張拴才，韓澤鵬，陳潤合，王富強(qiáng)，鞏思園

（1.華能慶陽煤電有限責(zé)任公司 核桃峪煤礦，甘肅 慶陽745000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；3.甘肅華亭煤電股份有限公司 東峽煤礦，甘肅 平?jīng)?44000）

近年來，沖擊地壓等煤礦動力災(zāi)害發(fā)生頻繁，在東部、中部和西部礦井時有發(fā)生，其中僅山東省采深超千米的礦井就有十幾座，具有沖擊地壓災(zāi)害的生產(chǎn)礦井達(dá)40 余座[1]。隨著我國淺部煤炭資源開采殆盡，越來越多的中西部礦井將進(jìn)入深部開采。深部礦井由于埋深大，由重力和水平應(yīng)力等組成的基礎(chǔ)靜載高，沖擊地壓發(fā)生的門檻低，因此必須加強(qiáng)對沖擊地壓危險的監(jiān)測預(yù)警[2]。目前我國大部分沖擊地壓礦井配備了微震監(jiān)測系統(tǒng)[3-6]、應(yīng)力在線系統(tǒng)等監(jiān)測設(shè)備，同時建立的沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺可以集中有限的防沖資源，解決礦井專業(yè)分析人員缺乏的問題，進(jìn)而提升沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警的效率。沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺收集的大量礦震、礦壓等信息可以運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析，從而為沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)警提供了新的思路。當(dāng)前在計算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下，GIS[7]技術(shù)十分適合應(yīng)用于煤礦沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺的建設(shè)中，為云平臺的搭建提供了一種先進(jìn)手段。

1 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺建立的意義

1）實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)。云平臺通過互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[8]，可加快沖擊礦井相關(guān)信息的傳播速度，使專業(yè)人才通過專家云遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場沖擊地壓的防治工作。云平臺具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布及信息瀏覽等功能，可提高監(jiān)管部門對沖擊礦井的監(jiān)控。

2）集成工作面生產(chǎn)及防沖信息。云平臺通過礦井終端獲取各類實時監(jiān)測與防治信息，云平臺的數(shù)據(jù)存儲功能可以將工作面掘進(jìn)和回采過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，極大地方便了數(shù)據(jù)的調(diào)用與分析。云平臺可建立工作面從掘進(jìn)到回采的數(shù)據(jù)庫，從而為本礦其他工作面沖擊危險的預(yù)警及防治提供借鑒。

3）實現(xiàn)監(jiān)防互饋，提升防沖效率。云平臺可實現(xiàn)1 張圖管理和監(jiān)防互饋，通過GIS 技術(shù)將礦井在時間和空間2 個維度上的生產(chǎn)信息、礦壓信息、礦震信息、實時監(jiān)測預(yù)警信息及防治信息進(jìn)行直觀展示，監(jiān)測預(yù)警結(jié)果可直接指導(dǎo)現(xiàn)場防沖，云平臺包含的監(jiān)測預(yù)警功能可對防沖解危效果進(jìn)行檢驗，從而實現(xiàn)監(jiān)防互饋，提高防治效率。

4）提升沖擊地壓整體防治效率并建立海量數(shù)據(jù)庫。云平臺收集了多個沖擊礦井的礦震數(shù)據(jù)及其他相關(guān)信息，建立了沖擊地壓防控的聯(lián)合平臺，從而可以從更高維度揭示其發(fā)生機(jī)理及影響因素，可提升沖擊地壓的整體防治效率，對減小沖擊地壓的危害具有重要意義。同時，大量數(shù)據(jù)為運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析及人工智能等手段預(yù)警沖擊地壓提供了條件。

2 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺框架及功能

沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺建設(shè)主要包括軟、硬件2 部分，沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺架構(gòu)如圖1。云平臺底層硬件部分是由SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)力在線系統(tǒng)及其他礦壓監(jiān)測系統(tǒng)形成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測系統(tǒng)實時采集到信息后，經(jīng)分析人員進(jìn)行處理，可獲得礦震及工作面應(yīng)力集中區(qū)等信息，礦端信息傳輸軟件將實時上傳監(jiān)控信息至云平臺服務(wù)器。云平臺服務(wù)器對信息進(jìn)行接收和存儲，可供研究人員調(diào)取，并運(yùn)用專家系統(tǒng)指導(dǎo)沖擊危險預(yù)警和防治措施制定等工作，最后可將預(yù)警及防治信息發(fā)布在云平臺上，礦端用戶及監(jiān)管用戶通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可看到預(yù)警和防治意見，從而指導(dǎo)井下的防治與管理工作。

圖1 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺架構(gòu)Fig.1 Cloud platform architecture for rock burst monitoring and early warning

沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺中軟件系統(tǒng)包括客戶端、服務(wù)器端以及瀏覽發(fā)布模塊3 大部分?？蛻舳讼到y(tǒng)主要將各監(jiān)測系統(tǒng)的操作分析結(jié)果上傳到云平臺服務(wù)器。服務(wù)器端軟件系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)處理、添加客戶端、界面顯示等功能，數(shù)據(jù)處理包括基礎(chǔ)信息配置、將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為圖片、圖表等直觀顯示的形式。瀏覽發(fā)布模塊通過檢索數(shù)據(jù)查詢各礦區(qū)最新上傳的文件存儲位置，實時更新顯示最新的圖表等信息，并根據(jù)用戶權(quán)限提供下載，瀏覽等業(yè)務(wù)。

2.1 數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)

沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在.Net平臺下使用C/S 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。由于礦端網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多樣，監(jiān)測系統(tǒng)種類多樣，可應(yīng)用Socket 和WebServices技術(shù)實現(xiàn)礦端數(shù)據(jù)在廣域網(wǎng)的傳輸，通過在煤礦端部署數(shù)據(jù)收集解析程序，在服務(wù)器端搭建Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)接收程序形成數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2。

本系統(tǒng)充分考慮了多礦端、多設(shè)備、多類型數(shù)據(jù)的傳輸存儲，具備良好的可擴(kuò)展性。為了適應(yīng)礦端各監(jiān)測設(shè)備種類多，實現(xiàn)技術(shù)差異性大，數(shù)據(jù)存儲分散等特點，所設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸端可以直接部署在終端，也可部署在局域網(wǎng)中的某1 臺終端上。沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺嵌入了礦井的各類監(jiān)測系統(tǒng)，以微震監(jiān)測系統(tǒng)為例介紹程序設(shè)計思路。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Data transmission system network architecture

1）微震監(jiān)測系統(tǒng)采集到新的礦震后，通過標(biāo)波軟件對礦震事件進(jìn)行計算后按標(biāo)準(zhǔn)格式傳輸至云平臺服務(wù)器，并存入該礦相應(yīng)日期的文件夾下，若礦震事件能量值超過預(yù)警值，則云平臺自動報警軟件會向工作人員播報該礦震事件信息。

2）云平臺服務(wù)器在接收到微震監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，可對礦震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將數(shù)據(jù)變?yōu)閳D表等形式，同時將礦震數(shù)據(jù)及其他監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)警，最后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果及預(yù)警結(jié)果等信息實時發(fā)布在云平臺上，礦端及監(jiān)管機(jī)構(gòu)可實時調(diào)閱。

3）礦端服務(wù)器可以查閱SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)及分析圖表，云平臺服務(wù)器接收到請求后，可將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)回礦端。

由于監(jiān)測系統(tǒng)多樣，數(shù)據(jù)量大，傳輸格式包括文本、數(shù)據(jù)集等多種格式，因此采用Socket 實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。在礦端各監(jiān)測系統(tǒng)部署軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、格式化以及傳輸。在中國礦業(yè)大學(xué)部署數(shù)據(jù)云平臺服務(wù)器以及網(wǎng)站服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解碼、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)以及服務(wù)內(nèi)容發(fā)布。在礦端部署本地服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地化，為煤礦沖擊地壓遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測預(yù)警分析軟件等礦端軟件進(jìn)行分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 沖擊地壓實時預(yù)警模型

GIS 云平臺內(nèi)嵌了綜合預(yù)警模型來對沖擊危險進(jìn)行實時預(yù)警，實現(xiàn)過程主要包括：前兆指標(biāo)歸一化、前兆指標(biāo)權(quán)重確定和智能綜合預(yù)警模型。

由于各指標(biāo)量綱不同，為定量化描述各前兆指標(biāo)的異常水平，可引入可靠性分析理論[9]將預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行歸一化，歸一化公式如式（1），其中對于正向與負(fù)向異常指標(biāo)，其t 時刻的異常隸屬度λij（t）分別由式（2）計算得到[10]：

式中：Rij（t）為第i 個指標(biāo)在第j 個時間窗內(nèi)的歸一化結(jié)果；t 為時間窗的結(jié)束時刻；Qij為第i 個指標(biāo)在第j 個時間窗內(nèi)計算的指標(biāo)值；Qimax、Qimin分別為所有時間窗內(nèi)第i 個指標(biāo)值的最大值、最小值。

