煤礦沖擊地壓綜合監(jiān)測預(yù)警平臺研究及應(yīng)用

潘俊鋒，馮美華，盧振龍，夏永學(xué)，徐 剛，馬宏源，王元杰，張 建

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013;3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

0 引 言

沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警是開展沖擊地壓解危工作的必要前提，而監(jiān)測預(yù)警水平的高低直接決定了解危工程實施的時空精準度，進而影響災(zāi)害治理效果。近幾年，我國沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警由微震法[1-2]、地音法[3]、電磁輻射法[4]、應(yīng)力計法[5-7]等單一手段監(jiān)測逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄥⒘縖8-11]、多尺度綜合監(jiān)測[12-15]，預(yù)警效能不斷提升。即便如此，該領(lǐng)域仍存在諸多亟須解決的問題[16-18]，如監(jiān)測手段的選擇與匹配缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備的優(yōu)選、匹配、布置等不盡合理；不同監(jiān)測設(shè)備給出的預(yù)警結(jié)果可能相互矛盾，最終危險狀態(tài)難下定論；各監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)庫彼此獨立，數(shù)據(jù)意義、格式差別大，而沒有可供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、規(guī)律分析及等級預(yù)警的統(tǒng)一平臺，導(dǎo)致日常監(jiān)測預(yù)警任務(wù)重、難度大、耗時長、誤差率高。

筆者以沖擊地壓發(fā)生載荷源為切入點，提出對沖擊啟動載荷源開展分源監(jiān)測的理論。開發(fā)了集成接口融合、格式轉(zhuǎn)化、統(tǒng)計分析、指標優(yōu)先、權(quán)重計算、等級預(yù)警等功能為一體的沖擊地壓綜合預(yù)警平臺，實現(xiàn)了對微震、地音、應(yīng)力、鉆屑等多參量、多尺度預(yù)警信息的深度開發(fā)與警情智能發(fā)布，提高了預(yù)警效率及效果，并在多座典型沖擊地壓礦井進行了應(yīng)用。

1 煤礦沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警主要任務(wù)

沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警極其復(fù)雜，從發(fā)生原理、圍巖結(jié)構(gòu)、區(qū)域環(huán)境、采動響應(yīng)等角度考慮，難以采用某種技術(shù)或設(shè)備包攬，因此，植入不同技術(shù)的設(shè)備以及多信息量的綜合監(jiān)測與預(yù)警，是煤礦提高沖擊地壓預(yù)警準確度的主要趨勢。研究表明，沖擊地壓實現(xiàn)綜合監(jiān)測預(yù)警需要包括以下主要內(nèi)容。

1)基于沖擊地壓發(fā)生條件的基礎(chǔ)理論。以結(jié)果性的災(zāi)害顯現(xiàn)特征為監(jiān)測目標，無法做到災(zāi)前預(yù)警。只有從沖擊地壓發(fā)生機理角度來考慮誘發(fā)沖擊地壓的載荷來源，以全面監(jiān)測載荷源突變前兆信息為目標，方可推進沖擊地壓災(zāi)害綜合預(yù)警。

2)設(shè)計源頭減少誤差。沖擊地壓預(yù)警不能簡單提出“綜合監(jiān)測”,“強監(jiān)測”,不能是簡單的組合，沒有考慮沖擊地壓不同載荷源在空間及尺度上分布的差異，易產(chǎn)生盲區(qū)，無的放矢。沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警模式設(shè)計需要做到分源、空間層次化。除此之外，提高監(jiān)測設(shè)備本身精度也必須的。目前有關(guān)沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警的手段也不少，還有新的手段在不斷推出。但實際上現(xiàn)有手段研究還沒有結(jié)束，修正算法、降低誤差、提高精度是首要工作。

3)客觀科學(xué)的警情矛盾處置。多種監(jiān)測系統(tǒng)同時運用，既有本系統(tǒng)的系列指標，又有綜合預(yù)警指標，結(jié)果都是要表明危險等級，難免會出現(xiàn)各類預(yù)警結(jié)果互相矛盾時，各預(yù)警指標權(quán)重如何選擇，難以判斷，將無法指導(dǎo)現(xiàn)場搶險避災(zāi)決策。

