張新宇

（大同煤礦集團(tuán) 同大科技研究院,山西 大同 037003)

1672-5050（2017)05-0022-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.006

2017-05-22

張新宇（1979-),男,山西大同人,大學(xué)本科,工程師,從事煤礦安全、煤礦信息化工作。

礦井水害超前探測及多信息融合處理預(yù)警系統(tǒng)研究

張新宇

（大同煤礦集團(tuán) 同大科技研究院,山西 大同 037003)

利用計(jì)算機(jī)Visual C#.net編程、數(shù)據(jù)庫、ArcGIS等先進(jìn)技術(shù),建立礦井突水預(yù)警信息系統(tǒng),簡化礦井防治水信息的處理過程,提高礦井資料信息化管理水平。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對鉆孔原始資料、巖石力學(xué)性質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料等數(shù)據(jù)的信息采集、維護(hù)及查詢和分析等功能,使礦井突水地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理工作更加簡便快速;在水害預(yù)測方面運(yùn)用CART分類決策樹算法進(jìn)行了突水預(yù)測模型搭建,使突水判斷正確率大大提高,并且在保證運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)上,提高了防治水預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確率。

礦井突水;預(yù)警信息系統(tǒng);防治水;水害預(yù)測

我國的煤礦水害防治仍停留在經(jīng)驗(yàn)水平,還沒有集水文地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、水害預(yù)測評價(jià)等于一體的綜合性水害防治的信息化系統(tǒng)。礦井水害預(yù)警信息化系統(tǒng)的研發(fā),一方面為煤礦管理者提供一種方便快捷的科學(xué)決策工具;另一方面,使礦井水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理工作更加系統(tǒng)化、規(guī)范化、自動化,解決了當(dāng)前紙質(zhì)資料存儲和查詢的資源浪費(fèi)和效率低下等問題,使得礦井防治水工作由定性到定量、由經(jīng)驗(yàn)到科學(xué),為煤礦工作人員提供一個(gè)解決煤礦水害問題的人機(jī)智能交互環(huán)境,以方便利用系統(tǒng)功能進(jìn)行計(jì)算、分析、推理和決策等,從而提升煤礦安全生產(chǎn)水平。

1 礦井水害超前探測及多信息融合處理預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文結(jié)合超前探測與信息融合技術(shù),實(shí)現(xiàn)對煤礦突水的有效預(yù)警,為煤礦提供參考性建議。通過研究一次記錄技術(shù)、抗干擾關(guān)鍵技術(shù)及微弱信號的采集技術(shù),改進(jìn)了礦用瞬變電磁接收技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對礦井突水結(jié)構(gòu)的超前探測。通過改進(jìn)突水預(yù)測模型、信息平臺搭建及突水預(yù)警安全等級的設(shè)定,形成了多信息融合的突水預(yù)警信息平臺。礦井水害超前探測及多信息融合處理預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體技術(shù)路線圖,見圖1[1]。

1.1礦井水害超前探測研究技術(shù)

超前探測部分的技術(shù)路線圖,見圖2,通過電流檢測和高速采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)對一次場信號的記錄;研究了干擾源的規(guī)律以及微弱信號的采集技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對二次場信號的校正;最后結(jié)合一次場與二次場信號進(jìn)行反演解釋,獲得了更為準(zhǔn)確的超前探結(jié)果[2]。

圖2 超前探測技術(shù)路線圖Fig.2 Technological roadmap of advanced detection

1.1.1瞬變電磁一次磁場記錄技術(shù)的研究

通過電流檢測技術(shù)以及高速采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)對發(fā)射機(jī)關(guān)斷電流的檢測和記錄。在數(shù)據(jù)處理中將探測接收到的磁場信號與一次磁場信號進(jìn)行對比分析,實(shí)現(xiàn)削弱一次場干擾的目的[3]。

本文設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用常規(guī)的微控制器或者微處理器,以快速RAM或者FIFO和高速A/D為采集核心,讓A/D在微處理器或者微控制器的控制和提供的采樣時(shí)鐘下自主采集,通過邏輯電路,自主地寫入快速RAM或者FIFO,在采集結(jié)束或者數(shù)據(jù)采集的間歇期間將數(shù)據(jù)一次性讀出。

1.1.2礦井水害超前探測瞬變電磁的抗干擾技術(shù)研究

本項(xiàng)目開展了針對瞬變電磁接收端抗干擾技術(shù)的研究,通過研究環(huán)境干擾規(guī)律手段,提高了礦井超前探測的準(zhǔn)確性[4]。

