張修峰，曲效成，魏全德

( 1.兗礦集團(tuán)有限公司 煤礦沖擊地壓防治研究中心，山東 鄒城 273500；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083 )

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2011年以來(lái)，我國(guó)發(fā)生重大沖擊地壓事故27起，已造成300多人傷亡，摧毀巷道數(shù)千米，嚴(yán)重影響了礦山企業(yè)安全生產(chǎn)，且隨著開采深度的不斷增加，沖擊地壓災(zāi)害呈現(xiàn)“礦井?dāng)?shù)量快速增加、災(zāi)害程度越來(lái)越嚴(yán)重”的不良局面[1-5]。

沖擊地壓監(jiān)控預(yù)警是避免事故發(fā)生的關(guān)鍵手段之一。我國(guó)各礦山企業(yè)、科研單位、設(shè)備廠家經(jīng)過(guò)十余年的研究、開發(fā)和實(shí)踐，煤礦防沖監(jiān)測(cè)手段不斷豐富，對(duì)于單參量的防沖監(jiān)測(cè)方法及裝備取得了大量的研究成果，如應(yīng)力監(jiān)測(cè)[6-7]、微震監(jiān)測(cè)[8-10]、鉆屑量監(jiān)測(cè)[11]、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)[12-13]、電磁輻射監(jiān)測(cè)[14-16]、震動(dòng)波CT監(jiān)測(cè)[17-18]等。然而，這些研究成果多是單參量的沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)預(yù)警，其預(yù)警的準(zhǔn)確性尚不能滿足工程現(xiàn)場(chǎng)需要，對(duì)于多參量的沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的研究成果相對(duì)較少[19-23]。

從兗礦集團(tuán)沖擊地壓防治現(xiàn)狀出發(fā)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、預(yù)警方法研究、平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，探索了新形勢(shì)下沖擊地壓的監(jiān)測(cè)監(jiān)控新模式。

1 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警存在的技術(shù)難題

1.1 全國(guó)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)我國(guó)近百座沖擊地壓礦井現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與分析，發(fā)現(xiàn)沖擊地壓礦井的監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治存在以下幾個(gè)共性技術(shù)問(wèn)題：

( 1 ) 沖擊地壓監(jiān)測(cè)參量和設(shè)備生產(chǎn)廠家多，造成各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及不同廠家生產(chǎn)的同類系統(tǒng)之間難以建立統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)接口，各個(gè)沖擊地壓監(jiān)測(cè)參量之間缺乏“時(shí)空”關(guān)聯(lián)性，且多為單指標(biāo)預(yù)警，預(yù)警結(jié)果無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)合分析，監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。

( 2 ) 沖擊地壓礦井配備了多套沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中各系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置預(yù)警指標(biāo)，未實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警沖擊地壓。

( 3 ) 部分監(jiān)測(cè)預(yù)警參量缺失或獨(dú)立，尤其是井上相關(guān)監(jiān)測(cè)參量未能參與預(yù)警，導(dǎo)致沖擊地壓預(yù)警準(zhǔn)確性受限。如地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未能接入，缺乏井上與井下的聯(lián)合預(yù)警。

( 4 ) 缺乏動(dòng)靜態(tài)聯(lián)動(dòng)預(yù)警判別，已有的多參量聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警僅僅實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參量的聯(lián)合分析，尚未實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)-靜態(tài)聯(lián)合監(jiān)測(cè)分析與預(yù)警，尤其是預(yù)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開采信息、卸壓、支護(hù)等數(shù)據(jù)的動(dòng)靜聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警尚待進(jìn)一步研究。

( 5 ) 監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果與管理處置時(shí)效性差，部分已實(shí)現(xiàn)多參量聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警的先進(jìn)礦井，在出現(xiàn)預(yù)警時(shí)，仍需人工紙質(zhì)審批與研判，造成預(yù)警處置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

( 6 ) 沖擊地壓數(shù)據(jù)挖掘、分析利用程度低，受限于以上所描述的問(wèn)題，加之現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)技術(shù)人員數(shù)量不足，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、沖擊地壓防治工作的指導(dǎo)與監(jiān)測(cè)裝備投入不匹配。