4)先進快速的警情信息推送。將所有監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)匯聚于軟件平臺，可實時動態(tài)查看各監(jiān)測區(qū)域當前班的危險狀態(tài)及歷史危險評價結(jié)果，當某一區(qū)域危險狀態(tài)達到預(yù)警級別時，發(fā)出危險預(yù)警(聲音提示+彈出對話框)，提醒監(jiān)測人員進行處理，并自動生成多參量聯(lián)合預(yù)警單(包含預(yù)警時間、預(yù)警位置、預(yù)警等級等關(guān)鍵信息)。

2 沖擊地壓綜合監(jiān)測理論基礎(chǔ)

2.1 沖擊地壓發(fā)生條件特征

煤層在開采過程中發(fā)生沖擊地壓宏觀上需要具備3個條件：①所開采的煤巖層具備沖擊傾向性；②發(fā)生沖擊地壓的采掘空間圍巖載荷局部化集中，并且達到煤巖體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)沖擊式失穩(wěn)載荷極限；③煤體中高度局部化集中的載荷有釋放空間，造成采掘空間煤巖體、設(shè)備、人員受損的過程就是高集中載荷釋放的過程，此種情況，如果不開采，不形成空洞等釋放空間，就不會發(fā)生沖擊地壓。3個條件中，煤巖具有的沖擊傾向性固有屬性，難以改變；第3個條件(存在能量釋放的采掘空間)，凡是有開采活動就不可避免，所以沖擊地壓防治研究的重點應(yīng)該放在如何避免或減少采掘圍巖的載荷局部化集中程度，使其不足以發(fā)生沖擊地壓。

通過沖擊地壓誘發(fā)因素統(tǒng)計，深度歸納總結(jié)，得到影響沖擊地壓發(fā)生的外圍因素復(fù)雜多變，但都歸結(jié)于為沖擊啟動提供載荷源，有的提供集中靜載荷、有的提供集中動載荷。從該角度可從埋深角度對沖擊地壓進行分類。如圖1所示(M為動靜載疊加與沖擊臨界載荷的比值)，淺部礦井因埋深淺，重應(yīng)力等基礎(chǔ)靜載荷相對不足，主要靠動載荷補充，即動、靜載疊加沖擊型；深部礦井因埋深大，重應(yīng)力、水平應(yīng)力等基礎(chǔ)靜載荷相對充足，達到?jīng)_擊臨界值對載荷增量要求較低，主要存在2種沖擊形式：微動載沖擊型、純靜載沖擊型。

圖1 沖擊地壓發(fā)生條件與開采深度的關(guān)系[19]Fig.1 Relationship between rock burst conditions and mining depth [19]

2.2 分源綜合監(jiān)測理論

圖2描述了沖擊地壓發(fā)生物理過程，OB階段為區(qū)域環(huán)境載荷對巷道開挖響應(yīng)，靜載荷局部化集中，為誘發(fā)沖擊啟動的基礎(chǔ)靜載荷。自B點起，達到?jīng)_擊啟動點C有2種途徑，1種途徑是采掘圍巖微單元dx繼續(xù)獲得靜載荷增量，比如鄰近掘進巷道了或者回采工作面過來造成的靜載荷Ej遷移、疊加；另一種途徑是微單元dx獲得靜載荷沒有變化，而是獲得周邊外界動載荷Ed增量的擾動、加載，常見的是頂板斷裂、爆破震動等。微單元dx通過2種途徑滿足沖擊啟動條件后，沖擊地壓進入發(fā)生歷程，依次經(jīng)歷沖擊啟動-沖擊能量傳遞-沖擊地壓顯現(xiàn)。

圖2 沖擊地壓啟動載荷條件[19]Fig.2 Loading path of rockburst start-up[19]

由以上分析知，誘發(fā)沖擊地壓啟動具有2大途徑，①動、靜載荷疊加途徑；②純靜載荷疊加途徑，而對于歷時幾秒鐘的沖擊地壓發(fā)生過程，上述2種途徑主要作用在沖擊啟動條件形成階段，不是后啟動階段。因此沖擊地壓發(fā)生前監(jiān)測預(yù)警應(yīng)針對其發(fā)生條件中的動、靜載荷來源進行分源監(jiān)測。同時考慮載荷空間特性，采用微震監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測大范圍高位堅硬厚巖層斷裂所產(chǎn)生的動載荷；采用地音監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測小范圍低位堅硬厚巖層斷裂所產(chǎn)生的動載荷；采用煤體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測采動圍巖中產(chǎn)生的靜載荷(圖3)。

