煤礦工作面超前預(yù)警模型與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

田廣宇，林澤東

（山東科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590）

0 引言

當(dāng)前，為滿(mǎn)足大量煤炭能源需求，煤炭開(kāi)采深度逐漸加深。我國(guó)多數(shù)煤炭能源來(lái)自于深層開(kāi)采［1］，煤礦開(kāi)采強(qiáng)度和開(kāi)采深度增加，加上我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致煤礦開(kāi)采難度增大，危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)一步提高，煤礦沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度和頻率也隨之增加［2］。煤礦事故一旦發(fā)生，將嚴(yán)重威脅井下工作人員的生命安全，因此解決煤礦智能化開(kāi)采和智能化工作面預(yù)警是一件十分重要的任務(wù)?，F(xiàn)代化、智能化、無(wú)人化的智能煤礦預(yù)警平臺(tái)開(kāi)發(fā)以及建立綠色、安全、可靠、高效的現(xiàn)代化智能化煤礦系統(tǒng)將是未來(lái)發(fā)展的方向和趨勢(shì)［3］。煤礦產(chǎn)業(yè)的改革與創(chuàng)新，促使煤礦產(chǎn)業(yè)從機(jī)械化、自動(dòng)化，逐漸向智能化發(fā)展，但由于我國(guó)煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，煤礦智能化仍處于初級(jí)階段。對(duì)于條件復(fù)雜的煤礦，煤礦智能化預(yù)警仍有許多技術(shù)問(wèn)題需要攻克［4］。通過(guò)數(shù)字孿生以數(shù)字化形式在虛擬空間構(gòu)建與物理空間相互映射的三維模型，能夠在虛擬空間模擬物理空間信息的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)。通過(guò)監(jiān)控物理空間中的信息變化，可真實(shí)反映煤礦物理世界中的信息變化趨勢(shì)［5-11］，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多元?jiǎng)恿?zāi)害及各種危險(xiǎn)源的超前預(yù)警預(yù)測(cè)。

1 相關(guān)工作

為實(shí)現(xiàn)煤礦智能化和工作面預(yù)警可視化，提高煤礦智能預(yù)警的人機(jī)交互能力，本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，提出了煤礦工作面超前預(yù)警（Digital Twin Face Integrated Warning，DTFIW）系統(tǒng)的概念。通過(guò)物理預(yù)警模型、煤礦傳感器信息感知［12］、煤礦歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，集成了多參數(shù)、多方法、多維度的數(shù)字孿生過(guò)程［13］，在虛擬空間中完成映射達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)警、精確預(yù)警的目的。平臺(tái)以精準(zhǔn)三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，以“實(shí)用礦山壓力理論”為指導(dǎo)［14］，基于數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)建模、可視化、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦多元?jiǎng)恿?zāi)害，如微震、應(yīng)力、礦壓等災(zāi)害的超前預(yù)警，有效解決了對(duì)單一動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警的不足，該系統(tǒng)主要用于對(duì)開(kāi)采前方危險(xiǎn)源和動(dòng)力災(zāi)害的超前預(yù)警分析。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)信息建立物理模型是研究數(shù)字工作面超前預(yù)警的前提，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建煤礦實(shí)體對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦環(huán)境狀況及煤礦災(zāi)害運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析；通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)環(huán)境、煤層地質(zhì)信息［15］、傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬映射；通過(guò)建立物理模型對(duì)工作面的動(dòng)態(tài)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，運(yùn)用控制理論設(shè)計(jì)物理模型［16］。在煤礦產(chǎn)業(yè)中，根據(jù)煤礦物理環(huán)境，基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建數(shù)字映射的仿真模型和虛擬監(jiān)測(cè)監(jiān)控［17-19］，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦工作面超前預(yù)警，用于對(duì)開(kāi)采前方危險(xiǎn)源［20-21］的綜合分析及超前預(yù)警。

