馮攀飛 曹亞利 趙英杰

(1.國家能源集團新疆能源有限責任公司烏東煤礦,新疆 烏魯木齊 830027;2.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083)

沖擊地壓是一種典型的礦山動力災害,常常以突然、急劇、猛烈的形式釋放彈性能和變形能,并產生巨大的響聲和巖體震動,易造成設備損毀和人員傷亡[1-3]。近年來,隨著淺部煤炭資源的枯竭,煤礦開采深度的不斷加大,煤層的地質條件也越發(fā)復雜,沖擊地壓發(fā)生的可能性增大,嚴重影響了礦山的安全生產[4-6]。

沖擊地壓監(jiān)測預警是實現沖擊地壓有效防治的前提,也是避免災害發(fā)生的關鍵手段。沖擊地壓監(jiān)測手段眾多,分為區(qū)域監(jiān)測和局部監(jiān)測,區(qū)域監(jiān)測可采用微震監(jiān)測法,局部監(jiān)測主要有電磁輻射監(jiān)測法、地音監(jiān)測法、應力監(jiān)測法、鉆屑法、震動波CT 監(jiān)測等[3,6-9]。然而,每種監(jiān)測方法大多反映某一方面的特征,且監(jiān)測范圍有限,監(jiān)測指標單一,無法準確反映沖擊地壓前兆信息,難以滿足現場需求[10-11]。因此,本研究從烏東煤礦沖擊地壓防治現狀出發(fā),集成各監(jiān)測系統的優(yōu)勢,研究沖擊地壓監(jiān)測多系統、多參量信息融合和綜合預警,開發(fā)沖擊地壓監(jiān)測預警平臺,實現數據融合、實時預警、遠程訪問、災防管控等,進一步提高礦井的預警效能和水平,推進煤礦向智能化方向發(fā)展。

1 工程概況

1.1 烏東煤礦簡介

烏東煤礦位于烏魯木齊市,井田中心地理坐標為78°46'E、43°54'N。礦井設計生產能力為6.0 Mt/a,設計服務年限為78.7 a。礦井分為南(大洪溝煤礦、小紅溝煤礦)、北(鐵廠溝煤礦)、西(堿溝煤礦)3 個采區(qū),如圖1 所示,采用斜—立井聯合、分區(qū)開拓的方式進行開采。其中,烏東煤礦南采區(qū)煤層賦存條件為近直立特厚煤層,煤層傾角87°～89°,煤層厚度為513.77 m,可采總厚度150.95 m,B1+2 和B3+6 兩組煤層同時開采(圖2),隨著采深增加,兩組煤層間巖層形成高聳巖柱,巖柱受到水平構造應力和自重應力會使巖柱下側與回采煤層相交部位產生傾斜撬動效應,在采掘擾動下,巖體聚集的彈性能通過煤體釋放,產生不同程度的沖擊地壓現象[12]。

圖1 烏東煤礦各區(qū)分布Fig.1 Distribution of each district of Wudong Coal Mine

圖2 烏東煤礦分段開采示意Fig.2 Schematic of segmented mining in Wudong Coal Mine

烏東煤礦采用的水平分段放頂煤的采煤方法,每層分段高度為25 m,其中割煤厚度為3 m,放煤高度為22 m,上部采空區(qū)用黃土進行回填,屬于大采放比放頂煤回采。采用上采下掘的開拓方式,一般情況下回采和掘進活動同時進行。

1.2 烏東煤礦沖擊地壓監(jiān)測預警現狀及存在問題

烏東煤礦特殊的地質條件及較大的開采強度導致礦井沖擊危險性高,近幾年,沖擊地壓事件持續(xù)上升,造成不同程度的井下人員傷亡、巷道破壞以及財產損失等。為應對越來越嚴峻的沖擊地壓監(jiān)測與防治形勢,烏東煤礦現已安裝微震系統(ARMIS M/E)、地音系統(KJ623)、礦山壓力監(jiān)測系統(KJ21)和電磁輻射儀(YDC7.4、KBD5)等多種沖擊地壓監(jiān)測設備,實現了24 h 連續(xù)監(jiān)測,各單一監(jiān)測系統能夠實時采集數據并挖掘前兆信息規(guī)律,為沖擊地壓災害防治提供指導,但還無法實現礦山安全精準化、智能化建設[13-14]。

