冲击地压多维度多参量监控预警平台开发与应用

张修峰，曲效成，魏全德

( 1.兖矿集团有限公司 煤矿冲击地压防治研究中心，山东 邹城 273500；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 100083 )

据不完全统计，2011年以来，我国发生重大冲击地压事故27起，已造成300多人伤亡，摧毁巷道数千米，严重影响了矿山企业安全生产，且随着开采深度的不断增加，冲击地压灾害呈现“矿井数量快速增加、灾害程度越来越严重”的不良局面[1-5]。

冲击地压监控预警是避免事故发生的关键手段之一。我国各矿山企业、科研单位、设备厂家经过十余年的研究、开发和实践，煤矿防冲监测手段不断丰富，对于单参量的防冲监测方法及装备取得了大量的研究成果，如应力监测[6-7]、微震监测[8-10]、钻屑量监测[11]、声发射监测[12-13]、电磁辐射监测[14-16]、震动波CT监测[17-18]等。然而，这些研究成果多是单参量的冲击危险性监测预警，其预警的准确性尚不能满足工程现场需要，对于多参量的冲击危险性监测预警方法及现场实践的研究成果相对较少[19-23]。

从兖矿集团冲击地压防治现状出发，通过现场调研、预警方法研究、平台系统开发和现场实践，探索了新形势下冲击地压的监测监控新模式。

1 冲击地压监测预警存在的技术难题

1.1 全国冲击地压监测预警存在的问题

通过对我国近百座冲击地压矿井现场调研与分析，发现冲击地压矿井的监测预警与防治存在以下几个共性技术问题：

( 1 ) 冲击地压监测参量和设备生产厂家多，造成各监测系统及不同厂家生产的同类系统之间难以建立统一规范的数据接口，各个冲击地压监测参量之间缺乏“时空”关联性，且多为单指标预警，预警结果无法实现实时联合分析，监测预警结果的准确性有待进一步提高。

( 2 ) 冲击地压矿井配备了多套冲击地压监测系统，但是，现场应用中各系统单独设置预警指标，未实现多系统联合监测预警冲击地压。

( 3 ) 部分监测预警参量缺失或独立，尤其是井上相关监测参量未能参与预警，导致冲击地压预警准确性受限。如地表沉降监测数据未能接入，缺乏井上与井下的联合预警。

( 4 ) 缺乏动静态联动预警判别，已有的多参量联合监测预警仅仅实现了动态监测参量的联合分析，尚未实现动态-静态联合监测分析与预警，尤其是预评价结果与现场实际开采信息、卸压、支护等数据的动静联合监测预警尚待进一步研究。

( 5 ) 监测预警结果与管理处置时效性差，部分已实现多参量联合监测预警的先进矿井，在出现预警时，仍需人工纸质审批与研判，造成预警处置时间过长。

( 6 ) 冲击地压数据挖掘、分析利用程度低，受限于以上所描述的问题，加之现场专业技术人员数量不足，导致监测结果对现场生产、冲击地压防治工作的指导与监测装备投入不匹配。

1.2 兖矿集团冲击地压现状

兖矿集团自2001年6月起，先后在东滩、济三、南屯、赵楼等煤矿发生破坏性冲击地压20余次，共计造成4人死亡，7人重伤，983 m巷道破坏。近年来随着兖州矿区矿井开采深度、开采范围不断增大，受煤柱及厚硬覆岩影响的矿井，弹性震动、冲击波、矿震、煤炮等形式的动压显现时有发生。

随着兖矿集团陕蒙、新疆开发战略的快速推进，省外矿井依据《防治煤矿冲击地压细则》开展了煤层及其顶底板岩层的冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价，其中石拉乌素煤矿、营盘壕煤矿和硫磺沟煤矿为冲击地压矿井。兖矿集团下属冲击地压矿井有11座，见表1。

表1 兖矿集团冲击地压矿井分布Table 1 Distribution of coal burst mines in Yankuang Group

兖矿集团下属冲击地压矿井装备的监测系统有：应力在线监测系统( KJ743，KJ615，KJ550，KJ216和KJ24等 )、微震监测系统( ARAMIS，SOS和KJ551 )、地音监测系统( KJ479 )和电磁辐射监测系统( KBD5 )等，系统涉及的国内外生产厂家近10家。由于监测系统繁多，生产厂家各异，同类型不同型号系统的安装标准、性能参数及各矿建设标准、数据分析深度等均存在较大差异，导致数据挖掘、智能分析程度较低，且无法实现数据共享。

