臧歡歡

（大同煤礦集團有限責任公司技術(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雜，開采過程中，動力災害時有發(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，易導致儀器性能不穩(wěn)定，且傳感器需單獨供電，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)多個測點監(jiān)測不到動力災害信號而導致無法及時準確地進行災害預警；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)絡布設困難、容易損壞，不利于災害預警；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)進行石炭系煤層開采動力災害全區(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)遠離人們的生活區(qū)域，無恒定供電設備，且有線、無線網(wǎng)絡均無覆蓋，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，減少隨機誤差，從而提高微震判定等相關功能的計算精度。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)“三點一線”的情況，有利于觀測與數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過對預選位置反復勘查，最終確定出7 個地面監(jiān)測臺站的具體位置。現(xiàn)場通過礦區(qū)GPS定位設備測量地面監(jiān)測臺站精確礦區(qū)坐標，如表1所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，在塔山礦CAD礦區(qū)地圖上進行了地面監(jiān)測臺站標記工作，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

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工作面對應地表為山嶺，無供電無網(wǎng)絡無人煙，需要構(gòu)建太陽能供電系統(tǒng)支撐硬件設備運行。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，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)分為一級實時監(jiān)測模塊和二級數(shù)據(jù)分析模塊。其中一級實時監(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 一級實時微震監(jiān)測系統(tǒng)

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

（1）實時微震監(jiān)測模塊

實時微震監(jiān)測模塊進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)測模塊實時監(jiān)測礦區(qū)震動點的坐標與震動值。

（2）實時微震波形圖顯示模塊

如圖5 所示，對全部的地面監(jiān)測臺站進行微震數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，高頻微震采集器的三分量震動數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，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立更新，各個波形數(shù)據(jù)可隨時間推移實時動態(tài)更新。

圖4 監(jiān)測軟件界面

圖5 實時波形顯示界面

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)導入遠端Hadoop大數(shù)據(jù)集群，進行多級大數(shù)據(jù)聯(lián)動查詢方法研究，實現(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)地圖上會在響應的位置上出現(xiàn)紅色圓環(huán)圖標，圓環(huán)大小表示微震災害事件的震級大小。

圖6 微震統(tǒng)計界面

4 實測結(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 150 m（從 2018 年開采的730 m 推進至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 170 m(從 1 月開采的 880 m 推進至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)生冒頂及強礦壓等動力災害事故，確保了煤礦安全生產(chǎn)，同時，驗證了該技術(shù)的應用安全可靠，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害預警和防治提供了支撐，取得了巨大的經(jīng)濟社會效益，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)具有重要的指導作用。