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        高頻微震無線地面臺站大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)研究

        2020-10-27 11:23:38臧歡歡
        同煤科技 2020年5期
        關(guān)鍵詞:塔山微震臺站

        臧歡歡

        (大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心 山西大同 037003)

        0 引言

        大同礦區(qū)現(xiàn)開采的石炭系煤層賦存條件較為復(fù)雜,開采過程中,動力災(zāi)害時有發(fā)生[1]?,F(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)大多布置于井下,由于井下空間環(huán)境惡劣,易導(dǎo)致儀器性能不穩(wěn)定,且傳感器需單獨(dú)供電,易受井下電磁場干擾,影響監(jiān)測信號質(zhì)量[2];同時,現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)成本高,難以保證高密度測點(diǎn)布置,致使井下空間存在大量監(jiān)測盲區(qū),常出現(xiàn)多個測點(diǎn)監(jiān)測不到動力災(zāi)害信號而導(dǎo)致無法及時準(zhǔn)確地進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警;監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸困難,井上-井下微震數(shù)據(jù)傳輸一般采用有線傳輸,網(wǎng)絡(luò)布設(shè)困難、容易損壞,不利于災(zāi)害預(yù)警;監(jiān)測臺站體積大,傳感器固定,不利于隨采區(qū)移動而合理優(yōu)化布置[3]。為此,通過建立高頻微震無線地面臺站監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行石炭系煤層開采動力災(zāi)害全區(qū)域在線監(jiān)測勢在必行。

        1 無線地面臺站架構(gòu)研究

        1.1 工作面地理條件

        塔山礦8204-2工作面地表地質(zhì)構(gòu)成較為復(fù)雜,地勢高低走向各不相同,山脈、溝谷以及平地錯落分布,微震信號會隨著地質(zhì)構(gòu)造不同、地勢的不同而不同,同時,礦區(qū)遠(yuǎn)離人們的生活區(qū)域,無恒定供電設(shè)備,且有線、無線網(wǎng)絡(luò)均無覆蓋,適合開展高頻微震無線地面臺站監(jiān)測研究[4]。

        1.2 地面臺站選址方案

        為實(shí)現(xiàn)地面臺站的各個分臺站能夠接收到微震信號,減少隨機(jī)誤差,從而提高微震判定等相關(guān)功能的計算精度。根據(jù)塔山礦8204-2 工作面井上井下對照圖進(jìn)行臺站初期選址,要求各個臺站盡量覆蓋8204-2工作面,各個地面臺站之間不能出現(xiàn)“三點(diǎn)一線”的情況,有利于觀測與數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過對預(yù)選位置反復(fù)勘查,最終確定出7 個地面監(jiān)測臺站的具體位置?,F(xiàn)場通過礦區(qū)GPS定位設(shè)備測量地面監(jiān)測臺站精確礦區(qū)坐標(biāo),如表1所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù),在塔山礦CAD礦區(qū)地圖上進(jìn)行了地面監(jiān)測臺站標(biāo)記工作,繪制出了7 個臺站的礦區(qū)地面監(jiān)測臺站分布圖,如圖1所示。

        表1 臺站礦區(qū)坐標(biāo)

        圖1 地面監(jiān)測臺站分布圖

        1.3 地面臺站構(gòu)建

        塔山礦8204-2工作面對應(yīng)地表為山嶺,無供電無網(wǎng)絡(luò)無人煙,需要構(gòu)建太陽能供電系統(tǒng)支撐硬件設(shè)備運(yùn)行。地面監(jiān)測臺站硬件主要由傳感器、監(jiān)測儀、蓄電池、控制器、太陽能板和網(wǎng)橋構(gòu)成,按其安裝位置分為地下和地上兩部分組成。地下部分采用基坑方式建設(shè),基坑深度2.5 m,分上下兩層,上層高1 m,用于放置微震儀、電源等,下層位于地表下方1.5 m處澆筑擺墩,用于安裝微震傳感器,所有監(jiān)測設(shè)備均安裝在觀測坑內(nèi);地上部分的太陽能板、GPS 探頭、通信網(wǎng)橋等設(shè)備安裝在觀測坑旁5 m高的金屬立桿上。

        2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

        根據(jù)塔山礦需求,高頻微震無線地面臺站大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)由一級實(shí)時監(jiān)測模塊和二級數(shù)據(jù)分析模塊組成,其中每個模塊還分為若干的子模塊,為其主模塊提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)架構(gòu)的整體模塊劃分如圖2所示。

