乌东煤矿冲击地压监测预警平台搭建与应用

冯攀飞 曹亚利 赵英杰

(1.国家能源集团新疆能源有限责任公司乌东煤矿,新疆 乌鲁木齐 830027;2.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083)

冲击地压是一种典型的矿山动力灾害,常常以突然、急剧、猛烈的形式释放弹性能和变形能,并产生巨大的响声和岩体震动,易造成设备损毁和人员伤亡[1-3]。近年来,随着浅部煤炭资源的枯竭,煤矿开采深度的不断加大,煤层的地质条件也越发复杂,冲击地压发生的可能性增大,严重影响了矿山的安全生产[4-6]。

冲击地压监测预警是实现冲击地压有效防治的前提,也是避免灾害发生的关键手段。冲击地压监测手段众多,分为区域监测和局部监测,区域监测可采用微震监测法,局部监测主要有电磁辐射监测法、地音监测法、应力监测法、钻屑法、震动波CT 监测等[3,6-9]。然而,每种监测方法大多反映某一方面的特征,且监测范围有限,监测指标单一,无法准确反映冲击地压前兆信息,难以满足现场需求[10-11]。因此,本研究从乌东煤矿冲击地压防治现状出发,集成各监测系统的优势,研究冲击地压监测多系统、多参量信息融合和综合预警,开发冲击地压监测预警平台,实现数据融合、实时预警、远程访问、灾防管控等,进一步提高矿井的预警效能和水平,推进煤矿向智能化方向发展。

1 工程概况

1.1 乌东煤矿简介

乌东煤矿位于乌鲁木齐市,井田中心地理坐标为78°46'E、43°54'N。矿井设计生产能力为6.0 Mt/a,设计服务年限为78.7 a。矿井分为南(大洪沟煤矿、小红沟煤矿)、北(铁厂沟煤矿)、西(碱沟煤矿)3 个采区,如图1 所示,采用斜—立井联合、分区开拓的方式进行开采。其中,乌东煤矿南采区煤层赋存条件为近直立特厚煤层,煤层倾角87°～89°,煤层厚度为513.77 m,可采总厚度150.95 m,B1+2 和B3+6 两组煤层同时开采(图2),随着采深增加,两组煤层间岩层形成高耸岩柱,岩柱受到水平构造应力和自重应力会使岩柱下侧与回采煤层相交部位产生倾斜撬动效应,在采掘扰动下,岩体聚集的弹性能通过煤体释放,产生不同程度的冲击地压现象[12]。

图1 乌东煤矿各区分布Fig.1 Distribution of each district of Wudong Coal Mine

图2 乌东煤矿分段开采示意Fig.2 Schematic of segmented mining in Wudong Coal Mine

乌东煤矿采用的水平分段放顶煤的采煤方法,每层分段高度为25 m,其中割煤厚度为3 m,放煤高度为22 m,上部采空区用黄土进行回填,属于大采放比放顶煤回采。采用上采下掘的开拓方式,一般情况下回采和掘进活动同时进行。

1.2 乌东煤矿冲击地压监测预警现状及存在问题

乌东煤矿特殊的地质条件及较大的开采强度导致矿井冲击危险性高,近几年,冲击地压事件持续上升,造成不同程度的井下人员伤亡、巷道破坏以及财产损失等。为应对越来越严峻的冲击地压监测与防治形势,乌东煤矿现已安装微震系统(ARMIS M/E)、地音系统(KJ623)、矿山压力监测系统(KJ21)和电磁辐射仪(YDC7.4、KBD5)等多种冲击地压监测设备,实现了24 h 连续监测,各单一监测系统能够实时采集数据并挖掘前兆信息规律,为冲击地压灾害防治提供指导,但还无法实现矿山安全精准化、智能化建设[13-14]。

