采動(dòng)覆巖變形多場(chǎng)光纖神經(jīng)感知與安全保障體系構(gòu)建研究

程 剛 ，王振雪 ，施 斌 ，朱鴻鵠 ，李剛強(qiáng) ，田立勤

（1.華北科技學(xué)院(中國(guó)煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 北京 101601；2.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210023；3.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610059）

0 引 言

我國(guó)絕大部分煤炭資源深埋于地下，由此形成了以井工開采為主要方式的開采方式，約占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的90%以上[1]。煤層上覆巖土體與構(gòu)筑物、合成材料等造工程結(jié)構(gòu)不同，它們不斷地受到自然地質(zhì)作用和人類工程活動(dòng)的疊加效應(yīng)。隨著地下淺部煤炭資源的枯竭，迫使我國(guó)煤炭開采不斷向深部發(fā)展，由此造成開采難度倍增，一旦開采工藝與監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)不當(dāng)，通常會(huì)直接造成諸如巷道變形、礦井突水、開采裂縫、塌陷水域等礦山災(zāi)害，尤其在風(fēng)沙地及沖積平原地等生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱區(qū)，煤炭規(guī)模開采導(dǎo)致礦區(qū)地下水位大范圍和大幅度疏降，使得大面積植被衰敗，加速了荒漠化進(jìn)程，形成了資源與生態(tài)環(huán)境之間的惡性循環(huán)，上述開采災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境問題與開采礦區(qū)的地質(zhì)條件、土質(zhì)巖性，以及地下變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、地電場(chǎng)、震動(dòng)場(chǎng)等多場(chǎng)耦合及相互作用息息相關(guān)，一旦發(fā)生通常會(huì)造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅著礦山安全生產(chǎn)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。由此可見，開展煤層采動(dòng)覆巖變形多場(chǎng)感知研究，持續(xù)性獲得各地層變形時(shí)空連續(xù)信息，將為煤層安全開采評(píng)價(jià)和生態(tài)環(huán)境容量評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞采動(dòng)覆巖變形破壞機(jī)理開展了大量室內(nèi)外試驗(yàn)探索，利用相似材料物理模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試、數(shù)值仿真與理論計(jì)算等手段進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，獲得了對(duì)煤層采動(dòng)過程中上覆地層變形破壞模式與演變規(guī)律的深刻認(rèn)知，將覆巖變形破壞模式大致分為3 大類別：①彎曲和拉伸破壞；②整體剪切破壞；③剪切和滑動(dòng)破壞。對(duì)于以拉伸和彎曲(或壓縮)為主導(dǎo)的裂隙和離層的演化模式，當(dāng)初始采空區(qū)形成時(shí)，采空區(qū)上部巖層在覆巖壓力作用下發(fā)生彎曲；隨著采空區(qū)體積的增加，采空區(qū)中部工作面上方出現(xiàn)微裂隙；當(dāng)采空區(qū)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，巖層發(fā)生裂隙破壞。剪切滑移破壞通常發(fā)生在開挖面附近，可分為2 種類型，一種是剪切作用引起的裂隙破壞，通常發(fā)生在：①巖層具有高強(qiáng)度和剛度；②巖層承受巨大的剪切力。由于整個(gè)巖層具有高強(qiáng)度，采空區(qū)兩端開始出現(xiàn)裂隙，在強(qiáng)剪應(yīng)力作用下，整個(gè)巖層將被直接切斷。此時(shí)，覆巖中出現(xiàn)了明顯的離層裂隙。這種破壞多發(fā)生于深部礦區(qū)的脆性圍巖中，是造成煤礦開采災(zāi)害的主要原因。另一種破壞模式是已經(jīng)發(fā)生彎曲和拉伸變形的巖層，受采空區(qū)自由工作面和開采擾動(dòng)的影響，覆巖中形成橫向和縱向裂隙，裂隙在彎曲和拉伸作用下擴(kuò)展、閉合并再次發(fā)育，隨后由于壓縮和剪切作用，巖層發(fā)生分段剪切和滑動(dòng)，其特征是形成了許多不規(guī)則的垮落碎石。在此階段，上覆巖層通常會(huì)受到緩慢和周期性的破壞。

近年來，關(guān)于采動(dòng)覆巖變形破壞規(guī)律的研究逐漸增多，在室內(nèi)外試驗(yàn)中，多采用電阻應(yīng)變片、位移計(jì)、滲壓計(jì)、溫度計(jì)、電極等傳統(tǒng)感測(cè)元件，這類觀測(cè)技術(shù)雖然可以獲得煤層上覆巖土體局部位置的應(yīng)變、位移、滲壓、溫度、電阻率等物理參量，但普遍存在感測(cè)元件測(cè)量精度低、布設(shè)繁瑣、耐久性差、數(shù)據(jù)離散等不足，無法全面追蹤煤層上覆巖層隨持續(xù)性開采造成的累積變形，且難以獲得地下巖土體多源多場(chǎng)信息，如何確定上覆巖層的累積開采沉陷又成為一個(gè)附加難題。柴敬等[2-4]應(yīng)用光纖測(cè)量技術(shù)開展了大量的煤層開采試驗(yàn)研究，特別是在巖體–光纖耦合性分析中引入光纖-巖體耦合系數(shù)k，用于描述光纖與巖體的耦合性能；張丹、張平松等[5-6]在淮南礦區(qū)開展了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，獲得煤層開采過程覆巖應(yīng)變分布特征；程剛等[7]進(jìn)行了煤層采動(dòng)物理模型試驗(yàn)研究，通過垂直布設(shè)于煤層上方覆巖中的3 組U 型感測(cè)光纜，對(duì)煤層采動(dòng)過程中上覆各地層變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為厘清覆巖變形破壞機(jī)理與離層演化過程提供重要測(cè)評(píng)依據(jù)。

