張明鵬，曹連民，李 鵬，楊朋威

(1.內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司 巴彥高勒煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)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(fā)生劇烈破壞的動力現(xiàn)象，同時伴有突水、火災(zāi)、瓦斯爆炸等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦山生產(chǎn)安全[1-5]。對沖擊地壓進(jìn)行實時有效的預(yù)測及防治，是目前國內(nèi)外研究的重要課題。近年來我國在沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方面進(jìn)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(jiān)測系統(tǒng)；尹永明等[10]研發(fā)了利用當(dāng)量鉆屑量對沖擊災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警的掘進(jìn)面沖擊地壓實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所[11-13]通過三維應(yīng)力傳感器技術(shù)理論、狀態(tài)信息實時感知及智能在線處理等方面的研究，研發(fā)出煤礦沖擊地壓動態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

目前我國在沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方面取得了一定的成果，但當(dāng)前沖擊地壓監(jiān)測技術(shù)多是基于單物理量變化規(guī)律開發(fā)，存在相應(yīng)預(yù)測工作在時間和空間上不連續(xù)、數(shù)據(jù)分析及應(yīng)力狀態(tài)判斷要求高、預(yù)報精度低、監(jiān)測系統(tǒng)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(jié)構(gòu)及破壞當(dāng)前巷道的支護(hù)系統(tǒng)，使巷道失去平衡，發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?，?yán)重影響井下開采工作的正常進(jìn)行[17]。因此，有必要建立沖擊地壓風(fēng)險綜合智能監(jiān)控預(yù)警平臺保證礦井正常生產(chǎn)。結(jié)合巴彥高勒煤礦的實際情況，依托網(wǎng)絡(luò)信息通信和計算機(jī)編程技術(shù)，聯(lián)合SOS、Aramis微震監(jiān)測系統(tǒng)和應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)硬件條件，建立沖擊地壓風(fēng)險綜合智能監(jiān)控預(yù)警平臺，研究并構(gòu)建大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理模型，實現(xiàn)礦震沖擊遠(yuǎn)程分析與預(yù)警信息化，為巴彥高勒煤礦礦震及沖擊礦壓預(yù)警科學(xué)決策提供技術(shù)保障。

1 綜合智能監(jiān)控預(yù)警平臺

巴彥高勒煤礦沖擊地壓監(jiān)控預(yù)警平臺可以實現(xiàn)震動、應(yīng)力等多種類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時讀取、沖擊地壓多參量實時監(jiān)測預(yù)警及監(jiān)測結(jié)果查詢，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲、聯(lián)合分析與結(jié)果展示。

巴彥高勒煤礦沖擊地壓綜合智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)采用基于多參量聯(lián)合監(jiān)測方法進(jìn)行構(gòu)建，采用“云技術(shù)”，實現(xiàn)了原始數(shù)據(jù)與分析結(jié)果的云實時同步存儲，完善了政府部門和技術(shù)團(tuán)隊對礦井遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的多級監(jiān)控、管理與協(xié)作體系。監(jiān)控預(yù)警平臺整體架構(gòu)如圖1所示。

2 綜合智能監(jiān)控預(yù)警平臺特點

2.1 綜合化

1)多參量數(shù)據(jù)自動采集。作為多參量綜合監(jiān)控預(yù)警類系統(tǒng)，監(jiān)控平臺具有兼容性和擴(kuò)展性強(qiáng)的特點，可兼容各類監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測工具，還可搭載各類指示模塊，應(yīng)急模塊。

2)多參量聯(lián)合監(jiān)控預(yù)警。監(jiān)控平臺系統(tǒng)使用多參量耦合預(yù)警算法體系，預(yù)警準(zhǔn)確率高。監(jiān)控預(yù)警平臺系統(tǒng)將各監(jiān)測系統(tǒng)危險指數(shù)算法及權(quán)重均設(shè)置可調(diào)參數(shù)，根據(jù)礦井實際監(jiān)測情況合理調(diào)整參數(shù)，保證多參量預(yù)警的準(zhǔn)確可靠。

3)監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合展示與聯(lián)合分析。系統(tǒng)對采集到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘分析，不僅實現(xiàn)了實時的多參量綜合監(jiān)控預(yù)警，而且提煉出一系列關(guān)鍵指標(biāo)，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場實際生產(chǎn)。

2.2 精細(xì)化

1)煤層單點應(yīng)力值預(yù)警到單點多指標(biāo)預(yù)警。煤層應(yīng)力由單點應(yīng)力值預(yù)警到多指標(biāo)預(yù)警，同時平臺系統(tǒng)在應(yīng)力監(jiān)測處理上采用了“應(yīng)力值”“增幅值”“增速值”三指標(biāo)聯(lián)合預(yù)警，充分挖掘數(shù)據(jù)潛在有效信息，使預(yù)警更為準(zhǔn)確。應(yīng)力多指標(biāo)預(yù)警界面如圖2所示。