1.2 兗礦集團(tuán)沖擊地壓現(xiàn)狀

兗礦集團(tuán)自2001年6月起，先后在東灘、濟(jì)三、南屯、趙樓等煤礦發(fā)生破壞性沖擊地壓20余次，共計(jì)造成4人死亡，7人重傷，983 m巷道破壞。近年來(lái)隨著兗州礦區(qū)礦井開采深度、開采范圍不斷增大，受煤柱及厚硬覆巖影響的礦井，彈性震動(dòng)、沖擊波、礦震、煤炮等形式的動(dòng)壓顯現(xiàn)時(shí)有發(fā)生。

隨著兗礦集團(tuán)陜蒙、新疆開發(fā)戰(zhàn)略的快速推進(jìn)，省外礦井依據(jù)《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》開展了煤層及其頂?shù)装鍘r層的沖擊傾向性鑒定和沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，其中石拉烏素煤礦、營(yíng)盤壕煤礦和硫磺溝煤礦為沖擊地壓礦井。兗礦集團(tuán)下屬?zèng)_擊地壓礦井有11座，見表1。

表1 兗礦集團(tuán)沖擊地壓礦井分布Table 1 Distribution of coal burst mines in Yankuang Group

兗礦集團(tuán)下屬?zèng)_擊地壓礦井裝備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有：應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)( KJ743，KJ615，KJ550，KJ216和KJ24等 )、微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)( ARAMIS，SOS和KJ551 )、地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)( KJ479 )和電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)( KBD5 )等，系統(tǒng)涉及的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家近10家。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)繁多，生產(chǎn)廠家各異，同類型不同型號(hào)系統(tǒng)的安裝標(biāo)準(zhǔn)、性能參數(shù)及各礦建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分析深度等均存在較大差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)挖掘、智能分析程度較低，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

通過(guò)調(diào)研與分析，兗礦集團(tuán)對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治主要存在以下問(wèn)題：① 沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量多；② 沖擊地壓礦井地區(qū)性分布廣，地質(zhì)及開采技術(shù)條件差異性大，影響沖擊地壓發(fā)生的因素不同，沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制各異；③ 監(jiān)測(cè)裝備多，生產(chǎn)廠商多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型多；④ 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)信息未能聯(lián)合分析；⑤ 預(yù)警與處置措施的防沖閉環(huán)管理多為人員匯報(bào)，高水平的防沖技術(shù)人員不足。

因此，亟需開展沖擊地壓多維度多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警方法研究，建立預(yù)警指標(biāo)體系，開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)。通過(guò)可視化方式進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)性綜合展示與風(fēng)險(xiǎn)研判，為精準(zhǔn)監(jiān)管和施策提供科學(xué)支撐，提高沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警準(zhǔn)確性和時(shí)效性，有效遏制沖擊地壓事故的發(fā)生。

2 沖擊地壓多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

2.1 基于沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的監(jiān)測(cè)分區(qū)

為提高沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性，解決預(yù)警空間域的劃分，實(shí)現(xiàn)“分類預(yù)警”，提出了沖擊地壓監(jiān)測(cè)大分區(qū)與小分區(qū)的理念。沖擊地壓監(jiān)測(cè)大分區(qū)為測(cè)區(qū)劃分，暫定以單個(gè)掘進(jìn)工作面、單個(gè)回采工作面或上下山/大巷等為單位進(jìn)行劃分，大分區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警主要體現(xiàn)區(qū)域性整體沖擊危險(xiǎn)性，可以根據(jù)該區(qū)域沖擊地壓發(fā)生的類型、影響因素等，選擇監(jiān)測(cè)參量，配置預(yù)警權(quán)重及預(yù)警指標(biāo)。沖擊地壓監(jiān)測(cè)小分區(qū)為局部監(jiān)測(cè)分區(qū)，主要按照有擾動(dòng)與無(wú)明顯擾動(dòng)進(jìn)行劃分，預(yù)警的區(qū)域以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)空間位置為坐標(biāo)，在設(shè)定的“時(shí)間域、空間域”內(nèi)進(jìn)行沖擊地壓多參量聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警，注重體現(xiàn)局部區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性。

沖擊地壓監(jiān)測(cè)大分區(qū)與小分區(qū)劃分及關(guān)系如圖1所示。

圖1 “分類預(yù)警”指導(dǎo)下的監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分Fig.1 Division of monitoring areas under the guidance of "classified early warning"

