宋繼祥，王成軍

(1.淮南職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，安徽 淮南 232001； 2.中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇 徐州 221116；3.安徽理工大學人工智能學院，安徽 淮南 232001 )

引言

基于淮南煤礦典型條件下采場及掘進巷道圍巖賦存特征，結(jié)合工程地質(zhì)力學研究分析、生產(chǎn)技術(shù)條件，研究工作面和巷道礦壓災害影響因素及類型，揭示礦壓致災機理[1]，建立典型條件下礦壓災害理論模型，為開發(fā)礦壓風險預警[2]和防控系統(tǒng)平臺提供理論支持.

研究礦壓預警值與工作面支架工作阻力、超前煤體(含煤柱)應力動態(tài)及巷道圍巖離層量、表面位移量、錨桿(索)應力應變值等礦壓監(jiān)測指標的敏感性關(guān)系，系統(tǒng)分析礦壓災害發(fā)生的多災源因素，結(jié)合礦壓理論分析計算，構(gòu)建采場及巷道礦壓風險預警指標體系.

多傳感器信息融合[3]是現(xiàn)代信息處理領(lǐng)域新近崛起的一個前沿性的研究方向，信息融合是人類和其他生物系統(tǒng)中普遍存在的一種基本功能[4]，信息融合的關(guān)鍵問題是模型設(shè)計和融合算法[5]，數(shù)據(jù)處理過程的分辨率對融合結(jié)構(gòu)進行分類，分為數(shù)據(jù)級(像素級)融合、特征級融合和決策級融合[6]，信息融合方法是信息融合研究的核心技術(shù)[7]，根據(jù)信息融合處理方式的不同，可以將多傳感器信息融合的拓撲結(jié)構(gòu)分為集中型、分散型、混合型、反饋型等[8].

平臺應融入“一張圖”[9]，利用GIS(地理信息)技術(shù)[10]，結(jié)合礦區(qū)礦圖(包含生產(chǎn)及水文地質(zhì)信息等)，可以實現(xiàn)礦圖上的鉆孔應力、支架阻力、錨桿(索)應力、圍巖移動、巷道形變、超前壓力等監(jiān)測數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果直接展示到礦圖中，數(shù)據(jù)效果更加直觀，有助于相關(guān)人員快速分析，定位事件位置.

建立礦井及公司兩級大屏展示平臺.平臺系統(tǒng)操作簡單，可在圖上選擇查看任何一個監(jiān)控地點的實時數(shù)據(jù)、視頻或三維展示，同時集中度要高，管理方便，礦井、公司乃至上級部門能實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理，風險信息分級自動推送至電腦端和手機端，各層級相關(guān)管理人員根據(jù)分配的權(quán)限實現(xiàn)電腦端和手機端實時進行查詢和處置.平臺系統(tǒng)能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的曲線、柱狀圖、壓力云圖等生成顯示功能，也能直接在礦圖中集成顯示.能對實時和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、打印，對歷史數(shù)據(jù)、報警記錄等可分類查詢[11]，一鍵自動生成多種標準化報表、礦壓分析報告等功能.

平臺系統(tǒng)為一個開源的系統(tǒng)，留有接口，能滿足后期升級需要(如應用5G技術(shù))，以及個性化、定制化的深度分析模塊(如微震、地音、堅硬頂板專項監(jiān)測技術(shù)等)開發(fā)，且能兼容現(xiàn)有不同廠家礦壓監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸處理功能.

1 構(gòu)建綜采工作面、巷道礦壓監(jiān)測硬件技術(shù)體系

以無線智能傳感器[12]作為傳輸節(jié)點、以無線接收分站作為路由節(jié)點、以井下通信基站作為網(wǎng)絡節(jié)點，以此搭建物聯(lián)網(wǎng)[13].分斷面設(shè)置監(jiān)測傳感器，動態(tài)監(jiān)測綜采支架工作阻力、活柱伸縮量、支架姿態(tài)、超前支承壓力、錨桿(索)應力應變、頂板離層、巷道變形情況等主要礦壓數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集(可現(xiàn)場顯示、預警)、無線傳輸，實現(xiàn)無線傳感數(shù)據(jù)通過井下基站傳送至井下環(huán)網(wǎng)，接入井上局域網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在地面分析、可視、共享、分級預警.各類傳感器無縫對接，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳.

