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        煤礦工作面超前預(yù)警模型與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        2021-08-02 07:40:26田廣宇林澤東
        軟件導(dǎo)刊 2021年7期
        關(guān)鍵詞:煤礦區(qū)域信息

        田廣宇,林澤東

        (山東科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266590)

        0 引言

        當(dāng)前,為滿足大量煤炭能源需求,煤炭開采深度逐漸加深。我國多數(shù)煤炭能源來自于深層開采[1],煤礦開采強(qiáng)度和開采深度增加,加上我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜,導(dǎo)致煤礦開采難度增大,危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)一步提高,煤礦沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度和頻率也隨之增加[2]。煤礦事故一旦發(fā)生,將嚴(yán)重威脅井下工作人員的生命安全,因此解決煤礦智能化開采和智能化工作面預(yù)警是一件十分重要的任務(wù)。現(xiàn)代化、智能化、無人化的智能煤礦預(yù)警平臺(tái)開發(fā)以及建立綠色、安全、可靠、高效的現(xiàn)代化智能化煤礦系統(tǒng)將是未來發(fā)展的方向和趨勢[3]。煤礦產(chǎn)業(yè)的改革與創(chuàng)新,促使煤礦產(chǎn)業(yè)從機(jī)械化、自動(dòng)化,逐漸向智能化發(fā)展,但由于我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜,煤礦智能化仍處于初級階段。對于條件復(fù)雜的煤礦,煤礦智能化預(yù)警仍有許多技術(shù)問題需要攻克[4]。通過數(shù)字孿生以數(shù)字化形式在虛擬空間構(gòu)建與物理空間相互映射的三維模型,能夠在虛擬空間模擬物理空間信息的動(dòng)態(tài)趨勢。通過監(jiān)控物理空間中的信息變化,可真實(shí)反映煤礦物理世界中的信息變化趨勢[5-11],從而實(shí)現(xiàn)對多元?jiǎng)恿?zāi)害及各種危險(xiǎn)源的超前預(yù)警預(yù)測。

        1 相關(guān)工作

        為實(shí)現(xiàn)煤礦智能化和工作面預(yù)警可視化,提高煤礦智能預(yù)警的人機(jī)交互能力,本文基于數(shù)字孿生技術(shù),提出了煤礦工作面超前預(yù)警(Digital Twin Face Integrated Warning,DTFIW)系統(tǒng)的概念。通過物理預(yù)警模型、煤礦傳感器信息感知[12]、煤礦歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),集成了多參數(shù)、多方法、多維度的數(shù)字孿生過程[13],在虛擬空間中完成映射達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)警、精確預(yù)警的目的。平臺(tái)以精準(zhǔn)三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ),以“實(shí)用礦山壓力理論”為指導(dǎo)[14],基于數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)建模、可視化、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法,融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦多元?jiǎng)恿?zāi)害,如微震、應(yīng)力、礦壓等災(zāi)害的超前預(yù)警,有效解決了對單一動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警的不足,該系統(tǒng)主要用于對開采前方危險(xiǎn)源和動(dòng)力災(zāi)害的超前預(yù)警分析。

        根據(jù)實(shí)際地質(zhì)信息建立物理模型是研究數(shù)字工作面超前預(yù)警的前提,通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建煤礦實(shí)體對象,實(shí)現(xiàn)對煤礦環(huán)境狀況及煤礦災(zāi)害運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析;通過數(shù)字孿生技術(shù)對環(huán)境、煤層地質(zhì)信息[15]、傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬映射;通過建立物理模型對工作面的動(dòng)態(tài)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警,運(yùn)用控制理論設(shè)計(jì)物理模型[16]。在煤礦產(chǎn)業(yè)中,根據(jù)煤礦物理環(huán)境,基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建數(shù)字映射的仿真模型和虛擬監(jiān)測監(jiān)控[17-19],設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦工作面超前預(yù)警,用于對開采前方危險(xiǎn)源[20-21]的綜合分析及超前預(yù)警。

