锦界煤矿主要受第四系潜水和基岩风化带承压水等的威胁, 在开采之前或开采初期必须查明开采区域内第四系潜水含水层、基岩风化带含水层的富水性及主要富水区域。针对锦界井田的地质和水文地质条件, 并根据各种物探方法在水文地质勘探中的应用效果, 采用分辨率较高的高密度电阻率勘探方法, 探测和确定主要富水区的分布范围。物探工作的主要地质任务是:查明富水范围、含水层厚度、富水性、松散层厚度及基岩顶面的起伏形态, 控制其分布范围。

　　2.3.4　直罗组含水层放水试验

　　根据对矿井水文地质条件和矿井主要充水水源分析,侏罗系直罗组砂岩含水层是目前矿井主要充水水源, 其次是第四系松散层含水层。因此, 确定放水试验的放水层为直罗组砂岩含水层, 观测直罗组砂岩含水层和第四系松散层含水层的水位。放水试验的目的是建立水文地质数值模型, 通过参数反演, 获取不同地段的水文地质参数, 包括渗透系数、给水度等;通过正演计算, 预计矿井涌水量,进行预疏放孔优化布置等工作。通过放水试验, 可以对直罗组砂岩含水层的补给量有明确的认识, 圈定试验影响范围内第四系潜水对直罗组砂岩承压水的补给位置。通过水文地质试验, 确定含水层的水文地质参数、评价含水层的富水性、了解不同含水层间的水力等, 评价矿井涌水量, 包括不同盘区和工作面涌水量。

　　2.3.5　水文地球化学研究

　　水文地球化学研究主要包括水化学成份的分析和研究、同位素组成分析研究和示踪试验研究三部分。在煤矿区进行这些研究的主要目的和任务是:

　　1)进一步查明地下水的补给、径流和排泄条件。地下水本质上是一种溶液, 这种溶液的特征很大程度上反映了地下水的环境状况或其他水文地质条件。

　　2)判别矿井突水水源, 为制定矿井防治水措施提供依据。寻找能代表每个含水层地下水特征的特征组份是进行突水水源判别的关键。

　　3)查明第四系含水层和直罗组含水层之间的水力, 以及地表水与含水层之间的水力。

　　2.3.6　地下水长期观测网

　　通过施工的水文地质孔, 建立井田地下水长期观测系统, 采集动态资料, 掌握地下水动态变化规律以及矿井开采活动对地下水系统的影响规律, 为矿井防治水方法研究提供资料和依据。建立观测网的目的是:

　　1)了解不同含水层或同一含水层不同区段的水位变化情况, 确定井田范围内地下水流场。

　　2)通过丰水期、枯水期地下水位的动态观测, 分析影响矿区地下水位变化的主要因素, 判断地下水位动态变化与降水、矿井疏排水、地表水体之间的关系。

　　3)当需要进行抽(放)水试验时, 可有效地控制激发流场的分布情况, 从而为井田或采区地下水径流特征分析提供依据。

　　4)当井下发生突水时, 通过加密观测各含水层地下水位, 有助于确定突水水源和途径, 以便及时采取措施。

　　3　结　论

　　1)锦界煤矿地表水主要充水水源是青草界沟和河则沟,地下水主要充水水源是第四系沙层孔隙水和直罗组风化岩裂隙水, 其中风化岩裂隙水远比沙层水含水丰富, 是矿井水害的主要来源;矿井的主要充水通道是煤层开采形成的导水裂隙带, 其次为原生结构面裂隙, 局部为断层裂隙。

　　2)提出了采用GIS平台下的遥感探查、水文地质钻探、水文地质物探、水文地质试验、水文地球化学研究和水文地质观测网建立等6 种方法联合探查锦界井田水文地质条件, 并明确了各种探查方法的目的和任务。

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此款系统专门为地源热泵生产企业，新能源技术安装公司，地热井钻探公司以及节能环保产业等单位设计，通过连接我司单总线地热电缆，以及单通道或多通道485接口采集器，可对接到贵司单位的软件系统。欢迎各类单位以及经销商详询！此款设备支持贴牌，具体价格按量定制。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统【产品介绍】

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇,对建筑物进行供热和供冷.在埋地管换热器设计中,土壤的导热系数是很重要的参数.而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长,测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的测温电缆设计方法，单总线测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

