中国煤科10大创新成果┃董书宁研究员：矿井水资源全周期综合管控系统平台研发与应用

2025年08月13日 11:08 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

中国煤科科技创新10大成果专栏

针对我国西部生态脆弱矿区煤炭开采引发的水资源立体渗漏、矿井水害威胁与资源化利用低效等多重挑战，以“安全开采-生态保护-资源循环”三位一体协同管控为核心理念，研发了矿井水资源全周期综合管控技术。通过融合水文地质模型、智能算法与数字孪生技术，研发了集矿井水量质动态预测、水情水质多源数据耦合监测、水资源分级分质调配于一体的智能管控平台。实现了矿井水资源的协同管控，为西部典型矿区提供了矿井水资源高效利用的系统化解决方案。

文章来源：《智能矿山》2025年第7期“中国煤科科技创新10大成果专栏”

第一作者：董书宁，研究员，博士生导师，矿山水文地质学专家，国务院特殊津贴获得者，现任中国煤炭科工集团科技委副主任、一级首席科学家，煤矿灾害防控全国重点实验室副主任。长期致力于矿山水害防治与水资源保护理论技术研究与工程实践。获国家科技进步二等奖2项，何梁何利科学与技术创新奖、孙越崎能源大奖、杰出工程师奖等荣誉，被评为中国煤炭工业科技创新领军人才。E-mail：dongshuning@cctegxian.com

通讯作者：乔伟，博士，国家矿山安全监察局陕西局安全生产专家，中国煤炭科工集团首批“菁英双百人选”，陕西省矿山水害智能防控技术与装备创新团队骨干，主要从事矿井水害防控与计算机技术应用。E-mail：qiaowei@cctegxian.com

作者单位：中煤科工西安研究院（集团）有限公司

引用格式：董书宁，王皓，苗贺朝，等. 矿井水资源全周期综合管控系统平台研发与应用[J].智能矿山，2025，6(7)：35-39.

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我国在生态脆弱的西部地区，煤炭开采导致水资源流失问题严峻，高强度开采引发的顶板裂缝网络发育造成地下水渗漏，严重威胁矿区水文循环系统；矿井水排放带来的盐离子污染、悬浮物超标等环境问题，加剧了西部干旱区的水资源供需矛盾。

传统矿山水文地质研究多关注水灾防控，对矿区水资源问题研究较少，难以从根源上解决矿区水资源综合管控问题，无法满足国家“双碳”目标下，绿色矿山建设及煤炭行业高质量发展的需求，亟须构建集水害防治、水质保障、资源利用于一体的关键技术及智能化综合管控体系。立足国家“三水统筹”战略、聚焦矿区水资源战略，基于“防-治-用-管”综合技术，围绕矿井水量水质动态预测、水文地质信息监测和水资源调配综合利用3项关键技术，开发并集成矿井水资源全周期综合管控系统平台，实现了矿井水从灾害防治到资源管理的全链条技术升级，矿井水资源化关键技术如图1所示。

图1 矿井水资源化关键技术

矿井水量水质动态预测

1.1 水量水质动态预测技术

（1）工作面随采过程涌水量动态预测模型

基于采动顶板垂向重力释水和侧向径向补给叠加，构成工作面随采动态涌水量的行业共识，提出工作面随采动态预测2阶动力系统计算模型为

式中：为垂向重力释水模型；为侧向径向模型；为重力释水初始涌水量；为径向补给初始涌水量；为重力释水过程衰减系数；为径向补给过程衰减系数；为t时刻工作面推采距与采宽的比值；为动态稳定涌水量。

为进一步开发具有工程实用价值的涌水量随采动态预测模型，选取典型矿区，挖掘式（1）中参数主控因素，确定主要影响因素，构建与可测量的水文地质、采掘活动等有关的数学关系为

式中：_1-4_1-4_1-4为多元线性回归各参量的相关系数，具体数据通过多因素相关性分析获取；为残余水头；H为裂带高度；为推采速度；为初始推采距；为单位涌水量；为含水层厚度；为重力给水度；为预疏放水量。