        2 二維超前預(yù)警實(shí)現(xiàn)方法流程

        2.1 二維超前預(yù)警模型流程

        二維空間下的超前預(yù)警流程如圖1 所示。①獲取預(yù)警左進(jìn)尺和右進(jìn)尺的進(jìn)尺數(shù);②獲取預(yù)警工作面開采眼左右坐標(biāo)及預(yù)警工作面停采線左右坐標(biāo),計(jì)算出工作面的二維外包核;③外包核的作用是將工作面包裹起來,僅對外包核相交或在外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源(斷層、陷落柱、積水區(qū)、煤柱、采空區(qū))進(jìn)行預(yù)警,避免了對距離工作面很遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源的預(yù)警,極大降低了計(jì)算效率;④根據(jù)定位系統(tǒng)獲取當(dāng)前開采左右坐標(biāo)及超前預(yù)警左右進(jìn)尺的坐標(biāo),計(jì)算得到工作面預(yù)警區(qū)域;⑤通過判斷與該工作面外包核相交的危險(xiǎn)源及外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源,計(jì)算得出工作面預(yù)警區(qū)域與危險(xiǎn)源位置狀態(tài)、危險(xiǎn)源類型、危險(xiǎn)源名稱及落差;⑥通過預(yù)警模型計(jì)算出預(yù)警值。

        Fig.1 Two-dimensional space advance warning flow圖1 二維空間超前預(yù)警流程

        2.2 二維超前預(yù)警計(jì)算模型

        在二維模式下,根據(jù)工作面當(dāng)前位置,判斷前方指定范圍內(nèi)危險(xiǎn)源的數(shù)量、參數(shù),就危險(xiǎn)源對工作面造成的安全風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評估。二維空間超前預(yù)警方法流程如圖2所示,當(dāng)工作面開采到CD 位置,若預(yù)期前方50m 范圍內(nèi)的危險(xiǎn)源,陰影部分CDEF 四邊形便是預(yù)警區(qū)域,判斷CDEF區(qū)域內(nèi)是否存在危險(xiǎn)源,確定危險(xiǎn)源的類型以及距當(dāng)前工作面的距離,用來預(yù)測和評估未來推進(jìn)過程中危險(xiǎn)源對進(jìn)度造成的影響,為煤礦安全態(tài)勢預(yù)警進(jìn)行預(yù)警提示及報(bào)告。

        Fig.2 Two-dimensional space flow 1圖2 二維空間流程(1)

        在二維模型下,根據(jù)工作面位置坐標(biāo)計(jì)算出該工作面的最大值x坐標(biāo)、最大值y坐標(biāo)、最小值x坐標(biāo)、最小值y坐標(biāo)。將最小值x坐標(biāo)、最小值y坐標(biāo)組成A(xmin,ymin)點(diǎn)坐標(biāo),最大值x坐標(biāo)、最大值y坐標(biāo)組成B(xmax,ymax)點(diǎn)坐標(biāo)。連接AB 兩點(diǎn)的對角線,可建立一個(gè)工作面的外包核,如圖3 中虛線部分的矩形。外包核可將工作面完全包裹在內(nèi),其作用是減少和避免不必要的計(jì)算。在實(shí)際的煤礦中有些工作面周圍存在許多危險(xiǎn)源,通過外包核縮小了計(jì)算范圍,只需計(jì)算與外包核相交或在外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源。

        如圖4 所示,5 個(gè)云朵分別代表5 個(gè)危險(xiǎn)源(彩圖掃OSID 碼可見,下同),根據(jù)建立的工作面外包核可知,只需要對紅色、黃色、綠色3 個(gè)危險(xiǎn)源進(jìn)行預(yù)警與計(jì)算。2 個(gè)灰色的危險(xiǎn)源并不在外包核內(nèi)部且不與外包核相交的這種危險(xiǎn)源不作計(jì)算,這樣避免了很多不必要的計(jì)算,極大提高了計(jì)算效率、節(jié)省了預(yù)警時(shí)間、優(yōu)化了用戶體驗(yàn)。下一步是計(jì)算CDEF 四邊形,主要計(jì)算CDEF 區(qū)域與外包核內(nèi)或與外包核相交的危險(xiǎn)源并進(jìn)行預(yù)警與距離計(jì)算。

