大同礦區(qū)動(dòng)力災(zāi)害高頻微震無(wú)線地面臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

研發(fā)起止時(shí)間：2017年10月～2019年12月

完成單位：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧大學(xué)

成果水平：國(guó)際先進(jìn)

1 項(xiàng)目背景

同煤集團(tuán)大同礦區(qū)是我國(guó)主要產(chǎn)煤區(qū)之一，為國(guó)家的建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，大同礦區(qū)淺部煤炭資源已近枯竭，開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)向深部。進(jìn)入深部開(kāi)采后，由于深部煤巖性質(zhì)發(fā)生了顯著變化，由此造成煤礦深部強(qiáng)礦壓致災(zāi)機(jī)理與災(zāi)變準(zhǔn)則也有明顯差異，預(yù)警與防治技術(shù)及監(jiān)測(cè)軟硬件設(shè)施也不同。目前，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多安裝于井下，由于井下深部空間環(huán)境惡劣，易導(dǎo)致儀器性能不穩(wěn)定，且傳感器需要單獨(dú)供電，容易受井下電磁場(chǎng)干擾，影響監(jiān)測(cè)信號(hào)質(zhì)量；同時(shí)，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高，難以保證高密度測(cè)點(diǎn)布置，致使井下空間存在大量監(jiān)測(cè)盲區(qū)，且常常出現(xiàn)多個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)不到強(qiáng)礦壓信號(hào)而導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警；深部開(kāi)采井上-井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸多采用有線傳輸，網(wǎng)絡(luò)布設(shè)困難、易損壞，不利于災(zāi)害預(yù)警；監(jiān)測(cè)臺(tái)站體積大，傳感器固定，不利于隨采區(qū)移動(dòng)而合理優(yōu)化布置，以上問(wèn)題一直難以克服，導(dǎo)致預(yù)警手段準(zhǔn)確率不高，防治措施的有效性也不十分理想。因此，探索新的技術(shù)途徑監(jiān)測(cè)煤層開(kāi)采中強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)難題勢(shì)在必行。

為改變目前的現(xiàn)狀，進(jìn)一步深入研究大同礦區(qū)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題發(fā)生的特征、原因和條件，以同煤塔山煤礦為研究對(duì)象，建立了大同礦區(qū)高頻微震無(wú)線地面臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建了大同礦區(qū)微震大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為礦區(qū)安全開(kāi)采提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

2 研究?jī)?nèi)容

（1）通過(guò)理論研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)M以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，根據(jù)塔山煤礦工作面地質(zhì)構(gòu)造、地理環(huán)境、井群特征及動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，研究適合塔山礦區(qū)的地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)布置方案；

（2）確定適合塔山礦區(qū)的高頻微震到時(shí)確定方法、微震定位方法及震級(jí)計(jì)算方法；根據(jù)微震信號(hào)特征分析，研究煤礦動(dòng)力災(zāi)害類(lèi)型判識(shí)方法及預(yù)警方法研究；

（3）研究微震事件發(fā)生頻次與震級(jí)關(guān)系，并結(jié)合井下開(kāi)采情況和地質(zhì)構(gòu)造情況，根據(jù)微震事件特征研究微震事件能量演化規(guī)律和超前影響范圍；

（4）構(gòu)建了大同礦區(qū)微震大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為礦區(qū)安全開(kāi)采提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，給塔山礦區(qū)深部動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警和防治提供支撐。

3 主要研究成果

(1)本項(xiàng)目構(gòu)建了動(dòng)力災(zāi)害高頻微震地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站，圖1為地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布圖，提出了微震到時(shí)確定方法、微震定位方法以及微震震級(jí)計(jì)算方法，構(gòu)建了微震大數(shù)據(jù)二級(jí)管理平臺(tái)，為煤炭行業(yè)打造和推進(jìn)地面微震監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)提供了理論架構(gòu)和體系借鑒，一定程度上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)煤礦地面微震監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的空白。高頻微震采集器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布圖

圖2 高頻微震采集器結(jié)構(gòu)圖

（2）提出了煤礦動(dòng)力災(zāi)害類(lèi)型判識(shí)方法，采用小波分解進(jìn)行時(shí)域分析，對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行逆變換并重構(gòu)去除噪聲信號(hào)。定義了4 層分解層，使用閾值函數(shù)處理的最低級(jí)別的近似系數(shù)LC4和細(xì)節(jié)系數(shù)DDC4進(jìn)行一維小波重構(gòu)，然后得到DLC4；逐層將近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)逐層重構(gòu)為小波，最后得到一個(gè)近似的原始信號(hào)（去除噪聲）；構(gòu)造ELM 分類(lèi)器，將隱藏層節(jié)點(diǎn)用作循環(huán)條件，并計(jì)算與每個(gè)隱藏層節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確率，通過(guò)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，將微震事件與已學(xué)習(xí)的事件進(jìn)行類(lèi)型匹配，進(jìn)而判斷煤礦動(dòng)力災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)了煤礦災(zāi)害類(lèi)型的智能化分析。

（3）通過(guò)對(duì)塔山礦的實(shí)際情況進(jìn)行分析，提出基于兩級(jí)線性回歸的動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警方法。將海量歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，采用移動(dòng)回歸法提取數(shù)據(jù)特征，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)線性回歸法建立災(zāi)害模型，為煤礦動(dòng)力災(zāi)害判識(shí)提供模型基礎(chǔ)；通過(guò)置信區(qū)間構(gòu)建判識(shí)域，提出置信因子變換的方法預(yù)測(cè)災(zāi)害波形未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為煤礦動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警技術(shù)提供理論支持。

（4）開(kāi)展了塔山礦8204-2工作面微震監(jiān)測(cè)覆巖破壞能量演化規(guī)律研究，圖3為塔山煤礦8204-2工作面地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖。

圖3 塔山煤礦8204-2工作面地面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

4 應(yīng)用效益

對(duì)塔山煤礦8204-2工作面進(jìn)行地面微震監(jiān)測(cè)，根據(jù)塔山礦8204-2 工作面1～6 月份回采期間微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，準(zhǔn)確定位到微震事件297 次，總能量7.27×105J，得到工作面最大超前影響范圍約130 m，盡管該工作面為孤島工作面，但采取了有效監(jiān)測(cè)和卸壓手段，回采期間未發(fā)生超過(guò)105J能量事件和動(dòng)力災(zāi)害。

研究成果在大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司塔山煤礦獲得成功應(yīng)用，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。截止到2019年底，工作面回采過(guò)程中未發(fā)生冒頂及強(qiáng)礦壓等動(dòng)力災(zāi)害事故，確保了煤礦安全生產(chǎn)，減少了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本投入，同時(shí)減輕了監(jiān)測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為安全生產(chǎn)提供了有力的保障，也為今后開(kāi)展地面微震監(jiān)測(cè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。解決了煤礦動(dòng)力災(zāi)害地面微震監(jiān)測(cè)的難題，降低了安全隱患的發(fā)生，顯著提高了工作面開(kāi)采效率,研究成果可在類(lèi)似條件礦井中推廣應(yīng)用。