圖2 應(yīng)力多指標(biāo)預(yù)警

2)區(qū)域的整體預(yù)警到局部預(yù)警。預(yù)警系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工作面實時數(shù)據(jù)聯(lián)合預(yù)警，還實現(xiàn)了工作面局部危險區(qū)的預(yù)警，實現(xiàn)沖擊地壓監(jiān)測由整體到局部的全面監(jiān)測。

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

4)基于多參量的初次來壓分析。依靠監(jiān)控預(yù)警平臺的數(shù)據(jù)匯總分析功能，對鉆屑量、微震、應(yīng)力等進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，能夠進(jìn)行初次來壓分析。

2.3 信息化

監(jiān)控平臺系統(tǒng)應(yīng)用信息化手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與傳輸，具有web、手機(jī)APP訪問云端數(shù)據(jù)、短信預(yù)警等功能，滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息化共享要求。手機(jī)移動端信息實時監(jiān)測如圖3所示。

圖3 手機(jī)端遠(yuǎn)程功能

3 巴彥高勒煤礦綜合智能監(jiān)控預(yù)警平臺應(yīng)用

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

3.1 系統(tǒng)單系統(tǒng)預(yù)警與綜合預(yù)警對比

1)單系統(tǒng)的預(yù)警情況。通過系統(tǒng)可直觀得到距微震事件較近的3組應(yīng)力測點為F19、F20、F21，事件發(fā)生前3組煤層應(yīng)力測點均未監(jiān)測到異常。事件發(fā)生前監(jiān)測應(yīng)力數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 事件發(fā)生前應(yīng)力變化情況

2)監(jiān)控平臺綜合預(yù)警情況。事件前后，工作面局部預(yù)警等級由0.58增加至0.64。其中，微震模塊預(yù)警等級由I=0.24增加至I=0.3；煤層應(yīng)力模塊由0.17降至0.13。(注：0～0.3正常監(jiān)測；0.3～0.5弱沖擊；0.5～0.8中等沖擊；0.8～1強(qiáng)沖擊)事件發(fā)生前后平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)對比如圖5所示。

圖5 事件發(fā)生前后平臺預(yù)警情況

3.2 預(yù)警后數(shù)據(jù)聯(lián)合分析

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

2)聯(lián)合數(shù)據(jù)曲線分析。通過事件發(fā)生前后“應(yīng)力-微震”聯(lián)合曲線的查詢，微震事件發(fā)生前，發(fā)生處周圍數(shù)據(jù)變化不明顯，發(fā)生后外側(cè)的F19測點應(yīng)力有增高趨勢，而內(nèi)側(cè)的F20測點應(yīng)力有下降趨勢。由此可見，大能量事件引起了應(yīng)力場的變化，應(yīng)力場的集中由F20測點轉(zhuǎn)移向了F19測點。事件發(fā)生前后“應(yīng)力-微震”聯(lián)合曲線查詢結(jié)果如圖6所示。

圖6 事件發(fā)生前后聯(lián)合曲線查詢結(jié)果

3)危險變化趨勢曲線分析。多參量關(guān)鍵指標(biāo)查詢結(jié)果曲線如圖7所示，由圖7可知，事件發(fā)生前10d內(nèi)，應(yīng)力監(jiān)測與微震監(jiān)測指標(biāo)穩(wěn)定性均不高，且表現(xiàn)出比較一致的起伏變化規(guī)律。往往不穩(wěn)定的監(jiān)測結(jié)果表征工作面附近圍巖活動的異常情況。

圖7 多參量關(guān)鍵指標(biāo)查詢結(jié)果

多參量聯(lián)合預(yù)警在預(yù)警的準(zhǔn)確率及事后數(shù)據(jù)分析的全面性上，均比單系統(tǒng)預(yù)警與分析有明顯技術(shù)優(yōu)勢。

由以上分析可知，事件發(fā)生后應(yīng)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(yīng)力轉(zhuǎn)移的情況，安排F19組測點附近的鉆檢。若出現(xiàn)鉆屑量超標(biāo)的情況及時安排局部二次卸壓解危，利用監(jiān)控平臺系統(tǒng)持續(xù)關(guān)注F19組測點及附近監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，并利用局部預(yù)警功能檢驗卸壓效果。

4 結(jié) 論

1)在現(xiàn)有沖擊地壓監(jiān)測手段的基礎(chǔ)上，根據(jù)特點重新設(shè)計了沖擊地壓風(fēng)險綜合智能監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了原始數(shù)據(jù)與分析結(jié)果的云實時同步存儲。

2)沖擊地壓風(fēng)險綜合智能監(jiān)控預(yù)警平臺可實現(xiàn)多參量數(shù)據(jù)自動采集、聯(lián)合監(jiān)控預(yù)警和分析，能夠進(jìn)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(fēng)險綜合智能監(jiān)控預(yù)警平臺更加全面和便捷，可根據(jù)監(jiān)測情況及時給出正確合理的應(yīng)急方案，巴彥高勒煤礦沖擊地壓風(fēng)險綜合智能監(jiān)控預(yù)警平臺的研發(fā)應(yīng)用極大提高了沖擊地壓的檢測效率，減少了礦山經(jīng)濟(jì)損失。