通过对乌东煤矿的调研与分析,冲击地压监测预警还存在以下几方面问题:①冲击地压监测设备厂家多,各种设备在监测原理、监测方式等存在差异,导致数据类型多、设备使用效率不高;②数据挖掘较为单一,冲击地压前兆信息有待深入挖掘;③冲击地压多系统多参量综合预警技术亟待研究。因此,有必要针对多种监测设备开展冲击地压多参量综合前兆信息的研究,建立预警准则统一、预警指标统一、预警临界值统一的综合预警技术方法,开发平台系统,通过可视化方式实现冲击地压智能综合预警和管控,有效遏止冲击地压事故发生。

2 乌东煤矿冲击地压监测预警平台搭建

2.1 监测预警平台建立思路

根据乌东煤矿冲击地压机理,针对性地在采掘空间布置安装微震监测系统、地音监测系统、矿山压力监测系统和电磁辐射监测系统等,从源头对冲击地压进行监测。

(1)微震监测系统。通过在监测区周边布置多组检波器实时采集煤岩体在变形或断裂过程中微震信号,实时确定微震事件发生的空间位置和能量,实时动态分析煤岩体的活动范围、破裂规律及其稳定性。

(2)地音监测系统。监测微小岩石破裂引起的微弱地震信号,记录对应通道产生时间和幅值。

(3)矿山压力监测系统。作业过程中巷道围岩应力、变形数据同步采集。

(4)声电瓦斯监测系统。电磁辐射、声波、瓦斯浓度等信号的实时监测,实现实时数据图表曲线显示、数据自动处理、干扰自动排除、历史数据及统计指标智能查询等功能。

目前,冲击地压的监测预警仍是一个重大技术难题。虽然乌东煤矿在冲击地压矿井已安装了多种监测设备,但监测预警效果并不理想[15-17]。实践表明,单系统监测仍存在局限性,如地音监测系统的监测范围较小,微震监测短期预警较困难等,使用单一监测系统的预警可靠性有待提高。因此,需要集成各监测系统的优势,建立多系统多参量综合预警模型,开发监测预警平台,实现灾害的自主判识、实时预警、数据融合、远程访问、集中展示等功能,提高矿井的预警效能和水平,进一步推进煤矿向智能化方向发展和精准化防控趋势。如图3 所示,该平台系统的执行思路。

图3 平台建立思路Fig.3 Platform establishment ideas

(1)由物联网主机为核心,集成微震监测系统、地音监测系统、电磁辐射监测系统、矿山压力监测系统等,实时采集矿震及工作面应力集中等数据并存储至企业云端数据库。

(2)本地服务器定时从云端数据库中读取监测数据,并将数据转存为所需的标准化格式,实现输入数据的实时更新。

(3)利用数据挖掘、统计分析等方法,进行单一监测系统前兆信息特征规律提取,并转化为图表等可视化的形式,将结果上传至云端。

(4)基于人工智能算法,建立单系统和多系统集成预警模型,将预警结果上传至云端。

(5)搭建可视化大屏,集团公司、主管部门等用户端可通过Web 浏览器获得预警信息和综合管控意见,从而指导矿山冲击地压防治工作。

2.2 平台架构与技术特征

该平台的架构主要可分为基础资源层、数据层、特征层、模型层、应用展示层,如图4 所示。基于大数据、云计算、人工智能等技术,通过对多种监测系统接入、数据集成处理、多元信息挖掘分析,可实现灾害前兆特征智能判识、多元特征融合预警和分级管理,及时发布预警信息,促进智能决策和科学防治[18-19]。

图4 平台架构Fig.4 Platform architecture

(1)基础资源层。该层为平台系统开发的基础,可分为硬件和软件两部分。硬件包括物联网主机、服务器、传感器等;软件包括微震、地音、应力等监测系统,还包括数据分析系统、可视化系统等,该层是监测预警平台开发的前提条件。