通過綜采支架(含單體液壓支柱)的工作阻力、活柱伸縮量、綜采支架姿態(tài)，以及工作面超前煤體應力動態(tài)[14]等數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測，能自動分析支架初撐力、末阻力、支架傾角狀態(tài)、來壓步距、推進度及采動影響范圍及超前、側(cè)向支承壓力演化特征等指標，能預測工作面來壓情況，為工作面支架選型、頂板控制、超前支護設(shè)計、生產(chǎn)管理等提供依據(jù)，也為類似情況下工作面區(qū)段煤柱留設(shè)、巷道支護設(shè)計等提供依據(jù).

通過監(jiān)測巷道頂板離層、表面位移、圍巖內(nèi)部位移、圍巖應力變化、錨桿(索)載荷應力變化及桿體應力應變變化等情況，自動分析支護結(jié)構(gòu)受力狀況，評價巷道圍巖的穩(wěn)定性、支護的可靠性.

以淮南劉莊煤礦150802工作面為例：150802工作面軌道順槽可采走向長約為1 643.7 m，膠帶順槽可采走向長為1 610.0 m，西一回風石門長度200 m.頂板離層斷面布置見圖1.監(jiān)測工作面內(nèi)液壓支架工作阻力隨工作面回采的變化規(guī)律，確定工作面合理的初次來壓及周期來壓步距，為評價工作面支架支護效果、支架對該類頂板的適定性以及頂板來壓規(guī)律提供分析依據(jù).

150802工作面安裝194臺液壓支架，每5臺支架配備1臺兩測點的礦用本安型數(shù)字壓力計(型號YHY60W)、1臺活柱伸縮量傳感器和1臺傾角狀態(tài)傳感器，測站支架編號為1#、6#、11#、……、191#，系統(tǒng)合計需要40臺礦用本安型數(shù)字壓力計、40臺活柱伸縮量傳感器和40臺傾角狀態(tài)傳感器.

圖1 頂板離層、位移監(jiān)測斷面布置圖

利用順槽內(nèi)礦壓監(jiān)測系統(tǒng)采集儀，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^器，再傳到分站內(nèi).在順槽內(nèi)主要通過圍巖移動傳感器(頂板離層儀)監(jiān)測巷道頂板離層層位、離層量，用于判斷頂板破壞范圍，對巷道穩(wěn)定性進行識別，對巷道現(xiàn)有支護進行評價.

通過監(jiān)測錨桿(索)受力大小與分布，可比較全面的了解錨桿(索)的工作狀況，判斷錨桿(索)是否發(fā)生屈服和破斷，評價巷道圍巖的穩(wěn)定性和安全性，以及錨桿(索)支護是否合理，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)提出對支護設(shè)計修改的建議.

在工作面回采過程中，對工作面前方未回采區(qū)域會有應力集中影響區(qū)，應力集中程度、距離等直接影響著超前支護的強度和距離.在工作面實體煤柱內(nèi)主要通過設(shè)置鉆孔應力傳感器監(jiān)測回采期間的支承壓力和煤體應力，確定應力演化特征及圍巖動態(tài)破壞范圍，得到工作面回采過程中受采動影響下側(cè)向支承壓力的分布特征及采動擾動影響范圍，實現(xiàn)危險區(qū)和危險程度的實時監(jiān)測預警.

受采動影響，原巖應力平衡遭到破壞，應力重新分布，開采范圍和采掘空間狀態(tài)隨生產(chǎn)推進而不斷變化，頂板重復受到工程擾動.在順槽內(nèi)布置激光測距儀監(jiān)測巷道圍巖移近量，用于判斷采動影響下工作面巷道變形情況，通過巷道表面位移觀測數(shù)據(jù)可較好地判定巷道圍巖的運動情況，揭示巷道變形等特征，分析圍巖是否進入穩(wěn)定狀態(tài)，確定動態(tài)破壞時空關(guān)系，對巷道穩(wěn)定性進行識別，實現(xiàn)采場動壓的實時監(jiān)測預警.

