冲击地压实时监测预警GIS 云平台

张拴才，韩泽鹏，陈润合，王富强，巩思园

（1.华能庆阳煤电有限责任公司 核桃峪煤矿，甘肃 庆阳745000；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116；3.甘肃华亭煤电股份有限公司 东峡煤矿，甘肃 平凉744000）

近年来，冲击地压等煤矿动力灾害发生频繁，在东部、中部和西部矿井时有发生，其中仅山东省采深超千米的矿井就有十几座，具有冲击地压灾害的生产矿井达40 余座[1]。随着我国浅部煤炭资源开采殆尽，越来越多的中西部矿井将进入深部开采。深部矿井由于埋深大，由重力和水平应力等组成的基础静载高，冲击地压发生的门槛低，因此必须加强对冲击地压危险的监测预警[2]。目前我国大部分冲击地压矿井配备了微震监测系统[3-6]、应力在线系统等监测设备，同时建立的冲击地压监测预警云平台可以集中有限的防冲资源，解决矿井专业分析人员缺乏的问题，进而提升冲击地压监测预警的效率。冲击地压监测预警云平台收集的大量矿震、矿压等信息可以运用大数据技术进行分析，从而为冲击地压的监测预警提供了新的思路。当前在计算机硬件、软件系统支持下，GIS[7]技术十分适合应用于煤矿冲击地压监测预警云平台的建设中，为云平台的搭建提供了一种先进手段。

1 冲击地压监测预警云平台建立的意义

1）实现远程监控及专家远程指导。云平台通过互联网及数据传输技术[8]，可加快冲击矿井相关信息的传播速度，使专业人才通过专家云远程指导现场冲击地压的防治工作。云平台具备网络发布及信息浏览等功能，可提高监管部门对冲击矿井的监控。

2）集成工作面生产及防冲信息。云平台通过矿井终端获取各类实时监测与防治信息，云平台的数据存储功能可以将工作面掘进和回采过程中的相关数据进行记录，极大地方便了数据的调用与分析。云平台可建立工作面从掘进到回采的数据库，从而为本矿其他工作面冲击危险的预警及防治提供借鉴。

3）实现监防互馈，提升防冲效率。云平台可实现1 张图管理和监防互馈，通过GIS 技术将矿井在时间和空间2 个维度上的生产信息、矿压信息、矿震信息、实时监测预警信息及防治信息进行直观展示，监测预警结果可直接指导现场防冲，云平台包含的监测预警功能可对防冲解危效果进行检验，从而实现监防互馈，提高防治效率。

4）提升冲击地压整体防治效率并建立海量数据库。云平台收集了多个冲击矿井的矿震数据及其他相关信息，建立了冲击地压防控的联合平台，从而可以从更高维度揭示其发生机理及影响因素，可提升冲击地压的整体防治效率，对减小冲击地压的危害具有重要意义。同时，大量数据为运用大数据分析及人工智能等手段预警冲击地压提供了条件。

2 冲击地压监测预警云平台框架及功能

冲击地压监测预警云平台建设主要包括软、硬件2 部分，冲击地压监测预警云平台架构如图1。云平台底层硬件部分是由SOS 微震监测系统、应力在线系统及其他矿压监测系统形成的监测网络。监测系统实时采集到信息后，经分析人员进行处理，可获得矿震及工作面应力集中区等信息，矿端信息传输软件将实时上传监控信息至云平台服务器。云平台服务器对信息进行接收和存储，可供研究人员调取，并运用专家系统指导冲击危险预警和防治措施制定等工作，最后可将预警及防治信息发布在云平台上，矿端用户及监管用户通过网络浏览器即可看到预警和防治意见，从而指导井下的防治与管理工作。

图1 冲击地压监测预警云平台架构Fig.1 Cloud platform architecture for rock burst monitoring and early warning

冲击地压监测预警云平台中软件系统包括客户端、服务器端以及浏览发布模块3 大部分。客户端系统主要将各监测系统的操作分析结果上传到云平台服务器。服务器端软件系统主要完成数据处理、添加客户端、界面显示等功能，数据处理包括基础信息配置、将数据文件转换为图片、图表等直观显示的形式。浏览发布模块通过检索数据查询各矿区最新上传的文件存储位置，实时更新显示最新的图表等信息，并根据用户权限提供下载，浏览等业务。

2.1 数据实时传输系统

冲击地压监测预警云平台数据传输系统在.Net平台下使用C/S 结构实现。由于矿端网络环境复杂多样，监测系统种类多样，可应用Socket 和WebServices技术实现矿端数据在广域网的传输，通过在煤矿端部署数据收集解析程序，在服务器端搭建Web 服务器、数据服务器和数据接收程序形成数据传输系统网络体系结构，数据传输系统网络体系结构如图2。

本系统充分考虑了多矿端、多设备、多类型数据的传输存储，具备良好的可扩展性。为了适应矿端各监测设备种类多，实现技术差异性大，数据存储分散等特点，所设计的数据传输端可以直接部署在终端，也可部署在局域网中的某1 台终端上。冲击地压监测预警云平台嵌入了矿井的各类监测系统，以微震监测系统为例介绍程序设计思路。

图2 数据传输系统网络体系结构Fig.2 Data transmission system network architecture

1）微震监测系统采集到新的矿震后，通过标波软件对矿震事件进行计算后按标准格式传输至云平台服务器，并存入该矿相应日期的文件夹下，若矿震事件能量值超过预警值，则云平台自动报警软件会向工作人员播报该矿震事件信息。

