中煤新集公司郭春福——《巷道矿压监测与事故预警智能管控系统研究设想》

 

 

 

摘要：针对井下巷道矿压监测范围大、监测数据冗杂无用难题，借助巷道矿压相关理论、人工智能理论、大数据计算等多项技术，对巷道矿压智能管控系统进行研究设想，系统可实现超大型矿井井下巷道矿压智能监测与事故预警功能，提高我国煤矿井智能化水平。

关键词：矿压监测；事故预警；煤矿智能化；大数据

 

引言

煤矿智能化是我国煤炭工业高质量发展的必然趋势。2021年国家能源局联合国家矿山安全监察局发布《煤矿智能化建设指南》[1]指出，智能化煤矿应当建设智能综合管控平台，进行多部门、多专业、多管理层面的数据集中应用、交互共享和决策支持，实现煤矿各业务系统数据融合、分析决策与智能联动控制，实现各系统“监测、控制、管理”一体化及智能联动控制。当前煤矿智能安全监控系统如冲击矿压监测预警、水害智能预报、采空区智能监测、瓦斯智能监测、巷道围岩智能监测处于探索阶段，尤其在巷道矿压智能管控的研究领域还存在很大空白。

早在上个世纪80年代初期，我国研究人员[2]已经通过位移以及压力传感器针对巷道矿压进行智能监测，但受限于矿压规律研究、传感器精度以及计算机相关技术的局限，早期矿压监测系统只能进行数据的简单采集以及初步分析，数据的监测类型较少，分析结果不仅简单而且只能以表图方式呈现，属于矿压监测的初步数据化；此后随着国外一些先进技术的引入，国内逐步发展出依靠地音监测技术、声发射技术等进行矿压数据多层次，多角度监测。地音监测技术在预测顶板压力以及破坏方面具有显著优势，可以保证现场有足够时间进行解危措施实行。90年代以后，中国矿压大学窦林名教授通过微震监测手段对冲击地压矿井进行了矿压监测预警的广泛研究，其团队[3-7]提出的相关理论在冲击地压预警领域具有十分重要意义。近些年，随着对于智能化矿井建设的需求，相关学者在国内一些条件简单的矿井进行了矿压智能监测的研究与应用，研究在取得了一定效果的同时也暴露出诸如矿压监测数据冗杂，数据监测类型繁杂以及数据后续处理不足的缺陷。因此，针对一些复杂矿井巷道矿压的智能监测以及预警十分必要。

一、当前矿压监测系统与矿压智能管控系统分析

矿井井下巷道系统经一定时间的开拓及准备后，均呈现系统庞大及复杂的特征，导致巷道矿压观测普遍存在安全监控范围大、矿压监测数据冗杂、矿压监测数据无法及时分析、矿压监测数据分析能力不足的问题。大多矿井目前采取在采掘巷道内布置顶板离层仪、锚杆索受力计、巷道围岩变形观测站、钻孔应力计、钻孔钻屑量、钻孔应力计等对巷道矿压动态显现进行监控，日常矿压数据管理则主要依靠人工方式对矿压数据进行提取分析。受当前矿井监测手段与人工作业的局限，现有煤矿巷道矿压监控系统存在监测范围有限、自动化程度低、人工参与度高、数据整体分析与深度分析能力不足以及数据分析滞后等缺陷，已经不能满足矿井井下巷道大范围矿压数据监测以及安全预警的需求，无法满足矿井安全生产。

通过查阅相关资料，已有巷道矿压智能监测平台具有多参量监测、数据联合分析以及危险预警、平台一张图操作、数据实时监测、平台开源等特点，但仍在数据标准化处理、矿压分析以及解危措施分析、数据交互可视化以及对接后续智慧矿山系统方面存在很大提升空间，表1为现有巷道矿压智能监测系统以及升级后矿压智能管控系统领域优势对比分析。

表1 巷道矿压智能监测系统升级前后功能对比

现有巷道矿压智能监测预警 平台功能	升级后巷道矿压智能管控 系统功能
多参量监测	多参量监测，数据标准化处理
数据联合分析、危险预警	数据联合分析、风险预警、防治建议、解危反演
平台可融入“一张图”显示与操作	平台融入“一张图”显示，操作
数据实时监测、可视化显示（曲线、柱状图、云图）	数据实时监测、可视化显示（表格、曲线、云图、巷道三维影像融合）
平台开源，留有接口，可满足后期升级需求	平台开源，作为安全监控系统其中的一个模块，后期可并入整个智慧矿山系统中

表2为煤矿现有矿压监测系统与巷道矿压智能管控系统优劣对比分析结果。分析表2可知，巷道矿压智能管控系统具有监测范围广、数据远程收集、数据三维可视化、巷道矿压智能化分析及解危措施模拟等优势，可有效解决当下煤矿大范围巷道矿压监控系统存在的不足，实现矿井巷道安全、高效、智能监控运行。