（2）采空区残余涌水时变动态预测模型

我国部分矿井采空区涌水量占比已达到矿井涌水量的50%~70%，成为主要的矿井涌水量构成。通过大量采空区涌水数据统计，发现了涌水量随时间呈现指数衰减的动力学现象，据此，提出涌水量一阶动力系统衰减时变模型为

式中：为回采结束工作面密闭形成采空区后的t时刻涌水量；为采空区涌水最终达到的动态稳定涌水量；为采空区形成初始时刻涌水量；为采空区涌水量衰减系数。

（3）矿井开拓涌水量动态预测方法

矿井井巷开拓过程某时刻动态涌水量，主要由采动工作面、采空区残余涌水、局部涌水点以及巷道掘进滴淋水组成，其中局部涌水点和巷道滴淋水一般较为稳定，矿井涌水量动态预测主要关注采动工作面和采空区残余涌水。根据上述涌水量采动距变2阶动力系统模型、采空区时变1阶动力系统模型，给出某时刻t，即可进行叠加预测。

（4）矿井水水质动态预测模型

对于矿井水中某离子组分或污染物组分随时间变化的预测，主要考虑2个方面的影响因素，矿井采动工作面、采空区残余涌水及掘进滴淋水各部分涌水量占比，以及不同来源涌水水质本底值（一般较为稳定）。据此，提出了矿井水典型污染组分比拟预测模型为

式中：_Pt为计划采工作面的矿井水中典型污染组分的浓度；_1t_2t_3t分别为老采空区、回采工作面、掘进工作面占总涌水量的比例；分别为老采空区、回采工作面、掘进工作面矿井水中典型污染组分浓度。

1.2 水量水质动态预测系统

（1）矿井涌水量动态预测模块

基于涌水量采动距变2阶动力系统模型、采空区时变1阶动力系统模型、掘进巷道滴淋水过程，以及矿井井巷开拓涌水量动态组成，集成开发了矿井多级涌水量动态预测模块，实现了矿井总涌水量预测的精准分解与占比分析，矿井涌水量预测模块界面如图2所示。

图2 矿井涌水量预测模块界面

（2）水量水质耦合水质预测模块

以矿井水中典型离子组分水文地质比拟预测方法为基础，利用矿井多尺度涌水量预测结果，以及不同涌水单元典型例子组分背景数据，集成开发了采动工作面、工作面采空区以及井田尺度矿井水水质预测模块，实现了矿井涌水量和水质预测方法的耦合，矿井水质预测系统界面如图3所示。

图3 矿井水质预测系统界面

矿井水文地质信息在线监测

在矿井采动过程中对涌水量水质动态预测的基础上，进一步在线监测，支撑水资源综合管控。研发了导水裂缝带“井-地”微震与电阻率协同监测，主要对矿井水资源和导水通道的监测与动态识别方法。多空间（顶板含水层、井下水仓和沟渠等）监测的全场景多参数主要包括水量、水位及水质。

2.1 顶板导水裂缝带耦合监测

基于光纤光栅技术，研发了微震监测与电阻率成像融合的立体监测系统、加速度传感器监测技术及采集系统，适用于煤安认证要求的高速光纤信号解调设备及配套的数据软件，替代传统的煤矿动圈检波器，实现煤矿井下高湿、高瓦斯环境的微震信号的采集与实时传输保存，主要具有3方面优势，导水裂缝带监测及顶板损伤区域划定如图4所示。

图4 导水裂缝带监测及顶板损伤区域划定

（1）多源数据同步采集：利用时间同步技术实现多台解调仪表的数据同步采集，采集对象主要包括光纤光栅传感器的波长、加速度值。

（2）智能数据处理：开发了基于反演算法的异常数据融合算法，进一步提升了裂缝带发育识别准确率。

（3）可视化分析平台：构建三维裂缝发育动态模型，可实时为导水通道演化过程。

2.2 水量水质全场景在线监测

研制了1套符合GB 3836.1—2021等煤安标准的适用于煤矿地面矿井水、地下水库矿井水、含水层地下水等各类水质监测场景的装置，矿井水质在线监测装置具备4个方面的优势，矿井水质在线监测装置及人机界面如图5所示。

