沖擊地壓風險智能監控預警平臺研究與應用

張明鵬，曹連民，李 鵬，楊朋威

(1.內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司 巴彥高勒煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017300；2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

沖擊地壓是指井巷工作面周圍煤巖體因彈性變形能突然釋放而發生劇烈破壞的動力現象，同時伴有突水、火災、瓦斯爆炸等災害，嚴重威脅礦山生產安全[1-5]。對沖擊地壓進行實時有效的預測及防治，是目前國內外研究的重要課題。近年來我國在沖擊地壓監測預警技術方面進行了很多研究[6-8]，潘一山等[9]利用電荷輻射特性研制出了在線式煤巖電荷輻射監測系統；尹永明等[10]研發了利用當量鉆屑量對沖擊災害進行預警的掘進面沖擊地壓實時監測預警系統；中國科學院武漢巖土力學研究所[11-13]通過三維應力傳感器技術理論、狀態信息實時感知及智能在線處理等方面的研究，研發出煤礦沖擊地壓動態監測預警系統。

目前我國在沖擊地壓監測預警技術方面取得了一定的成果，但當前沖擊地壓監測技術多是基于單物理量變化規律開發，存在相應預測工作在時間和空間上不連續、數據分析及應力狀態判斷要求高、預報精度低、監測系統缺乏易操作性和智能性等問題[14-16]。巴彥高勒煤礦正在回采的煤層、煤頂板巖層、煤底板巖層沖擊傾向性屬于Ⅱ類弱沖擊傾向。具有沖擊傾向性的礦井對井下巷道的影響主要是沖擊波將煤體或巖石巖拋向巷道，破壞巷道周圍煤體或圍巖的物理結構及破壞當前巷道的支護系統，使巷道失去平衡，發生冒頂等事故，嚴重影響井下開采工作的正常進行[17]。因此，有必要建立沖擊地壓風險綜合智能監控預警平臺保證礦井正常生產。結合巴彥高勒煤礦的實際情況，依托網絡信息通信和計算機編程技術，聯合SOS、Aramis微震監測系統和應力監測系統硬件條件，建立沖擊地壓風險綜合智能監控預警平臺，研究并構建大數據驅動下的沖擊礦壓發生機理模型，實現礦震沖擊遠程分析與預警信息化，為巴彥高勒煤礦礦震及沖擊礦壓預警科學決策提供技術保障。

1 綜合智能監控預警平臺

巴彥高勒煤礦沖擊地壓監控預警平臺可以實現震動、應力等多種類型的監測數據實時讀取、沖擊地壓多參量實時監測預警及監測結果查詢，能夠對數據進行存儲、聯合分析與結果展示。

巴彥高勒煤礦沖擊地壓綜合智能監控預警系統采用基于多參量聯合監測方法進行構建，采用“云技術”，實現了原始數據與分析結果的云實時同步存儲，完善了政府部門和技術團隊對礦井遠程數據的多級監控、管理與協作體系。監控預警平臺整體架構如圖1所示。

2 綜合智能監控預警平臺特點

2.1 綜合化

1)多參量數據自動采集。作為多參量綜合監控預警類系統，監控平臺具有兼容性和擴展性強的特點，可兼容各類監測系統及其監測工具，還可搭載各類指示模塊，應急模塊。

2)多參量聯合監控預警。監控平臺系統使用多參量耦合預警算法體系，預警準確率高。監控預警平臺系統將各監測系統危險指數算法及權重均設置可調參數，根據礦井實際監測情況合理調整參數，保證多參量預警的準確可靠。

3)監測數據的綜合展示與聯合分析。系統對采集到基礎數據進行充分挖掘分析，不僅實現了實時的多參量綜合監控預警，而且提煉出一系列關鍵指標，有利于指導現場實際生產。

2.2 精細化

1)煤層單點應力值預警到單點多指標預警。煤層應力由單點應力值預警到多指標預警，同時平臺系統在應力監測處理上采用了“應力值”“增幅值”“增速值”三指標聯合預警，充分挖掘數據潛在有效信息，使預警更為準確。應力多指標預警界面如圖2所示。

