煤礦深部區(qū)域智能化防沖系統(tǒng)建設(shè)

文/張 雷

近年來(lái)，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和5G通信等先進(jìn)技術(shù)在煤礦的應(yīng)用逐漸成熟，智能化開(kāi)采模式逐漸在我國(guó)各大礦區(qū)推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了減人提效和安全高效開(kāi)采的目標(biāo)。而我國(guó)東部礦區(qū)由于開(kāi)采歷史悠久，淺部煤炭資源已基本開(kāi)采殆盡，深部煤炭開(kāi)采成為未來(lái)的必然趨勢(shì)。徐礦集團(tuán)張雙樓煤礦作為東部礦區(qū)典型的深部開(kāi)采礦井，受工作面圍巖體高地應(yīng)力的影響，生產(chǎn)過(guò)程中受沖擊地壓的威脅較為嚴(yán)重，制約了深部煤炭資源的安全高效開(kāi)采。針對(duì)這一問(wèn)題，張雙樓煤礦結(jié)合已有的防沖經(jīng)驗(yàn)，在目前的智能化建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展建設(shè)了沖擊地壓的智能化防治系統(tǒng)，以期提高深部區(qū)域沖擊地壓防治的自動(dòng)化和智能化水平，加強(qiáng)礦井的安全生產(chǎn)管理能力，同時(shí)完善現(xiàn)有的智能化煤礦結(jié)構(gòu)。

一、礦井概況

張雙樓煤礦位于江蘇省徐州市沛縣安國(guó)鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)井田面積約37.8km2，走向長(zhǎng)13.5km，傾斜長(zhǎng)2.9km。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a，經(jīng)兩次改擴(kuò)建，2009年核定生產(chǎn)能力為225萬(wàn)t/a。因受沖擊地壓致災(zāi)因素影響，2019年礦井生產(chǎn)能力按要求核減到180萬(wàn)t/a。目前采掘活動(dòng)主要集中在-500m西一采區(qū)、-500m西三采區(qū)、-1000m延伸采區(qū)、-1000m西三下山采區(qū)，其中-1000m延伸采區(qū)及-1000m西三下山采區(qū)埋深均在-1000m以下。

張雙樓煤礦深部區(qū)域開(kāi)采面臨的主要問(wèn)題為沖擊地壓，是制約礦井安全生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸之一。為了有效降低深部區(qū)域工作面開(kāi)采的沖擊危險(xiǎn)性，張雙樓煤礦在煤礦智能化建設(shè)的引領(lǐng)下建立了智能化防沖系統(tǒng)，以期為深部區(qū)域煤炭資源的安全開(kāi)采提供有效保障。

二、智能化防沖系統(tǒng)構(gòu)成及功能

張雙樓煤礦智能化防沖系統(tǒng)主要由地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能鉆屑系統(tǒng)、雙震源CT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、沖擊危險(xiǎn)區(qū)域智能限員系統(tǒng)和沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)與多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)構(gòu)成。

1.地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

地音監(jiān)測(cè)技術(shù)原理是通過(guò)接收煤巖體介質(zhì)內(nèi)部在載荷作用下發(fā)生微破裂時(shí)的聲波，探索主破裂發(fā)生的前征兆信息和破裂后的演化規(guī)律。其所監(jiān)測(cè)的地音事件能量較弱，震動(dòng)頻率較高，在300～2000Hz，即低能高頻信號(hào)。

沖擊地壓地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用總分式結(jié)構(gòu)，根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容（頂板活動(dòng)、煤層片幫或破裂）的不同，可用于工作面或巷道圍巖體破裂狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。傳感器與工作面為40～100m的距離，傳感器間距40～50m為宜。

2.智能鉆屑系統(tǒng)

傳統(tǒng)鉆屑法數(shù)據(jù)的獲取和危險(xiǎn)性判別主要靠人工完成，主觀影響因素過(guò)大，開(kāi)展鉆屑法監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警及鉆屑檢測(cè)智能稱重技術(shù)研究可提供更加精確的局部監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性判別與預(yù)警的智能化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。張雙樓煤礦通過(guò)聯(lián)合設(shè)備廠家開(kāi)展新型煤層應(yīng)力鉆屑檢測(cè)鉆機(jī)研究，實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)行走、自動(dòng)控制鉆進(jìn)速度、智能稱量煤粉重量等功能，提供更加安全、精確的局部監(jiān)測(cè)。