采集服务器通过总线将现场与温度采集模块相连，温度采集模块通过单总线将各温度传感器采集到的数据发到总线上。每个采集模块可以连接内置1-60个温度传感器的测温电缆相连。本方案可以对大型试验场进行温度实时监测，支持180口井或测温电缆及1500点以上的观测井温度在线监测。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统：

1. 地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2. U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究，埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

竖直地埋管地源热泵温度测量系统，主要是一套先进的基于现场总线和数字传感器技术的在线监测及分析系统。它能有对地源热泵换热井进行实时温度监测并保存数据，为优化地源热泵设计、探讨地源热泵的可持续运行具有参考价值。

二、RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统本系统的重要特点：

１．结构简单，一根总线可以挂接1-60根传感器，总线采用三线制，所有的传感器就灯泡一样，可以直接挂在总线上．

２．总线距离长．采用强驱动模块，普通线，可以轻松测量500米深井.

３．的深井土壤检测传感器，防护等级达到ＩＰ６８，可耐压力高达5Mpa.

４．定制的防水抗拉电缆，增强了系统的稳定性和可靠特点总结：高性价格比，根据不同的需求，比你想象的*．

针对U型管口径小的问题，本系统是传统铂电阻测温系统理想的替代品. 可应用于：

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2.U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

本系统技术参数：支持传感器：18B20高精度深井水温数字传感器，测井深：1000米，传感器耐压能力：5Mpa ,配置设备：远距离温度采集模块＋测井电缆＋传感器，

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统系统功能：

1、温度在线监测

2、报警功能

3、数据存储

4、定时保存设置

5、历史数据报表打印

6、历史曲线查询等功能。

【技术参数】

1、温度测量范围：-10℃ ～ +100℃

2、温度精度：正负0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采样点数：小于128

5、巡检周期：小于3s（可设置）

6、传输技术： RS485、RF(射频技术)、GPRS

7、测点线长：小于350米

8、供电方式： AC220V /内置锂电池可供电1-3年

9、工作温度： -30℃ ～ +80℃

10、工作湿度：小于90%RH

11、电缆防护等级：IP66

使用注意事项：

防水感温电缆经测试与检测，具备一定的防水和耐水压能力，使用时，请按以下方法操作与使用：
1．使用时，建议将感温电缆置于U形管内以方便后期维护。
若置与U形管外，请小心操作，做好电缆防护，防止在安装过程中电缆被划伤，以保持电缆的耐水压能力和使用寿命。
2. 电缆中不锈钢体为传感器所在位置，因温度为缓慢变化量，正常使用时，请等待测物热平衡后再进行测量。
3. 电缆采用三线制总线方式，红色为电源正，建议电源为3-5V DC，黑色为电源负，兰色为信号线。请严格按照此说明接线操作。
4. 系统理论上支持180个节点，实际使用应该限制在150个节点以内。
5.系统具备一定的纠错能力，但总线不能短路。
6. 系统供电，当总线距离在200米以内，则可以采用DC9V给现场模块供电，当距离在500米之内，可以采用DC12V给系统供电。

【北京鸿鸥成运仪器设备有限公司提供定制各个领域用的测温线缆产品介绍】

由北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出的地源热泵温度场测控系统，硬件采取先进的ARM技术；上位机软件使用编程语言技术设计，富有人性、直观明了；测温传感器直接封装在电缆内部，根据客户距离进行封装。目前该系统广泛应用于地源热泵地埋管、地源热泵温度场检测、地源热泵地埋换热井、地源热泵竖井及地源热泵温度场系统进行地温监测，本系统的可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

地源热泵诊断中土壤温度的监测方法：
　　为了实现地源热泵系统的诊断，必须首先制定保证系统正常运行的合理的标准。在系统的设计阶段，地下土壤温度的初始值是一个重要的依据参数，它也是在系统运行过程中可能产生变化的参数。如果在一个或几个空调采暖周期（一般一个空调采暖周期为1年）后，系统的取热和放热严重不平衡，则这个初始温度会有较大的变化，将会大大降低系统的运行效率。所以设计选用土壤温度变化曲线作为诊断系统是否正常的标准。
　　首先对地源热泵系统所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、围护结构材料和房间功能等条件，计算出该区域全年供暖、制冷的负荷，我们根据该负荷，选择合适的系统配置，即地埋管数量以及必要的辅助冷热源，并动态模拟计算地源热泵植筋加固系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到初始土壤温度标准曲线。采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，同时系统实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵系统。