綜上所述，煤層覆巖的時(shí)空連續(xù)性與精細(xì)化形變狀態(tài)尚缺乏先進(jìn)的信息化手段來感知，裂隙發(fā)育特征與展布格局難以被準(zhǔn)確刻畫，這一問題是制約采動(dòng)覆巖變形破壞機(jī)理研究取得突破性進(jìn)展的主要瓶頸。因此，基于光纖感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立一套集感知-傳輸-處理-預(yù)警-決策-應(yīng)急于一體的安全保障體系，對(duì)采動(dòng)覆巖變形破壞的智能感知和多場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控具有重要意義。

1 采動(dòng)覆巖變形多場(chǎng)光纖神經(jīng)感知

采動(dòng)覆巖變形破壞受多場(chǎng)耦合作用影響，因此，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取多場(chǎng)數(shù)據(jù)成為覆巖變形多場(chǎng)感知的核心，通過對(duì)多場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪提取、關(guān)聯(lián)挖掘與聚類分析，構(gòu)建多場(chǎng)作用關(guān)系模型，以實(shí)現(xiàn)覆巖變形附加效應(yīng)的精準(zhǔn)分析。在現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐中，考慮巖土體多場(chǎng)間存在的相互聯(lián)系、相互作用與相互制約關(guān)系，以及多場(chǎng)耦聯(lián)度對(duì)煤層上覆巖土體變形破壞的影響效應(yīng)，通常優(yōu)選與覆巖變形關(guān)聯(lián)度較高的變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)及地電場(chǎng)進(jìn)行研究。

1.1 變形場(chǎng)

煤層開采地下變形場(chǎng)是煤層上覆巖土體中的一種耦合場(chǎng)，它是變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)及地電場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用的展現(xiàn)形式，巖土體各基本場(chǎng)相互作用的結(jié)果均可體現(xiàn)于巖土單元的變形上，因此，變形場(chǎng)的分布特征及其動(dòng)態(tài)演化過程直接映射了巖土體各基本場(chǎng)的耦合效應(yīng)和作用程度。無論是變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)抑或是地電場(chǎng)，當(dāng)它們作用于煤層上覆巖土體時(shí)，就會(huì)改變巖土單元的物理性質(zhì)與狀態(tài)，這種改變均會(huì)表現(xiàn)在巖土體應(yīng)變大小與分布范圍上[8]。因此，覆巖變形破壞主要受變形場(chǎng)控制，變形場(chǎng)時(shí)空連續(xù)數(shù)據(jù)的主要獲取方式為分布式光纖感測(cè)(Distributed Fiber Optic Sensing，DFOS)技術(shù)[9]，同時(shí)通過無線智能MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)傳感器實(shí)現(xiàn)地層深部位移的高精度監(jiān)測(cè)，建立深部位移多傳感器協(xié)同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。裴華富等[10]提出一種基于霍爾元件的新型磁感測(cè)斜儀，并研發(fā)一套基于霍爾元件的深部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過將基于霍爾元件的深部磁感測(cè)斜儀布設(shè)于采動(dòng)覆巖變形地面鉆孔中，受煤層上方各巖層界面間的作用力以及松散層土體的蠕動(dòng)效應(yīng)，使得霍爾元件由于上述作用發(fā)生彎曲變形，引起通過其截面的磁通量發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)了角度變化的非接觸式測(cè)量。表1 為常用的變形場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。

通過基于光纖感測(cè)技術(shù)的采動(dòng)覆巖移動(dòng)變形模型試驗(yàn)研究，不僅可為預(yù)測(cè)上覆巖土體垮落演化過程提供理論數(shù)據(jù)，而且可為煤層開采實(shí)際工程中的覆巖位移、變形與垮落動(dòng)態(tài)演變規(guī)律提供重要思路和手段。袁強(qiáng)等[12]基于光纖測(cè)試應(yīng)力與光纖頻移之間的線性關(guān)系，結(jié)合巖層變形垂直和水平光纖的應(yīng)力分布理論模型，提出了基于光纖頻移的覆巖變形表征體系(圖1)，建立不同類型覆巖變形及結(jié)構(gòu)特征的規(guī)律性頻移分布，據(jù)此對(duì)覆巖變形狀態(tài)進(jìn)行反演，獲得采動(dòng)覆巖的變形范圍和變形特征；通過三維模型試驗(yàn)，研究了巨厚礫巖下采動(dòng)覆巖變形移動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)沿煤層走向，其上覆巖體變形向上呈破碎垮落、裂隙發(fā)育、彎曲下沉的變形破壞動(dòng)態(tài)演化特征，并基于巨厚礫巖層的三維變形光纖測(cè)試數(shù)據(jù)，獲得了垮落帶、巨厚礫巖層和地表巖層變形場(chǎng)分布特征及其演變過程，實(shí)現(xiàn)了巖層變形和破斷發(fā)展的精準(zhǔn)判識(shí)。

圖1 基于光纖頻移的覆巖變形表征體系Fig.1 Overburden deformation characterization system based on fiber optic frequency shift

侯公羽等[13]基于BOFDA(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis)技術(shù)，通過室內(nèi)采動(dòng)覆巖物理模型試驗(yàn)，研究了垮落帶和裂隙帶的變形過程與演化特征，構(gòu)建了采動(dòng)覆巖“兩帶”分布及其演化的動(dòng)態(tài)模型，利用模型內(nèi)部橫向光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)的突變點(diǎn)表征巖層冒落位置，基于應(yīng)變數(shù)據(jù)的凸臺(tái)橫向長(zhǎng)度表征“兩帶”分布范圍。同時(shí)，聯(lián)合縱橫向光纖數(shù)據(jù)刻畫了“兩帶”在采動(dòng)作用下的時(shí)空演化特征，以及巖層垮落破壞高度和強(qiáng)度(圖2)。

圖2 基于BOFDA 的分布式光纖監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Distributed fiber optic monitoring model test system based on BOFDA

1.2 溫度場(chǎng)