通過對烏東煤礦的調研與分析,沖擊地壓監(jiān)測預警還存在以下幾方面問題:①沖擊地壓監(jiān)測設備廠家多,各種設備在監(jiān)測原理、監(jiān)測方式等存在差異,導致數據類型多、設備使用效率不高;②數據挖掘較為單一,沖擊地壓前兆信息有待深入挖掘;③沖擊地壓多系統多參量綜合預警技術亟待研究。因此,有必要針對多種監(jiān)測設備開展沖擊地壓多參量綜合前兆信息的研究,建立預警準則統一、預警指標統一、預警臨界值統一的綜合預警技術方法,開發(fā)平臺系統,通過可視化方式實現沖擊地壓智能綜合預警和管控,有效遏止沖擊地壓事故發(fā)生。

2 烏東煤礦沖擊地壓監(jiān)測預警平臺搭建

2.1 監(jiān)測預警平臺建立思路

根據烏東煤礦沖擊地壓機理,針對性地在采掘空間布置安裝微震監(jiān)測系統、地音監(jiān)測系統、礦山壓力監(jiān)測系統和電磁輻射監(jiān)測系統等,從源頭對沖擊地壓進行監(jiān)測。

(1)微震監(jiān)測系統。通過在監(jiān)測區(qū)周邊布置多組檢波器實時采集煤巖體在變形或斷裂過程中微震信號,實時確定微震事件發(fā)生的空間位置和能量,實時動態(tài)分析煤巖體的活動范圍、破裂規(guī)律及其穩(wěn)定性。

(2)地音監(jiān)測系統。監(jiān)測微小巖石破裂引起的微弱地震信號,記錄對應通道產生時間和幅值。

(3)礦山壓力監(jiān)測系統。作業(yè)過程中巷道圍巖應力、變形數據同步采集。

(4)聲電瓦斯監(jiān)測系統。電磁輻射、聲波、瓦斯?jié)舛鹊刃盘柕膶崟r監(jiān)測,實現實時數據圖表曲線顯示、數據自動處理、干擾自動排除、歷史數據及統計指標智能查詢等功能。

目前,沖擊地壓的監(jiān)測預警仍是一個重大技術難題。雖然烏東煤礦在沖擊地壓礦井已安裝了多種監(jiān)測設備,但監(jiān)測預警效果并不理想[15-17]。實踐表明,單系統監(jiān)測仍存在局限性,如地音監(jiān)測系統的監(jiān)測范圍較小,微震監(jiān)測短期預警較困難等,使用單一監(jiān)測系統的預警可靠性有待提高。因此,需要集成各監(jiān)測系統的優(yōu)勢,建立多系統多參量綜合預警模型,開發(fā)監(jiān)測預警平臺,實現災害的自主判識、實時預警、數據融合、遠程訪問、集中展示等功能,提高礦井的預警效能和水平,進一步推進煤礦向智能化方向發(fā)展和精準化防控趨勢。如圖3 所示,該平臺系統的執(zhí)行思路。

圖3 平臺建立思路Fig.3 Platform establishment ideas

(1)由物聯網主機為核心,集成微震監(jiān)測系統、地音監(jiān)測系統、電磁輻射監(jiān)測系統、礦山壓力監(jiān)測系統等,實時采集礦震及工作面應力集中等數據并存儲至企業(yè)云端數據庫。

(2)本地服務器定時從云端數據庫中讀取監(jiān)測數據,并將數據轉存為所需的標準化格式,實現輸入數據的實時更新。

(3)利用數據挖掘、統計分析等方法,進行單一監(jiān)測系統前兆信息特征規(guī)律提取,并轉化為圖表等可視化的形式,將結果上傳至云端。

(4)基于人工智能算法,建立單系統和多系統集成預警模型,將預警結果上傳至云端。

(5)搭建可視化大屏,集團公司、主管部門等用戶端可通過Web 瀏覽器獲得預警信息和綜合管控意見,從而指導礦山沖擊地壓防治工作。

2.2 平臺架構與技術特征

該平臺的架構主要可分為基礎資源層、數據層、特征層、模型層、應用展示層,如圖4 所示?；诖髷祿?、云計算、人工智能等技術,通過對多種監(jiān)測系統接入、數據集成處理、多元信息挖掘分析,可實現災害前兆特征智能判識、多元特征融合預警和分級管理,及時發(fā)布預警信息,促進智能決策和科學防治[18-19]。

圖4 平臺架構Fig.4 Platform architecture

(1)基礎資源層。該層為平臺系統開發(fā)的基礎,可分為硬件和軟件兩部分。硬件包括物聯網主機、服務器、傳感器等;軟件包括微震、地音、應力等監(jiān)測系統,還包括數據分析系統、可視化系統等,該層是監(jiān)測預警平臺開發(fā)的前提條件。

