研發(fā)起止時(shí)間:2017年10月~2019年12月
完成單位:大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司,遼寧大學(xué)
成果水平:國際先進(jìn)
同煤集團(tuán)大同礦區(qū)是我國主要產(chǎn)煤區(qū)之一,為國家的建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)。經(jīng)過多年的開采,大同礦區(qū)淺部煤炭資源已近枯竭,開采逐漸轉(zhuǎn)向深部。進(jìn)入深部開采后,由于深部煤巖性質(zhì)發(fā)生了顯著變化,由此造成煤礦深部強(qiáng)礦壓致災(zāi)機(jī)理與災(zāi)變準(zhǔn)則也有明顯差異,預(yù)警與防治技術(shù)及監(jiān)測(cè)軟硬件設(shè)施也不同。目前,現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多安裝于井下,由于井下深部空間環(huán)境惡劣,易導(dǎo)致儀器性能不穩(wěn)定,且傳感器需要單獨(dú)供電,容易受井下電磁場干擾,影響監(jiān)測(cè)信號(hào)質(zhì)量;同時(shí),現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高,難以保證高密度測(cè)點(diǎn)布置,致使井下空間存在大量監(jiān)測(cè)盲區(qū),且常常出現(xiàn)多個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)不到強(qiáng)礦壓信號(hào)而導(dǎo)致無法及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警;深部開采井上-井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸多采用有線傳輸,網(wǎng)絡(luò)布設(shè)困難、易損壞,不利于災(zāi)害預(yù)警;監(jiān)測(cè)臺(tái)站體積大,傳感器固定,不利于隨采區(qū)移動(dòng)而合理優(yōu)化布置,以上問題一直難以克服,導(dǎo)致預(yù)警手段準(zhǔn)確率不高,防治措施的有效性也不十分理想。因此,探索新的技術(shù)途徑監(jiān)測(cè)煤層開采中強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)難題勢(shì)在必行。
為改變目前的現(xiàn)狀,進(jìn)一步深入研究大同礦區(qū)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題發(fā)生的特征、原因和條件,以同煤塔山煤礦為研究對(duì)象,建立了大同礦區(qū)高頻微震無線地面臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng),構(gòu)建了大同礦區(qū)微震大數(shù)據(jù)平臺(tái),為礦區(qū)安全開采提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
(1)通過理論研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)M以及現(xiàn)場實(shí)測(cè)的方法,根據(jù)塔山煤礦工作面地質(zhì)構(gòu)造、地理環(huán)境、井群特征及動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生規(guī)律,研究適合塔山礦區(qū)的地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)布置方案;
(2)確定適合塔山礦區(qū)的高頻微震到時(shí)確定方法、微震定位方法及震級(jí)計(jì)算方法;根據(jù)微震信號(hào)特征分析,研究煤礦動(dòng)力災(zāi)害類型判識(shí)方法及預(yù)警方法研究;
(3)研究微震事件發(fā)生頻次與震級(jí)關(guān)系,并結(jié)合井下開采情況和地質(zhì)構(gòu)造情況,根據(jù)微震事件特征研究微震事件能量演化規(guī)律和超前影響范圍;
(4)構(gòu)建了大同礦區(qū)微震大數(shù)據(jù)平臺(tái),為礦區(qū)安全開采提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持,給塔山礦區(qū)深部動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警和防治提供支撐。
(1)本項(xiàng)目構(gòu)建了動(dòng)力災(zāi)害高頻微震地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站,圖1為地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布圖,提出了微震到時(shí)確定方法、微震定位方法以及微震震級(jí)計(jì)算方法,構(gòu)建了微震大數(shù)據(jù)二級(jí)管理平臺(tái),為煤炭行業(yè)打造和推進(jìn)地面微震監(jiān)測(cè)開發(fā)提供了理論架構(gòu)和體系借鑒,一定程度上填補(bǔ)了國內(nèi)煤礦地面微震監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的空白。高頻微震采集器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖1 地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布圖
圖2 高頻微震采集器結(jié)構(gòu)圖
(2)提出了煤礦動(dòng)力災(zāi)害類型判識(shí)方法,采用小波分解進(jìn)行時(shí)域分析,對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行逆變換并重構(gòu)去除噪聲信號(hào)。定義了4 層分解層,使用閾值函數(shù)處理的最低級(jí)別的近似系數(shù)LC4和細(xì)節(jié)系數(shù)DDC4進(jìn)行一維小波重構(gòu),然后得到DLC4;逐層將近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)逐層重構(gòu)為小波,最后得到一個(gè)近似的原始信號(hào)(去除噪聲);構(gòu)造ELM 分類器,將隱藏層節(jié)點(diǎn)用作循環(huán)條件,并計(jì)算與每個(gè)隱藏層節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確率,通過前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法,將微震事件與已學(xué)習(xí)的事件進(jìn)行類型匹配,進(jìn)而判斷煤礦動(dòng)力災(zāi)害,實(shí)現(xiàn)了煤礦災(zāi)害類型的智能化分析。
(3)通過對(duì)塔山礦的實(shí)際情況進(jìn)行分析,提出基于兩級(jí)線性回歸的動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警方法。將海量歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總,采用移動(dòng)回歸法提取數(shù)據(jù)特征,并在此基礎(chǔ)上,通過線性回歸法建立災(zāi)害模型,為煤礦動(dòng)力災(zāi)害判識(shí)提供模型基礎(chǔ);通過置信區(qū)間構(gòu)建判識(shí)域,提出置信因子變換的方法預(yù)測(cè)災(zāi)害波形未來的發(fā)展趨勢(shì),為煤礦動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警技術(shù)提供理論支持。
(4)開展了塔山礦8204-2工作面微震監(jiān)測(cè)覆巖破壞能量演化規(guī)律研究,圖3為塔山煤礦8204-2工作面地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖。
圖3 塔山煤礦8204-2工作面地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置
對(duì)塔山煤礦8204-2工作面進(jìn)行地面微震監(jiān)測(cè),根據(jù)塔山礦8204-2 工作面1~6 月份回采期間微震監(jiān)測(cè)結(jié)果,準(zhǔn)確定位到微震事件297 次,總能量7.27×105J,得到工作面最大超前影響范圍約130 m,盡管該工作面為孤島工作面,但采取了有效監(jiān)測(cè)和卸壓手段,回采期間未發(fā)生超過105J能量事件和動(dòng)力災(zāi)害。
研究成果在大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司塔山煤礦獲得成功應(yīng)用,取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。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(dòng)力災(zāi)害事故,確保了煤礦安全生產(chǎn),減少了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本投入,同時(shí)減輕了監(jiān)測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,為安全生產(chǎn)提供了有力的保障,也為今后開展地面微震監(jiān)測(cè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。解決了煤礦動(dòng)力災(zāi)害地面微震監(jiān)測(cè)的難題,降低了安全隱患的發(fā)生,顯著提高了工作面開采效率,研究成果可在類似條件礦井中推廣應(yīng)用。