2 二維超前預(yù)警實(shí)現(xiàn)方法流程

2.1 二維超前預(yù)警模型流程

二維空間下的超前預(yù)警流程如圖1 所示。①獲取預(yù)警左進(jìn)尺和右進(jìn)尺的進(jìn)尺數(shù)；②獲取預(yù)警工作面開(kāi)采眼左右坐標(biāo)及預(yù)警工作面停采線左右坐標(biāo)，計(jì)算出工作面的二維外包核；③外包核的作用是將工作面包裹起來(lái)，僅對(duì)外包核相交或在外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源（斷層、陷落柱、積水區(qū)、煤柱、采空區(qū)）進(jìn)行預(yù)警，避免了對(duì)距離工作面很遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源的預(yù)警，極大降低了計(jì)算效率；④根據(jù)定位系統(tǒng)獲取當(dāng)前開(kāi)采左右坐標(biāo)及超前預(yù)警左右進(jìn)尺的坐標(biāo)，計(jì)算得到工作面預(yù)警區(qū)域；⑤通過(guò)判斷與該工作面外包核相交的危險(xiǎn)源及外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源，計(jì)算得出工作面預(yù)警區(qū)域與危險(xiǎn)源位置狀態(tài)、危險(xiǎn)源類(lèi)型、危險(xiǎn)源名稱(chēng)及落差；⑥通過(guò)預(yù)警模型計(jì)算出預(yù)警值。

Fig.1 Two-dimensional space advance warning flow圖1 二維空間超前預(yù)警流程

2.2 二維超前預(yù)警計(jì)算模型

在二維模式下，根據(jù)工作面當(dāng)前位置，判斷前方指定范圍內(nèi)危險(xiǎn)源的數(shù)量、參數(shù)，就危險(xiǎn)源對(duì)工作面造成的安全風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評(píng)估。二維空間超前預(yù)警方法流程如圖2所示，當(dāng)工作面開(kāi)采到CD 位置，若預(yù)期前方50m 范圍內(nèi)的危險(xiǎn)源，陰影部分CDEF 四邊形便是預(yù)警區(qū)域，判斷CDEF區(qū)域內(nèi)是否存在危險(xiǎn)源，確定危險(xiǎn)源的類(lèi)型以及距當(dāng)前工作面的距離，用來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)估未來(lái)推進(jìn)過(guò)程中危險(xiǎn)源對(duì)進(jìn)度造成的影響，為煤礦安全態(tài)勢(shì)預(yù)警進(jìn)行預(yù)警提示及報(bào)告。

Fig.2 Two-dimensional space flow 1圖2 二維空間流程（1）

在二維模型下，根據(jù)工作面位置坐標(biāo)計(jì)算出該工作面的最大值x坐標(biāo)、最大值y坐標(biāo)、最小值x坐標(biāo)、最小值y坐標(biāo)。將最小值x坐標(biāo)、最小值y坐標(biāo)組成A(xmin,ymin)點(diǎn)坐標(biāo)，最大值x坐標(biāo)、最大值y坐標(biāo)組成B(xmax,ymax)點(diǎn)坐標(biāo)。連接AB 兩點(diǎn)的對(duì)角線，可建立一個(gè)工作面的外包核，如圖3 中虛線部分的矩形。外包核可將工作面完全包裹在內(nèi)，其作用是減少和避免不必要的計(jì)算。在實(shí)際的煤礦中有些工作面周?chē)嬖谠S多危險(xiǎn)源，通過(guò)外包核縮小了計(jì)算范圍，只需計(jì)算與外包核相交或在外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源。

如圖4 所示，5 個(gè)云朵分別代表5 個(gè)危險(xiǎn)源（彩圖掃OSID 碼可見(jiàn)，下同），根據(jù)建立的工作面外包核可知，只需要對(duì)紅色、黃色、綠色3 個(gè)危險(xiǎn)源進(jìn)行預(yù)警與計(jì)算。2 個(gè)灰色的危險(xiǎn)源并不在外包核內(nèi)部且不與外包核相交的這種危險(xiǎn)源不作計(jì)算，這樣避免了很多不必要的計(jì)算，極大提高了計(jì)算效率、節(jié)省了預(yù)警時(shí)間、優(yōu)化了用戶(hù)體驗(yàn)。下一步是計(jì)算CDEF 四邊形，主要計(jì)算CDEF 區(qū)域與外包核內(nèi)或與外包核相交的危險(xiǎn)源并進(jìn)行預(yù)警與距離計(jì)算。

