礦井工作面頂板突水安全預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建研究

李洪杰，杜計平，齊 帥

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州221008）

隨著煤礦開采深度的逐年增加及開采強度的逐步加大，采掘工作面頂板突水事故頻繁發(fā)生，頂板突水事故具有突發(fā)性、水量大的特點，給礦井的安全高效生產(chǎn)帶來了較大的影響，2005年8月7日廣東省大興煤礦發(fā)生特大頂板突水事故，突水量為633m3／min，造成123人死亡，直接經(jīng)濟損失為4000多萬元。2007年陜西省黃陵礦業(yè)公司一號煤礦301工作面推進20m時，發(fā)生頂板突水事故，突水量為100 m3／h，回采過程中，最大涌水量為140 m3／h，穩(wěn)定涌水量為105 m3／h，由于礦井治水的方式得當(dāng)，未造成重大損失。礦井工作面頂板突水災(zāi)難非常嚴重，如何通過有效技術(shù)手段監(jiān)測、預(yù)防頂板突水事故發(fā)生，減少煤礦財產(chǎn)損失，保證工作人員安全，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。對礦井工作面頂板突水安全預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建研究不僅有重要的理論意義，而且還有工程實際價值。

1 工作面頂板突水機理及突水影響因素分析

1.1 工作面頂板突水機理

工作面突水是由于人為采掘活動誘發(fā)圍巖巖性、結(jié)構(gòu)（斷層和裂隙）和地質(zhì)環(huán)境（區(qū)域構(gòu)造場、滲流場、水理作用場）等發(fā)生綜合作用而導(dǎo)致的結(jié)果[1]。頂板水害主要是由于采礦活動產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，進而引發(fā)煤層上覆含水層的水大量涌入礦井，影響工作面生產(chǎn)甚至淹沒礦井[2]。

通過礦井防治水科研人員和工程技術(shù)人員的廣泛研究，認為煤礦突水問題的實質(zhì)是工程地質(zhì)學(xué)問題，頂板冒落時上覆巖層的沖擊力、采掘機械振動或放炮震動力等僅對頂板突水起誘發(fā)作用；水頭壓力和礦山壓力是破壞頂板隔水層、誘發(fā)頂板突水的主要作用力；隔水層巖體的強度是維護頂板完整性、遏制頂板突水的約束力。當(dāng)約束力低于作用力時，則會發(fā)生頂板突水事故?，F(xiàn)階段工作面上覆巖層破壞模型理論主要有劉天泉院士提出的“上三帶”理論；高延法教授提出的巖層“四帶”模型理論；頂板“抽冒”理論。

1.2 頂板突水影響因素分析

工作面頂板突水是應(yīng)力場和滲流場綜合作用而導(dǎo)致圍巖破壞的結(jié)果，因此在分析突水影響因素時，應(yīng)從含水層特性、覆巖特性及采掘特性三個方面分析研究。

1）含水層特性：頂板上覆含水層可分為三類：地表水（河、湖泊等）、巖層富水層水和老空積水。含水層的特性包括儲水性能、導(dǎo)水性能和壓力水頭。

2）覆層特性：上覆巖層特性主要有巖層的滲透性、巖層的強度大小及巖層的層理裂隙發(fā)育情況，若采場存在喀斯特陷落柱或斷層結(jié)構(gòu)，應(yīng)充分考慮它們的影響。

3）采掘特性：工作面頂板圍巖受原巖應(yīng)力場和采動應(yīng)力場綜合作用，煤層未開采時，上覆巖層的層理裂隙處于閉合狀態(tài)，含水層的水處于平衡狀態(tài)，當(dāng)煤層開采后，層理裂隙開始發(fā)育增加了上覆巖層的滲透性，從而產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶造成頂板突水事故。

2 礦井工作面頂板突水安全預(yù)警系統(tǒng)原理及架構(gòu)