        Fig.3 Two-dimensional space flow 2圖3 二維空間流程(2)

        Fig.4 Two-dimensional space flow 3圖4 二維空間流程(3)

        首先,計(jì)算陰影部分四邊形CDEF 的區(qū)域。根據(jù)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)可知C、D 兩點(diǎn)的坐標(biāo)位置,以及停采線G、M 兩點(diǎn)的位置坐標(biāo)。通過C、G 兩點(diǎn)的坐標(biāo),可計(jì)算直線CG 的斜率k,如式(1)所示。

        通過斜率可知角θ 的值,默認(rèn)推進(jìn)工作面前方50m 的位置,可知CE 的距離為50。如圖5 所示。

        將式(2)和式(3)聯(lián)立,求得CQ 和EQ 的值。根據(jù)直線CQ 的值及C 點(diǎn)坐標(biāo),求得Q 點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)直線EQ 的值及Q 點(diǎn)坐標(biāo),求得E 點(diǎn)坐標(biāo),同理可得F 點(diǎn)的坐標(biāo)值。右C、D、E、F 4 點(diǎn)的坐標(biāo)可確定四邊形CDEF 的區(qū)域。

        Fig.5 Two-dimensional space flow 4圖5 二維空間流程(4)

        得到四邊形CDEF 區(qū)域后,則可計(jì)算出四邊形區(qū)域與外包核內(nèi)及與外包核相交的危險(xiǎn)源的位置關(guān)系與距離。對于距離地計(jì)算比較復(fù)雜,原理如下:首先獲取到危險(xiǎn)源的周圍邊緣點(diǎn),然后判斷該危險(xiǎn)源的邊緣點(diǎn)是否在四邊形CDEF 區(qū)域內(nèi)部。根據(jù)不同類型可分為以下3 種情況:①危險(xiǎn)源中所有邊緣點(diǎn)都在CDEF 四邊形區(qū)域內(nèi);②危險(xiǎn)源中部分邊緣點(diǎn)在CDEF 四邊形區(qū)域內(nèi),另一部分在四變形區(qū)域外;③危險(xiǎn)源中所有邊緣點(diǎn)都不在CDEF 四邊形區(qū)域內(nèi)。根據(jù)3 種不同的情況分別計(jì)算,可將此問題看作兩個(gè)多邊形是否相交的問題,實(shí)現(xiàn)方法如算法1 所示。

        算法1:判斷兩個(gè)不規(guī)則多邊形是否相交

        通過判斷多邊形是否相交的算法得出危險(xiǎn)源與超前預(yù)警區(qū)域的位置關(guān)系后,進(jìn)行距離計(jì)算。利用危險(xiǎn)源的邊界點(diǎn)求出危險(xiǎn)源的中心點(diǎn)坐標(biāo),通過四邊形4 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)求得四邊形的中心點(diǎn)坐標(biāo)。通過歐氏距離計(jì)算出兩點(diǎn)間的距離,便是危險(xiǎn)源到當(dāng)前開采位置前方預(yù)警四邊形區(qū)域的距離,如式(4)所示。