Fig.3 Two-dimensional space flow 2圖3 二維空間流程（2）

Fig.4 Two-dimensional space flow 3圖4 二維空間流程（3）

首先，計(jì)算陰影部分四邊形CDEF 的區(qū)域。根據(jù)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)可知C、D 兩點(diǎn)的坐標(biāo)位置，以及停采線G、M 兩點(diǎn)的位置坐標(biāo)。通過(guò)C、G 兩點(diǎn)的坐標(biāo)，可計(jì)算直線CG 的斜率k，如式（1）所示。

通過(guò)斜率可知角θ 的值，默認(rèn)推進(jìn)工作面前方50m 的位置，可知CE 的距離為50。如圖5 所示。

將式（2）和式（3）聯(lián)立，求得CQ 和EQ 的值。根據(jù)直線CQ 的值及C 點(diǎn)坐標(biāo)，求得Q 點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)直線EQ 的值及Q 點(diǎn)坐標(biāo)，求得E 點(diǎn)坐標(biāo)，同理可得F 點(diǎn)的坐標(biāo)值。右C、D、E、F 4 點(diǎn)的坐標(biāo)可確定四邊形CDEF 的區(qū)域。

Fig.5 Two-dimensional space flow 4圖5 二維空間流程（4）

得到四邊形CDEF 區(qū)域后，則可計(jì)算出四邊形區(qū)域與外包核內(nèi)及與外包核相交的危險(xiǎn)源的位置關(guān)系與距離。對(duì)于距離地計(jì)算比較復(fù)雜，原理如下：首先獲取到危險(xiǎn)源的周?chē)吘夵c(diǎn)，然后判斷該危險(xiǎn)源的邊緣點(diǎn)是否在四邊形CDEF 區(qū)域內(nèi)部。根據(jù)不同類(lèi)型可分為以下3 種情況：①危險(xiǎn)源中所有邊緣點(diǎn)都在CDEF 四邊形區(qū)域內(nèi)；②危險(xiǎn)源中部分邊緣點(diǎn)在CDEF 四邊形區(qū)域內(nèi)，另一部分在四變形區(qū)域外；③危險(xiǎn)源中所有邊緣點(diǎn)都不在CDEF 四邊形區(qū)域內(nèi)。根據(jù)3 種不同的情況分別計(jì)算，可將此問(wèn)題看作兩個(gè)多邊形是否相交的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)方法如算法1 所示。

算法1：判斷兩個(gè)不規(guī)則多邊形是否相交

通過(guò)判斷多邊形是否相交的算法得出危險(xiǎn)源與超前預(yù)警區(qū)域的位置關(guān)系后，進(jìn)行距離計(jì)算。利用危險(xiǎn)源的邊界點(diǎn)求出危險(xiǎn)源的中心點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)四邊形4 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)求得四邊形的中心點(diǎn)坐標(biāo)。通過(guò)歐氏距離計(jì)算出兩點(diǎn)間的距離，便是危險(xiǎn)源到當(dāng)前開(kāi)采位置前方預(yù)警四邊形區(qū)域的距離，如式（4）所示。

3 三維實(shí)現(xiàn)方法流程

3.1 三維超前預(yù)警模型流程

三維空間下的模型，可從各角度方向查看預(yù)警信息，三維空間下超前預(yù)警流程如圖6 所示。①獲取超前預(yù)警范圍；②獲取預(yù)警工作面開(kāi)采眼左右坐標(biāo)及預(yù)警工作面停采線左右坐標(biāo)，計(jì)算出工作面的三維外包核；③三維外包核是一個(gè)立方體，由于工作面的形狀大小不同，工作面的外包核也各不相同；④通過(guò)獲取超前預(yù)警范圍，計(jì)算得到工作面預(yù)警區(qū)域；⑤對(duì)與三維外包核相交及三維外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源進(jìn)行預(yù)警，得出工作面預(yù)警區(qū)域與危險(xiǎn)源的位置狀態(tài)（上方不相交、下方不相交、預(yù)警區(qū)域內(nèi)部、預(yù)警區(qū)域相交）、危險(xiǎn)源類(lèi)型、危險(xiǎn)源名稱(chēng)及落差；⑥通過(guò)預(yù)警模型計(jì)算出預(yù)警值。