(2)数据层。数据层包括数据的采集、传输、存储等,数据采集主要包括工作面采掘信息、单一监测系统数据、设备状态数据等,数据采集的稳定性是前兆特征分析及综合预警的关键;数据传输主要是将采集到的数据传递到云端数据库;数据存储主要是对采集到的数据进行云端存储,还包括对数据分析结果、模型计算结果等的存储。

(3)特征层。主要是对监测数据进一步分析,根据乌东煤矿的特点,对各个监测系统进行前兆信息特征提取,并寻找出有价值的特征指标,通过设定阈值的方式,对灾害进行实时预测,为冲击地压防治提供参考。

(4)模型层。利用机器学习、神经网络、遗传算法等形成智能算法,对海量监测数据进行智能清洗和分析,结合各监测系统的优势,建立多系统多参量综合预警模型,模型可自学习、自适应调整,形成统一的预警准则、预警指标、预警临界值,实现预警技术的定量化、精准化和智能化。

(5)应用展示层。该层主要通过中控大屏、PC端、移动端等方式,是对数据层、特征层、模型层的结果进行可视化展示,主要展示内容为实时数据感知结果、前兆信息挖掘结果、冲击危险评价结果、多元融合预警结果、一件报表生成等。

3 平台应用与展示

3.1 平台概览

乌东煤矿监测预警平台的基本功能是完成客户端到服务器数据的实时传输,服务器端对数据的实时发布以供远程技术服务中心、集团公司、各矿主管部门等进行实时查看。该平台主要由主界面和四大功能模块组成。其中,主界面包括标题区、检索区、图表显示区和下载专区,如图5 所示,可多维度宏观呈现冲击危险总体态势,实现对监测矿井冲击危险的“全天候”、“全方位”的实时动态感知。四大功能模块为实时监测模块、综合预警模块、报表系统模块、设备管理模块,如图6 所示。主界面关联相应的功能模块,可快捷跳转。

图5 乌东煤矿监测预警一张图Fig.5 One map of monitoring andwarning for Wudong coal mine

图6 平台功能模块组成Fig.6 Platform functional modules composition

3.2 实时监测模块

实时监测模块实现了对微震、地音、电磁辐射、矿山压力等各监测系统数据的同步性和兼容性,实现多个系统集中在一个屏幕切换显示,如图7 所示。具体包括以下功能:① 资料室现场实时数据查看;② 历史数据查询;③ 监测点位选取;④ 数据下载与导出;⑤ 数据列表及数据分析图的切换。

图7 实时监测模块界面图(以微震监测为例)Fig.7 Real-time monitoring module interface diagram (Microseismic monitoring)

3.3 综合预警模块

综合预警模块包括微震系统预警、地音系统预警、液压支架系统预警、多系统多参量综合预警四部分,并对各单系统预警指标及其临界值进行展示,相对于单系统预警,多元融合预警的准确率大大提高。

以遗传算法为例,对该模块的流程进行详细的介绍。遗传算法[20-21]是一种随机搜索算法,通过数学的方式,将问题的求解过程转化为类似生物进化过程中的交叉、变异等过程,具有较强的自适应搜索特征。

3.3.1 指标体系

利用数据挖掘、统计分析等方法,从“时—空—强”三个维度建立多系统多参量监测预警指标体系,如表1 所示,有效地克服了单一指标监测预警的弊端。

表1 多系统多参量监测预警指标体系Table 1 Multi-system,multi-parameter monitoring and early warning index system

3.3.2 单系统预警

单系统预警模型具体构建步骤:① 对乌东煤矿历史监测数据进行深入挖掘,获取各监测系统多参量预警指标,如表1 所示;② 通过遗传算法,迭代寻优出各预警指标的最佳预警临界值V、预警效能R和预警周期T;③ 将R值最大的2 ～3 个预警指标作为最优预警指标组合,计算最优组合各探头或者支架的预警程度Wi和预警效能Ri;④ 根据公式(1),计算出各监测系统的预警结果。