圖3 沖擊地壓分源監(jiān)測示意Fig.3 Schematic diagram of rock burst monitoring by different sources

3 沖擊地壓分源綜合預(yù)警平臺

3.1 平臺架構(gòu)設(shè)計

沖擊地壓綜合預(yù)警平臺，應(yīng)全面展示礦井沖擊地壓監(jiān)測信息，主體框架將由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、辦公業(yè)務(wù)層、綜合結(jié)果展示層等4個層次組成(圖4)。其中數(shù)據(jù)采集層：采集各類沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，涵蓋不同尺度、不同物理意義、不同格式等。數(shù)據(jù)存儲層：建立統(tǒng)一的沖擊地壓多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)管理中心，統(tǒng)籌各類型數(shù)據(jù)。辦公業(yè)務(wù)層：基于統(tǒng)計學(xué)、地球物理學(xué)及工程相關(guān)性，對多參量數(shù)據(jù)進行規(guī)律性分析。結(jié)果展示層：將結(jié)論性分析成果，以適當?shù)母袷胶捅憬莸耐緩絺鬟f給閱讀方。

圖4 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警平臺框架Fig.4 Framework of rock burst monitoring and early warning platform

3.2 分源監(jiān)測設(shè)備配置

基于沖擊地壓發(fā)生的動靜載荷條件，開展分源監(jiān)測，動載荷主要采用微震、地音等地球物理方法，靜載荷主要采用應(yīng)力在線、鉆屑法等巖石力學(xué)方法。

3.2.1 遠場動載微震監(jiān)測布置

井下煤巖體是1種應(yīng)力介質(zhì)，當其受力變形破壞時，將伴隨著能量的釋放過程，微震是這種釋放過程的物理效應(yīng)之一，即煤巖體在受力破壞過程中以較低頻率(f<150 Hz)震動波的形式釋放變形能所產(chǎn)生的震動效應(yīng)。對于沖擊地壓礦井來說，采購先進的微震監(jiān)測系統(tǒng)，主要針對高位頂板活動監(jiān)測，科學(xué)布置監(jiān)測網(wǎng)點非常重要的。

以國際上最先進的波蘭ARAMIS M/E微震系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)的信號檢波器分為探頭傳感器和拾震器2種，圖5為2種傳感器井下安裝示意。微震檢波器布置應(yīng)遵循如下原則：

圖5 ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)2種傳感器井下安裝示意Fig.5 Underground installation diagram of two kinds of sensors of ARAMIS M/E microseismic monitoring system

1)微震監(jiān)測需要獲得震動信息的三維坐標X、Y、Z和震動發(fā)生的時間T，要實現(xiàn)對1個區(qū)域的有效監(jiān)測，至少保證4個檢波器能接收到該區(qū)域的震動信息，臺網(wǎng)布置時應(yīng)考慮這一點。

2)微震檢波器有2種，拾震器版和探頭版，拾震器的優(yōu)點是監(jiān)測靈敏度高，監(jiān)測距離遠，缺點是需要鋪設(shè)水泥基礎(chǔ)，挪動不方便；探頭的優(yōu)點是直接安裝在錨桿上，挪動及安裝便捷，缺點是靈敏度低、監(jiān)測距離較短。最優(yōu)方案為拾震器和探頭進行組合監(jiān)測，固定區(qū)域的監(jiān)測用拾震器，采掘工作面等需要經(jīng)常挪動檢波器的區(qū)域采用探頭，能達到比較好的效果。

3)檢波器間距越小，定位精度越高，盡可能地增加檢波器數(shù)量，盡量使檢波器圍繞重點監(jiān)測區(qū)域均勻分布，保證多數(shù)站可以獲得記錄信息，避免定位站數(shù)量不足，影響精度和可靠性。

4)檢波器盡量在垂直方向有一定落差，宜采用空間立體形式，近水平煤層需要采用井上下聯(lián)合聯(lián)合布置監(jiān)測網(wǎng)點(圖6)，以提高垂直方向的定位精度，同時也有利于避免出現(xiàn)“病態(tài)”方程，得不到正確的震源位置或使得方程組解發(fā)散。