Fig.6 Three-dimensional space advance warning flow圖6 三維空間超前預(yù)警流程

3.2 三維超前預(yù)警計(jì)算模型

在三維空間模型下，根據(jù)煤礦實(shí)際地質(zhì)信息進(jìn)行采場(chǎng)建模、地質(zhì)信息建模、危險(xiǎn)源建模，建立工作面參數(shù)化模型。三維模型是物體的多邊形表示，通常用計(jì)算機(jī)或者其它視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。顯示的物體可以是現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，也可以是虛構(gòu)的物體。任何物理自然界存在的東西都可以用三維模型表示。目前，三維建模主要是為數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)模型。

在三維空間模式下，考慮到各煤層之間的關(guān)系、煤層位置高度、各危險(xiǎn)源地質(zhì)信息，根據(jù)工作面實(shí)時(shí)推進(jìn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)警。在三維模式下，同二維下相同，由工作面當(dāng)前位置，自動(dòng)判斷前方指定范圍內(nèi)危險(xiǎn)源的數(shù)量、參數(shù)，自動(dòng)就危險(xiǎn)源對(duì)工作面造成的安全風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評(píng)估。

三維空間超前預(yù)警方法流程如圖7 所示，線段AB 是工作面開(kāi)采的起始位置，線段GH 是工作面停止開(kāi)采的位置。設(shè)定紅線為該工作面當(dāng)前開(kāi)采的位置，若預(yù)期前方100m 范圍內(nèi)的斷層、陷落柱、積水區(qū)、煤柱、采空區(qū)等危險(xiǎn)源及預(yù)警，三維模型下將考慮到Z 軸高度的屬性，因此計(jì)算方式與二維平面下的計(jì)算方式有所不同。

Fig.7 Three-dimensional space flow（1）圖7 三維空間流程（1）

如圖8 所示，矩形區(qū)域部分OPMNHIKL 是預(yù)警區(qū)域，判斷矩形區(qū)域內(nèi)是否存在危險(xiǎn)源及危險(xiǎn)源類(lèi)型、與當(dāng)前工作面的距離，預(yù)測(cè)三維模型下未來(lái)推進(jìn)過(guò)程中危險(xiǎn)源對(duì)推進(jìn)造成的影響，為煤礦安全態(tài)勢(shì)預(yù)警進(jìn)行預(yù)警提示并報(bào)告。

計(jì)算流程如圖9 所示，首先排除距離工作面較遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源，在三維模型下，建立工作面的三維外包核。根據(jù)地質(zhì)信息獲取工作面最小x、y、z的值坐標(biāo)A（xmin，ymin，zmin），以及工作面最大x、y、z的坐標(biāo)點(diǎn)F（xmax，ymax，zmax）。對(duì)A點(diǎn)和F點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)建直線，通過(guò)三維坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)建立體外包核。如圖所示，JUYRWTOV 立體模型為三維下的外包核。同二維下相同，構(gòu)建外包核的目的是減少與工作面較遠(yuǎn)無(wú)關(guān)危險(xiǎn)源的計(jì)算，因?yàn)榫嚯x工作面較遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源對(duì)工作面的影響較小，所以對(duì)工作面危險(xiǎn)源的預(yù)警只需要計(jì)算外包核內(nèi)部以及與外包核相交的危險(xiǎn)源。