(2)數據層。數據層包括數據的采集、傳輸、存儲等,數據采集主要包括工作面采掘信息、單一監(jiān)測系統數據、設備狀態(tài)數據等,數據采集的穩(wěn)定性是前兆特征分析及綜合預警的關鍵;數據傳輸主要是將采集到的數據傳遞到云端數據庫;數據存儲主要是對采集到的數據進行云端存儲,還包括對數據分析結果、模型計算結果等的存儲。

(3)特征層。主要是對監(jiān)測數據進一步分析,根據烏東煤礦的特點,對各個監(jiān)測系統進行前兆信息特征提取,并尋找出有價值的特征指標,通過設定閾值的方式,對災害進行實時預測,為沖擊地壓防治提供參考。

(4)模型層。利用機器學習、神經網絡、遺傳算法等形成智能算法,對海量監(jiān)測數據進行智能清洗和分析,結合各監(jiān)測系統的優(yōu)勢,建立多系統多參量綜合預警模型,模型可自學習、自適應調整,形成統一的預警準則、預警指標、預警臨界值,實現預警技術的定量化、精準化和智能化。

(5)應用展示層。該層主要通過中控大屏、PC端、移動端等方式,是對數據層、特征層、模型層的結果進行可視化展示,主要展示內容為實時數據感知結果、前兆信息挖掘結果、沖擊危險評價結果、多元融合預警結果、一件報表生成等。

3 平臺應用與展示

3.1 平臺概覽

烏東煤礦監(jiān)測預警平臺的基本功能是完成客戶端到服務器數據的實時傳輸,服務器端對數據的實時發(fā)布以供遠程技術服務中心、集團公司、各礦主管部門等進行實時查看。該平臺主要由主界面和四大功能模塊組成。其中,主界面包括標題區(qū)、檢索區(qū)、圖表顯示區(qū)和下載專區(qū),如圖5 所示,可多維度宏觀呈現沖擊危險總體態(tài)勢,實現對監(jiān)測礦井沖擊危險的“全天候”、“全方位”的實時動態(tài)感知。四大功能模塊為實時監(jiān)測模塊、綜合預警模塊、報表系統模塊、設備管理模塊,如圖6 所示。主界面關聯相應的功能模塊,可快捷跳轉。

圖5 烏東煤礦監(jiān)測預警一張圖Fig.5 One map of monitoring andwarning for Wudong coal mine

圖6 平臺功能模塊組成Fig.6 Platform functional modules composition

3.2 實時監(jiān)測模塊

實時監(jiān)測模塊實現了對微震、地音、電磁輻射、礦山壓力等各監(jiān)測系統數據的同步性和兼容性,實現多個系統集中在一個屏幕切換顯示,如圖7 所示。具體包括以下功能:① 資料室現場實時數據查看;② 歷史數據查詢;③ 監(jiān)測點位選取;④ 數據下載與導出;⑤ 數據列表及數據分析圖的切換。

圖7 實時監(jiān)測模塊界面圖(以微震監(jiān)測為例)Fig.7 Real-time monitoring module interface diagram (Microseismic monitoring)

3.3 綜合預警模塊

綜合預警模塊包括微震系統預警、地音系統預警、液壓支架系統預警、多系統多參量綜合預警四部分,并對各單系統預警指標及其臨界值進行展示,相對于單系統預警,多元融合預警的準確率大大提高。

以遺傳算法為例,對該模塊的流程進行詳細的介紹。遺傳算法[20-21]是一種隨機搜索算法,通過數學的方式,將問題的求解過程轉化為類似生物進化過程中的交叉、變異等過程,具有較強的自適應搜索特征。

3.3.1 指標體系

利用數據挖掘、統計分析等方法,從“時—空—強”三個維度建立多系統多參量監(jiān)測預警指標體系,如表1 所示,有效地克服了單一指標監(jiān)測預警的弊端。

表1 多系統多參量監(jiān)測預警指標體系Table 1 Multi-system,multi-parameter monitoring and early warning index system

3.3.2 單系統預警

單系統預警模型具體構建步驟:① 對烏東煤礦歷史監(jiān)測數據進行深入挖掘,獲取各監(jiān)測系統多參量預警指標,如表1 所示;② 通過遺傳算法,迭代尋優(yōu)出各預警指標的最佳預警臨界值V、預警效能R和預警周期T;③ 將R值最大的2 ～3 個預警指標作為最優(yōu)預警指標組合,計算最優(yōu)組合各探頭或者支架的預警程度Wi和預警效能Ri;④ 根據公式(1),計算出各監(jiān)測系統的預警結果。

