大同矿区动力灾害高频微震无线地面台站监测系统研究

研发起止时间：2017年10月～2019年12月

完成单位：大同煤矿集团有限责任公司，辽宁大学

成果水平：国际先进

1 项目背景

同煤集团大同矿区是我国主要产煤区之一，为国家的建设做出了重大贡献。经过多年的开采，大同矿区浅部煤炭资源已近枯竭，开采逐渐转向深部。进入深部开采后，由于深部煤岩性质发生了显著变化，由此造成煤矿深部强矿压致灾机理与灾变准则也有明显差异，预警与防治技术及监测软硬件设施也不同。目前，现有监测系统大多安装于井下，由于井下深部空间环境恶劣，易导致仪器性能不稳定，且传感器需要单独供电，容易受井下电磁场干扰，影响监测信号质量；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，且常常出现多个测点监测不到强矿压信号而导致无法及时准确地进行灾害预警；深部开采井上-井下监测数据传输多采用有线传输，网络布设困难、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，以上问题一直难以克服，导致预警手段准确率不高，防治措施的有效性也不十分理想。因此，探索新的技术途径监测煤层开采中强矿压显现难题势在必行。

为改变目前的现状，进一步深入研究大同矿区强矿压显现问题发生的特征、原因和条件，以同煤塔山煤矿为研究对象，建立了大同矿区高频微震无线地面台站监测系统，构建了大同矿区微震大数据平台，为矿区安全开采提供理论基础和技术支持。

2 研究内容

（1）通过理论研究、实验模拟以及现场实测的方法，根据塔山煤矿工作面地质构造、地理环境、井群特征及动力灾害发生规律，研究适合塔山矿区的地面微震监测系统台网布置方案；

（2）确定适合塔山矿区的高频微震到时确定方法、微震定位方法及震级计算方法；根据微震信号特征分析，研究煤矿动力灾害类型判识方法及预警方法研究；

（3）研究微震事件发生频次与震级关系，并结合井下开采情况和地质构造情况，根据微震事件特征研究微震事件能量演化规律和超前影响范围；

（4）构建了大同矿区微震大数据平台，为矿区安全开采提供理论基础和技术支持，给塔山矿区深部动力灾害预警和防治提供支撑。

3 主要研究成果

(1)本项目构建了动力灾害高频微震地面监测台站，图1为地面监测台站分布图，提出了微震到时确定方法、微震定位方法以及微震震级计算方法，构建了微震大数据二级管理平台，为煤炭行业打造和推进地面微震监测开发提供了理论架构和体系借鉴，一定程度上填补了国内煤矿地面微震监测大数据分析领域的空白。高频微震采集器结构图如图2所示。

图1 地面监测台站分布图

图2 高频微震采集器结构图

（2）提出了煤矿动力灾害类型判识方法，采用小波分解进行时域分析，对小波系数进行逆变换并重构去除噪声信号。定义了4 层分解层，使用阈值函数处理的最低级别的近似系数LC4和细节系数DDC4进行一维小波重构，然后得到DLC4；逐层将近似系数和细节系数逐层重构为小波，最后得到一个近似的原始信号（去除噪声）；构造ELM 分类器，将隐藏层节点用作循环条件，并计算与每个隐藏层节点相对应的准确率，通过前馈神经网络学习算法，将微震事件与已学习的事件进行类型匹配，进而判断煤矿动力灾害，实现了煤矿灾害类型的智能化分析。

（3）通过对塔山矿的实际情况进行分析，提出基于两级线性回归的动力灾害预警方法。将海量历史灾害数据进行数据汇总，采用移动回归法提取数据特征，并在此基础上，通过线性回归法建立灾害模型，为煤矿动力灾害判识提供模型基础；通过置信区间构建判识域，提出置信因子变换的方法预测灾害波形未来的发展趋势，为煤矿动力灾害预警技术提供理论支持。

（4）开展了塔山矿8204-2工作面微震监测覆岩破坏能量演化规律研究，图3为塔山煤矿8204-2工作面地面微震监测系统布置图。

图3 塔山煤矿8204-2工作面地面微震监测系统布置

4 应用效益

对塔山煤矿8204-2工作面进行地面微震监测，根据塔山矿8204-2 工作面1～6 月份回采期间微震监测结果，准确定位到微震事件297 次，总能量7.27×105J，得到工作面最大超前影响范围约130 m，尽管该工作面为孤岛工作面，但采取了有效监测和卸压手段，回采期间未发生超过105J能量事件和动力灾害。

研究成果在大同煤矿集团有限责任公司塔山煤矿获得成功应用，取得了较大的经济效益。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，减少了监测系统的成本投入，同时减轻了监测人员的劳动强度，为安全生产提供了有力的保障，也为今后开展地面微震监测积累了宝贵的经验。解决了煤矿动力灾害地面微震监测的难题，降低了安全隐患的发生，显著提高了工作面开采效率,研究成果可在类似条件矿井中推广应用。