溫度場(chǎng)是巖土體內(nèi)部溫度分布和熱傳導(dǎo)的表現(xiàn)形式，受巖土周圍氣候環(huán)境及日照強(qiáng)度影響，主要由地表、水分、空氣溫度組成[14]。相關(guān)研究表明，溫度場(chǎng)會(huì)影響巖土體的土質(zhì)硬度與滲透系數(shù)等巖性表現(xiàn)，因此導(dǎo)致采動(dòng)過程中上覆巖層的移動(dòng)與垮落[15-17]。王效寧[18]結(jié)合摩擦因數(shù)對(duì)滑坡地下溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，溫度對(duì)滑動(dòng)速度、滑動(dòng)時(shí)間和滑體熱力學(xué)參數(shù)均產(chǎn)生影響。姚文花等[19]以蘭州某地凍融期滑坡為原型，利用ADINA 對(duì)滑坡溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)巖土體溫度場(chǎng)受外界溫度變化的影響隨深度加大而減小。

煤層上覆巖土體同滑坡地下巖土體存在類似的溫度場(chǎng)分布特征，因而在覆巖變形溫度場(chǎng)感知中，通?；赗OTDR(Raman Optical Time-Domain Reflectometry)和FBG(Fiber Bragg Grating)的大范圍、全分布、精細(xì)化溫度感測(cè)技術(shù)及裝備，快速獲取覆巖巖土體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布規(guī)律。弱反射光纖光柵(Ultra-Weak Fiber Bragg Grating，UWFBG)技術(shù)本質(zhì)上是FBG 與光時(shí)域反射計(jì)(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)的結(jié)合，具有以下特點(diǎn)：感測(cè)特性與FBG 一致，具有同樣的高精度；反射率極低，對(duì)上千個(gè)光纖光柵進(jìn)行復(fù)用，可實(shí)現(xiàn)密集分布式測(cè)量；解調(diào)速度快，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，其測(cè)量原理如圖3 所示。柴敬等[20]開展了基于光纖系統(tǒng)的物理相似模型溫度分布與演化特征試驗(yàn)研究，提出了一種利用溫度變化特征確定相似模型干燥時(shí)間的方法；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型溫度場(chǎng)演化主要分為干燥初期的水化熱、干燥中期的養(yǎng)護(hù)和干燥后期的試驗(yàn)3 大階段，模型在干燥后期呈現(xiàn)出垂直方向上高下低，水平方向基本一致的溫度特征，其中低溫核區(qū)下移并逐漸消失被視作試驗(yàn)開挖的關(guān)鍵判斷指標(biāo)；研究結(jié)果充分驗(yàn)證了融合光纖光柵和分布式光纖的測(cè)溫法能夠提高系統(tǒng)的溫度測(cè)試精度，克里金法可應(yīng)用于物理相似模型溫度分布特征及其演化過程分析，為精準(zhǔn)獲取覆巖巖土體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布規(guī)律提供重要判識(shí)依據(jù)。南京大學(xué)(蘇州)高新技術(shù)研究院基于UWFBG 技術(shù)和巖土體溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)特征，在FBG 和分布式感測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤層采動(dòng)覆巖變形地下溫度場(chǎng)感知的特殊需求，開展儀器測(cè)量精度與空間分辨率的提升優(yōu)化研究，研發(fā)了適用于覆巖變形溫度場(chǎng)感知的密集分布式光纖解調(diào)儀，并對(duì)其魯棒性與重復(fù)性進(jìn)行測(cè)試研究。研發(fā)的解調(diào)儀不僅可以進(jìn)行單點(diǎn)FBG溫度測(cè)量，還實(shí)現(xiàn)了溫度場(chǎng)分布式高精度測(cè)量。同時(shí)，在研制的一體化設(shè)備中增加了無線傳輸模塊，通過連接4 G/5 G 網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程IP 訪問實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。研發(fā)設(shè)備及主要參數(shù)見表2。

圖3 UWFBG 技術(shù)原理Fig.3 Principle of UWFBG

表2 溫度場(chǎng)光纖感測(cè)主流解調(diào)儀性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of mainstream demodulation instrument for fiber optic sensing of temperature field

因此，UWFBG 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)覆巖變形破壞過程中巖土體內(nèi)部溫度場(chǎng)的高精度實(shí)時(shí)感知，其既具有FBG 的高精度和動(dòng)態(tài)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，又可以實(shí)現(xiàn)高密度的分布式測(cè)量，是高精度分布式測(cè)量技術(shù)的重要發(fā)展方向。

1.3 滲流場(chǎng)

對(duì)于地下滲流場(chǎng)，其主要來自于地下巖土體中的地下水作用。按照作用的相關(guān)性，亦可以分為水分場(chǎng)、水勢(shì)場(chǎng)、滲壓場(chǎng)等。滲流場(chǎng)是影響地下巖土體穩(wěn)定性的主要因素之一，采動(dòng)上覆巖土體的變形破壞與開采沉陷等地質(zhì)災(zāi)害均與地下巖土體中的滲流場(chǎng)密切相關(guān)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，溫度變化會(huì)引起水體和巖土體的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響地下巖土體滲流場(chǎng)的分布。張婉玲[21]基于光纖布拉格光柵技術(shù)，研制了一種內(nèi)加熱剛玉管FBG 滲流傳感器，提出了一種準(zhǔn)分布式的滲流場(chǎng)測(cè)量方法，研究了不同滲流速率下該傳感器所測(cè)得的溫升隨時(shí)間的變化情況，驗(yàn)證了該傳感器用于滲流監(jiān)測(cè)的可行性，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 FBG 滲流傳感器測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of FBG seepage sensor