表2 煤矿现有矿压监测系统与巷道矿压智能管控系统优势对比

煤矿现有矿压监测系统	巷道矿压智能管控系统
监测范围有限	监测范围广
自动化程度低	数据远程收集
人工参与度高	数据三维可视化
数据整体分析能力差	巷道矿压数据联合分析
数据深度分析能力不足	可数值模拟解危措施
数据分析滞后	实时在线运作

二、巷道矿压智能管控系统设计思路

本文旨在为煤矿建立一套巷道矿压智能管控系统提供思路，系统整体架构如图2所示。巷道矿压智能管控系统通过建立可交互数据库实现海量数据筛选与标准化存储；巷道围岩变形破坏分级预警理论与巷道矿压数据联合分析理论模型基于可交互数据库进行数据联合分析与关联分析，实现巷道危险分级预警；分级预警结果将结合现场情况生成针对性解危措施；系统自动调用数值模拟软件对解危措施进行模拟分析，模拟结果将再次进行预警评估，直至达到安全预警级别，进而有效指导现场施工。系统通过巷道矿压智能管控平台实现数据三维可视化显示，操作者最终可通过管控平台与系统实现有机交互。

图1 巷道矿压智能管控系统架构

三、巷道矿压智能管控系统研究内容

巷道矿压智能管控系统需要基于矿井实际生产地质条件展开针对性开发设计，采用理论分析、数值模拟、软件编程、室内试验与现场试验结合的综合研究方法，对煤矿巷道矿压规律进行系统研究，进而搭建矿井巷道矿压智能管控系统。实现矿井巷道矿压智能管控需对以下4个方面展开进一步研究：

（1）从软、硬件层面实现数据采集、数据传输、数据储存，包括确定传感器种类、数量、布置参数搭建井下、井上有线无线数据传输系统，建立数据库，完成数据标准化存储；

（2）研究巷道围岩分级预警理论，实现巷道围岩在线监测与分级预警；

（3）建立巷道矿压数据联合分析理论模型，反演采掘活动与巷道围岩变形破坏之间的关系，指导采掘部署及防治措施的制定；

（4）搭建巷道矿压智能管控平台，实现客户端、浏览器与各服务器间可靠交互。

（5）巷道矿压智能管控系统预留整个智能化系统的接口，为后续智慧矿山搭建提供巷道围岩变形破坏监测预警模块。

四、巷道矿压智能管控系统研究思路

（1）巷道矿压智能管控系统研究设计需要基于地质因素与开采技术因素，一般而言，相同矿区内地质条件与开采技术条件比较类似，因此可以对同一矿区内的不同矿井实行巷道矿压智能管控系统。首先需要在实地调研煤矿煤层赋存和开采特征，针对矿井现有资料整理、归总。煤矿现有地质资料是以图纸、文字存放的，原始数据不规范，需要先将图纸、文字矢量化，转化为GIS数据，才能提取和存储数据，以便于系统平台方便利用数据库进行数据处理、还需要实地考察后建立巷道三维地质模型，监测区域内相关地质模型等。

（2）巷道矿压监测与事故预警是基于对巷道围岩体相关物理力学特征变化数据的监测与深入分析实现的，需要基于井下巷道系统的特征设计监测测站，布置巷道围岩监测设备，采集多参量数据。需要分断面、分测站设置监测传感器，动态监测巷道围岩表面与深部位移、顶板离层、应力、地音等主要矿压数据。监测数据类型以及标准需要根据矿区内巷道矿压规律的相关研究进行设定，初步设定参数可以参考当前主流的设置方式，结合矿区自身特征，力求在保证监测数据精度的同时，降低研发成本。

表3 监测传感器

监测参量	拟采用设备	功能
巷道围岩表面位移	激光测距仪矿用防爆激光巷道断面检测仪	监测巷道围岩移近量、移近速度的变化，识别巷道稳定性
巷道围岩深部位移	顶板离层仪	监测巷道顶板离层层位、离层量，用于判断顶板破坏范围
锚杆索应力	锚杆（索）载荷传感器	监测煤矿锚杆支护巷道顶板及两帮的载荷变化，通过监测锚杆或锚索中载荷的大小，了解煤岩体中应力变化。
地音（声发射）	声发射传感器	监测巷道围岩破裂状态，用声发射信号监测巷道围岩的破坏发展过程

监测数据需要通过井下数据传输系统进行采集传递，井下以无线智能传感器作为传输节点、以无线接收分站作为路由节点、以井下通信基站作为网络节点，以此搭建物联网，实现无线传感数据通过井下基站传送至井下环网，接入井上局域网，实现数据在地面分析、可视、共享、分级预警。各类传感器无缝对接，监测数据实时上传。各类型传感器根据系统传输协议，将数据传输到中继器，中继器通过有线传输到监测分站内。监测分站布置在井下供电和联网方便的硐室内，通过井下环网将数据传输到井上工控机内，监测数据通过矿区局域网实现共享。