圖2 應力多指標預警

2)區域的整體預警到局部預警。預警系統不僅能夠實現工作面實時數據聯合預警，還實現了工作面局部危險區的預警，實現沖擊地壓監測由整體到局部的全面監測。

3)微震的日統計分析到周統計、月統計分析。巴彥高勒煤礦綜合智能監控平臺可實現任意時間間隔的微震平面圖的自動調取分析可以做到日統計分析到周統計、月統計分析。

4)基于多參量的初次來壓分析。依靠監控預警平臺的數據匯總分析功能，對鉆屑量、微震、應力等進行大數據統計分析，能夠進行初次來壓分析。

2.3 信息化

監控平臺系統應用信息化手段實現數據處理與傳輸，具有web、手機APP訪問云端數據、短信預警等功能，滿足監測數據的信息化共享要求。手機移動端信息實時監測如圖3所示。

圖3 手機端遠程功能

3 巴彥高勒煤礦綜合智能監控預警平臺應用

以巴彥高勒煤礦307工作面發生的一次1.7×104J能量的微震事件為例進行應用分析。該事件經定位，其與307運輸巷直線距離僅有8m，事件發生時附近巷道有明顯的煤炮、揚塵、巷道變形等動壓顯現情況。

3.1 系統單系統預警與綜合預警對比

1)單系統的預警情況。通過系統可直觀得到距微震事件較近的3組應力測點為F19、F20、F21，事件發生前3組煤層應力測點均未監測到異常。事件發生前監測應力數據如圖4所示。

圖4 事件發生前應力變化情況

2)監控平臺綜合預警情況。事件前后，工作面局部預警等級由0.58增加至0.64。其中，微震模塊預警等級由I=0.24增加至I=0.3；煤層應力模塊由0.17降至0.13。(注：0～0.3正常監測；0.3～0.5弱沖擊；0.5～0.8中等沖擊；0.8～1強沖擊)事件發生前后平臺監測數據對比如圖5所示。

圖5 事件發生前后平臺預警情況

3.2 預警后數據聯合分析

1)預警情況分析。事件發生后工作面局部危險等級指數由原來的0.58增加至0.63，充分展示了系統對微震大能量事件預警的高敏感性；預警前后微震指標增加而應力指標降低，表明此次大能量事件帶來了一定程度的應力釋放。

2)聯合數據曲線分析。通過事件發生前后“應力-微震”聯合曲線的查詢，微震事件發生前，發生處周圍數據變化不明顯，發生后外側的F19測點應力有增高趨勢，而內側的F20測點應力有下降趨勢。由此可見，大能量事件引起了應力場的變化，應力場的集中由F20測點轉移向了F19測點。事件發生前后“應力-微震”聯合曲線查詢結果如圖6所示。

圖6 事件發生前后聯合曲線查詢結果

3)危險變化趨勢曲線分析。多參量關鍵指標查詢結果曲線如圖7所示，由圖7可知，事件發生前10d內，應力監測與微震監測指標穩定性均不高，且表現出比較一致的起伏變化規律。往往不穩定的監測結果表征工作面附近圍巖活動的異常情況。

圖7 多參量關鍵指標查詢結果

多參量聯合預警在預警的準確率及事后數據分析的全面性上，均比單系統預警與分析有明顯技術優勢。

由以上分析可知，事件發生后應力整體集中程度降低，有由F20組測點向F19組測點的小幅度局部應力轉移的情況，安排F19組測點附近的鉆檢。若出現鉆屑量超標的情況及時安排局部二次卸壓解危，利用監控平臺系統持續關注F19組測點及附近監測數據變化情況，并利用局部預警功能檢驗卸壓效果。

4 結 論

1)在現有沖擊地壓監測手段的基礎上，根據特點重新設計了沖擊地壓風險綜合智能監測平臺，實現了原始數據與分析結果的云實時同步存儲。

2)沖擊地壓風險綜合智能監控預警平臺可實現多參量數據自動采集、聯合監控預警和分析，能夠進行基于多參量的初次來壓分析，具有信息化和時效性特點。

3)沖擊地壓風險綜合智能監控預警平臺更加全面和便捷，可根據監測情況及時給出正確合理的應急方案，巴彥高勒煤礦沖擊地壓風險綜合智能監控預警平臺的研發應用極大提高了沖擊地壓的檢測效率，減少了礦山經濟損失。