冲击地压风险智能监控预警平台研究与应用

张明鹏，曹连民，李 鹏，杨朋威

(1.内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司 巴彦高勒煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017300；2.山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

冲击地压是指井巷工作面周围煤岩体因弹性变形能突然释放而发生剧烈破坏的动力现象，同时伴有突水、火灾、瓦斯爆炸等灾害，严重威胁矿山生产安全[1-5]。对冲击地压进行实时有效的预测及防治，是目前国内外研究的重要课题。近年来我国在冲击地压监测预警技术方面进行了很多研究[6-8]，潘一山等[9]利用电荷辐射特性研制出了在线式煤岩电荷辐射监测系统；尹永明等[10]研发了利用当量钻屑量对冲击灾害进行预警的掘进面冲击地压实时监测预警系统；中国科学院武汉岩土力学研究所[11-13]通过三维应力传感器技术理论、状态信息实时感知及智能在线处理等方面的研究，研发出煤矿冲击地压动态监测预警系统。

目前我国在冲击地压监测预警技术方面取得了一定的成果，但当前冲击地压监测技术多是基于单物理量变化规律开发，存在相应预测工作在时间和空间上不连续、数据分析及应力状态判断要求高、预报精度低、监测系统缺乏易操作性和智能性等问题[14-16]。巴彦高勒煤矿正在回采的煤层、煤顶板岩层、煤底板岩层冲击倾向性属于Ⅱ类弱冲击倾向。具有冲击倾向性的矿井对井下巷道的影响主要是冲击波将煤体或岩石岩抛向巷道，破坏巷道周围煤体或围岩的物理结构及破坏当前巷道的支护系统，使巷道失去平衡，发生冒顶等事故，严重影响井下开采工作的正常进行[17]。因此，有必要建立冲击地压风险综合智能监控预警平台保证矿井正常生产。结合巴彦高勒煤矿的实际情况，依托网络信息通信和计算机编程技术，联合SOS、Aramis微震监测系统和应力监测系统硬件条件，建立冲击地压风险综合智能监控预警平台，研究并构建大数据驱动下的冲击矿压发生机理模型，实现矿震冲击远程分析与预警信息化，为巴彦高勒煤矿矿震及冲击矿压预警科学决策提供技术保障。

1 综合智能监控预警平台

巴彦高勒煤矿冲击地压监控预警平台可以实现震动、应力等多种类型的监测数据实时读取、冲击地压多参量实时监测预警及监测结果查询，能够对数据进行存储、联合分析与结果展示。

巴彦高勒煤矿冲击地压综合智能监控预警系统采用基于多参量联合监测方法进行构建，采用“云技术”，实现了原始数据与分析结果的云实时同步存储，完善了政府部门和技术团队对矿井远程数据的多级监控、管理与协作体系。监控预警平台整体架构如图1所示。

2 综合智能监控预警平台特点

2.1 综合化

1)多参量数据自动采集。作为多参量综合监控预警类系统，监控平台具有兼容性和扩展性强的特点，可兼容各类监测系统及其监测工具，还可搭载各类指示模块，应急模块。

2)多参量联合监控预警。监控平台系统使用多参量耦合预警算法体系，预警准确率高。监控预警平台系统将各监测系统危险指数算法及权重均设置可调参数，根据矿井实际监测情况合理调整参数，保证多参量预警的准确可靠。

3)监测数据的综合展示与联合分析。系统对采集到基础数据进行充分挖掘分析，不仅实现了实时的多参量综合监控预警，而且提炼出一系列关键指标，有利于指导现场实际生产。

2.2 精细化

1)煤层单点应力值预警到单点多指标预警。煤层应力由单点应力值预警到多指标预警，同时平台系统在应力监测处理上采用了“应力值”“增幅值”“增速值”三指标联合预警，充分挖掘数据潜在有效信息，使预警更为准确。应力多指标预警界面如图2所示。