在150802工作面兩順槽回采實體煤柱內(nèi)每隔50 m設(shè)立1組鉆孔應力監(jiān)測測站，每組測站進行深、淺孔鉆孔應力監(jiān)測(深孔14 m、淺孔8 m)，每組包含2臺無線數(shù)據(jù)采集儀、2個壓力變送器和2個鉆孔應力計；兩條順槽合計需要安裝10組，共用到無線數(shù)據(jù)采集儀20臺、壓力變送器20個、鉆孔應力計70組.

在150802工作面兩順槽和石門內(nèi)每50 m間隔布置一個頂板離層監(jiān)測儀及頂?shù)装逦灰圃诰€監(jiān)測測站,其布置圖見圖2.每個測站在巷道頂板正中安裝1臺2測點(深基點、淺基點)的圍巖移動傳感器監(jiān)測頂板離層情況，在巷道內(nèi)安裝1臺激光測距儀監(jiān)測巷道圍巖移近量情況，前期兩順槽和石門內(nèi)布置5臺圍巖移動傳感器、5臺激光測距儀，根據(jù)順槽和石門長度計算，共計73臺圍巖移動傳感器、73臺激光測距儀.

在150802工作面兩順槽和石門內(nèi)每50 m布置一個錨桿(索)應力監(jiān)測測站.每個測站在頂板安裝3臺錨桿(索)應力傳感器監(jiān)測頂板錨桿及錨索受力情況，兩順槽和石門共布置10組測站，前期需要安裝30臺錨桿(索)應力傳感器，根據(jù)順槽和石門長度，總計需要安裝117臺錨桿(索)應力傳感器.

圖2 錨桿(索)應力傳感器監(jiān)測斷面布置圖

各類型傳感器交錯布置，間距15 m左右，根據(jù)系統(tǒng)傳輸協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^器，中繼器初期安裝在距離工作面最遠端一組傳感器處，再通過有線傳輸?shù)奖O(jiān)測分站內(nèi).監(jiān)測分站布置在井下供電和聯(lián)網(wǎng)方便的硐室內(nèi)，通過井下環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄瞎た貦C內(nèi).地面監(jiān)測服務器和打印機放置于指定辦公室，并安裝配套軟件，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過礦區(qū)局域網(wǎng)實現(xiàn)共享.

綜合礦山壓力監(jiān)測預警系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)平臺、無線MESH組網(wǎng)技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)[15]建立的煤礦沖擊地壓監(jiān)測、常規(guī)礦壓監(jiān)測、智能預警和分析系統(tǒng)[16].系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工作面及巷道煤體應力、錨(桿)索應力、頂?shù)装鍑鷰r變形、深部圍巖離層、支柱工作阻力、支架工作阻力、支架活柱縮量等多種礦壓參量的實時在線監(jiān)測和預警[17]，結(jié)合礦山壓力理論對數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)煤礦動力災害的監(jiān)測預警[18].

礦山壓力監(jiān)測預警系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)分為井上、井下兩部分，其中井上部分包括監(jiān)測主機及客戶端PC(數(shù)據(jù)處理機).井下部分包括采集分站、UPS電源、中繼器、無線數(shù)據(jù)采集器、鉆孔應力計、錨桿(索)應力傳感器、頂板離層監(jiān)測儀、激光測距傳感器、綜采支架工作阻力傳感器、綜采支架行程傳感器和單體支柱工作阻力傳感器等部分組成.系統(tǒng)集成化程度高，系統(tǒng)通過硬件整合、傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、一體化采集及展示[19]實現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成.系統(tǒng)穩(wěn)定性強:系統(tǒng)采用多跳、多路徑的自組網(wǎng)協(xié)議[20]，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定.系統(tǒng)安裝、維護便捷:系統(tǒng)井下采用無線方式，安裝、維護方便.地面采用一體化數(shù)據(jù)采集軟件和綜合分析預警軟件，并具有一鍵報表功能，軟件維護、數(shù)據(jù)分析工作量小.