2.2 沖擊地壓多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警算法及指標(biāo)體系

多參量預(yù)警算法主要針對(duì)致災(zāi)誘因的多源數(shù)據(jù)類型以及多參量預(yù)警指標(biāo)的相互配合機(jī)制2方面開展。

( 1 ) 全面的多源數(shù)據(jù)類型與基礎(chǔ)指標(biāo)

多參量預(yù)警的基礎(chǔ)是海量信息，傳統(tǒng)多參量預(yù)警通常以煤層應(yīng)力、微震等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主，而忽略了與沖擊地壓相關(guān)的地質(zhì)條件、開采信息、卸壓施工信息等。算法體系中數(shù)據(jù)集成類型分為“資料信息”、“開采信息”和“監(jiān)測(cè)信息”三大類16種基礎(chǔ)指標(biāo)，見表2。

( 2 ) “常規(guī)預(yù)警”與“特殊條件預(yù)警”相結(jié)合的預(yù)警機(jī)制

預(yù)警機(jī)制采用“常規(guī)預(yù)警”與“特殊條件預(yù)警”相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。常規(guī)預(yù)警模型對(duì)16項(xiàng)指標(biāo)采用權(quán)重法進(jìn)行耦合計(jì)算，文獻(xiàn)[19]和[20]已有論述。首先根據(jù)基礎(chǔ)指標(biāo)對(duì)于沖擊危險(xiǎn)的表征程度分配權(quán)重系數(shù)k，以微震監(jiān)測(cè)指標(biāo)為例，對(duì)表2中編號(hào)為4～8的5個(gè)微震基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行歸一化的權(quán)重分配，得到微震監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)Iwz，采用相同的方法對(duì)其他類型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；然后根據(jù)不同類型數(shù)據(jù)對(duì)沖擊危險(xiǎn)性影響程度進(jìn)行權(quán)重K值分配( 圖2中K1～K8)，最終得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的整體危險(xiǎn)程度，如式( 1 )所示。常規(guī)預(yù)警指標(biāo)計(jì)算的數(shù)據(jù)類型、指標(biāo)全面，其預(yù)警結(jié)果反映監(jiān)測(cè)區(qū)域的整體沖擊危險(xiǎn)性。

表2 數(shù)據(jù)類型與基礎(chǔ)指標(biāo)分類Table 2 Data type and basic index classification

圖2 常規(guī)預(yù)警指標(biāo)運(yùn)算機(jī)制Fig.2 Operation mechanism chart of conventional early warning indicators

特殊條件預(yù)警是對(duì)常規(guī)預(yù)警方法的補(bǔ)充，規(guī)避了極端異常指標(biāo)在權(quán)重法體系下被淹沒(méi)的特殊情況，如，石拉烏素煤礦沖擊地壓的發(fā)生主要受多層厚硬砂巖懸臂梁結(jié)構(gòu)影響，在厚硬砂巖斷裂時(shí)產(chǎn)生大能量微震事件。微震大能量事件是厚硬巖層斷裂、運(yùn)動(dòng)的表征參量之一，因此，大能量微震事件發(fā)生時(shí)可直接觸發(fā)特殊條件預(yù)警，可對(duì)常規(guī)預(yù)警進(jìn)行有效補(bǔ)充，提高預(yù)警針對(duì)性，特殊條件預(yù)警算法的判別流程如圖3所示。

圖3 特殊條件預(yù)警算法的判別流程Fig.3 Discrimination process of early warning algorithms in special conditions

3 監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)

3.1 平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建

在文獻(xiàn)[20]提出的平臺(tái)技術(shù)構(gòu)成包含監(jiān)測(cè)硬件、分析軟件及預(yù)警指標(biāo)3個(gè)部分的基礎(chǔ)上，針對(duì)兗礦集團(tuán)自身?xiàng)l件，補(bǔ)充與優(yōu)化了平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建內(nèi)容，主要有數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)分析模型建設(shè)、大數(shù)據(jù)挖掘與分析、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系與管控建設(shè)5個(gè)方面的主要內(nèi)容，如圖4所示。