Fig.8 Three-dimensional space flow（2）圖8 三維空間流程（2）

Fig.9 Three-dimensional space flow（3）圖9 三維空間流程（3）

如圖10 所示，藍(lán)色云朵表示與外包核相交的危險(xiǎn)源，橙色表示在外包核內(nèi)部危險(xiǎn)源的情況，綠色表示與外包核不相交的危險(xiǎn)源。其中，外包核外的危險(xiǎn)源不參與危險(xiǎn)源的預(yù)警。利用外包核區(qū)分與工作面較遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源不予計(jì)算，由于離工作面較遠(yuǎn)的危險(xiǎn)源對(duì)工作面的影響不大，故不進(jìn)行預(yù)警和計(jì)算。

Fig.10 Three-dimensional space flow（4）圖10 三維空間流程（4）

計(jì)算三維外包核相交或在三維外包核內(nèi)部的危險(xiǎn)源，確定工作面左邊進(jìn)尺的坐標(biāo)點(diǎn)，已知開(kāi)采起始點(diǎn)A、B、C、D點(diǎn)的空間坐標(biāo)，停采線E、F、G、H 點(diǎn)的空間坐標(biāo)，由實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)獲取當(dāng)前開(kāi)采掘進(jìn)位置O、P、M、N 點(diǎn)的空間坐標(biāo)。根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)A、G 兩點(diǎn)的X 軸和Y 軸坐標(biāo)，確定線段AG 的斜率k1。

若預(yù)測(cè)工作面推進(jìn)方向前方100 m，即MK 的距離為100。

聯(lián)立式（2）和式（3），得出KQ、MQ 的值。若M 點(diǎn)空間坐標(biāo)為M(x1,y1,z1)，則所求K 點(diǎn)坐標(biāo)為K(x1-KQ,y1+MQ,z1)。同理，根據(jù)空間坐標(biāo)點(diǎn)C、E 兩點(diǎn)X 軸和Y 軸的坐標(biāo)得出XOY 面上的斜率，結(jié)合OH 的長(zhǎng)度求得H 點(diǎn)的空間坐標(biāo)點(diǎn)。

Fig.11 Three-dimensional space flow（5）圖11 三維空間流程（5）

在實(shí)際的煤礦中，工作面的開(kāi)采方向及形狀各不相同，因而對(duì)于不同的工作面開(kāi)采方向計(jì)算方法也不相同。如圖12 所示，計(jì)算工作面右邊進(jìn)尺坐標(biāo)空間，同上已知B、H 點(diǎn)的坐標(biāo)，在XOY 面，根據(jù)式（4）可求得BH 的斜率k2。

若當(dāng)前開(kāi)采位置右進(jìn)尺空間坐標(biāo)N 的值為N(x2,y2,z2)，則預(yù)測(cè)前方100 m 范圍內(nèi)的危險(xiǎn)源，即LN 的距離為100 m。

Fig.12 Three-dimensional space flow（6）圖12 三維空間流程（6）

聯(lián)立式（4）和式（5），得出LW、NW 的值，則所求L 點(diǎn)坐標(biāo)為L(zhǎng)(x2-LW,y2-NW,z2)。同理，根據(jù)空間坐標(biāo)點(diǎn)D、F 兩點(diǎn)X 軸和Y 軸的坐標(biāo)得出XOY 面上的斜率，結(jié)合PI 的長(zhǎng)度求得I 點(diǎn)的空間坐標(biāo)點(diǎn)。依次可求得K、L、H、I 空間坐標(biāo)，便可確定超前預(yù)警區(qū)域MNOPKLHI 多邊形區(qū)域的預(yù)警區(qū)域。計(jì)算出超前預(yù)警區(qū)域后，便可實(shí)現(xiàn)超前危險(xiǎn)源預(yù)警，具體流程是將預(yù)警區(qū)域抽取出來(lái)。在實(shí)際煤礦開(kāi)采過(guò)程中，工作面與危險(xiǎn)源空間位置有幾種不同的情況，如圖13所示。具體分為以下4 種情況：危險(xiǎn)源在工作面上方不相交、危險(xiǎn)源在工作面下方不相交、危險(xiǎn)源在工作面內(nèi)、危險(xiǎn)源與工作面相交。