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图5 矿井水质在线监测装置及人机界面

（1）多介质适应性：支持洁净矿井水、含悬浮物矿井水、矿化矿井水、酸性矿井水等6类监测场景的免试剂水质在线监测及分析。

（2）全参数感知：实时采集包括pH、ORP、浊度、电导率、水硬度、离子浓度、温度等在内的16项水质参数及设备运行状态。

（3）智能通信架构：采用RS485与以太网双通信模式，实现数据秒级上传与远程校准。

（4）便捷精准：具有多参数集成式一体化、外形美观、操作界面友好、安装操作便利、测量结果准确稳定等特点。

矿井水资源调配利用

3.1 矿井水资源调配技术

构建矿井水资源多目标分级分质优化配置技术。根据调研数据分析矿区来水、用水及水资源的基本情况，构建矿区水量平衡-水质分级耦合模型；依照分级分质的矿井水利用原则，建立多目标优化配置模型并使用优化算法求解；使用熵权-TOPSIS决策系统提供1组推荐方案集，依据方案集制定具体配水方案，矿井水资源多目标分级分质优化配置技术路线如图6所示。

图6 矿井水资源多目标分级分质优化配置技术路线

基于上述算法及模型，开发了矿区水资源优化配置程序，程序为矿井水分级分质配置提供具体方案，提高矿井水综合利用率，供需水量计算结果界面如图7所示。

图7 供需水量计算结果界面

3.2 矿井水三维数字孪生管控系统

传统矿井供排水系统设计主要依赖二维图纸和人工经验，难以直观复杂的地下空间结构，易导致管道布局冲突、排水能力不足等设计漏洞，且缺乏动态模拟能力，难以预测极端工况下的系统响应。为解决此类实际问题，基于数字孪生技术，开发出矿井水三维管网设计系统，实现4类核心功能，矿井水三维数字孪生管控系统界面如图8所示。

图8 矿井水三维数字孪生管控系统界面

（1）全要素三维建模：构建包含管网、设备、监测点的高精度三维模型，支持毫米级细节。

（2）动态模拟分析：模拟极端工况下的水流分配与设备运行状态，提前预警管道冲突与排水瓶颈。

（3）方案智能优化：通过遗传算法自动调整管网布局，使排水效率提升18%。

（4）虚实交互管控：实时同步监测数据，实现物理系统与虚拟模型的双向控制。

矿井水资源全周期综合管控系统平台应用成效

矿井水资源智能管控平台通过数据中台实现6类核心系统的无缝集成，构建了“监测-预测-决策-执行”的闭环管控体系，主要特点包括4个方面，矿井水资源智能管控模块界面如图9所示。

图9 矿井水资源智能管控模块界面

（1）数据层：整合地质、水文、工程等8大类120余项基础数据，建立时空数据库。

（2）模型层：部署32个专业模型与18种智能算法，支持在线模型训练与更新。

（3）应用层：开发包括GIS一张图、三维可视化、智能预警在内的12个功能模块。

（4）终端层：适配PC、移动端与大屏展示，实现多终端数据同步与协同管控。

矿井水资源全周期综合管控系统平台在西部某千万吨级矿区应用，实现了水资源利用最大化、环境影响最小化、安全风险可控化的协同优化管控。

结语

研究构建的矿井水资源全周期综合管控系统平台，通过“机理模型+数据驱动+智能决策”的深度融合，实现了矿井水全生命周期的精准管控，结合相关防治水平台的基础上，实现了矿井水的治用综合协同。面向“双碳”目标下的智能矿山建设，未来将进一步融合区块链技术实现水资源管理的全流程溯源，引入数字孪生技术构建矿区水系统的虚拟镜像，为煤炭行业绿色低碳发展提供更有力的科技支撑。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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《智能矿山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。

主编：王国法院士

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