3.2 基于多維度監(jiān)測(cè)分析的平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

為了充分挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)利用率，提出了空間上井上與井下、時(shí)間上靜態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、強(qiáng)度上采掘速度與預(yù)警指標(biāo)、管理上預(yù)警與處置的四維數(shù)據(jù)分析理念。

空間維度上，實(shí)現(xiàn)井上與井下監(jiān)測(cè)范圍的全覆蓋，自地表至采場(chǎng)空間范圍內(nèi)所有沖擊地壓影響因素對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)參量均需要參與預(yù)警，數(shù)據(jù)分析與展示需要同時(shí)考慮地表沉降、覆巖斷裂運(yùn)動(dòng)( 微震事件、頂板離層 )、煤體應(yīng)力變化( 煤層鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè) )、巷道圍巖變形( 變形量監(jiān)測(cè) )、圍巖應(yīng)力變化( 錨桿索應(yīng)力 )等，并根據(jù)不同測(cè)區(qū)的致沖原理，分配不同監(jiān)測(cè)參量的預(yù)警權(quán)重系數(shù)。

時(shí)間維度上，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的全覆蓋，平臺(tái)系統(tǒng)定期錄入與更新測(cè)區(qū)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果、煤層厚度、覆巖分布、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等靜態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)地將微震、鉆孔應(yīng)力、錨桿索應(yīng)力、鉆屑量、地表沉降、突水等動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合分析，從而實(shí)現(xiàn)采、掘過(guò)程中的沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警。

強(qiáng)度維度上，實(shí)現(xiàn)采( 掘 )工作面采( 掘 )速度與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的聯(lián)合分析。通過(guò)礦井上報(bào)的實(shí)際采掘信息與對(duì)應(yīng)測(cè)區(qū)內(nèi)各個(gè)單參量預(yù)警指標(biāo)及綜合預(yù)警指標(biāo)的聯(lián)合分析，可以確定不同測(cè)區(qū)內(nèi)合理的采掘速度和采掘擾動(dòng)影響范圍，進(jìn)而確定測(cè)區(qū)及礦井合理的開采強(qiáng)度。

圖4 平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容及技術(shù)體系Fig.4 Platform system construction content and technical system diagram

監(jiān)控與管理維度上，通過(guò)平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)“預(yù)警→上報(bào)→處置→現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施→監(jiān)測(cè)指標(biāo)校驗(yàn)”的全過(guò)程監(jiān)控與“留痕”備查，監(jiān)控與管理出現(xiàn)漏洞時(shí)，平臺(tái)系統(tǒng)在應(yīng)用礦井自動(dòng)提示，并上報(bào)上級(jí)監(jiān)控與管理單位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與管理上的智能研判。

在文獻(xiàn)[20]已有研究與開發(fā)基礎(chǔ)上，以石拉烏素煤礦為例，結(jié)合四維沖擊地壓預(yù)警理念，對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)展示與分析軟件進(jìn)行了升級(jí)，平臺(tái)系統(tǒng)三維主界面主要有系統(tǒng)標(biāo)題與菜單欄、三維礦區(qū)展示、監(jiān)測(cè)區(qū)預(yù)警信息、系統(tǒng)圖例和地質(zhì)生產(chǎn)信息控制欄五大模塊組成，如圖5所示。

圖5 基于四維監(jiān)測(cè)分析的平臺(tái)系統(tǒng)軟件主界面設(shè)計(jì)Fig.5 Main interface design of platform system software based on four-dimensional monitoring analysis

系統(tǒng)標(biāo)題欄模塊，主要用于礦區(qū)信息、礦圖、顯示時(shí)間域、能量范圍等參數(shù)的設(shè)置。

菜單欄模塊，主要包含預(yù)警處理及信息查詢( 未處理提示 )、聲光報(bào)警、2D與3D界面切換和歷史動(dòng)態(tài)回放( 某測(cè)區(qū)設(shè)置時(shí)間范圍內(nèi)的生產(chǎn)信息、靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)警結(jié)果的自動(dòng)動(dòng)畫播放 )。