通過研究煤礦井下支護(hù)設(shè)備、通信電纜及采掘設(shè)備等干擾源對瞬變電磁信號的影響規(guī)律,研發(fā)了瞬變電磁磁探頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)接收線圈,對左右側(cè)幫上的通信電纜、通風(fēng)管和通水管等干擾信號,以及探測方向后方的錨絲網(wǎng)干擾信號產(chǎn)生一定的選擇性,提高系統(tǒng)抗干擾能力。

瞬變電磁磁探頭內(nèi)部主要分為兩個(gè)部分,即接收線圈與放大電路,相比于接收線圈有限帶寬,放大電路可以視為寬帶恒定增益放大器。其等效電路模型,見圖3。

圖3 瞬變電磁磁探頭等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit model of magnetic probe of transient electromagnetism

其中:Vs為線圈感應(yīng)電壓,L為線圈等效電感,R為線圈內(nèi)阻,C為線圈分布電容,Rt為匹配電阻。從圖中可以看出,線圈感應(yīng)信號經(jīng)過線圈與匹配阻抗網(wǎng)絡(luò),通過放大電路放大,最終作為傳感器輸出。

1.2礦井水害信息融合系統(tǒng)研究技術(shù)路線

針對目前煤礦防治水資料分散管理、資料不能及時(shí)更新和有效利用,現(xiàn)有突水預(yù)測模型具有一定的主觀性、系統(tǒng)平臺功能不完善等問題,結(jié)合山西大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺礦的水文地質(zhì)狀況（鉆孔原始資料信息、突水點(diǎn)信息、地表水質(zhì)監(jiān)測信息及涌水量數(shù)據(jù)信息等),開發(fā)了基于ArcGIS Engine的煤礦水文地質(zhì)信息管理和水害預(yù)警平臺,其技術(shù)路線,見圖4。

1.2.1基于ArcGIS Engine的煤礦防治水信息管理系統(tǒng)

防治水信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,見圖5。煤礦防治水信息管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)庫、中間界面層和頂層功能層設(shè)計(jì)[5]。

圖4 多信息融合預(yù)警技術(shù)路線Fig.4 Technological roadmap of early warning system with multi-source information fusion

圖5 防治水信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of water control information management system

1.2.2基于改進(jìn)CART算法構(gòu)建突水預(yù)測模型

突水預(yù)測模型構(gòu)建技術(shù)路線圖,見圖6。根據(jù)同煤四臺礦煤層分布特征及水文地質(zhì)條件,得到導(dǎo)致礦井突水的影響因素包括:含水層的富水性、水壓、有效隔水層的厚度、斷裂構(gòu)造及煤層底板破壞深度等。結(jié)合以上影響因素,基于改進(jìn)CART決策樹算法來構(gòu)建突水預(yù)測模型,其過程為:首先提取若干組已采區(qū)先驗(yàn)點(diǎn)信息作為構(gòu)建模型的樣本,每個(gè)樣本點(diǎn)的特征屬性包括水壓值、有效隔水層厚度、巖溶發(fā)育、斷裂構(gòu)造和此處的安全狀況等,并將以上信息存放于樣本信息數(shù)據(jù)庫中,然后基于Gini指標(biāo)求出作為根節(jié)點(diǎn)的特征屬性,進(jìn)而自頂向下以遞歸的方式進(jìn)行建樹,直到劃分后的每個(gè)樣本集都是純凈的,則停止建樹。決策樹的葉節(jié)點(diǎn)顯示的即是樣本的類別信息,而從根節(jié)點(diǎn)出發(fā),順著分支往下走,到達(dá)葉節(jié)點(diǎn),每條路徑對應(yīng)一條規(guī)則,一棵完整的二叉樹就對應(yīng)一組規(guī)則集[6]。

圖6 突水預(yù)測模型構(gòu)建技術(shù)路線圖Fig.6 Technological roadmap of the prediction model of water inrush

2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析

利用國內(nèi)某瞬變電磁儀器、帶線圈接收裝置和瞬變電磁磁探頭,對礦大同煤礦某礦井的14#煤層的81023工作面進(jìn)行瞬變電磁實(shí)驗(yàn),探測對象主要為采空區(qū)積水情況的探測。通過探測結(jié)果的對比驗(yàn)證本項(xiàng)目所研發(fā)的瞬變電磁磁探頭相比于傳統(tǒng)線圈具有良好的抗干擾能力和對二次場微弱信號良好的接收能力[7]。