图2 应力多指标预警

2)区域的整体预警到局部预警。预警系统不仅能够实现工作面实时数据联合预警，还实现了工作面局部危险区的预警，实现冲击地压监测由整体到局部的全面监测。

3)微震的日统计分析到周统计、月统计分析。巴彦高勒煤矿综合智能监控平台可实现任意时间间隔的微震平面图的自动调取分析可以做到日统计分析到周统计、月统计分析。

4)基于多参量的初次来压分析。依靠监控预警平台的数据汇总分析功能，对钻屑量、微震、应力等进行大数据统计分析，能够进行初次来压分析。

2.3 信息化

监控平台系统应用信息化手段实现数据处理与传输，具有web、手机APP访问云端数据、短信预警等功能，满足监测数据的信息化共享要求。手机移动端信息实时监测如图3所示。

图3 手机端远程功能

3 巴彦高勒煤矿综合智能监控预警平台应用

以巴彦高勒煤矿307工作面发生的一次1.7×104J能量的微震事件为例进行应用分析。该事件经定位，其与307运输巷直线距离仅有8m，事件发生时附近巷道有明显的煤炮、扬尘、巷道变形等动压显现情况。

3.1 系统单系统预警与综合预警对比

1)单系统的预警情况。通过系统可直观得到距微震事件较近的3组应力测点为F19、F20、F21，事件发生前3组煤层应力测点均未监测到异常。事件发生前监测应力数据如图4所示。

图4 事件发生前应力变化情况

2)监控平台综合预警情况。事件前后，工作面局部预警等级由0.58增加至0.64。其中，微震模块预警等级由I=0.24增加至I=0.3；煤层应力模块由0.17降至0.13。(注：0～0.3正常监测；0.3～0.5弱冲击；0.5～0.8中等冲击；0.8～1强冲击)事件发生前后平台监测数据对比如图5所示。

图5 事件发生前后平台预警情况

3.2 预警后数据联合分析

1)预警情况分析。事件发生后工作面局部危险等级指数由原来的0.58增加至0.63，充分展示了系统对微震大能量事件预警的高敏感性；预警前后微震指标增加而应力指标降低，表明此次大能量事件带来了一定程度的应力释放。

2)联合数据曲线分析。通过事件发生前后“应力-微震”联合曲线的查询，微震事件发生前，发生处周围数据变化不明显，发生后外侧的F19测点应力有增高趋势，而内侧的F20测点应力有下降趋势。由此可见，大能量事件引起了应力场的变化，应力场的集中由F20测点转移向了F19测点。事件发生前后“应力-微震”联合曲线查询结果如图6所示。

图6 事件发生前后联合曲线查询结果

3)危险变化趋势曲线分析。多参量关键指标查询结果曲线如图7所示，由图7可知，事件发生前10d内，应力监测与微震监测指标稳定性均不高，且表现出比较一致的起伏变化规律。往往不稳定的监测结果表征工作面附近围岩活动的异常情况。

图7 多参量关键指标查询结果

多参量联合预警在预警的准确率及事后数据分析的全面性上，均比单系统预警与分析有明显技术优势。

由以上分析可知，事件发生后应力整体集中程度降低，有由F20组测点向F19组测点的小幅度局部应力转移的情况，安排F19组测点附近的钻检。若出现钻屑量超标的情况及时安排局部二次卸压解危，利用监控平台系统持续关注F19组测点及附近监测数据变化情况，并利用局部预警功能检验卸压效果。

4 结 论

1)在现有冲击地压监测手段的基础上，根据特点重新设计了冲击地压风险综合智能监测平台，实现了原始数据与分析结果的云实时同步存储。

2)冲击地压风险综合智能监控预警平台可实现多参量数据自动采集、联合监控预警和分析，能够进行基于多参量的初次来压分析，具有信息化和时效性特点。

3)冲击地压风险综合智能监控预警平台更加全面和便捷，可根据监测情况及时给出正确合理的应急方案，巴彦高勒煤矿冲击地压风险综合智能监控预警平台的研发应用极大提高了冲击地压的检测效率，减少了矿山经济损失。