煤礦深部區(qū)域智能化防沖系統(tǒng)建設

文/張 雷

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和5G通信等先進技術在煤礦的應用逐漸成熟，智能化開采模式逐漸在我國各大礦區(qū)推廣應用，實現(xiàn)了減人提效和安全高效開采的目標。而我國東部礦區(qū)由于開采歷史悠久，淺部煤炭資源已基本開采殆盡，深部煤炭開采成為未來的必然趨勢。徐礦集團張雙樓煤礦作為東部礦區(qū)典型的深部開采礦井，受工作面圍巖體高地應力的影響，生產過程中受沖擊地壓的威脅較為嚴重，制約了深部煤炭資源的安全高效開采。針對這一問題，張雙樓煤礦結合已有的防沖經(jīng)驗，在目前的智能化建設成果的基礎上，進一步發(fā)展建設了沖擊地壓的智能化防治系統(tǒng)，以期提高深部區(qū)域沖擊地壓防治的自動化和智能化水平，加強礦井的安全生產管理能力，同時完善現(xiàn)有的智能化煤礦結構。

一、礦井概況

張雙樓煤礦位于江蘇省徐州市沛縣安國鎮(zhèn)境內，礦區(qū)井田面積約37.8km2，走向長13.5km，傾斜長2.9km。礦井設計生產能力120萬t/a，經(jīng)兩次改擴建，2009年核定生產能力為225萬t/a。因受沖擊地壓致災因素影響，2019年礦井生產能力按要求核減到180萬t/a。目前采掘活動主要集中在-500m西一采區(qū)、-500m西三采區(qū)、-1000m延伸采區(qū)、-1000m西三下山采區(qū)，其中-1000m延伸采區(qū)及-1000m西三下山采區(qū)埋深均在-1000m以下。

張雙樓煤礦深部區(qū)域開采面臨的主要問題為沖擊地壓，是制約礦井安全生產發(fā)展的瓶頸之一。為了有效降低深部區(qū)域工作面開采的沖擊危險性，張雙樓煤礦在煤礦智能化建設的引領下建立了智能化防沖系統(tǒng)，以期為深部區(qū)域煤炭資源的安全開采提供有效保障。

二、智能化防沖系統(tǒng)構成及功能

張雙樓煤礦智能化防沖系統(tǒng)主要由地音監(jiān)測系統(tǒng)、智能鉆屑系統(tǒng)、雙震源CT監(jiān)測系統(tǒng)、沖擊危險區(qū)域智能限員系統(tǒng)和沖擊地壓風險智能判識與多參量監(jiān)測預警云平臺構成。

1.地音監(jiān)測系統(tǒng)

地音監(jiān)測技術原理是通過接收煤巖體介質內部在載荷作用下發(fā)生微破裂時的聲波，探索主破裂發(fā)生的前征兆信息和破裂后的演化規(guī)律。其所監(jiān)測的地音事件能量較弱，震動頻率較高，在300～2000Hz，即低能高頻信號。

沖擊地壓地音監(jiān)測系統(tǒng)采用總分式結構，根據(jù)監(jiān)測內容（頂板活動、煤層片幫或破裂）的不同，可用于工作面或巷道圍巖體破裂狀態(tài)的監(jiān)測。傳感器與工作面為40～100m的距離，傳感器間距40～50m為宜。

2.智能鉆屑系統(tǒng)

傳統(tǒng)鉆屑法數(shù)據(jù)的獲取和危險性判別主要靠人工完成，主觀影響因素過大，開展鉆屑法監(jiān)測自動控制、自動報警及鉆屑檢測智能稱重技術研究可提供更加精確的局部監(jiān)測，實現(xiàn)動力災害危險性判別與預警的智能化、規(guī)范化和標準化。張雙樓煤礦通過聯(lián)合設備廠家開展新型煤層應力鉆屑檢測鉆機研究，實現(xiàn)其遠程控制、自動行走、自動控制鉆進速度、智能稱量煤粉重量等功能，提供更加安全、精確的局部監(jiān)測。

3.雙震源CT監(jiān)測系統(tǒng)