        3 三維實(shí)現(xiàn)方法流程

        3.1 三維超前預(yù)警模型流程

        三維空間下的模型,可從各角度方向查看預(yù)警信息,三維空間下超前預(yù)警流程如圖6 所示。①獲取超前預(yù)警范圍;②獲取預(yù)警工作面開采眼左右坐標(biāo)及預(yù)警工作面停采線左右坐標(biāo),計(jì)算出工作面的三維外包核;③三維外包核是一個(gè)立方體,由于工作面的形狀大小不同,工作面的外包核也各不相同;④通過獲取超前預(yù)警范圍,計(jì)算得到工作面預(yù)警區(qū)域;⑤對與三維外包核相交及三維外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源進(jìn)行預(yù)警,得出工作面預(yù)警區(qū)域與危險(xiǎn)源的位置狀態(tài)(上方不相交、下方不相交、預(yù)警區(qū)域內(nèi)部、預(yù)警區(qū)域相交)、危險(xiǎn)源類型、危險(xiǎn)源名稱及落差;⑥通過預(yù)警模型計(jì)算出預(yù)警值。

        Fig.6 Three-dimensional space advance warning flow圖6 三維空間超前預(yù)警流程

        3.2 三維超前預(yù)警計(jì)算模型

        在三維空間模型下,根據(jù)煤礦實(shí)際地質(zhì)信息進(jìn)行采場建模、地質(zhì)信息建模、危險(xiǎn)源建模,建立工作面參數(shù)化模型。三維模型是物體的多邊形表示,通常用計(jì)算機(jī)或者其它視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。顯示的物體可以是現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體,也可以是虛構(gòu)的物體。任何物理自然界存在的東西都可以用三維模型表示。目前,三維建模主要是為數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)模型。

        在三維空間模式下,考慮到各煤層之間的關(guān)系、煤層位置高度、各危險(xiǎn)源地質(zhì)信息,根據(jù)工作面實(shí)時(shí)推進(jìn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)警。在三維模式下,同二維下相同,由工作面當(dāng)前位置,自動(dòng)判斷前方指定范圍內(nèi)危險(xiǎn)源的數(shù)量、參數(shù),自動(dòng)就危險(xiǎn)源對工作面造成的安全風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評估。

        三維空間超前預(yù)警方法流程如圖7 所示,線段AB 是工作面開采的起始位置,線段GH 是工作面停止開采的位置。設(shè)定紅線為該工作面當(dāng)前開采的位置,若預(yù)期前方100m 范圍內(nèi)的斷層、陷落柱、積水區(qū)、煤柱、采空區(qū)等危險(xiǎn)源及預(yù)警,三維模型下將考慮到Z 軸高度的屬性,因此計(jì)算方式與二維平面下的計(jì)算方式有所不同。

        Fig.7 Three-dimensional space flow(1)圖7 三維空間流程(1)

        如圖8 所示,矩形區(qū)域部分OPMNHIKL 是預(yù)警區(qū)域,判斷矩形區(qū)域內(nèi)是否存在危險(xiǎn)源及危險(xiǎn)源類型、與當(dāng)前工作面的距離,預(yù)測三維模型下未來推進(jìn)過程中危險(xiǎn)源對推進(jìn)造成的影響,為煤礦安全態(tài)勢預(yù)警進(jìn)行預(yù)警提示并報(bào)告。

        計(jì)算流程如圖9 所示,首先排除距離工作面較遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源,在三維模型下,建立工作面的三維外包核。根據(jù)地質(zhì)信息獲取工作面最小x、y、z的值坐標(biāo)A(xmin,ymin,zmin),以及工作面最大x、y、z的坐標(biāo)點(diǎn)F(xmax,ymax,zmax)。對A點(diǎn)和F點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)建直線,通過三維坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)建立體外包核。如圖所示,JUYRWTOV 立體模型為三維下的外包核。同二維下相同,構(gòu)建外包核的目的是減少與工作面較遠(yuǎn)無關(guān)危險(xiǎn)源的計(jì)算,因?yàn)榫嚯x工作面較遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源對工作面的影響較小,所以對工作面危險(xiǎn)源的預(yù)警只需要計(jì)算外包核內(nèi)部以及與外包核相交的危險(xiǎn)源。

        Fig.8 Three-dimensional space flow(2)圖8 三維空間流程(2)

        Fig.9 Three-dimensional space flow(3)圖9 三維空間流程(3)