圖6 近水平煤層井上下聯(lián)合監(jiān)測Fig.6 Upper and lower joint monitoring of flat seam well

5)根據(jù)礦井生產(chǎn)實際，要使微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成1個空間網(wǎng)絡(luò)，拾震器的布置要確保當前開采區(qū)域和其他重點監(jiān)測區(qū)域處于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的中心。檢波器盡可能接近待測區(qū)域，避免大斷層及破碎帶的影響，也要遠離機械和電氣的干擾等。

圖7為近水平煤層井上下微震聯(lián)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，其中圖7a為井下波蘭ARAMIS M/E微震系統(tǒng)監(jiān)測微震事件巖層剖面示意。圖7b為井下ARAMIS M/E微震系統(tǒng)聯(lián)合波蘭ARP2018型地面微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的微震事件巖層剖面示意，垂直方向事件數(shù)量增多，高度上升明顯。

圖7 近水平煤層井上下聯(lián)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of upper and lower joint monitoring data of near horizontal coal seam wells

3.2.2 近場動載地音監(jiān)測布置

地音是由地下開采活動誘發(fā)的，其震動能量一般為0～103J；震動頻率高，為150～3 000 Hz。相比微震現(xiàn)象，地音為1種高頻率、低能量的震動。沖擊地壓礦井主要用來監(jiān)測采掘空間近場圍巖活動。地音傳感器安裝在錨桿端部，需要遵循以下4點原則。

1)地音探頭一般布置在沖擊危險性比較高區(qū)域，如：采、掘工作面影響范圍。

2)地音探頭的安裝地點必須保證能夠接收到監(jiān)測區(qū)域的地音信號，因此安裝地點與監(jiān)測區(qū)域間不得存在干擾彈性波傳播的地質(zhì)破碎區(qū)。

3)每個監(jiān)測區(qū)域至少有2個地音探頭，當工作面長度小于200 m時，探頭與回采工作面的距離應(yīng)當在30～110 m，當工作面長度大于200 m時，探頭距回采工作面40～200 m；探頭應(yīng)安裝在掘進頭后方30～110 m；工作面條件允許時，探頭應(yīng)當盡可能遠離噪聲源(圖8)。

圖8 采掘工作面地音傳感器布置Fig.8 Ground sound sensor layout of mining face

4)為確保探頭與巖體接觸牢靠，應(yīng)當將探頭安裝在孔底，也可以安裝在錨桿鉆孔的露頭位置，安裝在錨桿露頭處的探頭應(yīng)當用吸聲材料(如海綿、毛氈等)密封探頭，錨桿應(yīng)該全程錨固，與巖體形成1個整體。

3.2.3 采動圍巖靜載荷應(yīng)力監(jiān)測布置

沖擊地壓應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過在采掘空間圍巖埋設(shè)高精度應(yīng)力傳感器，實時監(jiān)測采動圍巖近場系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷的積聚及變化，從沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)因角度監(jiān)測并警示應(yīng)力或能量狀態(tài)，從而為減災(zāi)避災(zāi)提供指導(dǎo)。沖擊地壓應(yīng)力在線監(jiān)測傳感器布置，需要遵循以下4點原則。

1)布置區(qū)域。在傳感器數(shù)量有限的情況下，應(yīng)依據(jù)沖擊危險性預(yù)評價結(jié)果，重點布置在沖擊危險區(qū)域范圍內(nèi)。

2)傳感器深度。傳感器應(yīng)深入到巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)范圍，且埋設(shè)深度應(yīng)有區(qū)別。幫部傳感器最大深度一般不小于巷道寬度的2倍。

n為巷道寬度,幫部傳感器具有2～3種深度，淺部傳感器埋深一般位于n～2n，深部傳感器埋深一般位于2n～3n。對于巷幫塑性區(qū)寬度較大，應(yīng)力集中區(qū)遠離巷幫的巷道，應(yīng)適當增大埋深，如圖9所示。

圖9 巷道幫部傳感器布置示意Fig.9 Schematic of sensor layout in roadway side

3)傳感器間距。傳感器間距的設(shè)置應(yīng)綜合考慮沖擊危險區(qū)域分布、實際地質(zhì)及開采條件等因素。在沖擊危險等級較高、地質(zhì)或開采條件變化顯著的區(qū)域，應(yīng)適當縮小傳感器間距，增加監(jiān)測點密度。