雙震源CT監(jiān)測系統(tǒng)利用主、被動雙源震動波一體化反演技術，可定期進行應力場探測反演，高效率、大范圍、高分辨率地反演采掘工作面區(qū)域的波速分布，從而確定監(jiān)測區(qū)域內的應力場分布特征，劃分沖擊危險區(qū)域。基于震動波速構建沖擊危險預警指標，可準確預警探測區(qū)域內的沖擊危險級別的分布范圍，從而提高防沖管理工作的針對性和準確性。

4.沖擊危險區(qū)域智能限員系統(tǒng)

根據(jù)《防治煤礦沖擊地壓細則》要求，人員進入沖擊地壓危險區(qū)域時必須嚴格執(zhí)行“人員準入制度”。

沖擊危險區(qū)域智能限員系統(tǒng)主要由井下、井上兩部分組成，每個工人均佩戴有源防爆射頻卡，并在每個施工巷道內安裝2臺射頻信號接收基站，1臺安裝在巷道入口處，另一臺安裝在距離巷道入口20m處，根據(jù)基站讀取卡的先后順序來判斷工作人員的進出、作業(yè)人員作業(yè)情況，作業(yè)時間、人員數(shù)量以及身份信息都在遠程監(jiān)測系統(tǒng)之中。

沖擊危險區(qū)域智能限員系統(tǒng)采用了如圖1所示7個主要軟件功能模塊。各模塊的具體功能如下。

圖1 煤礦限員管理系統(tǒng)功能結構圖

（1）沖擊危險區(qū)域智能限員系統(tǒng)，實時統(tǒng)計巷道內流動人員、作業(yè)人員的數(shù)量、身份等信息及作業(yè)時長。

（2）現(xiàn)場使用礦用防爆聲光報警器，其主要功能是提示人員進出危險區(qū)域，并在人員數(shù)量超限時進行聲光報警，提示人員禁止進入。

（3）系統(tǒng)可通過井下LED顯示屏實時顯示各工作面的當前作業(yè)人員數(shù)量，并可根據(jù)時間段的不同動態(tài)調節(jié)采面的限員人數(shù)。

（4）當巷道內發(fā)生危險情況時，可通過人員佩戴的身份識別卡發(fā)出的射頻信號，迅速實施救援，爭取救援時間。

（5）地面控制分站接入地面環(huán)網(wǎng)，與系統(tǒng)上位機組態(tài)軟件無縫對接，并實時監(jiān)控作業(yè)人數(shù)。

5.沖擊地壓風險智能判識與多參量監(jiān)測預警云平臺

張雙樓煤礦沖擊地壓風險智能判識與多參量監(jiān)測預警云平臺目前在74104回采工作面、9201回采工作面、94602掘進工作面和94102掘進工作面應用，其具體應用效果如下。

（1）實時、直觀、分級顯示監(jiān)測區(qū)域沖擊危險狀態(tài)。基于張雙樓煤礦采掘工作面監(jiān)測區(qū)域內微震數(shù)據(jù)，利用云平臺多參量預警指標及其權重，包括沖擊變形能時序指數(shù)、應力在線預警指標、時序集中度指標、時空擴散性預警指標、時間信息熵、時間窗總應力當量、時間窗總頻次、活動度、空間信息熵、算法復雜性、缺震和能量信息熵指標，從而計算出監(jiān)測區(qū)域內沖擊危險綜合預警結果和沖擊危險狀態(tài)（無、弱、中等、強）。比如，通過對74104工作面監(jiān)測區(qū)域內沖擊危險狀態(tài)的監(jiān)測分析，74104工作面當前沖擊危險狀態(tài)顯示A（無），并顯示當天最大礦震、30天最大礦震、當天最大應力、30天最大應力、防治措施（卸壓爆破、大直徑鉆孔）等。

基于沖擊地壓多參量預警指標，云平臺能夠實現(xiàn)多參量預警指標風險變化趨勢的展示與分析。比如，依據(jù)對74104工作面2020年1月1日到2021年4月8日內多參量預警指標風險變化趨勢曲線圖，可分析這一時間段內各個預警指標的沖擊危險結果以及綜合預警結果。