三維礦區(qū)展示模塊，可以實(shí)現(xiàn)礦井工業(yè)場(chǎng)地、開拓巷道、準(zhǔn)備巷道、開采巷道、水文信息、巖層分布信息、評(píng)價(jià)結(jié)果、地表沉降監(jiān)測(cè)、沖擊地壓在線監(jiān)測(cè)( 應(yīng)力、微震、支架阻力等系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)位置、運(yùn)行情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) )、生產(chǎn)信息( 采掘進(jìn)尺 )和現(xiàn)場(chǎng)施工信息( 卸壓、爆破、鉆屑、支護(hù) )等全類型數(shù)據(jù)的三維展示，空間上自地表至井下全覆蓋，時(shí)間上根據(jù)設(shè)置可動(dòng)態(tài)查看。

測(cè)區(qū)預(yù)警信息模塊是將礦井監(jiān)測(cè)區(qū)域分為獨(dú)立的預(yù)警單元，每個(gè)預(yù)警單元將隨著靜態(tài)數(shù)據(jù)( 評(píng)價(jià)、地質(zhì)信息等 )、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)( 微震、應(yīng)力、鉆屑等 )、生產(chǎn)信息和防治工程信息的變化而調(diào)整預(yù)警權(quán)重系數(shù)。

地質(zhì)生產(chǎn)信息控制模塊，主要用于地質(zhì)信息( 巖層分布、煤層條件、構(gòu)造、水文等 )、采掘信息( 采掘進(jìn)尺及空間位置 )和現(xiàn)場(chǎng)工程信息( 卸壓鉆孔、爆破、鉆屑 )的定期錄入與更新，為分析確定合理開采強(qiáng)度、某采( 掘 )面擾動(dòng)影響范圍、采掘面間安全距離與防沖規(guī)定的要求、預(yù)警與處置措施閉環(huán)管理等提供基礎(chǔ)條件。

4 平臺(tái)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以石拉烏素煤礦為工程背景，平臺(tái)預(yù)警算法在文獻(xiàn)[20]的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，增加、設(shè)置了較為靈活的基礎(chǔ)指標(biāo)篩選及權(quán)重系數(shù)配置方案，可通過(guò)對(duì)某一特定監(jiān)測(cè)區(qū)的地質(zhì)開采條件特點(diǎn)的分析，進(jìn)行定制化設(shè)置，提高系統(tǒng)普適性。

4.1 多參量基礎(chǔ)指標(biāo)及權(quán)重系數(shù)的確定

以石拉烏素煤礦221上01工作面為例，該工作面平均埋深約690 m，工作面斜長(zhǎng)280 m，煤層厚度平均5.13 m，煤層單軸抗壓強(qiáng)度22 MPa，頂板以硬厚砂巖組為主，工作面最大推進(jìn)速度11.2 m/d。該工作面沖擊地壓主要受到厚硬砂巖懸臂、斷裂，動(dòng)載擾動(dòng)影響，因此，應(yīng)采用以微震大能量事件及應(yīng)力突增指標(biāo)為特殊條件預(yù)警的主要指標(biāo)。

( 1 ) 權(quán)重系數(shù)確定原則及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)選擇

經(jīng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比可知，221上01工作面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的一致性，即評(píng)價(jià)得到中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)指標(biāo)明顯高于弱沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，據(jù)此，以兩類區(qū)域內(nèi)各基礎(chǔ)指標(biāo)的異常程度作為權(quán)重系數(shù)的確定依據(jù)。工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)劃分如圖6所示。

圖6 221上01工作面危險(xiǎn)區(qū)劃分Fig.6 Division diagram of dangerous area of working face 221 upper 01

圖2 中給出8類綜合預(yù)警指標(biāo)的參量，以微震監(jiān)測(cè)和煤層應(yīng)力監(jiān)測(cè)為例，對(duì)各參量權(quán)重系數(shù)的確定方法進(jìn)行示例性說(shuō)明。選取221上01工作面中等沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)( 1 980～2 190 m )和弱沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)( 1 830～1 980 m )實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其中弱沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)選取時(shí)間段為2019-11-12—12-06，累計(jì)推進(jìn)138.9 m；中等沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)選取時(shí)間 段 為2019-12-20—2020-01-13 ，累 計(jì) 推 進(jìn)137.5 m，見表3。

表3 工作面危險(xiǎn)區(qū)劃分及回采時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 3 Dangerous area division and mining time statistics of working face