為評價各前兆指標(biāo)的重要性，選用混淆矩陣法來動態(tài)計算各指標(biāo)的預(yù)警效能權(quán)重，將各指標(biāo)對沖擊地壓的預(yù)警結(jié)果寫為混淆矩陣的標(biāo)準(zhǔn)形式。混淆矩陣如圖3。圖3 中TP 表示預(yù)警發(fā)生，實際發(fā)生；FP表示預(yù)警發(fā)生，實際未發(fā)生；FN 表示預(yù)警不發(fā)生，實際發(fā)生；TN 表示預(yù)警不發(fā)生，實際未發(fā)生。通過計算混淆矩陣中的F 值來得到各前兆指標(biāo)的權(quán)重值。

圖3 混淆矩陣Fig.3 Confusion matrix

各前兆指標(biāo)權(quán)重wi可采用式（3）來確定：

式中：Fi為第項前兆指標(biāo)的值；∑Fi為各前兆指標(biāo)值的和。

將系統(tǒng)監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)傳入GIS 云平臺后，可實時計算得到各前兆指標(biāo)值，然后給各前兆指標(biāo)賦予權(quán)重，并按式（4）計算n 個前兆指標(biāo)的綜合預(yù)警值Z（t），最后采用高斯隸屬函數(shù)[9]計算其隸屬情況，進(jìn)而給出時刻t 的沖擊地壓危險預(yù)警結(jié)果（無或弱或中或強(qiáng)）。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警云平臺建設(shè)的思路，在山東、陜西、內(nèi)蒙等28 個沖擊地壓礦井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，下面以某礦為例展示云平臺具備的各項功能。某礦為深部沖擊地壓礦井，礦井安裝有SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)等實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測有沖擊危險時，礦井按要求可實施爆破卸壓、大直徑鉆孔卸壓等卸壓措施。

3.1 沖擊地壓危險實時預(yù)警功能

沖擊地壓預(yù)警模型實時運(yùn)行在云平臺，可對SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)和應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)上傳的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行前兆指標(biāo)計算。沖擊地壓危險綜合預(yù)警結(jié)果如圖4。該礦井某工作面的沖擊危險是由11 個前兆指標(biāo)[11]分別賦予權(quán)重后計算得出，綜合預(yù)警結(jié)果為0.9，表明該工作面此時具有強(qiáng)沖擊危險。

圖4 沖擊地壓危險綜合預(yù)警結(jié)果Fig.4 Comprehensive early warning result of rockburst

3.2 信息集成與監(jiān)防互饋

云平臺各項功能模塊如圖5。

圖5 云平臺各項功能模塊Fig.5 Various functional modules of the cloud platform

在SuperMap GIS 云服務(wù)支撐下，設(shè)計了鉆屑檢測、煤體卸壓爆破、大直徑鉆孔、應(yīng)力在線、礦震分布和CT 空間反演[12]結(jié)果的顯示，可在實時預(yù)警基礎(chǔ)上，給出沖擊危險的空間分布特征，從而在時間和空間2 個維度下實現(xiàn)對沖擊地壓危險的全面預(yù)警。

云平臺可直觀展示大直徑等防治措施的實施區(qū)域、時間及施工情況，在云平臺給出預(yù)警危險等級和區(qū)域后，礦方可立即評估已有措施實施情況，并根據(jù)當(dāng)前沖擊危險狀態(tài)制定補(bǔ)強(qiáng)卸壓方案，而后可采用下一階段的預(yù)警結(jié)果對卸壓效果進(jìn)行驗，從而實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警與防治的互饋效果。

3.3 效果檢驗

該面預(yù)警有強(qiáng)沖擊危險后，采用震動波CT 反演技術(shù)得到的沖擊地壓危險空間預(yù)警結(jié)果如圖6。之后該面在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)有1.2×105J 的較強(qiáng)礦震，也驗證了預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨后為充分降低沖擊危險等級，對危險區(qū)域在已有卸壓措施基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)卸壓，卸壓措施實施完成后，下一階段的沖擊地壓危險空間預(yù)警結(jié)果表明，卸壓措施起到了有效降低沖擊危險的目的，實現(xiàn)了平臺監(jiān)防互饋的目標(biāo)。

圖6 采用震動波CT 反演技術(shù)得到的沖擊地壓危險空間預(yù)警結(jié)果Fig.6 The distribution of rock burst danger level by seismic wave CT inversion technique

4 結(jié) 語

提出了云平臺建立的整體框架和思路，詳細(xì)介紹了云平臺數(shù)據(jù)傳輸和實時預(yù)警過程，在SuperMap GIS 云服務(wù)支撐下建立了包含28 座沖擊地壓礦井的GIS 云平臺，展示了云平臺具備的信息集成、沖擊地壓危險實時預(yù)警與監(jiān)防互饋功能，并以某礦為例對平臺的監(jiān)測預(yù)警效果進(jìn)行了檢驗。