4)鉆孔應(yīng)力計安裝時需要盡可能地保證兩壓力枕接觸面為水平方向，以能夠較好地反映垂直應(yīng)力的變化，因此在安裝時要嚴格控制壓力枕的位態(tài)，保證良好的監(jiān)測效果。

目前用于煤體應(yīng)力監(jiān)測的傳感器所獲得的應(yīng)力都是相對應(yīng)力而不是絕對應(yīng)力，因此不能單純的依靠應(yīng)力大小進行危險性的判斷，同時根據(jù)煤體應(yīng)力監(jiān)測評價沖擊危險性也是相對的。

3.3 警情綜合與發(fā)布

3.3.1 綜合預(yù)警單元

即使是同一礦井，采掘活動區(qū)域也不止一個，沖擊地壓綜合預(yù)警的目標區(qū)域，必須是各類傳感器監(jiān)測范圍的交集，否則沒有意義。如圖10所示，在3-1103工作面新輔運巷一長一短布置的為應(yīng)力傳感器，本工作面就可以作為1個綜合預(yù)警單元。

圖10 沖擊地壓綜合預(yù)警單元Fig.10 Comprehensive early warning unit of rock burst

3.3.2 指標與權(quán)重

煤巖體具有各向異性、非線性，沖擊地壓在煤巖體中發(fā)生難以建立理想的本構(gòu)模型，與其采用非常理想化的數(shù)學(xué)計算，不如采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計。因此，沖擊地壓動載荷預(yù)警指標主要包括2個方面：①借助地震學(xué)領(lǐng)域指標，采用能定量描述巖體應(yīng)力變化和危險趨勢的地震學(xué)參數(shù)，如事件數(shù)、能量、矩震級、地震級-頻度關(guān)系的偏離程度η、缺震程度Mm等；②采用能緊密體現(xiàn)礦山微震活動與開采響應(yīng)關(guān)系的指標，例如：探尋采礦爆破、開采速度、井下工程結(jié)構(gòu)和巖體結(jié)構(gòu)變化等對礦山?jīng)_擊危險的影響規(guī)律，建立起它們之間的相關(guān)關(guān)系，可實現(xiàn)更為準確的預(yù)測預(yù)報。

沖擊地壓靜載荷預(yù)警指標，綜合考慮應(yīng)力大小、應(yīng)力增速、應(yīng)力分布梯度、測點安裝深度、煤層強度、測點與采掘工作面相對距離等因素。由于沖擊地壓發(fā)生機理及啟動條件的復(fù)雜性，目前難以確定具有普適性的精確量化沖擊危險預(yù)警指標，需要結(jié)合礦井自身條件及統(tǒng)計規(guī)律不斷摸索。一般認為，應(yīng)力大小和應(yīng)力增速與沖擊危險呈正相關(guān)性，可根據(jù)現(xiàn)場發(fā)生沖擊地壓或強礦震前的應(yīng)力狀態(tài)及變化情況制定及修正相關(guān)指標。

由于對礦井沖擊危險性評價涉及多種監(jiān)測手段，多個評價指標，將不同的評價指標綜合反映目標區(qū)域沖擊危險，就必然對每個指標賦予權(quán)重。然而，權(quán)重設(shè)定后，無論采用哪種算法，特別危險的某1～2種評價指標，很可能會被其他危險指數(shù)低的指標中和，從而降低了總體評價的危險程度。

為此，預(yù)警算法增加變權(quán)綜合評價方式，其權(quán)重大小除了本身對沖擊地壓發(fā)生的貢獻率之外，還將受指標危險等級的影響，如果其中某一項指標危險等級較高，其對誘發(fā)沖擊貢獻率又大，其權(quán)重便隨之增大，來回避其他安全性指標中和。對于權(quán)重的確定，先確定指標的屬性權(quán)重與等級權(quán)重，然后采用拉格朗日算子將屬性權(quán)重和等級權(quán)重綜合為組合權(quán)重，最后建立沖擊地壓監(jiān)測評價的相對變權(quán)模型[20]。

