沖擊地壓實時監測預警GIS 云平臺

張拴才，韓澤鵬，陳潤合，王富強，鞏思園

（1.華能慶陽煤電有限責任公司 核桃峪煤礦，甘肅 慶陽745000；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州221116；3.甘肅華亭煤電股份有限公司 東峽煤礦，甘肅 平涼744000）

近年來，沖擊地壓等煤礦動力災害發生頻繁，在東部、中部和西部礦井時有發生，其中僅山東省采深超千米的礦井就有十幾座，具有沖擊地壓災害的生產礦井達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入深部開采。深部礦井由于埋深大，由重力和水平應力等組成的基礎靜載高，沖擊地壓發生的門檻低，因此必須加強對沖擊地壓危險的監測預警[2]。目前我國大部分沖擊地壓礦井配備了微震監測系統[3-6]、應力在線系統等監測設備，同時建立的沖擊地壓監測預警云平臺可以集中有限的防沖資源，解決礦井專業分析人員缺乏的問題，進而提升沖擊地壓監測預警的效率。沖擊地壓監測預警云平臺收集的大量礦震、礦壓等信息可以運用大數據技術進行分析，從而為沖擊地壓的監測預警提供了新的思路。當前在計算機硬件、軟件系統支持下，GIS[7]技術十分適合應用于煤礦沖擊地壓監測預警云平臺的建設中，為云平臺的搭建提供了一種先進手段。

1 沖擊地壓監測預警云平臺建立的意義

1）實現遠程監控及專家遠程指導。云平臺通過互聯網及數據傳輸技術[8]，可加快沖擊礦井相關信息的傳播速度，使專業人才通過專家云遠程指導現場沖擊地壓的防治工作。云平臺具備網絡發布及信息瀏覽等功能，可提高監管部門對沖擊礦井的監控。

2）集成工作面生產及防沖信息。云平臺通過礦井終端獲取各類實時監測與防治信息，云平臺的數據存儲功能可以將工作面掘進和回采過程中的相關數據進行記錄，極大地方便了數據的調用與分析。云平臺可建立工作面從掘進到回采的數據庫，從而為本礦其他工作面沖擊危險的預警及防治提供借鑒。

3）實現監防互饋，提升防沖效率。云平臺可實現1 張圖管理和監防互饋，通過GIS 技術將礦井在時間和空間2 個維度上的生產信息、礦壓信息、礦震信息、實時監測預警信息及防治信息進行直觀展示，監測預警結果可直接指導現場防沖，云平臺包含的監測預警功能可對防沖解危效果進行檢驗，從而實現監防互饋，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據庫。云平臺收集了多個沖擊礦井的礦震數據及其他相關信息，建立了沖擊地壓防控的聯合平臺，從而可以從更高維度揭示其發生機理及影響因素，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，大量數據為運用大數據分析及人工智能等手段預警沖擊地壓提供了條件。

2 沖擊地壓監測預警云平臺框架及功能

沖擊地壓監測預警云平臺建設主要包括軟、硬件2 部分，沖擊地壓監測預警云平臺架構如圖1。云平臺底層硬件部分是由SOS 微震監測系統、應力在線系統及其他礦壓監測系統形成的監測網絡。監測系統實時采集到信息后，經分析人員進行處理，可獲得礦震及工作面應力集中區等信息，礦端信息傳輸軟件將實時上傳監控信息至云平臺服務器。云平臺服務器對信息進行接收和存儲，可供研究人員調取，并運用專家系統指導沖擊危險預警和防治措施制定等工作，最后可將預警及防治信息發布在云平臺上，礦端用戶及監管用戶通過網絡瀏覽器即可看到預警和防治意見，從而指導井下的防治與管理工作。

圖1 沖擊地壓監測預警云平臺架構Fig.1 Cloud platform architecture for rock burst monitoring and early warning

沖擊地壓監測預警云平臺中軟件系統包括客戶端、服務器端以及瀏覽發布模塊3 大部分。客戶端系統主要將各監測系統的操作分析結果上傳到云平臺服務器。服務器端軟件系統主要完成數據處理、添加客戶端、界面顯示等功能，數據處理包括基礎信息配置、將數據文件轉換為圖片、圖表等直觀顯示的形式。瀏覽發布模塊通過檢索數據查詢各礦區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，并根據用戶權限提供下載，瀏覽等業務。

2.1 數據實時傳輸系統

沖擊地壓監測預警云平臺數據傳輸系統在.Net平臺下使用C/S 結構實現。由于礦端網絡環境復雜多樣，監測系統種類多樣，可應用Socket 和WebServices技術實現礦端數據在廣域網的傳輸，通過在煤礦端部署數據收集解析程序，在服務器端搭建Web 服務器、數據服務器和數據接收程序形成數據傳輸系統網絡體系結構，數據傳輸系統網絡體系結構如圖2。

本系統充分考慮了多礦端、多設備、多類型數據的傳輸存儲，具備良好的可擴展性。為了適應礦端各監測設備種類多，實現技術差異性大，數據存儲分散等特點，所設計的數據傳輸端可以直接部署在終端，也可部署在局域網中的某1 臺終端上。沖擊地壓監測預警云平臺嵌入了礦井的各類監測系統，以微震監測系統為例介紹程序設計思路。