UWFBG 技術(shù)因其通過在同一光纖上密集加工數(shù)千個(gè)光纖光柵感測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了穿越不同地層和含水層的滲流場(chǎng)實(shí)時(shí)高精度連續(xù)測(cè)量。孫向陽等利用弱光柵技術(shù)對(duì)朱仙莊礦五含帷幕截流工程穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，重點(diǎn)開展了大型注漿帷幕內(nèi)力與豎向變形分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，分析了回采對(duì)注漿帷幕穩(wěn)定性影響范圍及程度，在此基礎(chǔ)上建立了一套基于分布式光纖感測(cè)的大型注漿帷幕穩(wěn)定性自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)(圖5)，實(shí)時(shí)顯示帷幕的狀態(tài)特征和演變趨勢(shì)，為帷幕截流效果評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。朱鴻鵠等[22]設(shè)計(jì)研發(fā)了具有高精度和高穩(wěn)定性的滲流場(chǎng)光纖傳感器，開展了螺旋纏繞管式碳纖維光纜的結(jié)構(gòu)選型和標(biāo)定方案設(shè)計(jì)，采用瞬態(tài)變溫測(cè)量方法和溫度梯度-滲流速率對(duì)應(yīng)原理，研制增敏型和多量程型感測(cè)光纜，并基于標(biāo)定試驗(yàn)獲取特征溫度值、滲流速率、土體飽和度、基質(zhì)吸力及含水率等指標(biāo)之間的定量關(guān)系。根據(jù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論，設(shè)計(jì)傳感器最優(yōu)化布設(shè)方案，解決感測(cè)光纜微創(chuàng)植入、傳輸光纜簡(jiǎn)易熔接和快速組網(wǎng)等瓶頸問題，結(jié)合巖土滲流理論，建立基于滲流實(shí)測(cè)信息的三維重構(gòu)算法。融合FBG 和DTS(Distributed Temperature Sensing)技術(shù)，通過主動(dòng)加熱光纖法對(duì)被測(cè)巖土體的滲流速率進(jìn)行測(cè)試，率定溫度特征值與滲流速率的線性關(guān)系，以達(dá)到連續(xù)性感知覆巖內(nèi)部水分場(chǎng)時(shí)空演變的目標(biāo)。同時(shí)，開展了煤層采動(dòng)地下水分場(chǎng)感測(cè)原位試驗(yàn)，研究結(jié)果驗(yàn)證了地下水分場(chǎng)原位測(cè)量技術(shù)的可行性和有效性，技術(shù)原理如圖6 所示（圖6 中Q為熱量）。

圖5 基于UWFBG 的帷幕穩(wěn)定性監(jiān)控Fig.5 Curtain stability monitoring based on UWFBG

圖6 滲流場(chǎng)準(zhǔn)分布式原位測(cè)量技術(shù)原理Fig.6 Principle of quasi-distributed in-situ measurement of seepage field

1.4 地電場(chǎng)

地電場(chǎng)感知主要通過埋設(shè)于煤層頂板巖層中的電阻率單元，研究不同回采時(shí)期巖層結(jié)構(gòu)性變形破壞過程中的電場(chǎng)變化，該方法主要采用高密度電阻率法，結(jié)合光纜連續(xù)性應(yīng)變數(shù)據(jù)提出應(yīng)變-電阻率相關(guān)系數(shù)，及其與巖體變形破壞之間的關(guān)系[23-25]。高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，可實(shí)現(xiàn)層析成像觀測(cè)，較常規(guī)電阻率勘探具有更好的效果[26]。高密度電阻率層析成像(High Definition Electrical Resistance Tomography，HD–ERT)技術(shù)的目的是測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的電阻率分布，其結(jié)合了垂直電阻率測(cè)深和視電阻率剖面測(cè)量，技術(shù)原理與傳統(tǒng)電阻率法相同。基于不同電解質(zhì)的電導(dǎo)率差異，向電極提供人工直流電以測(cè)量產(chǎn)生的電勢(shì)差，檢索介質(zhì)異質(zhì)性和電特性的信息。高密度電法測(cè)量結(jié)果與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集參數(shù)(儀器類型、測(cè)量時(shí)間、電極間距與數(shù)量等)存在高度關(guān)聯(lián)性，數(shù)據(jù)反演質(zhì)量以及測(cè)量結(jié)果的精度和分辨率均受采集參數(shù)直接影響，其測(cè)量原理如圖7所示，電極A 和B(電流電極)是具有電流(I)的電源極，另外兩個(gè)電極M 和N(電位電極)用于記錄產(chǎn)生的電位差(ΔU=UM－UN)，K為與電極配置相關(guān)的系數(shù)。獲知上述參數(shù)后，將電位差ΔU與電流I的比值乘上電極配置系數(shù)K，即可計(jì)算出視電阻率ρs。

圖7 高密度電阻率層析成像法原理Fig.7 Principle of high-density resistivity tomography

程剛等以淮北楊柳煤礦為監(jiān)測(cè)原型進(jìn)行了相似模型試驗(yàn)，研究煤層采動(dòng)過程中上覆巖土體的移動(dòng)變形破壞機(jī)理。采用HD–ERT 技術(shù)，同時(shí)結(jié)合分布式光纖感測(cè)和近景攝影測(cè)量(Close-Range Photography，CRP)技術(shù)進(jìn)行綜合分析[27]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在初始狀態(tài)下，垂向電法測(cè)線總電阻率為0(圖8a)。隨著開采工作面的不斷推進(jìn)，電阻率分布發(fā)生變化，煤層頂板處的電阻率顯著增加(圖8b)，這是由于煤層上覆巖層中出現(xiàn)了裂隙。當(dāng)開采工作面推進(jìn)至1 m 時(shí)，煤層頂部和模型頂部的電阻率進(jìn)一步增加(圖8c)。

圖8 垂向電法測(cè)線在不同推進(jìn)距離的反演結(jié)果Fig.8 Inversion results of vertical electrical line at different advance distances

綜合分析電阻率與巖性分布關(guān)系可知，在整個(gè)開挖期間，上下2 層火成巖電阻率變化較小，說明其巖層的完整性較好，未產(chǎn)生較大的裂隙，同時(shí)兩層火成巖之間的巖層電阻率逐漸增大。由此判斷，兩層火成巖對(duì)采動(dòng)覆巖變形具有控制作用，為關(guān)鍵層所處位置；下火成巖下部巖層的高電阻率區(qū)域隨著開挖的推進(jìn)不斷向上部擴(kuò)展，這有效刻畫出導(dǎo)水裂縫帶界面的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程。