        圖2 軟件架構(gòu)模塊劃分示意圖

        圖3 系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)交互示意圖

        地面臺站大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)分為一級實(shí)時監(jiān)測模塊和二級數(shù)據(jù)分析模塊。其中一級實(shí)時監(jiān)測模塊分為數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換處理模塊、核心震級定位計算模塊和實(shí)時監(jiān)測可視化模塊三個部分;二級數(shù)據(jù)分析模塊分為大數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)分析可視化模塊。每個模塊之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并將重要信息存入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)各模塊之間的數(shù)據(jù)交互方式如圖3所示。

        3 微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

        3.1 一級實(shí)時微震監(jiān)測系統(tǒng)

        一級實(shí)時微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝于二風(fēng)井辦公樓中心機(jī),用于實(shí)時監(jiān)測并反饋微震事件監(jiān)測結(jié)果,配合人工校驗方法,高效準(zhǔn)確地確定微震事件。

        (1)實(shí)時微震監(jiān)測模塊

        實(shí)時微震監(jiān)測模塊進(jìn)行微震事件的初步時間、空間及震級監(jiān)測判識,如圖4所示,監(jiān)測模塊實(shí)時監(jiān)測礦區(qū)震動點(diǎn)的坐標(biāo)與震動值。

        (2)實(shí)時微震波形圖顯示模塊

        如圖5 所示,對全部的地面監(jiān)測臺站進(jìn)行微震數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測,高頻微震采集器的三分量震動數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示,每個地面監(jiān)測臺站顯示三個通道數(shù)據(jù)的波形,研究先進(jìn)的JSP 異步局部刷新技術(shù)以及EChars中間件技術(shù),保持整體頁面和各個波形顯示窗口相互獨(dú)立更新,各個波形數(shù)據(jù)可隨時間推移實(shí)時動態(tài)更新。

        圖4 監(jiān)測軟件界面

        圖5 實(shí)時波形顯示界面

        3.2 二級大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺

        二級大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺,將微震事件統(tǒng)計結(jié)果及全臺站歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入遠(yuǎn)端Hadoop大數(shù)據(jù)集群,進(jìn)行多級大數(shù)據(jù)聯(lián)動查詢方法研究,實(shí)現(xiàn)對微震事件統(tǒng)計結(jié)果的查詢操作。如圖6 所示,微震統(tǒng)計模塊界面分為左右兩部分,界面左側(cè)第一行的兩個輸入框為日歷選擇查找的起止日期,第二行為查詢震級數(shù)據(jù),輸入二級聯(lián)動查詢條件后,界面右側(cè)礦區(qū)地圖上會在響應(yīng)的位置上出現(xiàn)紅色圓環(huán)圖標(biāo),圓環(huán)大小表示微震災(zāi)害事件的震級大小。

        圖6 微震統(tǒng)計界面

        4 實(shí)測結(jié)果分析

        根據(jù)微震定位結(jié)果,按照表2所示方式,將微震定位點(diǎn)表示在8204-2工作面周圍,如圖7、8所示。

        表2 微震事件表示方法

        2019 年 1 月工作面推進(jìn) 150 m(從 2018 年開采的730 m 推進(jìn)至880 m),如圖7 所示,微震事件主要集中于兩部分,一是8204-2 工作面與8204 工作面交界煤柱區(qū),監(jiān)測到3次103J以上微震事件;二是在工作面超前130 m 范圍,因此判斷工作面超前影響范圍約130 m,開采過程中建議加強(qiáng)監(jiān)測,對8204工作面?zhèn)让褐扇⌒秹捍胧?/p>

        2019 年 2 月工作面推進(jìn) 170 m(從 1 月開采的 880 m 推進(jìn)至1 050 m),如圖8 所示,微震事件空間展布較為均勻,主要分布在8204和8206工作面采空區(qū),發(fā)生1次104J以上事件,距離8204-2工作面55 m。

        圖7 塔山礦1月微震監(jiān)測定位結(jié)果

        圖8 塔山礦2月微震監(jiān)測定位結(jié)果

        5 結(jié)論

        通過對塔山礦8204-2工作面進(jìn)行地面微震監(jiān)測,截止到2019年底,工作面回采過程中未發(fā)生冒頂及強(qiáng)礦壓等動力災(zāi)害事故,確保了煤礦安全生產(chǎn),同時,驗證了該技術(shù)的應(yīng)用安全可靠,解決了微震地面監(jiān)測的難題,給塔山礦石炭系煤層開采動力災(zāi)害預(yù)警和防治提供了支撐,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益,提升了企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平,為類似條件下的煤層開采開創(chuàng)了新的技術(shù)途徑,對指導(dǎo)國內(nèi)同類大型煤炭企業(yè)提升檢測技術(shù)具有重要的指導(dǎo)作用。

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