14#煤層屬于侏羅系中統(tǒng)大同組（J2d),煤層厚度普遍為2 m左右,井田內(nèi)有南厚北薄的趨勢。巖性為灰白、淺灰色粗砂巖、中砂巖、深灰色細(xì)砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖及煤層;砂巖分選較好,膠結(jié)堅(jiān)固;巖系中發(fā)育水平層理;波狀層理和斜層理;底部為一層厚度變化較大的灰白色含礫粗砂巖（K11標(biāo)志層);與下伏永定莊組平行不整合接觸[8]。

2.181023工作面（710m～860m)頂板探測分布

81023工作面710 m～860 m段頂板測試分布圖,見圖7。

圖7 81023工作面710 m～860 m段頂板測試分布圖Fig.7 Distribution of roof test between 710 m and 860m on 81023 working face

2.281023工作面（710m～860m)數(shù)據(jù)分析與解釋

圖8為81023工作面710 m～860 m段頂板探測視電阻率剖面圖。圖8-a為國內(nèi)儀器對此區(qū)域的探測結(jié)果,由此圖形可以看出,從710 m到860 m呈現(xiàn)連續(xù)低阻異常區(qū),且面積相對較大。造成這一現(xiàn)狀的原因可能是因?yàn)樵谙锏乐写嬖诖罅康慕饘倨骷约案邏弘娎|,同時(shí)在頂板上有密集的支護(hù)網(wǎng)也會對電磁信號產(chǎn)生較強(qiáng)的影響。

8-a 國內(nèi)儀器探測結(jié)果

圖8-b和圖8-c為protem接收機(jī)測試結(jié)果,其中圖8-b的接收裝置為高頻接收線圈,圖8-c中的接收裝置采用的是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的瞬變電磁磁探頭。圖8-b顯示在840 m處有低阻異常區(qū),圖8-c顯示在800 m和840 m處有明顯低阻異常區(qū),經(jīng)過礦方打孔驗(yàn)證,證明圖8-c中低阻異常區(qū)有水流出,結(jié)合水文地質(zhì)資料可知,此處為地勢較低區(qū)域,易形成積水,探測結(jié)果和實(shí)際情況吻合[9]。

8-b 線圈測試結(jié)果

8-c 磁探頭測試結(jié)果圖8 81023工作面710 m～860 m段頂板探測視電阻率剖面圖Fig.8 Section diagram of apparent resistivity of roof test between 710m and 860m on 81023 working face

3 結(jié)束語

本項(xiàng)目研發(fā)的煤礦防治水信息管理平臺,不僅廣泛、高效的利用各種格式的水文地質(zhì)資料,并且集信息管理、圖形處理、突水預(yù)警三大功能模塊與一體,利用CART算法,實(shí)現(xiàn)突水有效預(yù)測,系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)有了較大突破[10]。通過研發(fā)礦用瞬變電磁磁探頭,并應(yīng)用其開展了礦井瞬變電磁抗干擾接收技術(shù)的研究,提高了礦井瞬變電磁設(shè)備的探測準(zhǔn)確性;記錄并剔除一次場,完善晚期電阻率的計(jì)算準(zhǔn)確性,提高算法對淺部低阻異常信息的高分辨率;基于GIS技術(shù)構(gòu)建了信息融合預(yù)警系統(tǒng),結(jié)合最優(yōu)閾值和有效規(guī)則的CART樹建立了突水預(yù)測模型,實(shí)現(xiàn)了有效的信息管理和較準(zhǔn)確的突水預(yù)測功能。

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AdvancedDetectionandEarlyWarningSystemwithMulti-sourceInformationFusionforWaterHazardsinMines

ZHANGXinyu

（TongdaInstituteofTechnology,DatongCoalGroup,Datong037003,China)

A variety of advanced technologies are used to establish early-warning information system for water inrush in mines, including programming with Visual C#.net, database, and ArcGIS, to simplify the process and improve the management of the water control. The system could realize many functions of sampling, maintenance, query and analysis of data, such as borehole original data, mechanical properties of rock, and hydrogeological information. In addition, the system could also optimize the information management of water inrush data. On the premise of ensuring the operation time, CART classification decision tree algorithm is used to build a water inrush prediction model, which has significantly increased the judgment accuracy for the water inrush and the prediction accuracy of water control.

mine water inrush; early-warning information system; water control; water hazard prediction

TD741

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（編輯:樊 敏)