礦山微震監(jiān)測(cè)作為一種地下圍巖穩(wěn)定性判定的重要方法，被廣泛應(yīng)用于礦山安全開采監(jiān)測(cè)中。然而，由于礦山開采環(huán)境的復(fù)雜性，使得礦山微震信號(hào)頻率范圍廣、信噪比弱，且采場(chǎng)的背景噪聲、工頻干擾、人工活動(dòng)等信號(hào)均會(huì)對(duì)微震事件波形信息產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致常規(guī)手段獲得波形的信噪比相對(duì)較低，直接增加了信號(hào)的處理難度與誤差率。近年來，一種基于瑞利光散射的分布式聲學(xué)感測(cè)技術(shù)(Distributed Acoustic Sensing，DAS)被廣泛應(yīng)用于管道、油氣、鐵路、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行監(jiān)測(cè)中。該技術(shù)主要通過干涉式聲波傳感對(duì)外部的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行感知，即當(dāng)振動(dòng)引起光纖某處的干涉光相位產(chǎn)生線性變化時(shí)，利用相關(guān)解調(diào)儀解調(diào)出不同時(shí)刻該點(diǎn)的干涉信號(hào)，進(jìn)而完成該點(diǎn)相關(guān)物理參數(shù)的定量化感測(cè)，其技術(shù)原理如圖9 所示。該技術(shù)不僅擁有DFOS 的優(yōu)點(diǎn)，而且可實(shí)現(xiàn)光纖沿線動(dòng)態(tài)振動(dòng)的長(zhǎng)距離、分布式、連續(xù)性感知，將其通過附著桿件布設(shè)于井下采場(chǎng)圍巖鉆孔中，可實(shí)時(shí)獲取全尺度(幅度、頻率、相位)數(shù)萬道信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面開采過程中圍巖變形破壞的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)定位。Hendrik J 等[28]在距離地表約1 500 m 深的地下礦井中安裝了275 m的振動(dòng)感測(cè)光纜，連續(xù)性記錄2 周內(nèi)的礦井微震活動(dòng)，同步安裝4 個(gè)14 Hz 三分量檢波器進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于較大的地震事件(矩震級(jí)MW> -0.1)，DAS 技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)相較于常規(guī)檢波器數(shù)據(jù)具有更高的一致性；在數(shù)據(jù)中亦發(fā)現(xiàn)注漿段光纜采集了更高質(zhì)量的地震波記錄，表明光纜與周圍介質(zhì)的耦合性對(duì)震波數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生重要影響；同時(shí)，提出了基于現(xiàn)有光纖通信基礎(chǔ)設(shè)施開展礦山地震勘探，以實(shí)現(xiàn)低成本勘探下的高分辨率成像。在覆巖變形破壞的微震研究方面，下一步應(yīng)重點(diǎn)開展主(被)動(dòng)源條件下，開采區(qū)、未開采區(qū)及采空區(qū)覆巖變形破壞的對(duì)比試驗(yàn)研究，利用DAS 技術(shù)連續(xù)性監(jiān)測(cè)振動(dòng)信息及其變化趨勢(shì)，分析不同震源條件、不同監(jiān)測(cè)背景下煤層覆巖的時(shí)效響應(yīng)和破壞過程，并通過數(shù)值模擬加以對(duì)比驗(yàn)證，力求從本質(zhì)上指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)和資源開采控制標(biāo)準(zhǔn)的制定。

圖9 DAS 微震感測(cè)技術(shù)原理Fig.9 Principles of DAS microseismic sensing

隨著DAS 技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步將其引入礦山工程地下結(jié)構(gòu)探測(cè)與振動(dòng)感知中，開展礦山工程微震研究，實(shí)現(xiàn)礦山地下空間的“透明化”探測(cè)。未來，可融合多場(chǎng)數(shù)據(jù)信息構(gòu)建多源多場(chǎng)一體化感知網(wǎng)絡(luò)(圖10)，利用光纖感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控采動(dòng)覆巖變形破壞與離層演化的全過程，從而為厘清覆巖變形破壞孕災(zāi)機(jī)理提供技術(shù)支撐。

圖10 煤層采動(dòng)多源多場(chǎng)一體化感知網(wǎng)絡(luò)Fig.10 Multi-source and multi-field integrated sensing network for coal mining

2 煤層采動(dòng)一體化安全保障體系構(gòu)建與應(yīng)用

對(duì)于煤層采動(dòng)覆巖變形破壞研究，現(xiàn)有的方法技術(shù)難以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)獲取煤層開采過程中上覆巖土體的變形和多場(chǎng)作用對(duì)井下巷道局部變形及地面沉陷的影響。因此，亟需突破煤層采動(dòng)過程中地下變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和地電場(chǎng)海量時(shí)空連續(xù)信息感知的技術(shù)瓶頸，開展從覆巖變形破壞到地表沉陷發(fā)生發(fā)展演化全過程監(jiān)控研究，在此基礎(chǔ)上建立一套涵蓋感知–傳輸–處理–預(yù)警–決策的煤層采動(dòng)一體化安全保障體系(圖11)，以實(shí)現(xiàn)煤層開采災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)評(píng)估和地表沉陷潛力的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

圖11 煤層采動(dòng)一體化安全保障體系Fig.11 Integrated safety guarantee system for coal mining

2.1 系統(tǒng)感知層

在煤層采動(dòng)一體化安全保障體系中，感知層位于整個(gè)體系的最底層，是體系的核心。作為信息采集的關(guān)鍵部分，其功能主要通過傳感光纜(器)感知巖土體的位移、溫度、滲壓及電阻率等物理參數(shù)與環(huán)境信息。施斌教授[29]基于對(duì)人體感知神經(jīng)的認(rèn)識(shí)，在長(zhǎng)期研究巖土體光纖感測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了巖土體“感知”理念，在巖土體中植入線性傳感元，構(gòu)建大地感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)巖土體“時(shí)空連續(xù)”的智能感知。對(duì)人體而言，是基于五官和皮膚，通過視覺、味覺、嗅覺、聽覺和觸覺感知環(huán)境狀態(tài)及其變化；對(duì)巖土體而言，感知層即為巖土體的五官和皮膚，可用于待測(cè)巖土體狀態(tài)及其演變過程的動(dòng)態(tài)識(shí)別(圖12)。