通过调研与分析，兖矿集团对冲击地压的监测与防治主要存在以下问题：① 冲击地压矿井数量多；② 冲击地压矿井地区性分布广，地质及开采技术条件差异性大，影响冲击地压发生的因素不同，冲击地压发生机理、监测预警机制各异；③ 监测装备多，生产厂商多，监测数据类型多；④ 监测数据与生产信息未能联合分析；⑤ 预警与处置措施的防冲闭环管理多为人员汇报，高水平的防冲技术人员不足。

因此，亟需开展冲击地压多维度多参量监测预警方法研究，建立预警指标体系，开发平台系统。通过可视化方式进行冲击地压危险性综合展示与风险研判，为精准监管和施策提供科学支撑，提高冲击地压监测预警准确性和时效性，有效遏制冲击地压事故的发生。

2 冲击地压多参量监测预警方法

2.1 基于冲击地压监测预警的监测分区

为提高冲击地压监测预警的准确性，解决预警空间域的划分，实现“分类预警”，提出了冲击地压监测大分区与小分区的理念。冲击地压监测大分区为测区划分，暂定以单个掘进工作面、单个回采工作面或上下山/大巷等为单位进行划分，大分区监测预警主要体现区域性整体冲击危险性，可以根据该区域冲击地压发生的类型、影响因素等，选择监测参量，配置预警权重及预警指标。冲击地压监测小分区为局部监测分区，主要按照有扰动与无明显扰动进行划分，预警的区域以实测数据空间位置为坐标，在设定的“时间域、空间域”内进行冲击地压多参量联合监测预警，注重体现局部区域的冲击危险性。

冲击地压监测大分区与小分区划分及关系如图1所示。

图1 “分类预警”指导下的监测区域划分Fig.1 Division of monitoring areas under the guidance of "classified early warning"

2.2 冲击地压多参量监测预警算法及指标体系

多参量预警算法主要针对致灾诱因的多源数据类型以及多参量预警指标的相互配合机制2方面开展。

( 1 ) 全面的多源数据类型与基础指标

多参量预警的基础是海量信息，传统多参量预警通常以煤层应力、微震等监测数据为主，而忽略了与冲击地压相关的地质条件、开采信息、卸压施工信息等。算法体系中数据集成类型分为“资料信息”、“开采信息”和“监测信息”三大类16种基础指标，见表2。

( 2 ) “常规预警”与“特殊条件预警”相结合的预警机制

预警机制采用“常规预警”与“特殊条件预警”相结合的方式进行设计。常规预警模型对16项指标采用权重法进行耦合计算，文献[19]和[20]已有论述。首先根据基础指标对于冲击危险的表征程度分配权重系数k，以微震监测指标为例，对表2中编号为4～8的5个微震基础指标进行归一化的权重分配，得到微震监测预警指标Iwz，采用相同的方法对其他类型数据进行处理；然后根据不同类型数据对冲击危险性影响程度进行权重K值分配( 图2中K1～K8)，最终得到监测区域的整体危险程度，如式( 1 )所示。常规预警指标计算的数据类型、指标全面，其预警结果反映监测区域的整体冲击危险性。

表2 数据类型与基础指标分类Table 2 Data type and basic index classification

图2 常规预警指标运算机制Fig.2 Operation mechanism chart of conventional early warning indicators

特殊条件预警是对常规预警方法的补充，规避了极端异常指标在权重法体系下被淹没的特殊情况，如，石拉乌素煤矿冲击地压的发生主要受多层厚硬砂岩悬臂梁结构影响，在厚硬砂岩断裂时产生大能量微震事件。微震大能量事件是厚硬岩层断裂、运动的表征参量之一，因此，大能量微震事件发生时可直接触发特殊条件预警，可对常规预警进行有效补充，提高预警针对性，特殊条件预警算法的判别流程如图3所示。

图3 特殊条件预警算法的判别流程Fig.3 Discrimination process of early warning algorithms in special conditions

3 监控预警平台系统开发

3.1 平台系统构建

在文献[20]提出的平台技术构成包含监测硬件、分析软件及预警指标3个部分的基础上，针对兖矿集团自身条件，补充与优化了平台系统的构建内容，主要有数据库建设、数据信息标准化建设、风险动态分析模型建设、大数据挖掘与分析、风险指标体系与管控建设5个方面的主要内容，如图4所示。