式中,WI為各單系統預警結果;Wi為單系統最優(yōu)預警指標組合的預警程度;Ri為單系統最優(yōu)預警指標組合的預警效能;ai、bi為最優(yōu)組合的預警指標;V1、V2為預警指標臨界值。

其中,預警效能運用R值評分法進行計算,他是20 世紀70 年代提出的評價地震預報能力的方法[18],幾十年來得到了廣泛應用,應用效果良好,R值計算式如下:

式中,各參數如圖8 所示?！鞍l(fā)生”為發(fā)生沖擊地壓或大能量礦震事件;“未發(fā)生”為未發(fā)生沖擊地壓或大能量礦震事件;N0為未發(fā)生沖擊地壓或大能量礦震事件的次數;N1為發(fā)生沖擊地壓或大能量礦震事件的次數。

圖8 預警效能混淆矩陣Fig.8 Early warning effectiveness confusion matrix

3.3.3 多系統多參量綜合預警

多元融合預警模型構建:基于上述各系統預警結果W和預警效能R,應用綜合異常指數法,通過公式(4)進行多系統多參量綜合集成,構建多系統多參量集成綜合預警模型,并將其分為無沖擊危險,弱沖擊危險,中等沖擊危險,強沖擊危險4 個等級,劃分依據見表2,針對不同的風險等級,可采取相應的防治措施。

表2 沖擊地壓危險等級劃分Table 2 Rockburst hazard class classification

式中,IC為多系統多參量集成綜合預警結果;WI為各單系統預警結果;RI為單系統預警模型的預警效能。

多系統多參量綜合預警流程見圖9,綜合預警模塊界面見圖10。

圖9 多系統多參量綜合預警流程Fig.9 Multi-system,multi-parameter comprehensive early warning flowchart

圖10 綜合預警模塊界面Fig.10 Integrated early warning module interface

3.4 報表系統模塊

如圖11 所示,報表系統模塊主要功能是實現標準化一鍵生成報表,滿足工作人員快速整理各監(jiān)測系統數據的需求,減少大量人力,協助制定科學防治決策,且能供公司檢查和存檔。煤礦管理人員和檢查人員能通過報表獲得每日的工作面具體情況,包括掘進面情況、微震事件、地音事件、電磁輻射事件、鉆屑事件、液壓支架、解危事件、產量、回采率、推進度、進刀放煤事件統計、生產組織安排的內容等,且審核人員可對信息進行審核修改。除此之外,報表系統還可查找歷史報表下載記錄,包括下載時間、原始報表、審核時間等。

圖11 報表系統模塊界面Fig.11 Reporting system module interface

3.5 設備管理模塊

如圖12 所示,設備管理模塊主要功能是管理設備運行的狀態(tài),對處于故障狀態(tài)的設備進行及時顯示,便于員工了解設備運行情況,并及時維修更換,避免監(jiān)測不全面,發(fā)生事故。當工作面掘進或回采完成后,可通過設備管理系統關閉工作面,實時監(jiān)測模塊和綜合預警模塊將不再顯示該工作面數據,生成的報表將不用填寫該關閉工作面信息。

圖12 設備管理模塊界面Fig.12 Device management module interface

4 結論及展望

本研究為保障烏東煤礦安全、持續(xù)生產,運用大數據、云計算、人工智能等技術方法,建立了沖擊地壓監(jiān)測預警平臺,主要得出以下結論:

(1)烏東煤礦沖擊地壓監(jiān)測預警平臺實現了微震、地音、應力等監(jiān)測數據的實時采集和傳輸,通過數據分析,實現前兆信息特征挖掘、多元特征融合預警和分級管理,及時發(fā)布預警信息,進一步推進煤礦智能化發(fā)展和精準化防控。

(2)在沖擊地壓綜合預警方面,運用人工智能算法,集成各監(jiān)測系統的優(yōu)勢,建立了多系統多參量綜合預警模型,實現礦井災害智能化預警,促進沖擊地壓科學防治。

(3)集團公司、監(jiān)管部門等可通過瀏覽器獲取預警信息和綜合管控意見,并可一鍵生成報表,節(jié)省大量人力、物力,從而指導礦山沖擊地壓防治工作。

(4)開發(fā)的監(jiān)測預警平臺雖已有現場應用實踐,但沖擊地壓機理復雜,平臺系統的監(jiān)測設備布置、指標體系和核心算法等,仍需要在現場實踐中不斷完善。