圖12 巖土體分布式感知神經(jīng)系統(tǒng)Fig.12 Distributed sensing neural system for rock and soil mass

感知層由各類智能傳感器和解調(diào)設(shè)備2 大部分組成。該層的核心是融合射頻、新興傳感、無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制等技術(shù)，架構(gòu)起待測(cè)巖土體、傳感器和解調(diào)設(shè)備間的數(shù)據(jù)耦合關(guān)系。在該層中，傳感器是獲取巖土體多元數(shù)據(jù)的基本單元，它將巖土體各物理場(chǎng)狀態(tài)信息變化轉(zhuǎn)換為傳感器光電信號(hào)的改變，將其送入解調(diào)設(shè)備進(jìn)行一系列信號(hào)處理與校準(zhǔn)。常見的傳感器包括應(yīng)變、溫度、滲壓、電法傳感器等。

隨著現(xiàn)代光纖通信和信息技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是光纖感測(cè)技術(shù)在各類基礎(chǔ)工程中的廣泛應(yīng)用，使得各類光纖傳感器逐漸被引入礦山工程安全監(jiān)測(cè)中，未來可進(jìn)一步研發(fā)多源多參量感測(cè)光纜以實(shí)現(xiàn)巖土體多場(chǎng)時(shí)空數(shù)據(jù)的分布式、連續(xù)性、大范圍實(shí)時(shí)獲取，推動(dòng)采動(dòng)覆巖變形從原位檢測(cè)、探測(cè)、監(jiān)測(cè)走向感知，目標(biāo)朝著范圍更廣、深度更深，數(shù)據(jù)傳輸效率更高方向創(chuàng)新，內(nèi)容向著多樣化、精準(zhǔn)化、三維立體化發(fā)展。在實(shí)際煤層開采監(jiān)控過程中，通常融合FBG,UWFBG,BOTDR(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer)等技術(shù)，利用地面鉆孔和井下工作面仰孔進(jìn)行感測(cè)光纜(器)布設(shè)，實(shí)時(shí)獲取煤層開采過程中上覆巖土體的多物理場(chǎng)參量及其變化，煤層采動(dòng)覆巖井上井下一體化感知系統(tǒng)如圖13 所示。

圖13 煤層采動(dòng)覆巖變形井上井下一體化感知系統(tǒng)[30-31]Fig.13 Integrated sensing system for coal seam overburden deformation during mining of surface and downhole[30-31]

2.2 系統(tǒng)傳輸層

由于覆巖變形破壞過程中原始數(shù)據(jù)量的體系龐雜，且必須確保預(yù)警信息的準(zhǔn)確度，因而對(duì)感知數(shù)據(jù)傳輸可靠性提出了較高要求。為解決覆巖變形海量數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題，可基于物聯(lián)網(wǎng)的感知數(shù)據(jù)解調(diào)和實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)開展可靠性優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)低能耗的多源數(shù)據(jù)采集方案，實(shí)現(xiàn)基于5 GWIFILoRa 的數(shù)據(jù)無線通訊，包括覆巖感測(cè)區(qū)域和遠(yuǎn)程傳輸?shù)目煽啃员Ｕ蠙C(jī)制。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃远攘恐笜?biāo)主要分為“包可靠性”和“事件可靠性”，按照不同的視角對(duì)可靠性數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行分類，如圖14 所示。

圖14 可靠性數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分類[32]Fig.14 Classification of reliability data transmission technologies[32]

感知層的感測(cè)光纜經(jīng)過解調(diào)設(shè)備、系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線等短距離傳輸技術(shù)將所采集數(shù)據(jù)信息打包送至傳輸層。傳輸層關(guān)鍵技術(shù)包括有線傳輸和短距離無線通信技術(shù)等，其通過傳感器網(wǎng)絡(luò)與感知層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有傳感元件、微處理器和通信單元。各節(jié)點(diǎn)通過通信網(wǎng)絡(luò)共同協(xié)作來感知待測(cè)巖土體和環(huán)境的多參量信息。由于礦山工程大都具有范圍廣、隱蔽性強(qiáng)、環(huán)境惡劣、動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高等特點(diǎn)。在實(shí)際感測(cè)過程中，往往會(huì)處于無通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)區(qū)域，因此，應(yīng)根據(jù)感知目標(biāo)和環(huán)境選擇相應(yīng)的傳輸技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、自組織網(wǎng)絡(luò)、可靠性強(qiáng)、以數(shù)據(jù)為中心等優(yōu)點(diǎn)，可提高采動(dòng)覆巖變形破壞與開采沉陷的感測(cè)準(zhǔn)確度。同時(shí)可根據(jù)待測(cè)巖土體周圍可信節(jié)點(diǎn)的狀況，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)反演和修正惡劣環(huán)境下災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大小與分布范圍，并在實(shí)際一體化系統(tǒng)中對(duì)可靠性傳輸?shù)膬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行不斷修正，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)度與時(shí)效性達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，研究井上和井下相結(jié)合的可靠傳輸和實(shí)時(shí)性保障機(jī)制。

由于傳感器節(jié)點(diǎn)需具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能，其可靠度是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，可采用一種動(dòng)態(tài)倍增優(yōu)化冗余策略，確保關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的整體拓?fù)淇煽啃赃_(dá)到最優(yōu)，并通過融合確認(rèn)重傳機(jī)制與雙并聯(lián)冗余機(jī)制(圖15)的綜合策略來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)可靠性的本質(zhì)提高。

圖15 具有雙倍冗余和重傳功能的遠(yuǎn)程監(jiān)控的傳輸架構(gòu)Fig.15 A transport architecture for remote monitoring with double redundancy and retransmission capabilities