對(duì)比表2中編號(hào)為4～8的5個(gè)微震基礎(chǔ)指標(biāo)、編號(hào)9～11的3個(gè)應(yīng)力指標(biāo)在中等沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域和弱沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)的占比情況，得到各基礎(chǔ)指標(biāo)對(duì)沖擊危險(xiǎn)的實(shí)測(cè)變化量( 其中，微震日總能量的統(tǒng)計(jì)情況如圖7所示 )，并根據(jù)變化量的占比情況進(jìn)行歸一化的權(quán)重分配( 即：某一基礎(chǔ)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)k值等于其自身變化量除以所有基礎(chǔ)指標(biāo)變化量的總和，其中變化量為負(fù)數(shù)的不參與計(jì)算 )，得到各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)取值見表4。采用同樣的方法對(duì)其他基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各基礎(chǔ)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)見表5。

圖7 不同階段微震日能量對(duì)比關(guān)系Fig.7 Relationship between daily energy of microseisms in different stages

4.2 不同條件工作面的系數(shù)對(duì)比分析

趙樓煤礦7301工作面平均埋深約1 000 m，工作面斜長(zhǎng)230 m。工作面具有典型的巨野煤田千米深井、特厚煤層、薄-中厚基巖、厚表土層等特點(diǎn)，采用以應(yīng)力監(jiān)測(cè)及微震數(shù)量為主的預(yù)警原則。采用與石拉烏素煤礦相同的權(quán)重系數(shù)確定方法，通過(guò)一段時(shí)間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到趙樓煤礦基礎(chǔ)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，見表5。據(jù)此，平臺(tái)預(yù)警機(jī)制通過(guò)權(quán)重系數(shù)k值的調(diào)整及特殊條件預(yù)警的補(bǔ)充，可同時(shí)滿足不同賦存條件下監(jiān)測(cè)預(yù)警的需要，且預(yù)警權(quán)重系數(shù)可應(yīng)用AI智能模型訓(xùn)練進(jìn)行自學(xué)習(xí)與調(diào)整。

平臺(tái)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在石拉烏素煤礦和趙樓煤礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，應(yīng)用了“常規(guī)預(yù)警”與“特殊條件預(yù)警”相結(jié)合的預(yù)警機(jī)制后，平臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果較原有預(yù)警算法準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著提高。

表4 不同危險(xiǎn)區(qū)微震、應(yīng)力預(yù)警指標(biāo)對(duì)比統(tǒng)計(jì)Table 4 Comparison of microseismic and stress early warning indexes in different risk areas

表5 石拉烏素煤礦與趙樓煤礦預(yù)警參量的選擇及其權(quán)重系數(shù)Table 5 Early warning parameter selection and weight quantification between Shilawusu Coal Mine and Zhaolou Coal Mine

5 結(jié) 論

( 1 ) 提出了沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警大分區(qū)與小分區(qū)相結(jié)合的預(yù)警分區(qū)方法，監(jiān)測(cè)上實(shí)現(xiàn)分區(qū)分類監(jiān)測(cè)，預(yù)警上實(shí)現(xiàn)大分區(qū)整體預(yù)警與小分區(qū)局部預(yù)警相結(jié)合，提高了沖擊地壓監(jiān)測(cè)參量選擇的針對(duì)性和平臺(tái)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)適用性。

( 2 ) 提出了“常規(guī)預(yù)警”與“特殊條件預(yù)警”相結(jié)合的預(yù)警機(jī)制，通過(guò)石拉烏素煤礦和趙樓煤礦的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，分析總結(jié)了常規(guī)預(yù)警中各預(yù)警指標(biāo)權(quán)重系數(shù)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的調(diào)整方法，并在平臺(tái)軟件中進(jìn)行AI智能模型訓(xùn)練功能的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)于權(quán)重系數(shù)的自學(xué)習(xí)與智能修正。

( 3 ) 基于原有的平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)礦井與防沖研究中心、井上與井下、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、預(yù)警結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)處置措施等智能聯(lián)動(dòng)及自動(dòng)上報(bào)功能，提高了沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警和管理的時(shí)效性，解決了兗礦集團(tuán)存在的部分防沖難題，降低了人力成本。