2 多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)集成與傳輸功能開發(fā)

礦壓風險預警和防控系統(tǒng)平臺軟件配置各類系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集助手，實現(xiàn)礦壓監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動采集[21]，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口需根據(jù)實際數(shù)據(jù)特征開發(fā)，可接入的監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型，支持功能擴展，如表1所示.

表1 采集助手數(shù)據(jù)接入情況

可以全面收集地質(zhì)、生產(chǎn)、監(jiān)測、卸壓等數(shù)據(jù)，運用云計算和更完善的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，存儲、快速調(diào)用數(shù)據(jù).全面集成與備份相關(guān)地質(zhì)、生產(chǎn)、監(jiān)測、卸壓等相關(guān)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的永久備查，為后期類似工作面防治提供數(shù)據(jù)支持，同時為大數(shù)據(jù)案例庫的建設(shè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

針對以監(jiān)測數(shù)據(jù)為主實際的情況，平臺系統(tǒng)計劃采用MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計[22]，采用本地存儲與云端備份的“雙保險”模式，數(shù)據(jù)采集至本地服務器的同時，可以實時上傳至云數(shù)據(jù)庫，降低數(shù)據(jù)丟失的可能.

遠程數(shù)據(jù)傳輸依靠云數(shù)據(jù)處理技術(shù)[23](或者專網(wǎng))完成.通過礦井配置云數(shù)據(jù)上傳助手如圖3所示，實現(xiàn)礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時上傳.配置異地數(shù)據(jù)訪問白名單訪問終端，集團公司等異地終端可通過數(shù)據(jù)處理軟件實時監(jiān)看和查詢各礦井監(jiān)測情況.

圖3 礦井云數(shù)據(jù)上傳助手截圖

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集助手，實時讀入礦井服務器的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，由服務器統(tǒng)一存儲和管理.服務器配置云上傳助手，將局域網(wǎng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡云數(shù)據(jù)庫內(nèi)，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫與礦井數(shù)據(jù)庫的實時同步.云端數(shù)據(jù)庫配置集團訪問白名單和遠程診斷訪問白名單，實現(xiàn)礦井和集團公司監(jiān)控中心等多級實時信息共享.遠程診斷團隊可隨時在線處理各類技術(shù)問題，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?

3 礦壓風險預警和防控系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開發(fā)

3.1 礦壓風險預警和防控系統(tǒng)平臺架構(gòu)設(shè)計

礦壓風險預警和防控系統(tǒng)平臺(簡稱平臺)包括數(shù)據(jù)采集、多參量智能預警、三維數(shù)據(jù)集成展示、數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析、數(shù)據(jù)的遠程傳輸?shù)葞撞糠?，如圖4所示：

圖4 平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

“數(shù)據(jù)采集”部分可實現(xiàn)礦壓相關(guān)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集，鉆屑量等人工數(shù)據(jù)的手動錄入；“多參量智能預警”部分可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分區(qū)分級多參量預警；“三維數(shù)據(jù)集成展示”可通過三維建模，接入數(shù)據(jù)三維集成展示；“數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析”部分可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的單系統(tǒng)曲線查詢及多系統(tǒng)聯(lián)合查詢；“智能裝備數(shù)據(jù)對接及數(shù)據(jù)的遠程傳輸”部分可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程訪問(如集團公司)以及與其他智能裝備的數(shù)據(jù)對接.