浅层地温能监测系统概况：

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为方便研究土壤、水质等环境对空调换热井能效等方面的可靠研究或温度测量，目前地源热泵地埋管测温电缆对于地埋换热井，有口径小，深度较深等特点的测温方式,如果测量地下120米的地源热泵井，要放12路线PT100传感器。12根测温线缆若平均放置，即10米放一个探头，则所需线材要1500米，在井上需配置一个至少12通道的巡检仪，若需接入电脑进行温度实时记录，该巡检仪要有RS232或RS485功能,根据以上成本估计，这口井进行地热测温至少成本在8000元，虽然选择高精度的PT100可提高系统的测温精度，但对模拟量数据采集，提供精度的有效办法是提供仪器的AD转换器的位数，即提供巡检仪的测量精度，若能够在长距离测温的条件下进行多点测温，能够做到0.5度的精度，则是非常不容易。针对这一需求，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出“数字总线式地源热泵地埋管测温电缆”及相应系统。矿井深部地温监测，地源热泵温度监测研究，地源热泵温度测量系统，浅层地热测温系统。

地源热泵数字总线测温线缆与传统测温电缆对比分析：
传统的温度检测以热敏电阻、PT100或PT1000作为温度敏感元件，因其是模拟量，要对温度进行采集，若需较高精度，需要选择12位或以上的AD转换及信号处理电路，近距离时，其精度及可靠性受环境影响不大，但当大于30米距离传输时，宜采用三线制测方式，并需定期对温度进行校正。当进行多点采集时，需每个测温点放置一根电缆，因电阻作为模拟量及相互之间的干扰，其温度测量的准确度、系统的精度差，会受环境及时间的影响较大。模块量传感器在工作过程中都是以模拟信号的形式存在，而检测的环境往往存在电场、磁场等不确定因素，这些因素会对电信号产生较大的干扰，从而影响传感器实际的测量精度和系统的稳定性，每年需要进行校准，因而它们的使用有很大的局限性。

北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的总线式数字温度传感器，具有防水、防腐蚀、抗拉、耐磨的特性，总线式数字温度传感器采用测温芯片作为感应元件，感应元件位于传感器头部，传感器的精度和稳定性决定于美国进口测温芯片的特性及精度级别，无需校正，因数据传输采用总线方式，总线电缆或传感器外径可做得很小，直径不大于12mm,且线路长短不会对传感器精度造成任何影响。这是传统热电阻测温系统*的优势。所以数字总线式测温电缆是地源热泵地埋管管测温、地温能深井和地层温度监测理想的设备。数字总线式数据传感器本身自带12位高精度数据转换器和现场总线管理器，直接将温度数据转换成适合远距离传输的数字信号，而每个传感器本身都有唯的识别ID，所以很多传感器可以直接挂接在总线上，从而实现一根电缆检测很多温度点的功能。

地源热泵大数据监控平台建设

一、系统介绍

1、建设自动监测监测平台，可监测大楼内室内温度；热泵机组空调侧和地源侧温度、

压力、流量；系统空调侧和地源侧温度、压力、流量；热泵机组和水泵的电压、电流、功率、

电量等参数；地温场的变化等，实现热泵机组运行情况 24 小时实时监测，异常情况预

警，做到真正的无人值守。可对热泵系统的长期运行稳定性、系统对地温场的影响以及能效

比等进行综合的科学评价，为进一步示范推广与系统优化的工作提供数据指导依据。

具体测量要求如下：

1）各热泵机组实时运行情况；

2）室内温度监测数据及变化曲线；

3）室外环境温度数据及变化曲线；

4）机房内空调侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

5）机房内地埋管侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

6）机房内用电设备的电流、电压、功率、电能等监测数据及变化曲线；

7）地温场内不同深度的地温监测数据及变化曲线；

8）能耗综合分析、系统 COP 分析以及系统节能量的评价分析。

2、自动监测平台建成以后可以对已经安装自动监测设备的地热井实施自动监测的数据分

析展示，可实现地热井和回灌井的水位、水温、流量实施传输分析，并可实现数据异常情况预

警，做到实时监管，有地热井运行的稳定性。

1）开采水量及回水水量的流量监测及变化曲线；

2）开采水温及回水水温的温度监测及变化曲线；

3）开采井井内水位监测及变化曲线；

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