( 4 ) 提出的沖擊地壓多維度多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警方法、預(yù)警體系及指標(biāo)確定方法雖已有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，但是，對(duì)于“一面一分類的預(yù)警方法、預(yù)警體系、指標(biāo)設(shè)置及優(yōu)化”和“現(xiàn)場(chǎng)顯現(xiàn)案例庫(kù)”的建設(shè)，仍需要在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中不斷完善。

參考文獻(xiàn)( References )：

[1] 姜福興，魏全德，姚順利，等.沖擊地壓防治關(guān)鍵理論與技術(shù)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41( 6 )：6-9.JIANG Fuxing，WEI Quande，YAO Shunli，et al.Key theory and technical analysis on mine pressure bumping prevention and control[J].Coal Science and Technology，2013，41( 6 )：6-9.

[2] 潘一山，李忠華，章夢(mèng)濤.我國(guó)沖擊地壓分布、類型、機(jī)理及防治研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22( 11 )：1844-1851.PAN Yishan，LI Zhonghua，ZHANG Mengtao.Distribution，type，mechanism and prevention of rockburst in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22( 11 )：1844-1851.

[3] 姜耀東，潘一山，姜福興，等.我國(guó)煤炭開采中的沖擊地壓機(jī)理和防治[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39( 2 )：205-213.JIANG Yaodong，PAN Yishan，JIANG Fuxing，et al.State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China[J].Journal of China Coal Society，2014，39( 2 )：205-213.

[4] 齊慶新，歐陽(yáng)振華，趙善坤，等.我國(guó)沖擊地壓礦井類型及防治方法研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42( 10 )：1-5.QI Qingxin，OUYANG Zhenhua，ZHAO Shankun，et al.Study on types of coal bump mine and prevention methods in China[J].Coal Science and Technology，2014，42( 10 )：1-5.

[5] 齊慶新，李一哲，趙善坤，等.我國(guó)煤礦沖擊地壓發(fā)展70年：理論與技術(shù)體系的建立與思考[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47( 9 )：1-40.QI Qingxin，LI Yizhe，ZHAO Shankun，et al.Seventy years development of coal mine rockburst in China：Establishment and consideration of theory and technology system[J].Coal Science and Technology，2019，47( 9 )：1-40.

[6] 付東波，齊慶新，秦海濤，等.采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦開采，2009，14( 6 )：13-16.FU Dongbo，QI Qingxin，QIN Haitao，et al.Design for mining stress monitoring system[J].Coal Mining Technology，2009，14( 6 )：13-16.

[7] 王平，姜福興，王存文，等.沖擊地壓的應(yīng)力增量預(yù)報(bào)方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35( S1 )：5-9.WANG Ping，JIANG Fuxing，WANG Cunwen，et al.The stress incremental forecasting method of coal bump[J].Journal of China Coal Society，2010，35( S1 )：5-9.

[8] 陸菜平，竇林名，王耀峰，等.堅(jiān)硬頂板誘發(fā)煤體沖擊破壞的微震效應(yīng)[J].地球物理學(xué)報(bào)，2010，53( 2 )：450-456.LU Caiping，DOU Linming，WANG Yaofeng，et al.Microseismic effect of coal materials rockburst failure induced by hard roof[J].Chinese Journal of Geophysics，2010，53( 2 )：450-456.

[9] 姜福興，楊淑華，成云海，等.煤礦沖擊地壓的微地震監(jiān)測(cè)研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2006，49( 5 )：1511-1516.JIANG Fuxing，YANG Shuhua，CHENG Yunhai，et al.A study on microseismic monitoring of coal bump in coal mine[J].Chinese Journal of Geophysics，2006，49( 5 )：1511-1516.

[10] 夏永學(xué)，康立軍，齊慶新，等.基于微震監(jiān)測(cè)的5個(gè)指標(biāo)及其在沖擊地壓預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35( 12 )：2011-2015.XIA Yongxue，KANG Lijun，QI Qingxin，et al.Five index of microseismic and their application in coal bump forecastion[J].Journal of China Coal Society，2010，35( 12 )：2011-2015.

[11] GU S T，WANG C Q，JIANG B Y，et al.Field test of coal bump danger based on drilling pulverized coal parameters[J].Disaster Adv，2012，5( 4 )：237-240.

