图像
图像
概述
在过去40年里，阿巴拉契亚地区（主要位于西弗吉尼亚州、宾夕法尼亚州和马里兰州）的许多地下煤矿因多种因素关闭。这些因素包括煤炭储量开采殆尽、钢铁厂关闭，以及更严格的环境法规，如1977年《地表采矿控制与复垦法案》（SMCRA）。
西弗吉尼亚州北部/宾夕法尼亚州西南部地区的一个关键煤层是匹兹堡煤层，其从宾夕法尼亚州匹兹堡向南延伸至西弗吉尼亚州克拉克斯堡地区，向西延伸至俄亥俄州。匹兹堡煤曾为煤炭行业的高炉提供燃料，近年来则为中大西洋地区的大部分区域发电。
尽管如今采矿活动仍十分活跃，但该煤层的活跃矿井数量已从曾经的1000多个减少到不足10个。许多矿井已关闭，并且已经积水——或正在积水过程中。
自1998年以来，西弗吉尼亚大学（WVU）的水文地质学家一直在调查匹兹堡煤盆地的矿井，以帮助回答一系列问题，包括矿井水的位置、目前或可能的处理方式，以及新的排水点可能出现的位置。这些信息正帮助行业、州政府和当地修复团体更好地了解和规划矿井水排放的影响与风险，并为潜在问题提供早期预警。
挑战
为了准确确定矿坑积水区和排水点的位置，WVU的研究人员需要一种方法来持续监测穿透煤层的井中的水位，尽管面临高腐蚀性（酸性、含硫酸盐，在某些情况下富含甲烷）的水环境以及冷热交替的条件。该团队需要的仪器不仅要能承受恶劣条件，还需要有足够的电池电量以支持多年部署。
在美国能源部（DOE）、西弗吉尼亚州环境保护局（WVDEP）、环境保护局（EPA）以及煤矿运营商的资助下，该团队得以购买了多台通风式水位记录仪用于该项目。
“最初，我们使用的是通风式数据记录仪，但它们相当长，在地表以下800英尺的任何地方部署都很麻烦，”WVU水文地质研究中心主任乔·多诺万（Joe Donovan）说。“长度导致大量电力损耗，我们每两个月就要更换电池。此外，随着积水情况的发展，我们不得不在地表或井中存放大部分这种笨重的电缆。这变得一团糟。”
多诺万补充说，尽管尝试了各种干燥剂组合来减少过多水分，但寒冷天气还是导致记录仪和传感器内部出现冷凝问题。传感器（在某些情况下甚至记录仪）因 moisture 而失效是常见现象。
解决方案
由于这些限制，WVU团队开始寻找替代的水位数据记录仪器。他们开始试用马萨诸塞州便携式数据记录仪和气象站制造商Onset公司的HOBO® U20 水位记录仪。
与之前使用的依赖笨重通风管和干燥剂包的记录仪不同，HOBO设备采用密封、无通风设计，使在盆地中的记录仪部署更快、更容易，且更无需维护。这些记录仪还具有基于USB的光学接口，可在潮湿环境中高速卸载收集的数据。光学设计还消除了许多传统水位记录仪器中易出故障的机械连接器的需求。
为了准备30多台记录仪进行部署，首先通过USB电缆将它们连接到研究中心的计算机，并使用配套的HOBOware® Pro 绘图和分析软件在几分钟内完成配置。配置完成后，使用连接到悬挂螺栓的3/16英寸不锈钢电缆将记录仪浸入监测井中。据多诺万介绍，读数全天候每小时采集一次，并同步到统一的时基。
“记录仪被编程为每小时记录绝对压力，”他解释道。“配套的HOBOware软件从井中记录的绝对压力中减去大气压，然后将压力读数转换为传感器淹没深度。将传感器淹没深度加上传感器高程，即可得出矿井水的水头高程。”
记录仪会定期卸载数据以便进行分析。根据特定的井位，数据检索可能每周、每月或每几个月进行一次。多诺万表示，这实际上取决于谁在使用数据，一般来说，监管机构希望更频繁地报告结果。
为了取回记录仪进行数据卸载，使用套管安装的卷轴将记录仪从监测井中的传感器高程提升到地表。然后将它们重新连接到计算机，数据下载到HOBOware中，再导出至多诺万及其团队开发的用于数据处理的自定义数据管理系统。数据卸载完成后，将记录仪降回井眼内相同的高程，继续进行监测。
“这种更轻的不锈钢电缆的重量和成本仅为旧通风记录仪电缆的一小部分，并且涂有乙烯基以确保安全，”他说。“此外，如果我们需要升高或降低传感器高程，只需剪断电缆或拼接新电缆。相比之下，操作起来非常简单。”
结果
自部署HOBO水位记录仪以来，多诺万、博士生戴夫·莱特（Dave Light）以及其他研究人员已经能够在复杂的煤盆地中确定矿坑积水区和排水点，同时大大简化了监测操作。他们不再需要担心每隔几个月更换电池——这些记录仪单节电池可运行长达八年——而且由于记录仪无需通风，体积更小，更容易在监测井中部署。
“我们收集的数据表明，匹兹堡煤矿含水层正处于其洪水历史的中后期，预计到2015年将基本达到新的稳定状态，”多诺万说。“届时，盆地东部和北部的积水将完成，在匹兹堡和西弗吉尼亚州费尔蒙特之间，预计将有41处来自低于排水系统的积水矿井的可观规模排水。一些排放水仍然具有很强的酸性，但许多已经因积水导致的空气隔绝而变为碱性。存在多种水化学特征。”
据多诺万称，跟踪矿井系统水位的需求将持续存在。
“继续监测这些井是必要的，因为抽水模式可能会发生变化，并影响积水的匹兹堡矿井中矿井水的分布和压力，”他说。“此外，一些煤矿的局部加压部分如果不仔细控制，有可能向地表排放。矿井水现在也被天然气行业视为水力压裂的潜在水源。”
“我们是矿井水位的区域监测者，我们将继续下去，因为这个故事仍在继续。”