3.2 預警平臺的三維數(shù)據(jù)集成展示功能設(shè)計與開發(fā)

預警平臺主界面設(shè)計三維集中展示功能，可實現(xiàn)各個接入系統(tǒng)的三維圖實時展示等，從礦壓的監(jiān)測預警角度實現(xiàn)管理的“一張圖”模式.各分區(qū)通過各礦井監(jiān)測區(qū)域名稱前方的方塊顏色，展示區(qū)域的綜合危險等級，綠色、黃色、橘紅和紅色分別代表無沖擊、弱沖擊、中等沖擊及強沖擊幾個危險等級，灰色代表該區(qū)域當前數(shù)據(jù)斷連.三維圖上展示信息可包括生產(chǎn)信息(工作面進尺及位置)、監(jiān)測數(shù)據(jù)(煤層應力、微震、巷道變形等)，便于數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析.三維集中展示還可直觀掌握監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)、區(qū)域整體危險情況等，監(jiān)測信息直觀明了.

4 平臺數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析功能

進入監(jiān)測區(qū)調(diào)取和分析區(qū)域歷史監(jiān)測數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)分析界面功能與礦井綜合監(jiān)控分析軟件功能類似，均可調(diào)取應力等分析系統(tǒng)曲線、聯(lián)合數(shù)據(jù)曲線、關(guān)鍵監(jiān)測指標曲線、微震定位事件等基本信息.系統(tǒng)軟件開放，支持相關(guān)功能的嵌入.

異常測點的局部多參量數(shù)據(jù)分析功能，可一鍵聯(lián)合查詢預警測點一定范圍內(nèi)的多參量綜合曲線，聯(lián)合分析區(qū)域應力轉(zhuǎn)移過程等，警惕局部應力集中.該功能可用作大能量微震事件分析、預警測點分析等.指導開采強度的關(guān)鍵指標分析功能，通過分析工作面近期危險程度的發(fā)展趨勢與采掘進尺的曲線，反演推采強度與動力災害的關(guān)系，指導采掘部署及防治措施的制定.如圖5所示，實現(xiàn)工作面危險趨勢曲線查詢.

圖5 工作面危險趨勢曲線

工作面超前影響范圍分析，可利用微震的固定工作面查詢功能、應力的固定工作面超前影響范圍查詢功能，分析工作面超前影響范圍及影響程度，指導超前支護強度的調(diào)整.如圖6所示，實現(xiàn)應力的固定工作面超前影響范圍查詢.WebGL三維礦圖真實反映礦井空間關(guān)系，CAD二維平面圖精準區(qū)域定位及輔助分析，科技感強.

圖6 應力的固定工作面超前影響范圍查詢

直觀掌握監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)、區(qū)域整體危險情況等，三維模型可通過進尺錄入進行繪制更新，監(jiān)測預警平臺可在三維礦井模型上展示開采巷道位置、水文信息、評價結(jié)果、地層信息、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)(煤層應力、微震、支架阻力、水文監(jiān)測等)、常規(guī)礦壓(巷道變形、頂板離層等)監(jiān)測等信息.

5 結(jié)論

基于數(shù)據(jù)融合智能判別的礦壓風險預警和防控系統(tǒng)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)礦井沖擊地壓監(jiān)控預警平臺、二級集團沖擊地壓監(jiān)控預警平臺、監(jiān)管部門同步接收數(shù)據(jù)的功能，實現(xiàn)從礦壓的監(jiān)測預警角度實現(xiàn)管理的“一張圖”模式，同時沖擊地壓監(jiān)控預警平臺能夠進行數(shù)據(jù)遠程傳輸和問題診斷，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)多級共享.

基于“多參量綜合預警算法+實時數(shù)據(jù)采集+綜合數(shù)據(jù)分析”技術(shù)，利用多種軟硬件接口，構(gòu)建全礦井統(tǒng)一、穩(wěn)定和高效的災害集控綜合平臺.

依托煤礦災害防治“分類分治”理念，以“災害監(jiān)測實時化，預測預報自動化，解危檢驗標準化”為目標，以煤礦災害預測預報和防治為主線，對煤礦災害 “分類、評價、解危、預警、檢驗、支護、管理”等主要環(huán)節(jié)，進行多因素全流程的數(shù)據(jù)采集、智能分析、措施優(yōu)化，將煤礦災害事故預防向事先預警與預控方向發(fā)展，實現(xiàn)煤礦災害智能化決策.