高频微震无线地面台站大数据监测系统研究

臧欢欢

（大同煤矿集团有限责任公司技术中心 山西大同 037003）

0 引言

大同矿区现开采的石炭系煤层赋存条件较为复杂，开采过程中，动力灾害时有发生[1]。现有监测系统大多布置于井下，由于井下空间环境恶劣，易导致仪器性能不稳定，且传感器需单独供电，易受井下电磁场干扰，影响监测信号质量[2]；同时，现有监测系统成本高，难以保证高密度测点布置，致使井下空间存在大量监测盲区，常出现多个测点监测不到动力灾害信号而导致无法及时准确地进行灾害预警；监测数据传输困难，井上-井下微震数据传输一般采用有线传输，网络布设困难、容易损坏，不利于灾害预警；监测台站体积大，传感器固定，不利于随采区移动而合理优化布置[3]。为此，通过建立高频微震无线地面台站监测系统进行石炭系煤层开采动力灾害全区域在线监测势在必行。

1 无线地面台站架构研究

1.1 工作面地理条件

塔山矿8204-2工作面地表地质构成较为复杂，地势高低走向各不相同，山脉、沟谷以及平地错落分布，微震信号会随着地质构造不同、地势的不同而不同，同时，矿区远离人们的生活区域，无恒定供电设备，且有线、无线网络均无覆盖，适合开展高频微震无线地面台站监测研究[4]。

1.2 地面台站选址方案

为实现地面台站的各个分台站能够接收到微震信号，减少随机误差，从而提高微震判定等相关功能的计算精度。根据塔山矿8204-2 工作面井上井下对照图进行台站初期选址，要求各个台站尽量覆盖8204-2工作面，各个地面台站之间不能出现“三点一线”的情况，有利于观测与数据处理。经过对预选位置反复勘查，最终确定出7 个地面监测台站的具体位置。现场通过矿区GPS定位设备测量地面监测台站精确矿区坐标，如表1所示。根据表1数据，在塔山矿CAD矿区地图上进行了地面监测台站标记工作，绘制出了7 个台站的矿区地面监测台站分布图，如图1所示。

表1 台站矿区坐标

图1 地面监测台站分布图

1.3 地面台站构建

塔山矿8204-2工作面对应地表为山岭，无供电无网络无人烟，需要构建太阳能供电系统支撑硬件设备运行。地面监测台站硬件主要由传感器、监测仪、蓄电池、控制器、太阳能板和网桥构成，按其安装位置分为地下和地上两部分组成。地下部分采用基坑方式建设，基坑深度2.5 m，分上下两层，上层高1 m，用于放置微震仪、电源等，下层位于地表下方1.5 m处浇筑摆墩，用于安装微震传感器，所有监测设备均安装在观测坑内；地上部分的太阳能板、GPS 探头、通信网桥等设备安装在观测坑旁5 m高的金属立杆上。

2 系统整体架构

根据塔山矿需求，高频微震无线地面台站大数据监测系统由一级实时监测模块和二级数据分析模块组成，其中每个模块还分为若干的子模块，为其主模块提供技术支撑。系统架构的整体模块划分如图2所示。

图2 软件架构模块划分示意图

图3 系统模块数据交互示意图

地面台站大数据监测系统分为一级实时监测模块和二级数据分析模块。其中一级实时监测模块分为数据流转换处理模块、核心震级定位计算模块和实时监测可视化模块三个部分；二级数据分析模块分为大数据历史数据分析模块和数据分析可视化模块。每个模块之间可以进行数据交互并将重要信息存入数据库。系统各模块之间的数据交互方式如图3所示。

3 微震监测系统构建

3.1 一级实时微震监测系统

一级实时微震监测系统安装于二风井办公楼中心机，用于实时监测并反馈微震事件监测结果，配合人工校验方法，高效准确地确定微震事件。

（1）实时微震监测模块

实时微震监测模块进行微震事件的初步时间、空间及震级监测判识，如图4所示，监测模块实时监测矿区震动点的坐标与震动值。

（2）实时微震波形图显示模块

如图5 所示，对全部的地面监测台站进行微震数据的实时监测，高频微震采集器的三分量震动数据进行图形化显示，每个地面监测台站显示三个通道数据的波形，研究先进的JSP 异步局部刷新技术以及EChars中间件技术，保持整体页面和各个波形显示窗口相互独立更新，各个波形数据可随时间推移实时动态更新。

图4 监测软件界面

图5 实时波形显示界面

3.2 二级大数据统计分析平台

二级大数据统计分析平台，将微震事件统计结果及全台站历史监测数据导入远端Hadoop大数据集群，进行多级大数据联动查询方法研究，实现对微震事件统计结果的查询操作。如图6 所示，微震统计模块界面分为左右两部分，界面左侧第一行的两个输入框为日历选择查找的起止日期，第二行为查询震级数据，输入二级联动查询条件后，界面右侧矿区地图上会在响应的位置上出现红色圆环图标，圆环大小表示微震灾害事件的震级大小。

图6 微震统计界面

4 实测结果分析

根据微震定位结果，按照表2所示方式，将微震定位点表示在8204-2工作面周围，如图7、8所示。

表2 微震事件表示方法

2019 年 1 月工作面推进 150 m（从 2018 年开采的730 m 推进至880 m），如图7 所示，微震事件主要集中于两部分，一是8204-2 工作面与8204 工作面交界煤柱区，监测到3次103J以上微震事件；二是在工作面超前130 m 范围，因此判断工作面超前影响范围约130 m，开采过程中建议加强监测，对8204工作面侧煤柱采取卸压措施。

2019 年 2 月工作面推进 170 m(从 1 月开采的 880 m 推进至1 050 m)，如图8 所示，微震事件空间展布较为均匀，主要分布在8204和8206工作面采空区，发生1次104J以上事件，距离8204-2工作面55 m。

图7 塔山矿1月微震监测定位结果

图8 塔山矿2月微震监测定位结果

5 结论

通过对塔山矿8204-2工作面进行地面微震监测，截止到2019年底，工作面回采过程中未发生冒顶及强矿压等动力灾害事故，确保了煤矿安全生产，同时，验证了该技术的应用安全可靠，解决了微震地面监测的难题，给塔山矿石炭系煤层开采动力灾害预警和防治提供了支撑，取得了巨大的经济社会效益，提升了企业的生产技术水平，为类似条件下的煤层开采开创了新的技术途径，对指导国内同类大型煤炭企业提升检测技术具有重要的指导作用。