2.3 系統(tǒng)處理層

在煤層采動(dòng)過程中，由于覆巖破斷垮落，尤其是突發(fā)性的整體性垮落，通常會(huì)造成光纖感測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常突變和紊亂等現(xiàn)象。因此，為了完整地還原覆巖變形破壞的實(shí)際過程，須對(duì)光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪與濾波等處理。其中，小波變換作為一種信號(hào)的時(shí)間-頻率分析方法，具有多分辨率分析的特點(diǎn)，其在時(shí)域和頻域都具有信號(hào)局部特征的表征能力，因而在光纖數(shù)據(jù)異常處理中被廣泛應(yīng)用。該方法主要是根據(jù)關(guān)鍵信號(hào)和噪聲信號(hào)的不同傳遞特性和特征，將原始信號(hào)進(jìn)行分離以消除噪聲波形，可實(shí)現(xiàn)感測(cè)數(shù)據(jù)的異常自識(shí)別與處理。程剛等采用DFOS 技術(shù)進(jìn)行采動(dòng)覆巖變形監(jiān)測(cè)研究時(shí)，選用Daubechies 小波進(jìn)行小波去噪[33]。一個(gè)含噪聲的一維信號(hào)的模型可以表示成如下形式，即

式中，f(t)為真實(shí)信號(hào)；e(t)為噪聲；S(t)為原始信號(hào)；σ為噪聲信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差。去噪流程如圖16 所示。

圖16 小波信號(hào)去噪流程Fig.16 Wavelet signal denoising process

在覆巖變形多場(chǎng)感知中，隨著開采的不斷推進(jìn)，往往會(huì)累積海量的多場(chǎng)數(shù)據(jù)，如何快速精準(zhǔn)地對(duì)各物理場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類提取、誤差修正、聚類分析等優(yōu)化處理，以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的自診斷和智能化分析，并為開展覆巖變形機(jī)器學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)模型研究提供有效數(shù)據(jù)源。該過程可運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、人工智能理論和系統(tǒng)學(xué)方法，優(yōu)化海量多場(chǎng)感測(cè)數(shù)據(jù)分類提取的預(yù)處理算法，以提高數(shù)據(jù)的可靠性自診斷和智能分析準(zhǔn)確率；同時(shí)，通過一種基于主題模型的數(shù)據(jù)清洗方法，綜合物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)源的有效性分析機(jī)制，開展覆巖變形破壞感知全過程海量數(shù)據(jù)的智能化處理；從誤差修正、關(guān)聯(lián)分析和數(shù)據(jù)挖掘等方面加強(qiáng)關(guān)鍵層位數(shù)據(jù)缺失的機(jī)器學(xué)習(xí)研究，利用移動(dòng)平均、隨機(jī)森林、多元貝葉斯等優(yōu)化算法對(duì)超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高變形預(yù)測(cè)精度(圖17)。郗劉濤等[34]針對(duì)采動(dòng)覆巖變形相似模擬試驗(yàn)中光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失值還原問題，采用基于最小二乘支持向量機(jī)(Least Squares Support Vector Machine，LSSVM)的缺失數(shù)據(jù)還原方法，完成了離散缺失值、連續(xù)缺失值以及不同缺失比例3 種類型還原試驗(yàn)研究，結(jié)合數(shù)據(jù)預(yù)處理、小樣本增強(qiáng)技術(shù)、平穩(wěn)性檢驗(yàn)、長(zhǎng)短期記憶(Long Short-Term Memory，LSTM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本數(shù)據(jù)集構(gòu)造、LSTM 預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)等關(guān)鍵步驟，建立覆巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型，據(jù)此對(duì)覆巖狀態(tài)及其演化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究結(jié)果為利用分布式光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開展工作面周期來壓預(yù)測(cè)和采動(dòng)覆巖變形破壞規(guī)律分析提供了一種新方法。

圖17 海量數(shù)據(jù)智能處理與算法優(yōu)化Fig.17 Mass data intelligent processing and algorithm optimization

2.4 系統(tǒng)預(yù)警層

在地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)中，開展感知只是路徑手段，成功預(yù)警才是最終目的。對(duì)于采動(dòng)覆巖變形破壞引起的礦山災(zāi)害事故，不僅要重視采動(dòng)過程覆巖變形感測(cè)數(shù)據(jù)的解譯與表征，更應(yīng)聚焦于煤層上覆巖層破斷引起災(zāi)害的預(yù)警與響應(yīng)。大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，感知點(diǎn)和感知手段的數(shù)量并不完全同預(yù)警成功率成正相關(guān)，因而在實(shí)際的采動(dòng)覆巖變形破壞感知中，應(yīng)結(jié)合地層巖性、煤層采高、開采速率等因素，設(shè)計(jì)相應(yīng)的感知內(nèi)容、設(shè)定具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)、劃分科學(xué)的預(yù)警判據(jù)。同時(shí)，大多數(shù)巖層的破斷垮落具有一定突發(fā)性，須采用具有自動(dòng)變頻功能的儀器設(shè)備才能獲取覆巖變形破壞全過程時(shí)空連續(xù)數(shù)據(jù)，尤其是臨跨階段完整的狀態(tài)信息，且應(yīng)加強(qiáng)周期性異常數(shù)據(jù)預(yù)警和多方法共性異常預(yù)警研究，改進(jìn)常規(guī)閾值預(yù)警方法中存在誤報(bào)、漏報(bào)率較高的不足，強(qiáng)化對(duì)歷史累積數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和基于變形、溫度、滲壓、電阻率等關(guān)鍵指標(biāo)的預(yù)警模型與判據(jù)研究，據(jù)此提高煤層采動(dòng)過程中覆巖災(zāi)變預(yù)警的準(zhǔn)確性，進(jìn)而為災(zāi)害事故的科學(xué)防治提供重要保障。在實(shí)際感知預(yù)警過程中，應(yīng)開展覆巖變形多源多場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型研發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于多場(chǎng)融合的實(shí)時(shí)感知預(yù)警；加強(qiáng)預(yù)警閾值的差異化研究，針對(duì)煤層上覆巖土體的物質(zhì)組成不同(軟巖、硬巖、松散層)、關(guān)鍵層厚度不同(薄、厚、巨厚)、開采速率不同等開展差異化的預(yù)警閾值和預(yù)警等級(jí)研究，不斷提升閾值與地層變形破壞演化過程表征的匹配度，最大限度減小漏報(bào)和誤報(bào)率。