（2）工作面微震事件實時顯示及查詢。基于74104工作面監(jiān)測區(qū)域內的微震事件，云平臺設置了微震事件實時顯示及查詢功能，默認顯示當前時間前15天微震事件，鼠標懸停微震事件圓球上方時，可快速顯示震動能量、事件，直觀查看震動位置，通過鼠標左鍵、滾輪實現(xiàn)礦井礦圖的放大、縮小、平移功能。

（3）工作面微震數(shù)據(jù)展示與分析。基于74104工作面監(jiān)測區(qū)域內的微震事件，云平臺設置了微震數(shù)據(jù)展示與分析功能，主要分析所選時間段內的礦震總能量、礦震最大能量、礦震頻次，平臺具有自動生成微震頻次能量曲線圖、礦震事件柱狀圖的功能，并且能夠生成曲線圖、柱狀圖、數(shù)據(jù)表等多種格式。此外，云平臺還自帶歷史數(shù)據(jù)查詢、圖表自動生成、圖表導出保存及打印等功能。

（4）直觀展示工作面震動波CT反演預警結果。根據(jù)74104工作面監(jiān)測區(qū)域內的微震數(shù)據(jù)，基于SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)的震動波CT反演技術，利用云平臺震動波CT反演預警模塊，調用CT反演數(shù)據(jù)及云圖，直觀顯示74104工作面高應力區(qū)及潛在沖擊危險區(qū)。震動波CT反演云圖顏色越深（紅色區(qū)域）表示該區(qū)域為高應力危險區(qū)。

（5）工作面沖擊變形能指數(shù)時序預警。根據(jù)74104工作面監(jiān)測區(qū)域內的微震數(shù)據(jù)，利用云平臺沖擊變形能指數(shù)時序預警模塊，生成74104工作面沖擊變形能指數(shù)時序預警云圖，圖中顏色越深（紅色區(qū)域）表示該區(qū)域沖擊危險程度越大。

（6）工作面鉆屑、卸壓鉆孔防治信息集成展示與分析。根據(jù)74104工作面鉆屑監(jiān)測、大直徑卸壓鉆孔、卸壓爆破鉆孔的施工方案及其參數(shù)，利用云平臺的防治措施模塊、鉆屑模塊直觀展示工作面內鉆屑監(jiān)測、卸壓防治工作及其施工參數(shù)等信息。

（7）實時顯示工作面進尺。根據(jù)74104工作面回采速度，云平臺的進尺模塊具有實時顯示工作面進尺的功能。

三、智能化防沖系統(tǒng)應用效益分析

智能化防沖系統(tǒng)的應用能夠有效改善張雙樓煤礦的安全生產條件。防沖層面的智能化改造旨在創(chuàng)造一個安全可控的生產環(huán)境，通過地音監(jiān)測系統(tǒng)、智能鉆屑系統(tǒng)、雙震源CT監(jiān)測系統(tǒng)、沖擊危險區(qū)域智能限員系統(tǒng)和沖擊地壓風險智能判識與多參量監(jiān)測預警云平臺的應用，借助礦井地面集中監(jiān)測監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、報警聯(lián)動、精確人員定位等手段，使得安全生產管理全過程更加透明，風險預警預報更加精準及時。智能化防沖系統(tǒng)實現(xiàn)了無人或少人值守，大大降低了安全生產事故率，煤礦安全生產周期將大幅延長。

四、結論

在礦井開采尤其是深井開采過程中，沖擊地壓防治是保證井下安全生產的重中之重。在智能化煤礦建設的引領之下，張雙樓煤礦結合當前的防沖經(jīng)驗與技術，建立了深部礦井智能化防沖系統(tǒng)，開發(fā)了沖擊地壓風險智能判識與多參量監(jiān)測預警云平臺，實現(xiàn)了深部礦井沖擊危險性區(qū)域智能判定以及防沖措施效果智能鑒定。該系統(tǒng)不僅能夠有效改善深部礦井安全生產條件，還能進一步實現(xiàn)井下無人或少人值守，對同類型礦井的智能化建設及沖擊地壓的智能化防治有一定的借鑒意義。