2.1 安全預(yù)警系統(tǒng)原理

預(yù)警是對危機或危險狀態(tài)的一種預(yù)前信息預(yù)報或警告[3-4]，預(yù)警系統(tǒng)是根據(jù)對警兆的識別預(yù)先對某種長期或突發(fā)性事件進行預(yù)先警報的系統(tǒng)[5]。礦井工作面頂板突水安全預(yù)警系統(tǒng)是借助于計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對各組成系統(tǒng)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的挖掘、融合及分析，并綜合運用定性分析法和定量分析法的安全預(yù)警模型，對工作面頂板水害安全的現(xiàn)狀和未來進行評價和預(yù)測，確定其危害的變化趨勢、發(fā)展速度及程度。礦井工作面安全預(yù)警系統(tǒng)可以對工作面頂板水害的突發(fā)性災(zāi)害和長期性隱患作出及時的預(yù)測和預(yù)報，并通過人工智能系統(tǒng)對預(yù)警結(jié)果進行智能分析，結(jié)合決策專家知識庫的相關(guān)知識提供決策輔助，為礦井頂板管理及水害防治部門提供相應(yīng)參考信息。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

礦井工作面頂板突水安全預(yù)警系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)處理層、預(yù)警分析層、輔助決策層及人機交互界面組成。如圖1所示。

圖1 礦井工作面頂板突水安全預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

3 預(yù)警指標(biāo)體系選擇及系統(tǒng)功能分析

3.1 預(yù)警指標(biāo)體系選擇

如何依據(jù)工作面頂板突水影響因素設(shè)計預(yù)警指標(biāo)是一項系統(tǒng)工程。預(yù)警指標(biāo)建立時應(yīng)遵循可監(jiān)測性、科學(xué)性、代表性、實效性、預(yù)見性和系統(tǒng)性原則，預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測過程就是對指標(biāo)體系的監(jiān)測。礦井工作面頂板突水安全預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測指標(biāo)體系選取為：應(yīng)力、應(yīng)變、位移、水壓、水溫、水質(zhì)及水位等七項預(yù)警指標(biāo)。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層是整個安全預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，主要通過傳感器監(jiān)測、物探技術(shù)監(jiān)測和人工檢測方式對工作面頂板含水層水文狀態(tài)及頂板巖層構(gòu)造變化狀態(tài)進行實時動態(tài)監(jiān)測。

采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對歷史數(shù)據(jù)庫進行挖掘處理，提取隱藏在其內(nèi)部的有價值信息并分析規(guī)律，建立數(shù)據(jù)融合模板。新的監(jiān)測數(shù)據(jù)被送到實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，首先查詢數(shù)據(jù)庫確定監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合結(jié)果是否已入庫，若已入庫，則直接輸出庫中存儲的結(jié)果。若未入庫，則將其輸入數(shù)據(jù)和融合結(jié)果一起存入數(shù)據(jù)庫中，以降低數(shù)據(jù)庫的模糊度?；A(chǔ)數(shù)據(jù)層由歷史數(shù)據(jù)庫和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫組成，其運行流程如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層運行流程圖

3.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層的功能就是對工作面頂板突水安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理，為預(yù)警分析環(huán)節(jié)提供必要的數(shù)據(jù)和信息支持。在數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)上采用灰色模型GM、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊綜合評價、多因素復(fù)合法等安全綜合評價方法對頂板突水安全狀況進行綜合評價。通過對頂板突水安全監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)的定性和定量分析，得出工作面頂板突水安全狀態(tài)及預(yù)測性結(jié)論。最后，把數(shù)據(jù)分析結(jié)果和安全評價結(jié)果傳輸?shù)筋A(yù)警分析層。

3.4 預(yù)警分析層

預(yù)警分析層是整個安全預(yù)警系統(tǒng)的核心部分。預(yù)警分析的過程主要包含監(jiān)測、識別、診斷、閾值確定、評價等環(huán)節(jié)。

1）監(jiān)測。監(jiān)測是預(yù)警系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，監(jiān)測的對象是引起工作面頂板突水危害發(fā)生的主要原因，即監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)。通過實時動態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以建立預(yù)警信息管理的檔案，從而實現(xiàn)各監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時的傳輸?shù)较乱粋€預(yù)警環(huán)節(jié)。