在巖土體變形失穩(wěn)預(yù)警中，許強(qiáng)等[35]提出了滑坡變形演化的4 階段。鑒于煤層開采過程中的覆巖變形垮落演化與滑坡變形失穩(wěn)具有相似演變規(guī)律，可在考慮地層巖性、煤層采高和開采速率的基礎(chǔ)上，對(duì)覆巖變形感測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空演化過程進(jìn)行階段劃分(圖18)。未來，可通過建立基于多場(chǎng)數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)模型，轉(zhuǎn)被動(dòng)預(yù)警為主動(dòng)防控，提升煤層采動(dòng)過程中一體化安全保障體系的實(shí)時(shí)性與可靠性。

圖18 覆巖變形演化過程與預(yù)警等級(jí)Fig.18 Evolution process and early warning grade of overburden deformation

2.5 系統(tǒng)決策層

系統(tǒng)決策目的是針對(duì)預(yù)警等級(jí)制定關(guān)鍵性措施與對(duì)策，而決策樹作為一種經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)方法，被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)決策。在覆巖變形破壞程度決策分析中，通常須基于不同數(shù)據(jù)，采用不同分類標(biāo)準(zhǔn)，不斷對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分類，以提升決策樹分支結(jié)點(diǎn)“純度”，直至分類無法進(jìn)行?；谠摏Q策樹模型，可對(duì)處理后的多源數(shù)據(jù)做出分類，并根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則得出共性規(guī)律，對(duì)覆巖變形破壞致災(zāi)程度做出研判，進(jìn)而實(shí)施科學(xué)的系統(tǒng)決策與應(yīng)急對(duì)策。

綜上所述，建立一套覆蓋煤層開采全過程的一體化覆巖變形破壞感知神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)保障礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)感知、信息傳輸、智能處理、危險(xiǎn)預(yù)警、決策處置等功能于一體，并可通過移動(dòng)端實(shí)時(shí)發(fā)送預(yù)警信息與處置措施；同時(shí)，系統(tǒng)預(yù)留擴(kuò)展功能，未來可進(jìn)一步基于機(jī)器學(xué)習(xí)的多場(chǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，解決煤層覆巖開采感知信息的三維實(shí)時(shí)可視化問題，如圖19 所示。

圖19 覆巖變形破壞神經(jīng)感知系統(tǒng)Fig.19 Neural sensing system for overburden deformation and failure

特別地，對(duì)于超長(zhǎng)工作面的覆巖變形破壞機(jī)理研究，可利用一體化感知系統(tǒng)累積的過程數(shù)據(jù)開展機(jī)器學(xué)習(xí)與模型優(yōu)化研究，以實(shí)現(xiàn)煤層上覆各地層變形破壞與開采沉陷演化發(fā)展全過程預(yù)測(cè)。

2.6 應(yīng)用案例

為研究帷幕墻體的穩(wěn)定性，對(duì)帷幕截流效果評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐，淮北礦業(yè)集團(tuán)聯(lián)合蘇州南智傳感科技有限公司，開展了朱仙莊礦注漿帷幕穩(wěn)定性光纖自動(dòng)化監(jiān)測(cè)研究，通過建設(shè)地面井下一體化光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖20)，利用布設(shè)于注漿帷幕中的感測(cè)光纜對(duì)帷幕內(nèi)力與豎向變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了多鉆孔光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集與顯示，據(jù)此分析了回采對(duì)注漿帷幕穩(wěn)定性的影響范圍與程度，從而確定帷幕墻體的受力狀態(tài)，為帷幕截流效果評(píng)價(jià)提供了重要參考依據(jù)，同時(shí)驗(yàn)證了融合光柵傳感和光時(shí)域定位優(yōu)勢(shì)的UWFBG 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離工程的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在礦山安全開采監(jiān)測(cè)中具有良好的適用性。

圖20 地面井下一體化光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成Fig.20 Integration of surface and downhole integrated fiber optic monitoring system

3 結(jié) 論

1) 覆巖變形破壞受多場(chǎng)耦合作用，各物理場(chǎng)相互作用均直接體現(xiàn)于巖土單元的變形位移、破斷垮落等物理變化。因此，多場(chǎng)耦聯(lián)度對(duì)覆巖變形感測(cè)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式產(chǎn)生重要影響，未來應(yīng)加強(qiáng)多場(chǎng)關(guān)聯(lián)研究，融合多場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)共性關(guān)系的精準(zhǔn)表征，并重點(diǎn)關(guān)注各物理場(chǎng)周期性異常數(shù)據(jù)，以提高采動(dòng)覆巖災(zāi)變預(yù)警的準(zhǔn)確性。

2) 基于光纖感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了煤層采動(dòng)一體化安全保障體系，該體系可連續(xù)獲取覆巖變形的時(shí)空數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)覆巖變形破壞到地表沉陷發(fā)生發(fā)展演化全過程認(rèn)知；基于歸納學(xué)習(xí)算法，改進(jìn)得到一種具有高泛化能力的決策樹模型，據(jù)此對(duì)覆巖變形破壞致災(zāi)程度做出研判，進(jìn)而實(shí)施科學(xué)的系統(tǒng)決策與應(yīng)急對(duì)策。

3) 隨著機(jī)器學(xué)習(xí)在海量數(shù)據(jù)處理與趨勢(shì)預(yù)測(cè)中的廣泛應(yīng)用，可在統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上，融合聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法聯(lián)合開展光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失的還原研究；基于獲得的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，結(jié)合灰色理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，建立覆巖變形預(yù)測(cè)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)未來煤層開采災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和地表沉陷潛力的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與科學(xué)評(píng)價(jià)。