[12] 齊慶新，李首濱，王淑坤.地音監(jiān)測(cè)技術(shù)及其在礦壓監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1994，19( 3 )：221-232.QI Qingxin，LI Shoubin，WANG Shukun.Application of AE technique in monitoring ground pressure[J].Journal of China Coal Society，1994，19( 3 )：221-232.

[13] 賀虎，竇林名，鞏思園，等.沖擊礦壓的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32( 4 )：1262-1268.HE Hu，DOU Linming，GONG Siyuan，et al.Study of acoustic emission monitoring technology for rockburst [J].Rock and Soil Mechanics，2011，32( 4 )：1262-1268.

[14] 王恩元，劉忠輝，劉貞堂，等.受載煤體表面電位效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2009，52( 5 )：1318-1325.WANG Enyuan，LIU Zhonghui，LIU Zhentang，et al.Experimental study on surface potential effect of coal under load[J].Chinese Journal of Geophysics，2009，52( 5 )：1318-1325.

[15] HE X Q，CHEN W X，NIE B S，et al.Electromagnetic emission theory and its application to dynamic phenomena in coal-rock[J].Int J Rock Mech Min Sci，2011，48( 8 )：1352-1358.

[16] 竇林名，何學(xué)秋，王恩元.沖擊礦壓預(yù)測(cè)的電磁輻射技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004，29( 4 )：396-399.DOU Linming，HE Xueqiu，WANG Enyuan.Electro-Magnetic emission technique of monitoring coal bump and its application[J].Journal of China Coal Society，2004，29( 4 )：396-399.

[17] 王書文，毛德兵，杜濤濤，等.基于地震CT技術(shù)的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37( S1 )：1-6.WANG Shuwen，MAO Debing，DU Taotao，et al.Rockburst hazard evaluation model based on seismic CT technology[J].Journal of China Coal Society，2012，37( S1 )：1-6.

[18] 竇林名，蔡武，鞏思園，等.沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的震動(dòng)CT技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39( 2 )：238-244.DOU Linming，CAI Wu，GONG Siyuan，et al.Dynamic risk assessment of coal bump based on the technology of seismic computed tomography detection[J].Journal of China Coal Society，2014，39( 2 )：238-244.

[19] 姜福興，曲效成，王顏亮，等.基于云計(jì)算的煤礦沖擊地壓監(jiān)控預(yù)警技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46( 1 )：199-206，244.JIANG Fuxing，QU Xiaocheng，WANG Yanliang，et al.Study on monitoring ＆ control and early warning technology of mine pressure bump based on cloud computing[J].Coal Science and Technology，2018，46( 1 )：199-206，244.

[20] 姜福興，楊光宇，魏全德，等.煤礦復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)預(yù)警平臺(tái)研究與展望[J].煤炭學(xué)報(bào)，2018，43( 2 )：333-339.JIANG Fuxing，YANG Guangyu，WEI Quande，et al.Study and prospect on coal mine composite dynamic disaster real-time prewarning platform[J].Journal of China Coal Society，2018，43( 2 )：333-339.

[21] 羅浩，潘一山，肖曉春，等.礦山動(dòng)力災(zāi)害多參量危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及分級(jí)預(yù)警[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23( 11 )：85-90.LUO Hao，PAN Yishan，XIAO Xiaochun，et al.Multi-parameter risk evaluation and graded early warning of mine dynamic disaster[J].China Safety Science Journal，2013，23( 11 )：85-90.

[22] 劉金海，翟明華，郭信山，等.震動(dòng)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)沖擊地壓的理論與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39( 2 )：353-363.LIU Jinhai，ZHAI Minghua，GUO Xinshan，et al.Theory of coal burst monitoring using technology of vibration field combined with stress field and its application[J].Journal of China Coal Society，2014，39( 2 )：353-363.

[23] 竇林名，王盛川，鞏思園，等.沖擊礦壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)與多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)[J/OL].煤炭學(xué)報(bào)，doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.ZN20.0318.DOU Linming，WANG Shengchuan，GONG Siyuan，et al.Cloud platform of rock-burst instelligent risk assessment and multiparameter monitoring and early warning[J/OL].Journal of China Coal Society，doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.ZN20.0318.