3.雙震源CT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

雙震源CT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用主、被動(dòng)雙源震動(dòng)波一體化反演技術(shù)，可定期進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)探測(cè)反演，高效率、大范圍、高分辨率地反演采掘工作面區(qū)域的波速分布，從而確定監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)分布特征，劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域?；谡饎?dòng)波速構(gòu)建沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)，可準(zhǔn)確預(yù)警探測(cè)區(qū)域內(nèi)的沖擊危險(xiǎn)級(jí)別的分布范圍，從而提高防沖管理工作的針對(duì)性和準(zhǔn)確性。

4.沖擊危險(xiǎn)區(qū)域智能限員系統(tǒng)

根據(jù)《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》要求，人員進(jìn)入沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行“人員準(zhǔn)入制度”。

沖擊危險(xiǎn)區(qū)域智能限員系統(tǒng)主要由井下、井上兩部分組成，每個(gè)工人均佩戴有源防爆射頻卡，并在每個(gè)施工巷道內(nèi)安裝2臺(tái)射頻信號(hào)接收基站，1臺(tái)安裝在巷道入口處，另一臺(tái)安裝在距離巷道入口20m處，根據(jù)基站讀取卡的先后順序來(lái)判斷工作人員的進(jìn)出、作業(yè)人員作業(yè)情況，作業(yè)時(shí)間、人員數(shù)量以及身份信息都在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中。

沖擊危險(xiǎn)區(qū)域智能限員系統(tǒng)采用了如圖1所示7個(gè)主要軟件功能模塊。各模塊的具體功能如下。

圖1 煤礦限員管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

（1）沖擊危險(xiǎn)區(qū)域智能限員系統(tǒng)，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)巷道內(nèi)流動(dòng)人員、作業(yè)人員的數(shù)量、身份等信息及作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)使用礦用防爆聲光報(bào)警器，其主要功能是提示人員進(jìn)出危險(xiǎn)區(qū)域，并在人員數(shù)量超限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，提示人員禁止進(jìn)入。

（3）系統(tǒng)可通過(guò)井下LED顯示屏實(shí)時(shí)顯示各工作面的當(dāng)前作業(yè)人員數(shù)量，并可根據(jù)時(shí)間段的不同動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)采面的限員人數(shù)。

（4）當(dāng)巷道內(nèi)發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)，可通過(guò)人員佩戴的身份識(shí)別卡發(fā)出的射頻信號(hào)，迅速實(shí)施救援，爭(zhēng)取救援時(shí)間。

（5）地面控制分站接入地面環(huán)網(wǎng)，與系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)軟件無(wú)縫對(duì)接，并實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)人數(shù)。

5.沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)與多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)

張雙樓煤礦沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)與多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)目前在74104回采工作面、9201回采工作面、94602掘進(jìn)工作面和94102掘進(jìn)工作面應(yīng)用，其具體應(yīng)用效果如下。

（1）實(shí)時(shí)、直觀、分級(jí)顯示監(jiān)測(cè)區(qū)域沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)?；趶堧p樓煤礦采掘工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)微震數(shù)據(jù)，利用云平臺(tái)多參量預(yù)警指標(biāo)及其權(quán)重，包括沖擊變形能時(shí)序指數(shù)、應(yīng)力在線預(yù)警指標(biāo)、時(shí)序集中度指標(biāo)、時(shí)空擴(kuò)散性預(yù)警指標(biāo)、時(shí)間信息熵、時(shí)間窗總應(yīng)力當(dāng)量、時(shí)間窗總頻次、活動(dòng)度、空間信息熵、算法復(fù)雜性、缺震和能量信息熵指標(biāo)，從而計(jì)算出監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沖擊危險(xiǎn)綜合預(yù)警結(jié)果和沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)（無(wú)、弱、中等、強(qiáng)）。比如，通過(guò)對(duì)74104工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)分析，74104工作面當(dāng)前沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)顯示A（無(wú)），并顯示當(dāng)天最大礦震、30天最大礦震、當(dāng)天最大應(yīng)力、30天最大應(yīng)力、防治措施（卸壓爆破、大直徑鉆孔）等。

基于沖擊地壓多參量預(yù)警指標(biāo)，云平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多參量預(yù)警指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)的展示與分析。比如，依據(jù)對(duì)74104工作面2020年1月1日到2021年4月8日內(nèi)多參量預(yù)警指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)曲線圖，可分析這一時(shí)間段內(nèi)各個(gè)預(yù)警指標(biāo)的沖擊危險(xiǎn)結(jié)果以及綜合預(yù)警結(jié)果。