式中,WI为各单系统预警结果;Wi为单系统最优预警指标组合的预警程度;Ri为单系统最优预警指标组合的预警效能;ai、bi为最优组合的预警指标;V1、V2为预警指标临界值。

其中,预警效能运用R值评分法进行计算,他是20 世纪70 年代提出的评价地震预报能力的方法[18],几十年来得到了广泛应用,应用效果良好,R值计算式如下:

式中,各参数如图8 所示。“发生”为发生冲击地压或大能量矿震事件;“未发生”为未发生冲击地压或大能量矿震事件;N0为未发生冲击地压或大能量矿震事件的次数;N1为发生冲击地压或大能量矿震事件的次数。

图8 预警效能混淆矩阵Fig.8 Early warning effectiveness confusion matrix

3.3.3 多系统多参量综合预警

多元融合预警模型构建:基于上述各系统预警结果W和预警效能R,应用综合异常指数法,通过公式(4)进行多系统多参量综合集成,构建多系统多参量集成综合预警模型,并将其分为无冲击危险,弱冲击危险,中等冲击危险,强冲击危险4 个等级,划分依据见表2,针对不同的风险等级,可采取相应的防治措施。

表2 冲击地压危险等级划分Table 2 Rockburst hazard class classification

式中,IC为多系统多参量集成综合预警结果;WI为各单系统预警结果;RI为单系统预警模型的预警效能。

多系统多参量综合预警流程见图9,综合预警模块界面见图10。

图9 多系统多参量综合预警流程Fig.9 Multi-system,multi-parameter comprehensive early warning flowchart

图10 综合预警模块界面Fig.10 Integrated early warning module interface

3.4 报表系统模块

如图11 所示,报表系统模块主要功能是实现标准化一键生成报表,满足工作人员快速整理各监测系统数据的需求,减少大量人力,协助制定科学防治决策,且能供公司检查和存档。煤矿管理人员和检查人员能通过报表获得每日的工作面具体情况,包括掘进面情况、微震事件、地音事件、电磁辐射事件、钻屑事件、液压支架、解危事件、产量、回采率、推进度、进刀放煤事件统计、生产组织安排的内容等,且审核人员可对信息进行审核修改。除此之外,报表系统还可查找历史报表下载记录,包括下载时间、原始报表、审核时间等。

图11 报表系统模块界面Fig.11 Reporting system module interface

3.5 设备管理模块

如图12 所示,设备管理模块主要功能是管理设备运行的状态,对处于故障状态的设备进行及时显示,便于员工了解设备运行情况,并及时维修更换,避免监测不全面,发生事故。当工作面掘进或回采完成后,可通过设备管理系统关闭工作面,实时监测模块和综合预警模块将不再显示该工作面数据,生成的报表将不用填写该关闭工作面信息。

图12 设备管理模块界面Fig.12 Device management module interface

4 结论及展望

本研究为保障乌东煤矿安全、持续生产,运用大数据、云计算、人工智能等技术方法,建立了冲击地压监测预警平台,主要得出以下结论:

(1)乌东煤矿冲击地压监测预警平台实现了微震、地音、应力等监测数据的实时采集和传输,通过数据分析,实现前兆信息特征挖掘、多元特征融合预警和分级管理,及时发布预警信息,进一步推进煤矿智能化发展和精准化防控。

(2)在冲击地压综合预警方面,运用人工智能算法,集成各监测系统的优势,建立了多系统多参量综合预警模型,实现矿井灾害智能化预警,促进冲击地压科学防治。

(3)集团公司、监管部门等可通过浏览器获取预警信息和综合管控意见,并可一键生成报表,节省大量人力、物力,从而指导矿山冲击地压防治工作。

(4)开发的监测预警平台虽已有现场应用实践,但冲击地压机理复杂,平台系统的监测设备布置、指标体系和核心算法等,仍需要在现场实践中不断完善。