        如圖10 所示,藍(lán)色云朵表示與外包核相交的危險(xiǎn)源,橙色表示在外包核內(nèi)部危險(xiǎn)源的情況,綠色表示與外包核不相交的危險(xiǎn)源。其中,外包核外的危險(xiǎn)源不參與危險(xiǎn)源的預(yù)警。利用外包核區(qū)分與工作面較遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源不予計(jì)算,由于離工作面較遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源對工作面的影響不大,故不進(jìn)行預(yù)警和計(jì)算。

        Fig.10 Three-dimensional space flow(4)圖10 三維空間流程(4)

        計(jì)算三維外包核相交或在三維外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源,確定工作面左邊進(jìn)尺的坐標(biāo)點(diǎn),已知開采起始點(diǎn)A、B、C、D點(diǎn)的空間坐標(biāo),停采線E、F、G、H 點(diǎn)的空間坐標(biāo),由實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)獲取當(dāng)前開采掘進(jìn)位置O、P、M、N 點(diǎn)的空間坐標(biāo)。根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)A、G 兩點(diǎn)的X 軸和Y 軸坐標(biāo),確定線段AG 的斜率k1。

        若預(yù)測工作面推進(jìn)方向前方100 m,即MK 的距離為100。

        聯(lián)立式(2)和式(3),得出KQ、MQ 的值。若M 點(diǎn)空間坐標(biāo)為M(x1,y1,z1),則所求K 點(diǎn)坐標(biāo)為K(x1-KQ,y1+MQ,z1)。同理,根據(jù)空間坐標(biāo)點(diǎn)C、E 兩點(diǎn)X 軸和Y 軸的坐標(biāo)得出XOY 面上的斜率,結(jié)合OH 的長度求得H 點(diǎn)的空間坐標(biāo)點(diǎn)。

        Fig.11 Three-dimensional space flow(5)圖11 三維空間流程(5)

        在實(shí)際的煤礦中,工作面的開采方向及形狀各不相同,因而對于不同的工作面開采方向計(jì)算方法也不相同。如圖12 所示,計(jì)算工作面右邊進(jìn)尺坐標(biāo)空間,同上已知B、H 點(diǎn)的坐標(biāo),在XOY 面,根據(jù)式(4)可求得BH 的斜率k2。

        若當(dāng)前開采位置右進(jìn)尺空間坐標(biāo)N 的值為N(x2,y2,z2),則預(yù)測前方100 m 范圍內(nèi)的危險(xiǎn)源,即LN 的距離為100 m。

        Fig.12 Three-dimensional space flow(6)圖12 三維空間流程(6)

        聯(lián)立式(4)和式(5),得出LW、NW 的值,則所求L 點(diǎn)坐標(biāo)為L(x2-LW,y2-NW,z2)。同理,根據(jù)空間坐標(biāo)點(diǎn)D、F 兩點(diǎn)X 軸和Y 軸的坐標(biāo)得出XOY 面上的斜率,結(jié)合PI 的長度求得I 點(diǎn)的空間坐標(biāo)點(diǎn)。依次可求得K、L、H、I 空間坐標(biāo),便可確定超前預(yù)警區(qū)域MNOPKLHI 多邊形區(qū)域的預(yù)警區(qū)域。計(jì)算出超前預(yù)警區(qū)域后,便可實(shí)現(xiàn)超前危險(xiǎn)源預(yù)警,具體流程是將預(yù)警區(qū)域抽取出來。在實(shí)際煤礦開采過程中,工作面與危險(xiǎn)源空間位置有幾種不同的情況,如圖13所示。具體分為以下4 種情況:危險(xiǎn)源在工作面上方不相交、危險(xiǎn)源在工作面下方不相交、危險(xiǎn)源在工作面內(nèi)、危險(xiǎn)源與工作面相交。