图2 矿井传输网络图

（3）建立可交互数据库。利用关系型数据库建立属性表数据库。数据库软件选用SQL Server 2022关系型数据库，并利用空间数据引擎ArcSDE来实现数据间联系，根据系统设计需要，项目所要建立的数据库主要有：围岩破坏关键因素数据库、水文地质基础数据库、巷道围岩变形破坏预警数据库。

表4 项目所需数据库

图3 水文地质基础数据库

用户与密码管理模块	用户与密码管理模块
测点设置模块	包括对巷道名称、监测点数量及编号
数据通讯模块	包括对串口的设置和采集设备与计算机传输数据的实现
数据库管理模块	对数据备份以及删除
数据导出模块	导出数据至Excel表
帮助模块	提供帮助信息
统计分析模块	对巷道围岩移近量、顶板下沉量、锚杆索应力、声发射数据进行统计分析
数据显示模块	以表格、曲线、云图等可视化手段显示数据

图4 巷道围岩变形破坏预警数据库

表5 数据库功能模块

基于国内现在统一的数据处理标准，通过以上数据库对与巷道矿压监测预警相关技术指标数据进行标准化存储。数据库采取主流的SQL Server 2022进行操作，不同数据库由后续专家系统进行统一调用，数据库采取反馈系统，支持对处理结果的二次修正，进一步实现智能化监测预警中数据的实时监测，实时更正，准确监测。

（4）采用理论分析与数值模拟，研究巷道围岩变形破坏分级预警理论。针对煤矿巷道安全状况及其主要影响因素，研究巷道围岩变形破坏的机理，建立安全预警监测标准。巷道[8]围岩监测参量能揭示巷道围岩安全与临界灾变状态。一般而言，若巷道围岩破裂的声发射事件增多时，装设于同一位置的巷道围岩位移和锚杆索载荷均表现为变化规律的一致性，即位移增加和载荷升高。巷道位移与锚杆载荷变化在巷道围岩未破坏前也呈现同样的增函数特性，有时在破坏后，支护结构有可能破坏，此时位移增加而载荷减小。通过建立矿井巷道围岩变形监测参量归一化函数，划定巷道危险等级。

表6 巷道危险判别准则

（5）建立巷道矿压数据联合分析理论模型。通过对多参量数据进行联合分析，深度分析，实现异常预警指标背后原因深度挖掘，系统可反演采掘活动与巷道围岩变形破坏之间的关系，指导采掘部署及防治措施的制定。模型可对异常测点的局部多参量数据进行联合分析，通过分析近期采掘活动对巷道影响的发展趋势，整体把握区域应力转移过程，防止局部应力集中。

（6）巷道矿压智能管控平台数据集成三维展示设计与开发。平台主界面设计三维集中展示功能，可实现数据库模块、巷道变形监测预警模块、矿压数据联合分析模块等接入系统的三维图实时展示，从矿压的监测预警角度实现管理的“一张图”模式。各分区[9]通过监测区域名称前方的方块颜色展示区域的综合危险等级，绿色、黄色、橘红和红色分别代表无危险、弱危险、中等危险及强危险几个级别，灰色则代表区域当前数据断联。三维图上展示信息可包括生产信息（工作面进尺及位置）、监测数据（围岩应力、微震、巷道变形等）。三维集中展示还可直观掌握监测设备运行状态、区域整体危险情况等，监测信息直观明了。

（7）在煤矿开展工业性试验。通过前提数据采集、中期数据分析、最终数据显现，在巷道矿压监测与事故预警智能管控系统的各个环节进行分析评估，主要评价指标为理论预期与实际应用效果的对比偏离程度，在评析完毕后对系统进行进一步升级。最后对巷道矿压智能管控系统的应用效果进行分析、评价和完善。

五、结语

本文针对矿井井下大范围巷道矿压监测难题、巷道事故预警难题展开分析，通过对当下巷道矿压监测系统与煤矿巷道矿压智能管控系统进行对比分析，得出当下煤矿巷道矿压智能化监测预警管控研究思路。本文对煤矿巷道矿压智能监测以及事故预警智能管控系统进行了初步构思，该系统具备煤矿巷道矿压实时监测、数据联合分析、风险预警、以及危险防治建议、平台一张图显示操作、数据可视化等智能化矿压监测预警功能，可以显著提高巷道矿压监测智能化水平。

 

 

参考文献

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[3]曹安业,窦林名,秦玉红,等. 微震监测冲击矿压技术成果及其展望[J]. 煤矿开采, 2007, (1): 20-23, 39.

[4]曹安业,窦林名,秦玉红,等. 高应力区微震监测信号特征分析[J]. 采矿与安全工程学报, 2007, (2): 146-149, 154.

[5]李二海,王桂峰,毛永. 煤矿冲击矿压机理及其监测预警技术分析[J]. 采矿技术, 2015, 15(3): 54-56, 84.

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[8]连清旺. 矿井顶板（围岩）状态监测及灾害预警系统研究及应用[D]. 太原理工大学, 2012

[9]宋继祥,王成军. 基于数据融合智能判别的矿压风险预警和防控系统平台的开发[J]. 菏泽学院学报, 2020, 42(5): 41-46.