Fig.13 Hazard distribution map圖13 危險(xiǎn)源分布

根據(jù)位置分布不同，如圖14 所示，首先將三維工作面和危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)信息映射到二維空間中，然后判斷在二維面中危險(xiǎn)源和工作面是否有交集。若工作面和危險(xiǎn)源沒(méi)有交集，則工作面和危險(xiǎn)源肯定是不相交的；若工作面和危險(xiǎn)源有交集，首先判斷危險(xiǎn)源Z 值的最小值是否大于工作面Z 軸的最大值，若大于則不相交，然后判斷工作面的最小Z 值，若大于危險(xiǎn)源的最大Z 值，則不相交。

下一步，根據(jù)工作面的位置計(jì)算預(yù)警區(qū)域和危險(xiǎn)源的距離。首先計(jì)算出超前預(yù)警區(qū)域T，立體多邊形的體積如式（11）所示。

設(shè)ρ=ρ(x,y,z),(x,y,z) ∈T是立體點(diǎn)(x,y,z)的密度，其中T 是它所占據(jù)的空間區(qū)域，預(yù)警區(qū)域的質(zhì)量如式（12）所示。

Fig.14 Hazard intersection diagram圖14 危險(xiǎn)源相交情況

立體形心的坐標(biāo)公式為：

Fig.15 Three-dimensional space display map圖15 三維空間展示

4 煤礦工作面超前預(yù)警平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

4.1 超前預(yù)警平臺(tái)框架

超前預(yù)警框架如圖16 所示，首先從煤礦物理實(shí)體層獲取動(dòng)力災(zāi)害傳感器的數(shù)據(jù)、超前預(yù)警范圍，傳感器的數(shù)據(jù)以文本方式根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)范生成文本文件，通過(guò)文本協(xié)議上傳到指定目錄中。根據(jù)時(shí)間、傳感器類(lèi)型以及分別實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息解析到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，形成微震監(jiān)測(cè)信息庫(kù)、應(yīng)力檢測(cè)信息庫(kù)、礦壓檢測(cè)信息庫(kù)，具有礦壓數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、預(yù)警、報(bào)警等功能的系統(tǒng)。根據(jù)煤礦地質(zhì)信息可分為沖擊地壓礦井和非沖擊地壓礦井，沖擊地壓礦井主要對(duì)微震、應(yīng)力、礦壓等動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行工作面的預(yù)警，非沖擊地壓主要對(duì)礦壓進(jìn)行工作面的預(yù)警。微震、應(yīng)力、微震的預(yù)警等級(jí)都分為綠、黃、橙、紅4 個(gè)等級(jí)。通過(guò)對(duì)微震預(yù)警、應(yīng)力預(yù)警、礦壓預(yù)警等多種檢測(cè)方式，搭建多元?jiǎng)恿?zāi)害、多參數(shù)量的煤礦智能化工作面超前預(yù)警系統(tǒng)。工作面超前預(yù)警，分為綠、黃、橙、紅4 個(gè)等級(jí)。綠色預(yù)警代表安全，危險(xiǎn)程度可忽略，不會(huì)造成人員傷害和系統(tǒng)破壞；黃色預(yù)警代表一般風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)程度臨界的，可能造成人員傷害和主要系統(tǒng)損壞，但可排除和控制；橙色預(yù)警代表高度風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)程度很高，會(huì)造成人員傷害和主要系統(tǒng)損壞，須立即采取控制措施；紅色預(yù)警代表極其危險(xiǎn)，危險(xiǎn)程度具有破壞性，會(huì)造成人員傷害以及系統(tǒng)嚴(yán)重破壞。

4.2 超前預(yù)警平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)采礦設(shè)計(jì)沿用手工的常規(guī)方式，即沿用手工記錄的常規(guī)設(shè)備和室內(nèi)人工設(shè)計(jì)與繪圖的習(xí)慣方法。設(shè)計(jì)周期由于設(shè)計(jì)人員的水平和熟練程度不同，造成生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率底，影響煤礦產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。由于采礦領(lǐng)域的特殊性，采用了三維建模技術(shù)，使設(shè)計(jì)、繪圖、管理更加規(guī)范化和科學(xué)化。