        Fig.13 Hazard distribution map圖13 危險(xiǎn)源分布

        根據(jù)位置分布不同,如圖14 所示,首先將三維工作面和危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)信息映射到二維空間中,然后判斷在二維面中危險(xiǎn)源和工作面是否有交集。若工作面和危險(xiǎn)源沒有交集,則工作面和危險(xiǎn)源肯定是不相交的;若工作面和危險(xiǎn)源有交集,首先判斷危險(xiǎn)源Z 值的最小值是否大于工作面Z 軸的最大值,若大于則不相交,然后判斷工作面的最小Z 值,若大于危險(xiǎn)源的最大Z 值,則不相交。

        下一步,根據(jù)工作面的位置計(jì)算預(yù)警區(qū)域和危險(xiǎn)源的距離。首先計(jì)算出超前預(yù)警區(qū)域T,立體多邊形的體積如式(11)所示。

        設(shè)ρ=ρ(x,y,z),(x,y,z) ∈T是立體點(diǎn)(x,y,z)的密度,其中T 是它所占據(jù)的空間區(qū)域,預(yù)警區(qū)域的質(zhì)量如式(12)所示。

        Fig.14 Hazard intersection diagram圖14 危險(xiǎn)源相交情況

        立體形心的坐標(biāo)公式為:

        Fig.15 Three-dimensional space display map圖15 三維空間展示

        4 煤礦工作面超前預(yù)警平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

        4.1 超前預(yù)警平臺(tái)框架

        超前預(yù)警框架如圖16 所示,首先從煤礦物理實(shí)體層獲取動(dòng)力災(zāi)害傳感器的數(shù)據(jù)、超前預(yù)警范圍,傳感器的數(shù)據(jù)以文本方式根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)范生成文本文件,通過文本協(xié)議上傳到指定目錄中。根據(jù)時(shí)間、傳感器類型以及分別實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息解析到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ),形成微震監(jiān)測信息庫、應(yīng)力檢測信息庫、礦壓檢測信息庫,具有礦壓數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、預(yù)警、報(bào)警等功能的系統(tǒng)。根據(jù)煤礦地質(zhì)信息可分為沖擊地壓礦井和非沖擊地壓礦井,沖擊地壓礦井主要對微震、應(yīng)力、礦壓等動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行工作面的預(yù)警,非沖擊地壓主要對礦壓進(jìn)行工作面的預(yù)警。微震、應(yīng)力、微震的預(yù)警等級都分為綠、黃、橙、紅4 個(gè)等級。通過對微震預(yù)警、應(yīng)力預(yù)警、礦壓預(yù)警等多種檢測方式,搭建多元?jiǎng)恿?zāi)害、多參數(shù)量的煤礦智能化工作面超前預(yù)警系統(tǒng)。工作面超前預(yù)警,分為綠、黃、橙、紅4 個(gè)等級。綠色預(yù)警代表安全,危險(xiǎn)程度可忽略,不會(huì)造成人員傷害和系統(tǒng)破壞;黃色預(yù)警代表一般風(fēng)險(xiǎn),危險(xiǎn)程度臨界的,可能造成人員傷害和主要系統(tǒng)損壞,但可排除和控制;橙色預(yù)警代表高度風(fēng)險(xiǎn),危險(xiǎn)程度很高,會(huì)造成人員傷害和主要系統(tǒng)損壞,須立即采取控制措施;紅色預(yù)警代表極其危險(xiǎn),危險(xiǎn)程度具有破壞性,會(huì)造成人員傷害以及系統(tǒng)嚴(yán)重破壞。

        4.2 超前預(yù)警平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

        長期以來,我國采礦設(shè)計(jì)沿用手工的常規(guī)方式,即沿用手工記錄的常規(guī)設(shè)備和室內(nèi)人工設(shè)計(jì)與繪圖的習(xí)慣方法。設(shè)計(jì)周期由于設(shè)計(jì)人員的水平和熟練程度不同,造成生產(chǎn)周期長、效率底,影響煤礦產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。由于采礦領(lǐng)域的特殊性,采用了三維建模技術(shù),使設(shè)計(jì)、繪圖、管理更加規(guī)范化和科學(xué)化。