2）云平台服务器在接收到微震监测系统基础数据后，可对矿震数据进行分析处理，将数据变为图表等形式，同时将矿震数据及其他监测数据进行分析预警，最后将数据处理结果及预警结果等信息实时发布在云平台上，矿端及监管机构可实时调阅。

3）矿端服务器可以查阅SOS 微震监测系统的历史数据及分析图表，云平台服务器接收到请求后，可将相关数据发回矿端。

由于监测系统多样，数据量大，传输格式包括文本、数据集等多种格式，因此采用Socket 实现客户端与服务器的数据传输。在矿端各监测系统部署软件实现数据的收集、格式化以及传输。在中国矿业大学部署数据云平台服务器以及网站服务器，实现数据的解码、存储、转发以及服务内容发布。在矿端部署本地服务器，实现数据的本地化，为煤矿冲击地压远程综合监测预警分析软件等矿端软件进行分析提供数据基础。

2.2 冲击地压实时预警模型

GIS 云平台内嵌了综合预警模型来对冲击危险进行实时预警，实现过程主要包括：前兆指标归一化、前兆指标权重确定和智能综合预警模型。

由于各指标量纲不同，为定量化描述各前兆指标的异常水平，可引入可靠性分析理论[9]将预警指标进行归一化，归一化公式如式（1），其中对于正向与负向异常指标，其t 时刻的异常隶属度λij（t）分别由式（2）计算得到[10]：

式中：Rij（t）为第i 个指标在第j 个时间窗内的归一化结果；t 为时间窗的结束时刻；Qij为第i 个指标在第j 个时间窗内计算的指标值；Qimax、Qimin分别为所有时间窗内第i 个指标值的最大值、最小值。

为评价各前兆指标的重要性，选用混淆矩阵法来动态计算各指标的预警效能权重，将各指标对冲击地压的预警结果写为混淆矩阵的标准形式。混淆矩阵如图3。图3 中TP 表示预警发生，实际发生；FP表示预警发生，实际未发生；FN 表示预警不发生，实际发生；TN 表示预警不发生，实际未发生。通过计算混淆矩阵中的F 值来得到各前兆指标的权重值。

图3 混淆矩阵Fig.3 Confusion matrix

各前兆指标权重wi可采用式（3）来确定：

式中：Fi为第项前兆指标的值；∑Fi为各前兆指标值的和。

将系统监测的各类数据传入GIS 云平台后，可实时计算得到各前兆指标值，然后给各前兆指标赋予权重，并按式（4）计算n 个前兆指标的综合预警值Z（t），最后采用高斯隶属函数[9]计算其隶属情况，进而给出时刻t 的冲击地压危险预警结果（无或弱或中或强）。

3 现场应用

根据冲击地压监测预警云平台建设的思路，在山东、陕西、内蒙等28 个冲击地压矿井进行了现场试验，下面以某矿为例展示云平台具备的各项功能。某矿为深部冲击地压矿井，矿井安装有SOS 微震监测系统、应力在线监测系统等实时在线监测系统，当监测有冲击危险时，矿井按要求可实施爆破卸压、大直径钻孔卸压等卸压措施。

3.1 冲击地压危险实时预警功能

冲击地压预警模型实时运行在云平台，可对SOS 微震监测系统和应力在线监测系统上传的各类数据进行前兆指标计算。冲击地压危险综合预警结果如图4。该矿井某工作面的冲击危险是由11 个前兆指标[11]分别赋予权重后计算得出，综合预警结果为0.9，表明该工作面此时具有强冲击危险。

图4 冲击地压危险综合预警结果Fig.4 Comprehensive early warning result of rockburst

3.2 信息集成与监防互馈

云平台各项功能模块如图5。

图5 云平台各项功能模块Fig.5 Various functional modules of the cloud platform

在SuperMap GIS 云服务支撑下，设计了钻屑检测、煤体卸压爆破、大直径钻孔、应力在线、矿震分布和CT 空间反演[12]结果的显示，可在实时预警基础上，给出冲击危险的空间分布特征，从而在时间和空间2 个维度下实现对冲击地压危险的全面预警。

云平台可直观展示大直径等防治措施的实施区域、时间及施工情况，在云平台给出预警危险等级和区域后，矿方可立即评估已有措施实施情况，并根据当前冲击危险状态制定补强卸压方案，而后可采用下一阶段的预警结果对卸压效果进行验，从而实现监测预警与防治的互馈效果。

3.3 效果检验

该面预警有强冲击危险后，采用震动波CT 反演技术得到的冲击地压危险空间预警结果如图6。之后该面在生产过程中出现有1.2×105J 的较强矿震，也验证了预警结果的准确性。随后为充分降低冲击危险等级，对危险区域在已有卸压措施基础上进行了补强卸压，卸压措施实施完成后，下一阶段的冲击地压危险空间预警结果表明，卸压措施起到了有效降低冲击危险的目的，实现了平台监防互馈的目标。

图6 采用震动波CT 反演技术得到的冲击地压危险空间预警结果Fig.6 The distribution of rock burst danger level by seismic wave CT inversion technique

4 结 语

提出了云平台建立的整体框架和思路，详细介绍了云平台数据传输和实时预警过程，在SuperMap GIS 云服务支撑下建立了包含28 座冲击地压矿井的GIS 云平台，展示了云平台具备的信息集成、冲击地压危险实时预警与监防互馈功能，并以某矿为例对平台的监测预警效果进行了检验。