3.3.3 警情發(fā)布

處于實時監(jiān)測狀態(tài)的沖擊地壓預(yù)警平臺，能夠自動計算并顯示當班危險狀態(tài)，如圖11所示，為龍家堡煤礦2020年4月引進沖擊地壓綜合預(yù)警平臺后，513工作面監(jiān)測預(yù)警情況。預(yù)警平臺能夠“一鍵生成”日報表，自動生成預(yù)警單，自動輸出預(yù)警區(qū)域圖像，并且可以通過雷達圖綜合展示多個工作面綜合預(yù)警結(jié)果。當某一區(qū)域危險狀態(tài)達到預(yù)警級別時，可通過監(jiān)控室發(fā)出聲響危險預(yù)警，彈出對話框，并自動生成多參量聯(lián)合預(yù)警單(包含預(yù)警時間、預(yù)警位置、預(yù)警等級等關(guān)鍵信息)。相關(guān)人員手機APP也會得到信息推送警示。

圖11 礦井回采工作面預(yù)警結(jié)果Fig.11 Early warning results of mining face

4 應(yīng)用實踐

2010年至今，中煤科工開采研究院采礦所持續(xù)研究煤礦沖擊地壓綜合監(jiān)測預(yù)警平臺已歷時十余年，平臺至今先后經(jīng)過了數(shù)次改革與優(yōu)化，革命性的版本實踐應(yīng)用可分為3代。

4.1 第1代綜合監(jiān)測預(yù)警平臺應(yīng)用

第1代煤礦沖擊地壓綜合監(jiān)測預(yù)警平臺，自2010年立項開始探索，命名為“煤礦沖擊地壓危險性綜合評價及預(yù)警系統(tǒng)”，也是國內(nèi)首套綜合預(yù)警平臺。系統(tǒng)包括了5大模塊，分別為：三維模型構(gòu)建、模型及監(jiān)測三維展示、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、辦公應(yīng)用、系統(tǒng)管理。主要特點在于地層、構(gòu)造及微震真三維建模，首次采用分源權(quán)重綜合評價算法。平臺界面如圖12所示。

圖12 煤礦沖擊地壓危險性綜合評價及評價系統(tǒng)主界面[20]Fig.12 Main interface of burst risk comprehensive evaluation and early warning system of coal bump[20]

自2012年3月1日開始，采用平臺對千秋煤礦21141工作面范圍內(nèi)的沖擊地壓進行監(jiān)測，共進行了608 d的應(yīng)用驗證，效果良好。例如：2013-02-07，微震評價等級為c級，地音評價等級為a級，應(yīng)力監(jiān)測評價等級為d級，權(quán)重綜合3種評價結(jié)果，平臺自動確定2月7日沖擊危險等級為d級(圖13)，預(yù)警了沖擊地壓發(fā)生風險。21141工作面于2月8日15時48分發(fā)生沖擊，釋放能量1.63×107J。

圖13 2月7日評價系統(tǒng)評價結(jié)果[20]Fig.13 Results of evaluation in February 7th[20]

4.2 第2代綜合監(jiān)測預(yù)警平臺應(yīng)用

受甘肅華亭煤業(yè)集團委托，第2代沖擊地壓綜合監(jiān)測預(yù)警平臺于2016年開始研發(fā)。界面比較簡潔，大部分內(nèi)容包含在下拉菜單里。如圖14所示，主要應(yīng)用于華亭煤田硯北、華亭、山寨、陳家溝及東峽等煤礦。主要特點包括：①模塊組合基于現(xiàn)場裝備配置，可添加、可定制，不受限，更為靈活。②預(yù)警算法基于預(yù)警區(qū)域現(xiàn)場開采條件、有效數(shù)據(jù)的種類自動選擇，差異化對待，更為科學(xué)。③可覆蓋所有常規(guī)數(shù)據(jù)處理、分析功能，便于現(xiàn)場技術(shù)人員日常應(yīng)用，更為全面。④平臺留有接口，便于后期個性化、定制化的深度分析模塊開發(fā)，更為開放。

圖14 第2代沖擊地壓預(yù)警平臺主界面Fig.14 Main interface of the second generation rock burst warning platform