圖2 數據傳輸系統網絡體系結構Fig.2 Data transmission system network architecture

1）微震監測系統采集到新的礦震后，通過標波軟件對礦震事件進行計算后按標準格式傳輸至云平臺服務器，并存入該礦相應日期的文件夾下，若礦震事件能量值超過預警值，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）云平臺服務器在接收到微震監測系統基礎數據后，可對礦震數據進行分析處理，將數據變為圖表等形式，同時將礦震數據及其他監測數據進行分析預警，最后將數據處理結果及預警結果等信息實時發布在云平臺上，礦端及監管機構可實時調閱。

3）礦端服務器可以查閱SOS 微震監測系統的歷史數據及分析圖表，云平臺服務器接收到請求后，可將相關數據發回礦端。

由于監測系統多樣，數據量大，傳輸格式包括文本、數據集等多種格式，因此采用Socket 實現客戶端與服務器的數據傳輸。在礦端各監測系統部署軟件實現數據的收集、格式化以及傳輸。在中國礦業大學部署數據云平臺服務器以及網站服務器，實現數據的解碼、存儲、轉發以及服務內容發布。在礦端部署本地服務器，實現數據的本地化，為煤礦沖擊地壓遠程綜合監測預警分析軟件等礦端軟件進行分析提供數據基礎。

2.2 沖擊地壓實時預警模型

GIS 云平臺內嵌了綜合預警模型來對沖擊危險進行實時預警，實現過程主要包括：前兆指標歸一化、前兆指標權重確定和智能綜合預警模型。

由于各指標量綱不同，為定量化描述各前兆指標的異常水平，可引入可靠性分析理論[9]將預警指標進行歸一化，歸一化公式如式（1），其中對于正向與負向異常指標，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 個指標在第j 個時間窗內的歸一化結果；t 為時間窗的結束時刻；Qij為第i 個指標在第j 個時間窗內計算的指標值；Qimax、Qimin分別為所有時間窗內第i 個指標值的最大值、最小值。

為評價各前兆指標的重要性，選用混淆矩陣法來動態計算各指標的預警效能權重，將各指標對沖擊地壓的預警結果寫為混淆矩陣的標準形式。混淆矩陣如圖3。圖3 中TP 表示預警發生，實際發生；FP表示預警發生，實際未發生；FN 表示預警不發生，實際發生；TN 表示預警不發生，實際未發生。通過計算混淆矩陣中的F 值來得到各前兆指標的權重值。

圖3 混淆矩陣Fig.3 Confusion matrix

各前兆指標權重wi可采用式（3）來確定：

式中：Fi為第項前兆指標的值；∑Fi為各前兆指標值的和。

將系統監測的各類數據傳入GIS 云平臺后，可實時計算得到各前兆指標值，然后給各前兆指標賦予權重，并按式（4）計算n 個前兆指標的綜合預警值Z（t），最后采用高斯隸屬函數[9]計算其隸屬情況，進而給出時刻t 的沖擊地壓危險預警結果（無或弱或中或強）。

3 現場應用

根據沖擊地壓監測預警云平臺建設的思路，在山東、陜西、內蒙等28 個沖擊地壓礦井進行了現場試驗，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 微震監測系統、應力在線監測系統等實時在線監測系統，當監測有沖擊危險時，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警功能

沖擊地壓預警模型實時運行在云平臺，可對SOS 微震監測系統和應力在線監測系統上傳的各類數據進行前兆指標計算。沖擊地壓危險綜合預警結果如圖4。該礦井某工作面的沖擊危險是由11 個前兆指標[11]分別賦予權重后計算得出，綜合預警結果為0.9，表明該工作面此時具有強沖擊危險。

圖4 沖擊地壓危險綜合預警結果Fig.4 Comprehensive early warning result of rockburst

3.2 信息集成與監防互饋

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 云服務支撐下，設計了鉆屑檢測、煤體卸壓爆破、大直徑鉆孔、應力在線、礦震分布和CT 空間反演[12]結果的顯示，可在實時預警基礎上，給出沖擊危險的空間分布特征，從而在時間和空間2 個維度下實現對沖擊地壓危險的全面預警。

云平臺可直觀展示大直徑等防治措施的實施區域、時間及施工情況，在云平臺給出預警危險等級和區域后，礦方可立即評估已有措施實施情況，并根據當前沖擊危險狀態制定補強卸壓方案，而后可采用下一階段的預警結果對卸壓效果進行驗，從而實現監測預警與防治的互饋效果。

3.3 效果檢驗

該面預警有強沖擊危險后，采用震動波CT 反演技術得到的沖擊地壓危險空間預警結果如圖6。之后該面在生產過程中出現有1.2×105J 的較強礦震，也驗證了預警結果的準確性。隨后為充分降低沖擊危險等級，對危險區域在已有卸壓措施基礎上進行了補強卸壓，卸壓措施實施完成后，下一階段的沖擊地壓危險空間預警結果表明，卸壓措施起到了有效降低沖擊危險的目的，實現了平臺監防互饋的目標。

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

4 結 語

提出了云平臺建立的整體框架和思路，詳細介紹了云平臺數據傳輸和實時預警過程，在SuperMap GIS 云服務支撐下建立了包含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警與監防互饋功能，并以某礦為例對平臺的監測預警效果進行了檢驗。