2）識別。識別是對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行處理、判別信息的真實性和可靠性。該環(huán)節(jié)的辨識指標(biāo)是預(yù)警指標(biāo)體系的關(guān)鍵，對安全預(yù)警的有效運行起到重要作用。這是一個關(guān)鍵的預(yù)警過程，為下一環(huán)節(jié)的預(yù)警提供可靠、詳實、準(zhǔn)確的量化數(shù)據(jù)。

3）診斷。診斷是依據(jù)識別過程的處理結(jié)果，進行成因過程的分析和未來發(fā)展趨勢的預(yù)測。診斷出哪個或者哪些危險因素變化比較明顯，用來明確哪些危險因素是主要的，哪些是次要的。

4）閾值確定。在預(yù)警過程中，各項指標(biāo)的監(jiān)測值達到多少時需要報警和需要報什么級別的警涉及到閾值問題。在實際生產(chǎn)過程中，由于各個礦區(qū)的情況不同，甚至各個工作面的情況不同，所以各項指標(biāo)的閾值是不確定的。閾值的確定是預(yù)警系統(tǒng)是否成功準(zhǔn)確預(yù)警的關(guān)鍵因素，閾值的確定使預(yù)警系統(tǒng)完成了由定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變。各個監(jiān)測指標(biāo)的閾值可以通過試驗和監(jiān)測經(jīng)驗來確定。

5）評價。評價是依據(jù)上一環(huán)節(jié)診斷的結(jié)果分析預(yù)警指標(biāo)的變化過程，評價工作面頂板水害發(fā)生的可能性，并且評價工作面頂板水害如果發(fā)生，水害造成的各項損失有多大。

最后，把預(yù)警綜合診斷及評價結(jié)果準(zhǔn)確及時的傳輸?shù)捷o助決策層。

3.5 輔助決策層

輔助決策層的主要功能是依據(jù)預(yù)警分析層的分析評價結(jié)果確定礦井工作面頂板突水安全狀況，發(fā)布警報信息，并依據(jù)決策專家知識庫制定輔助決策。

依據(jù)警兆相應(yīng)的變動區(qū)間以及警情的警限或等級，運用定性和定量分析方法，結(jié)合專家意見預(yù)報警度并發(fā)布警報信息。結(jié)合經(jīng)驗知識庫、資料數(shù)據(jù)庫、專家知識庫等相關(guān)信息綜合分析后編制預(yù)警方案，經(jīng)橫向和縱向?qū)Ρ群笾贫☉?yīng)急預(yù)案，為頂板水害管理部門和其他相關(guān)部門提供信息。

3.6 人機交互界面

人機交互界面是指人與計算機之間的通信媒體或手段，是人與計算機之間進行各種符號和動作的雙向信息交換平臺。人機交互界面是礦井工作面頂板突水安全預(yù)警系統(tǒng)的重要一環(huán)，安全預(yù)警系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)信息通過這個界面進行輸入和輸出，以比較直觀的形式建立了管理人員與計算機之間的信息傳遞。

4 結(jié)論

當(dāng)今能源經(jīng)濟發(fā)展條件下，我國煤炭行業(yè)安全高效生產(chǎn)形勢依然嚴峻，礦井工作面頂板突水事故時有發(fā)生，礦井工作面頂板突水安全預(yù)警系統(tǒng)是保障煤礦安全生產(chǎn)的一種新手段。隨著預(yù)警監(jiān)測手段的升級、預(yù)警分析系統(tǒng)的深化及輔助決策系統(tǒng)的成熟，礦井工作面突水安全預(yù)警系統(tǒng)必定會為煤礦安全生產(chǎn)做出很大貢獻。

[1]張后全，楊天鴻，趙德深，等.采場工作面頂板突水的滲流場分析[J].礦井地質(zhì)，2004（5）：17-20.

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[3]易雯，呂小明，付清，等.飲用水源水質(zhì)安全預(yù)警監(jiān)控體系構(gòu)建框架研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2011，27（5）：73-76.

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