以硯北煤礦為例，采用預(yù)警平臺對250202工作面范圍內(nèi)的沖擊地壓進行預(yù)警測試，自2019年6月正式投入使用，截止到2019年10月16日，共進行了139 d的有效預(yù)警驗證。在此期間，井田范圍內(nèi)共發(fā)生5次方以上高能事件9次，預(yù)警軟件共發(fā)出班次危險預(yù)警41次，驗證沖擊地壓或高能事件7次，漏報2次。通過長期現(xiàn)場效果檢驗表明，采用沖擊地壓預(yù)警平臺，在報警率為29%的條件下，報準率達到了77.8%，發(fā)震概率為74.1%，相對于5.8%的背景概率，其效益增益達到了12.8倍，驗證效果良好。

圖15 第二代沖擊地壓預(yù)警平臺預(yù)警界面Fig.15 Early warning interface of the second generation rock burst early warning platform

4.3 第3代綜合監(jiān)測預(yù)警平臺應(yīng)用

第3代沖擊地壓綜合監(jiān)測預(yù)警平臺于2019年著手革新，界面進行了全面變革，主要特點為：①對預(yù)警算法進行了大的優(yōu)化修改，增加掘進工作面評價算法。②增加了動、靜態(tài)危險區(qū)域?qū)崟r顯示功能及歷史危險狀態(tài)播放功能。③優(yōu)化平臺主界面，預(yù)警結(jié)果雷達圖展示(圖16)，增加掘進工作面快捷入口。④開發(fā)了基于mapgis的單礦終端網(wǎng)頁版平臺及網(wǎng)頁版集團、全國終端(圖17)，實現(xiàn)了微震波形實時傳輸及存儲。⑤開發(fā)了沖擊地壓預(yù)警平臺信息手機APP。主要應(yīng)用于陜西孟村礦、小莊礦、大佛寺礦、胡家河礦、文家坡等煤礦。

圖17 全國煤礦沖擊地壓預(yù)警平臺界面Fig.17 Main interface of national coal mine rock burst early warning platform

以文家坡礦為例，預(yù)警平臺于2020年10月開始投入使用，其中對11月14日一次4次方事件進行了準確預(yù)警。預(yù)警過程如下：11月13日晚班開始，綜合預(yù)警等級由b級(弱沖擊危險)上升至c級(中等沖擊危險)，持續(xù)2個班后上升至d級(強沖擊危險)，繼續(xù)持續(xù)2個班至11月14日晚班，此時微震、應(yīng)力監(jiān)測為b級，地音監(jiān)測為d級(圖18、圖19)，預(yù)警了沖擊地壓發(fā)生風險。4105工作面于11月14日17時49分發(fā)生一次動力顯現(xiàn)，釋放能量2.80×104J。

圖18 預(yù)警結(jié)果列表界面Fig.18 Warning result list interface

圖19 預(yù)警結(jié)果實時顯示界面Fig.19 Real-time display interface for warning results

5 結(jié) 論

1)植入不同技術(shù)的設(shè)備以及多信息量的綜合監(jiān)測與預(yù)警，是煤礦提高沖擊地壓預(yù)警準確度的主要趨勢。從誘發(fā)沖擊地壓啟動的載荷條件出發(fā)，以動靜載荷源為靶點，開展分源監(jiān)測是沖擊地壓監(jiān)測設(shè)備選型與方案設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

2)以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為每種預(yù)警指標賦予屬性權(quán)重和等級權(quán)重，進而得到可隨沖擊危險性動態(tài)變化的綜合權(quán)重，采用沖擊地壓分源權(quán)重綜合預(yù)警方法，可解決人為定權(quán)易造成主觀誤差的問題，回避固定權(quán)重中部分指標被中和的情況，預(yù)警結(jié)果更加客觀可靠。

3)開發(fā)了集成接口融合、格式轉(zhuǎn)化、統(tǒng)計分析、指標優(yōu)先、權(quán)重計算、等級預(yù)警等功能為一體的沖擊地壓綜合預(yù)警平臺，實現(xiàn)了對微震、地音、應(yīng)力、鉆屑等多參量、多尺度預(yù)警信息的深度開發(fā)與融合，大幅提高了預(yù)警效率及效果。

4)煤礦開采最顯著的特點是條件一直處于變化過程中，用來監(jiān)測沖擊地壓的裝備存在多處誤差，并且監(jiān)測的都是間接信息，建立在過去條件的指標來預(yù)警未來條件，表明沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警研究任重道遠。