3.2 基于多维度监测分析的平台功能设计

为了充分挖掘监测数据，提高数据利用率，提出了空间上井上与井下、时间上静态与动态数据、强度上采掘速度与预警指标、管理上预警与处置的四维数据分析理念。

空间维度上，实现井上与井下监测范围的全覆盖，自地表至采场空间范围内所有冲击地压影响因素对应的监测参量均需要参与预警，数据分析与展示需要同时考虑地表沉降、覆岩断裂运动( 微震事件、顶板离层 )、煤体应力变化( 煤层钻孔应力监测 )、巷道围岩变形( 变形量监测 )、围岩应力变化( 锚杆索应力 )等，并根据不同测区的致冲原理，分配不同监测参量的预警权重系数。

时间维度上，实现静态与动态数据的全覆盖，平台系统定期录入与更新测区冲击危险性评价结果、煤层厚度、覆岩分布、地质构造、水文条件等静态数据，在此基础上，对应地将微震、钻孔应力、锚杆索应力、钻屑量、地表沉降、突水等动态监测数据与静态数据进行耦合分析，从而实现采、掘过程中的冲击地压监测预警。

强度维度上，实现采( 掘 )工作面采( 掘 )速度与动态监测预警指标的联合分析。通过矿井上报的实际采掘信息与对应测区内各个单参量预警指标及综合预警指标的联合分析，可以确定不同测区内合理的采掘速度和采掘扰动影响范围，进而确定测区及矿井合理的开采强度。

图4 平台系统建设内容及技术体系Fig.4 Platform system construction content and technical system diagram

监控与管理维度上，通过平台系统对“预警→上报→处置→现场实施→监测指标校验”的全过程监控与“留痕”备查，监控与管理出现漏洞时，平台系统在应用矿井自动提示，并上报上级监控与管理单位，进而实现监控与管理上的智能研判。

在文献[20]已有研究与开发基础上，以石拉乌素煤矿为例，结合四维冲击地压预警理念，对平台系统展示与分析软件进行了升级，平台系统三维主界面主要有系统标题与菜单栏、三维矿区展示、监测区预警信息、系统图例和地质生产信息控制栏五大模块组成，如图5所示。

图5 基于四维监测分析的平台系统软件主界面设计Fig.5 Main interface design of platform system software based on four-dimensional monitoring analysis

系统标题栏模块，主要用于矿区信息、矿图、显示时间域、能量范围等参数的设置。

菜单栏模块，主要包含预警处理及信息查询( 未处理提示 )、声光报警、2D与3D界面切换和历史动态回放( 某测区设置时间范围内的生产信息、静态数据、动态监测数据与预警结果的自动动画播放 )。

三维矿区展示模块，可以实现矿井工业场地、开拓巷道、准备巷道、开采巷道、水文信息、岩层分布信息、评价结果、地表沉降监测、冲击地压在线监测( 应力、微震、支架阻力等系统测点位置、运行情况及监测数据 )、生产信息( 采掘进尺 )和现场施工信息( 卸压、爆破、钻屑、支护 )等全类型数据的三维展示，空间上自地表至井下全覆盖，时间上根据设置可动态查看。

测区预警信息模块是将矿井监测区域分为独立的预警单元，每个预警单元将随着静态数据( 评价、地质信息等 )、动态监测数据( 微震、应力、钻屑等 )、生产信息和防治工程信息的变化而调整预警权重系数。

地质生产信息控制模块，主要用于地质信息( 岩层分布、煤层条件、构造、水文等 )、采掘信息( 采掘进尺及空间位置 )和现场工程信息( 卸压钻孔、爆破、钻屑 )的定期录入与更新，为分析确定合理开采强度、某采( 掘 )面扰动影响范围、采掘面间安全距离与防冲规定的要求、预警与处置措施闭环管理等提供基础条件。

4 平台系统的现场应用

以石拉乌素煤矿为工程背景，平台预警算法在文献[20]的基础上进行升级，增加、设置了较为灵活的基础指标筛选及权重系数配置方案，可通过对某一特定监测区的地质开采条件特点的分析，进行定制化设置，提高系统普适性。

4.1 多参量基础指标及权重系数的确定

以石拉乌素煤矿221上01工作面为例，该工作面平均埋深约690 m，工作面斜长280 m，煤层厚度平均5.13 m，煤层单轴抗压强度22 MPa，顶板以硬厚砂岩组为主，工作面最大推进速度11.2 m/d。该工作面冲击地压主要受到厚硬砂岩悬臂、断裂，动载扰动影响，因此，应采用以微震大能量事件及应力突增指标为特殊条件预警的主要指标。

