沖擊地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警GIS 云平臺(tái)

張拴才，韓澤鵬，陳潤(rùn)合，王富強(qiáng)，鞏思園

（1.華能慶陽(yáng)煤電有限責(zé)任公司 核桃峪煤礦，甘肅 慶陽(yáng)745000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；3.甘肅華亭煤電股份有限公司 東峽煤礦，甘肅 平?jīng)?44000）

近年來(lái)，沖擊地壓等煤礦動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生頻繁，在東部、中部和西部礦井時(shí)有發(fā)生，其中僅山東省采深超千米的礦井就有十幾座，具有沖擊地壓災(zāi)害的生產(chǎn)礦井達(dá)40 余座[1]。隨著我國(guó)淺部煤炭資源開(kāi)采殆盡，越來(lái)越多的中西部礦井將進(jìn)入深部開(kāi)采。深部礦井由于埋深大，由重力和水平應(yīng)力等組成的基礎(chǔ)靜載高，沖擊地壓發(fā)生的門(mén)檻低，因此必須加強(qiáng)對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警[2]。目前我國(guó)大部分沖擊地壓礦井配備了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3-6]、應(yīng)力在線系統(tǒng)等監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)建立的沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)可以集中有限的防沖資源，解決礦井專(zhuān)業(yè)分析人員缺乏的問(wèn)題，進(jìn)而提升沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的效率。沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)收集的大量礦震、礦壓等信息可以運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析，從而為沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了新的思路。當(dāng)前在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下，GIS[7]技術(shù)十分適合應(yīng)用于煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)的建設(shè)中，為云平臺(tái)的搭建提供了一種先進(jìn)手段。

1 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)建立的意義

1）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及專(zhuān)家遠(yuǎn)程指導(dǎo)。云平臺(tái)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[8]，可加快沖擊礦井相關(guān)信息的傳播速度，使專(zhuān)業(yè)人才通過(guò)專(zhuān)家云遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓的防治工作。云平臺(tái)具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布及信息瀏覽等功能，可提高監(jiān)管部門(mén)對(duì)沖擊礦井的監(jiān)控。

2）集成工作面生產(chǎn)及防沖信息。云平臺(tái)通過(guò)礦井終端獲取各類(lèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與防治信息，云平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能可以將工作面掘進(jìn)和回采過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，極大地方便了數(shù)據(jù)的調(diào)用與分析。云平臺(tái)可建立工作面從掘進(jìn)到回采的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而為本礦其他工作面沖擊危險(xiǎn)的預(yù)警及防治提供借鑒。

3）實(shí)現(xiàn)監(jiān)防互饋，提升防沖效率。云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)1 張圖管理和監(jiān)防互饋，通過(guò)GIS 技術(shù)將礦井在時(shí)間和空間2 個(gè)維度上的生產(chǎn)信息、礦壓信息、礦震信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警信息及防治信息進(jìn)行直觀展示，監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果可直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)防沖，云平臺(tái)包含的監(jiān)測(cè)預(yù)警功能可對(duì)防沖解危效果進(jìn)行檢驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)防互饋，提高防治效率。

4）提升沖擊地壓整體防治效率并建立海量數(shù)據(jù)庫(kù)。云平臺(tái)收集了多個(gè)沖擊礦井的礦震數(shù)據(jù)及其他相關(guān)信息，建立了沖擊地壓防控的聯(lián)合平臺(tái)，從而可以從更高維度揭示其發(fā)生機(jī)理及影響因素，可提升沖擊地壓的整體防治效率，對(duì)減小沖擊地壓的危害具有重要意義。同時(shí)，大量數(shù)據(jù)為運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析及人工智能等手段預(yù)警沖擊地壓提供了條件。

2 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)框架及功能

沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)建設(shè)主要包括軟、硬件2 部分，沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)架構(gòu)如圖1。云平臺(tái)底層硬件部分是由SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)力在線系統(tǒng)及其他礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)形成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到信息后，經(jīng)分析人員進(jìn)行處理，可獲得礦震及工作面應(yīng)力集中區(qū)等信息，礦端信息傳輸軟件將實(shí)時(shí)上傳監(jiān)控信息至云平臺(tái)服務(wù)器。云平臺(tái)服務(wù)器對(duì)信息進(jìn)行接收和存儲(chǔ)，可供研究人員調(diào)取，并運(yùn)用專(zhuān)家系統(tǒng)指導(dǎo)沖擊危險(xiǎn)預(yù)警和防治措施制定等工作，最后可將預(yù)警及防治信息發(fā)布在云平臺(tái)上，礦端用戶(hù)及監(jiān)管用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可看到預(yù)警和防治意見(jiàn)，從而指導(dǎo)井下的防治與管理工作。

圖1 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Cloud platform architecture for rock burst monitoring and early warning

沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)中軟件系統(tǒng)包括客戶(hù)端、服務(wù)器端以及瀏覽發(fā)布模塊3 大部分。客戶(hù)端系統(tǒng)主要將各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作分析結(jié)果上傳到云平臺(tái)服務(wù)器。服務(wù)器端軟件系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)處理、添加客戶(hù)端、界面顯示等功能，數(shù)據(jù)處理包括基礎(chǔ)信息配置、將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為圖片、圖表等直觀顯示的形式。瀏覽發(fā)布模塊通過(guò)檢索數(shù)據(jù)查詢(xún)各礦區(qū)最新上傳的文件存儲(chǔ)位置，實(shí)時(shí)更新顯示最新的圖表等信息，并根據(jù)用戶(hù)權(quán)限提供下載，瀏覽等業(yè)務(wù)。

2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)

沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在.Net平臺(tái)下使用C/S 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由于礦端網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多樣，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)種類(lèi)多樣，可應(yīng)用Socket 和WebServices技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦端數(shù)據(jù)在廣域網(wǎng)的傳輸，通過(guò)在煤礦端部署數(shù)據(jù)收集解析程序，在服務(wù)器端搭建Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)接收程序形成數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2。

本系統(tǒng)充分考慮了多礦端、多設(shè)備、多類(lèi)型數(shù)據(jù)的傳輸存儲(chǔ)，具備良好的可擴(kuò)展性。為了適應(yīng)礦端各監(jiān)測(cè)設(shè)備種類(lèi)多，實(shí)現(xiàn)技術(shù)差異性大，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散等特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸端可以直接部署在終端，也可部署在局域網(wǎng)中的某1 臺(tái)終端上。沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)嵌入了礦井的各類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例介紹程序設(shè)計(jì)思路。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Data transmission system network architecture

1）微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到新的礦震后，通過(guò)標(biāo)波軟件對(duì)礦震事件進(jìn)行計(jì)算后按標(biāo)準(zhǔn)格式傳輸至云平臺(tái)服務(wù)器，并存入該礦相應(yīng)日期的文件夾下，若礦震事件能量值超過(guò)預(yù)警值，則云平臺(tái)自動(dòng)報(bào)警軟件會(huì)向工作人員播報(bào)該礦震事件信息。

2）云平臺(tái)服務(wù)器在接收到微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，可對(duì)礦震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將數(shù)據(jù)變?yōu)閳D表等形式，同時(shí)將礦震數(shù)據(jù)及其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)警，最后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果及預(yù)警結(jié)果等信息實(shí)時(shí)發(fā)布在云平臺(tái)上，礦端及監(jiān)管機(jī)構(gòu)可實(shí)時(shí)調(diào)閱。

3）礦端服務(wù)器可以查閱SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)及分析圖表，云平臺(tái)服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，可將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)回礦端。

由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多樣，數(shù)據(jù)量大，傳輸格式包括文本、數(shù)據(jù)集等多種格式，因此采用Socket 實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。在礦端各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、格式化以及傳輸。在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)部署數(shù)據(jù)云平臺(tái)服務(wù)器以及網(wǎng)站服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解碼、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)以及服務(wù)內(nèi)容發(fā)布。在礦端部署本地服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地化，為煤礦沖擊地壓遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警分析軟件等礦端軟件進(jìn)行分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 沖擊地壓實(shí)時(shí)預(yù)警模型

GIS 云平臺(tái)內(nèi)嵌了綜合預(yù)警模型來(lái)對(duì)沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括：前兆指標(biāo)歸一化、前兆指標(biāo)權(quán)重確定和智能綜合預(yù)警模型。

由于各指標(biāo)量綱不同，為定量化描述各前兆指標(biāo)的異常水平，可引入可靠性分析理論[9]將預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行歸一化，歸一化公式如式（1），其中對(duì)于正向與負(fù)向異常指標(biāo)，其t 時(shí)刻的異常隸屬度λij（t）分別由式（2）計(jì)算得到[10]：

式中：Rij（t）為第i 個(gè)指標(biāo)在第j 個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的歸一化結(jié)果；t 為時(shí)間窗的結(jié)束時(shí)刻；Qij為第i 個(gè)指標(biāo)在第j 個(gè)時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算的指標(biāo)值；Qimax、Qimin分別為所有時(shí)間窗內(nèi)第i 個(gè)指標(biāo)值的最大值、最小值。

為評(píng)價(jià)各前兆指標(biāo)的重要性，選用混淆矩陣法來(lái)動(dòng)態(tài)計(jì)算各指標(biāo)的預(yù)警效能權(quán)重，將各指標(biāo)對(duì)沖擊地壓的預(yù)警結(jié)果寫(xiě)為混淆矩陣的標(biāo)準(zhǔn)形式?；煜仃嚾鐖D3。圖3 中TP 表示預(yù)警發(fā)生，實(shí)際發(fā)生；FP表示預(yù)警發(fā)生，實(shí)際未發(fā)生；FN 表示預(yù)警不發(fā)生，實(shí)際發(fā)生；TN 表示預(yù)警不發(fā)生，實(shí)際未發(fā)生。通過(guò)計(jì)算混淆矩陣中的F 值來(lái)得到各前兆指標(biāo)的權(quán)重值。