        Fig.16 Frame diagram of advance warning圖16 超前預(yù)警框架

        如圖17、圖18 所示,利用三維建模技術(shù)建立數(shù)字孿生模型,實(shí)現(xiàn)參數(shù)化和圖形化關(guān)聯(lián)。運(yùn)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、空間云數(shù)據(jù)庫技術(shù)及WebGIS 技術(shù),以真實(shí)的地測、地質(zhì)數(shù)據(jù)為依據(jù),構(gòu)建煤礦數(shù)字孿生模型平臺(tái)。在三維模型基礎(chǔ)上集成各業(yè)務(wù)系統(tǒng),形成一個(gè)數(shù)字化的數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái),使礦山環(huán)境、生產(chǎn)活動(dòng)及相關(guān)煤礦物理實(shí)體對象實(shí)現(xiàn)可視化展示,便于全方面掌握煤礦的安全和生產(chǎn)情況,提高應(yīng)急速度。平臺(tái)系統(tǒng)可以方便快捷地查詢煤礦實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。

        Fig.17 Client 3D warning display圖17 客戶端三維預(yù)警展示

        平臺(tái)針對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、分析、模型計(jì)算從而得到工作面預(yù)警信息。如圖19 所示,通過Web 端更好地展示了煤礦工作面預(yù)警模塊的信息。預(yù)警模塊包含單項(xiàng)預(yù)警和超前預(yù)警,單項(xiàng)預(yù)警中有礦壓信息預(yù)警、微震信息預(yù)警、應(yīng)力信息預(yù)警的預(yù)警指標(biāo)。工作面預(yù)警平臺(tái)界面展示煤礦所有工作面的預(yù)警詳情,數(shù)據(jù)每5 分鐘刷新一次,預(yù)警指標(biāo)隨之更新。在超前預(yù)警平臺(tái)中,實(shí)時(shí)展示最新的動(dòng)態(tài)信息,讓決策者實(shí)時(shí)了解煤礦的動(dòng)態(tài)趨勢,一方面為煤礦智能化開采提供了思路,另一方面能夠及時(shí)預(yù)警,提前做好防護(hù)措施,避免危險(xiǎn)事故造成嚴(yán)重影響。

        Fig.18 Two-dimensional warning display on the client side圖18 客戶端二維預(yù)警展示

        Fig.19 Web-side information display圖19 Web 端信息展示

        5 結(jié)語

        本文基于綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng),提出基于工作面的超前預(yù)警設(shè)計(jì)與運(yùn)行模式,主要針對工作面進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警和超前預(yù)警,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤礦智能化和工作面預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)化,提升系統(tǒng)的人機(jī)交互能力,達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)警、精確預(yù)警目的。結(jié)合計(jì)算機(jī)建模、可視化、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘等現(xiàn)代化信息處理方法,針對應(yīng)力、礦壓、微震等多元?jiǎng)恿?zāi)害信息進(jìn)行超前預(yù)警。根據(jù)危險(xiǎn)等級進(jìn)行等級劃分,指導(dǎo)煤礦應(yīng)急人員做好防護(hù)工作。針對工作面的多元?jiǎng)恿?zāi)害預(yù)警,有效解決了單一動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警的弊端。

        將新興的計(jì)算應(yīng)用到煤礦產(chǎn)業(yè)平臺(tái)中,提高了對煤礦采集數(shù)據(jù)的處理效率,挖掘出了更多有用信息。同時(shí),可視化界面為用戶提供更直觀的煤礦采集數(shù)據(jù)變化情況,方便用戶根據(jù)煤礦實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化情況開展下一步工作。對于工作面的超前預(yù)警,還有很多工作尚未完善,如沒有充分利用煤礦巖層信息,深度挖掘地質(zhì)中的多源信息等,以更加全面地對煤礦事件進(jìn)行預(yù)警和評估,這有待后續(xù)作進(jìn)一步研究。

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