( 1 ) 权重系数确定原则及现场数据选择

经动态监测数据与静态评价结果对比可知，221上01工作面动态监测数据与静态评价结果具有较高的一致性，即评价得到中等冲击危险区域的动态实测指标明显高于弱冲击地压危险区域，据此，以两类区域内各基础指标的异常程度作为权重系数的确定依据。工作面冲击地压危险区划分如图6所示。

图6 221上01工作面危险区划分Fig.6 Division diagram of dangerous area of working face 221 upper 01

图2 中给出8类综合预警指标的参量，以微震监测和煤层应力监测为例，对各参量权重系数的确定方法进行示例性说明。选取221上01工作面中等冲击地压危险区( 1 980～2 190 m )和弱冲击地压危险区( 1 830～1 980 m )实测数据进行对比分析，其中弱冲击地压危险区选取时间段为2019-11-12—12-06，累计推进138.9 m；中等冲击地压危险区选取时间 段 为2019-12-20—2020-01-13 ，累 计 推 进137.5 m，见表3。

表3 工作面危险区划分及回采时间统计Table 3 Dangerous area division and mining time statistics of working face

对比表2中编号为4～8的5个微震基础指标、编号9～11的3个应力指标在中等冲击地压危险区域和弱冲击地压危险区的占比情况，得到各基础指标对冲击危险的实测变化量( 其中，微震日总能量的统计情况如图7所示 )，并根据变化量的占比情况进行归一化的权重分配( 即：某一基础指标权重系数k值等于其自身变化量除以所有基础指标变化量的总和，其中变化量为负数的不参与计算 )，得到各指标权重系数取值见表4。采用同样的方法对其他基础指标进行统计分析，得到各基础指标权重系数见表5。

图7 不同阶段微震日能量对比关系Fig.7 Relationship between daily energy of microseisms in different stages

4.2 不同条件工作面的系数对比分析

赵楼煤矿7301工作面平均埋深约1 000 m，工作面斜长230 m。工作面具有典型的巨野煤田千米深井、特厚煤层、薄-中厚基岩、厚表土层等特点，采用以应力监测及微震数量为主的预警原则。采用与石拉乌素煤矿相同的权重系数确定方法，通过一段时间的实测数据分析，得到赵楼煤矿基础指标的权重系数，见表5。据此，平台预警机制通过权重系数k值的调整及特殊条件预警的补充，可同时满足不同赋存条件下监测预警的需要，且预警权重系数可应用AI智能模型训练进行自学习与调整。

平台系统经过在石拉乌素煤矿和赵楼煤矿的现场实践，应用了“常规预警”与“特殊条件预警”相结合的预警机制后，平台系统监测预警结果较原有预警算法准确，现场应用效果显著提高。

表4 不同危险区微震、应力预警指标对比统计Table 4 Comparison of microseismic and stress early warning indexes in different risk areas

表5 石拉乌素煤矿与赵楼煤矿预警参量的选择及其权重系数Table 5 Early warning parameter selection and weight quantification between Shilawusu Coal Mine and Zhaolou Coal Mine

5 结 论

( 1 ) 提出了冲击地压监测预警大分区与小分区相结合的预警分区方法，监测上实现分区分类监测，预警上实现大分区整体预警与小分区局部预警相结合，提高了冲击地压监测参量选择的针对性和平台系统现场适用性。

( 2 ) 提出了“常规预警”与“特殊条件预警”相结合的预警机制，通过石拉乌素煤矿和赵楼煤矿的现场应用，分析总结了常规预警中各预警指标权重系数基于实测数据的调整方法，并在平台软件中进行AI智能模型训练功能的开发，实现了平台系统对于权重系数的自学习与智能修正。

( 3 ) 基于原有的平台系统进行升级开发，实现矿井与防冲研究中心、井上与井下、静态与动态数据、预警结果与现场处置措施等智能联动及自动上报功能，提高了冲击地压监测预警和管理的时效性，解决了兖矿集团存在的部分防冲难题，降低了人力成本。

( 4 ) 提出的冲击地压多维度多参量监测预警方法、预警体系及指标确定方法虽已有现场实践，但是，对于“一面一分类的预警方法、预警体系、指标设置及优化”和“现场显现案例库”的建设，仍需要在现场实践中不断完善。

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