Fig.16 Frame diagram of advance warning圖16 超前預(yù)警框架

如圖17、圖18 所示，利用三維建模技術(shù)建立數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化和圖形化關(guān)聯(lián)。運(yùn)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、空間云數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及WebGIS 技術(shù)，以真實(shí)的地測(cè)、地質(zhì)數(shù)據(jù)為依據(jù)，構(gòu)建煤礦數(shù)字孿生模型平臺(tái)。在三維模型基礎(chǔ)上集成各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，形成一個(gè)數(shù)字化的數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)，使礦山環(huán)境、生產(chǎn)活動(dòng)及相關(guān)煤礦物理實(shí)體對(duì)象實(shí)現(xiàn)可視化展示，便于全方面掌握煤礦的安全和生產(chǎn)情況，提高應(yīng)急速度。平臺(tái)系統(tǒng)可以方便快捷地查詢(xún)煤礦實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。

Fig.17 Client 3D warning display圖17 客戶(hù)端三維預(yù)警展示

平臺(tái)針對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、分析、模型計(jì)算從而得到工作面預(yù)警信息。如圖19 所示，通過(guò)Web 端更好地展示了煤礦工作面預(yù)警模塊的信息。預(yù)警模塊包含單項(xiàng)預(yù)警和超前預(yù)警，單項(xiàng)預(yù)警中有礦壓信息預(yù)警、微震信息預(yù)警、應(yīng)力信息預(yù)警的預(yù)警指標(biāo)。工作面預(yù)警平臺(tái)界面展示煤礦所有工作面的預(yù)警詳情，數(shù)據(jù)每5 分鐘刷新一次，預(yù)警指標(biāo)隨之更新。在超前預(yù)警平臺(tái)中，實(shí)時(shí)展示最新的動(dòng)態(tài)信息，讓決策者實(shí)時(shí)了解煤礦的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，一方面為煤礦智能化開(kāi)采提供了思路，另一方面能夠及時(shí)預(yù)警，提前做好防護(hù)措施，避免危險(xiǎn)事故造成嚴(yán)重影響。

Fig.18 Two-dimensional warning display on the client side圖18 客戶(hù)端二維預(yù)警展示

Fig.19 Web-side information display圖19 Web 端信息展示

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)，提出基于工作面的超前預(yù)警設(shè)計(jì)與運(yùn)行模式，主要針對(duì)工作面進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警和超前預(yù)警，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤礦智能化和工作面預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)化，提升系統(tǒng)的人機(jī)交互能力，達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)警、精確預(yù)警目的。結(jié)合計(jì)算機(jī)建模、可視化、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘等現(xiàn)代化信息處理方法，針對(duì)應(yīng)力、礦壓、微震等多元?jiǎng)恿?zāi)害信息進(jìn)行超前預(yù)警。根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行等級(jí)劃分，指導(dǎo)煤礦應(yīng)急人員做好防護(hù)工作。針對(duì)工作面的多元?jiǎng)恿?zāi)害預(yù)警，有效解決了單一動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警的弊端。

將新興的計(jì)算應(yīng)用到煤礦產(chǎn)業(yè)平臺(tái)中，提高了對(duì)煤礦采集數(shù)據(jù)的處理效率，挖掘出了更多有用信息。同時(shí)，可視化界面為用戶(hù)提供更直觀的煤礦采集數(shù)據(jù)變化情況，方便用戶(hù)根據(jù)煤礦實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化情況開(kāi)展下一步工作。對(duì)于工作面的超前預(yù)警，還有很多工作尚未完善，如沒(méi)有充分利用煤礦巖層信息，深度挖掘地質(zhì)中的多源信息等，以更加全面地對(duì)煤礦事件進(jìn)行預(yù)警和評(píng)估，這有待后續(xù)作進(jìn)一步研究。