圖3 混淆矩陣Fig.3 Confusion matrix

各前兆指標(biāo)權(quán)重wi可采用式（3）來(lái)確定：

式中：Fi為第項(xiàng)前兆指標(biāo)的值；∑Fi為各前兆指標(biāo)值的和。

將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的各類(lèi)數(shù)據(jù)傳入GIS 云平臺(tái)后，可實(shí)時(shí)計(jì)算得到各前兆指標(biāo)值，然后給各前兆指標(biāo)賦予權(quán)重，并按式（4）計(jì)算n 個(gè)前兆指標(biāo)的綜合預(yù)警值Z（t），最后采用高斯隸屬函數(shù)[9]計(jì)算其隸屬情況，進(jìn)而給出時(shí)刻t 的沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果（無(wú)或弱或中或強(qiáng)）。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)建設(shè)的思路，在山東、陜西、內(nèi)蒙等28 個(gè)沖擊地壓礦井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，下面以某礦為例展示云平臺(tái)具備的各項(xiàng)功能。某礦為深部沖擊地壓礦井，礦井安裝有SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)有沖擊危險(xiǎn)時(shí)，礦井按要求可實(shí)施爆破卸壓、大直徑鉆孔卸壓等卸壓措施。

3.1 沖擊地壓危險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警功能

沖擊地壓預(yù)警模型實(shí)時(shí)運(yùn)行在云平臺(tái)，可對(duì)SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上傳的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行前兆指標(biāo)計(jì)算。沖擊地壓危險(xiǎn)綜合預(yù)警結(jié)果如圖4。該礦井某工作面的沖擊危險(xiǎn)是由11 個(gè)前兆指標(biāo)[11]分別賦予權(quán)重后計(jì)算得出，綜合預(yù)警結(jié)果為0.9，表明該工作面此時(shí)具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

圖4 沖擊地壓危險(xiǎn)綜合預(yù)警結(jié)果Fig.4 Comprehensive early warning result of rockburst

3.2 信息集成與監(jiān)防互饋

云平臺(tái)各項(xiàng)功能模塊如圖5。

圖5 云平臺(tái)各項(xiàng)功能模塊Fig.5 Various functional modules of the cloud platform

在SuperMap GIS 云服務(wù)支撐下，設(shè)計(jì)了鉆屑檢測(cè)、煤體卸壓爆破、大直徑鉆孔、應(yīng)力在線、礦震分布和CT 空間反演[12]結(jié)果的顯示，可在實(shí)時(shí)預(yù)警基礎(chǔ)上，給出沖擊危險(xiǎn)的空間分布特征，從而在時(shí)間和空間2 個(gè)維度下實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)的全面預(yù)警。

云平臺(tái)可直觀展示大直徑等防治措施的實(shí)施區(qū)域、時(shí)間及施工情況，在云平臺(tái)給出預(yù)警危險(xiǎn)等級(jí)和區(qū)域后，礦方可立即評(píng)估已有措施實(shí)施情況，并根據(jù)當(dāng)前沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)制定補(bǔ)強(qiáng)卸壓方案，而后可采用下一階段的預(yù)警結(jié)果對(duì)卸壓效果進(jìn)行驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治的互饋效果。

3.3 效果檢驗(yàn)

該面預(yù)警有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)后，采用震動(dòng)波CT 反演技術(shù)得到的沖擊地壓危險(xiǎn)空間預(yù)警結(jié)果如圖6。之后該面在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)有1.2×105J 的較強(qiáng)礦震，也驗(yàn)證了預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨后為充分降低沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域在已有卸壓措施基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)卸壓，卸壓措施實(shí)施完成后，下一階段的沖擊地壓危險(xiǎn)空間預(yù)警結(jié)果表明，卸壓措施起到了有效降低沖擊危險(xiǎn)的目的，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)監(jiān)防互饋的目標(biāo)。

圖6 采用震動(dòng)波CT 反演技術(shù)得到的沖擊地壓危險(xiǎn)空間預(yù)警結(jié)果Fig.6 The distribution of rock burst danger level by seismic wave CT inversion technique

4 結(jié) 語(yǔ)

提出了云平臺(tái)建立的整體框架和思路，詳細(xì)介紹了云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)預(yù)警過(guò)程，在SuperMap GIS 云服務(wù)支撐下建立了包含28 座沖擊地壓礦井的GIS 云平臺(tái)，展示了云平臺(tái)具備的信息集成、沖擊地壓危險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警與監(jiān)防互饋功能，并以某礦為例對(duì)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)預(yù)警效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。