（2）工作面微震事件實(shí)時(shí)顯示及查詢?；?4104工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微震事件，云平臺(tái)設(shè)置了微震事件實(shí)時(shí)顯示及查詢功能，默認(rèn)顯示當(dāng)前時(shí)間前15天微震事件，鼠標(biāo)懸停微震事件圓球上方時(shí)，可快速顯示震動(dòng)能量、事件，直觀查看震動(dòng)位置，通過(guò)鼠標(biāo)左鍵、滾輪實(shí)現(xiàn)礦井礦圖的放大、縮小、平移功能。

（3）工作面微震數(shù)據(jù)展示與分析。基于74104工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微震事件，云平臺(tái)設(shè)置了微震數(shù)據(jù)展示與分析功能，主要分析所選時(shí)間段內(nèi)的礦震總能量、礦震最大能量、礦震頻次，平臺(tái)具有自動(dòng)生成微震頻次能量曲線圖、礦震事件柱狀圖的功能，并且能夠生成曲線圖、柱狀圖、數(shù)據(jù)表等多種格式。此外，云平臺(tái)還自帶歷史數(shù)據(jù)查詢、圖表自動(dòng)生成、圖表導(dǎo)出保存及打印等功能。

（4）直觀展示工作面震動(dòng)波CT反演預(yù)警結(jié)果。根據(jù)74104工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微震數(shù)據(jù)，基于SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的震動(dòng)波CT反演技術(shù)，利用云平臺(tái)震動(dòng)波CT反演預(yù)警模塊，調(diào)用CT反演數(shù)據(jù)及云圖，直觀顯示74104工作面高應(yīng)力區(qū)及潛在沖擊危險(xiǎn)區(qū)。震動(dòng)波CT反演云圖顏色越深（紅色區(qū)域）表示該區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力危險(xiǎn)區(qū)。

（5）工作面沖擊變形能指數(shù)時(shí)序預(yù)警。根據(jù)74104工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微震數(shù)據(jù)，利用云平臺(tái)沖擊變形能指數(shù)時(shí)序預(yù)警模塊，生成74104工作面沖擊變形能指數(shù)時(shí)序預(yù)警云圖，圖中顏色越深（紅色區(qū)域）表示該區(qū)域沖擊危險(xiǎn)程度越大。

（6）工作面鉆屑、卸壓鉆孔防治信息集成展示與分析。根據(jù)74104工作面鉆屑監(jiān)測(cè)、大直徑卸壓鉆孔、卸壓爆破鉆孔的施工方案及其參數(shù)，利用云平臺(tái)的防治措施模塊、鉆屑模塊直觀展示工作面內(nèi)鉆屑監(jiān)測(cè)、卸壓防治工作及其施工參數(shù)等信息。

（7）實(shí)時(shí)顯示工作面進(jìn)尺。根據(jù)74104工作面回采速度，云平臺(tái)的進(jìn)尺模塊具有實(shí)時(shí)顯示工作面進(jìn)尺的功能。

三、智能化防沖系統(tǒng)應(yīng)用效益分析

智能化防沖系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效改善張雙樓煤礦的安全生產(chǎn)條件。防沖層面的智能化改造旨在創(chuàng)造一個(gè)安全可控的生產(chǎn)環(huán)境，通過(guò)地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能鉆屑系統(tǒng)、雙震源CT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、沖擊危險(xiǎn)區(qū)域智能限員系統(tǒng)和沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)與多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)的應(yīng)用，借助礦井地面集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、精確人員定位等手段，使得安全生產(chǎn)管理全過(guò)程更加透明，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)更加精準(zhǔn)及時(shí)。智能化防沖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人或少人值守，大大降低了安全生產(chǎn)事故率，煤礦安全生產(chǎn)周期將大幅延長(zhǎng)。

四、結(jié)論

在礦井開(kāi)采尤其是深井開(kāi)采過(guò)程中，沖擊地壓防治是保證井下安全生產(chǎn)的重中之重。在智能化煤礦建設(shè)的引領(lǐng)之下，張雙樓煤礦結(jié)合當(dāng)前的防沖經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，建立了深部礦井智能化防沖系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)與多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了深部礦井沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域智能判定以及防沖措施效果智能鑒定。該系統(tǒng)不僅能夠有效改善深部礦井安全生產(chǎn)條件，還能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人或少人值守，對(duì)同類型礦井的智能化建設(shè)及沖擊地壓的智能化防治有一定的借鑒意義。