文章来源：《智能矿山》2024年第8期 “智能示范矿井”专栏

作者简介：李宣东，教授级高级工程师，博士，现任中国华能集团华亭煤业有限责任公司董事长、党委书记，主要从事矿业开采工作

作者单位：中国华能集团华亭煤业有限责任公司

引用格式：李宣东，杨涛，吴学松，等.砚北煤矿冲击地压风险智能判识与多参量综合监测预警云平台的应用[J].智能矿山，2024，5（8）：16-24.

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综合监测预警云平台以矿井现有的SOS微震、ARES地音及煤岩应力在线监测等监测系统为基础，通过微震双源融合反演技术，采用主动源与被动源数据两者融合进行联合反演，对矿井潜在冲击危险区进行阶段性大范围探测，并研发煤矿冲击地压多参量智能预警软件，建立冲击地压智能大数据预测云平台，制定适合冲击地压矿井的冲击危险性预警、冲击危险防治、防治效果检验等标准体系，使得砚北煤矿在冲击地压防治方面从风险判识、智能预测预警、防范治理到效果检验全流程达到标准化智能化管控水平。综合监测预警云平台建设技术路线如图1所示。

图1　综合监测预警云平台建设技术路线

综合考虑煤岩动力灾害的动静载叠加诱发机理、微震-应力-能量监测理论及其分区分级立体式监测框架，建立如图2所示的冲击地压多参量综合预警指标体系，包括微震活动性多参量、微震时空强多参量、冲击变形能、矿压、应力等时序预警指标体系，震动波CT、冲击变形能等空间预警指标体系，以及钻屑、地音等局部危险点监测指标体系。

图2　冲击地压多参量综合预警指标体系

煤岩系统中随着围岩对煤体的加载，煤体应力状态不断改变，在应力演变的过程中伴随着能量的存储与释放，并且能量的量级与煤体本身的刚度相关，即应力、应变、屈服点决定了煤体中能量转化的幅值。煤岩体在变形破坏过程中，伴随着多源物理信息的变化（如应力、变形、微震、声发射、电磁辐射、温度等），这些信息与煤岩体的应力状态与破坏阶段具有一定相关性。针对煤岩试样受载变形破坏过程中的力学响应，根据受载阶段及其对应的应变值，建立相应的煤岩体破坏危险性的监测预警准则。通过选取冲击变形能时序指标、时序集中度、时空扩散性、总应力当量、时间窗总频次、活动度、缺震、算法复杂性、时间信息熵、能量信息熵、空间信息熵、应力在线监测12个监测预警指标，根据各指标与震动、应力、能量间的关系，建立多场多参量综合预警体系。

进行智能综合预警时，采用智能学习判识中的混淆矩阵或地震预警能力R值评分法评估各个指标的预警效能，指标预警高危险等级的R值越大，说明该指标预警效能越高。利用F-score法对不同冲击危险程度的指标赋予动态权重，从而确定各指标的权重。基于模糊综合评价理论，结合上述预警指标体系、隶属函数、权重计算等，最终建立并获得模糊智能综合预警模型及其预警报表效果，主要包括6个步骤：①建立预警指标因子矩阵；②建立危险等级隶属矩阵；③建立单因素评价矩阵；④建立计算权重矩阵；⑤确定各冲击危险等级的隶属概率；⑥联合采用最大隶属度原则（MMDP）与可变模糊特征识别模型（VFPR）确定最终冲击危险等级。综合预警模型克服了单方面信息指标的局限性，最终达到高效能综合预警。

通过设计与部署区域数据传输系统，可实现矿端微震、矿压、应力等多源监测数据的标准化实时传输与存储；借助物联网和云计算技术，研发包含硬件网络、数据库、软件、服务等内容的冲击地压风险智能判识与多参量综合监测预警云平台，最终实现冲击地压灾源位置、冲击地压前兆指标预警、专家智能预警等信息的及时准确发布，以及区域预警远程发布、监管与运维。具体以冲击变形能、震动波CT反演表征的应力环境、微震活动性及时空强等多种特征参量作为模型输入，发展以混淆矩阵与高斯隶属判别函数联合的模糊综合评判模型作为智能融合运算的分级预警模型，最终实现以客观数据驱动为主的指标权重自适应智能实时调整，以及以无、弱、中、强4个冲击危险等级标识的分级概率与综合智能预警模式，综合监测预警云平台设计如图3所示。其中，钻屑、电磁辐射监测主要用于局部危险点的检测验证。具体预警流程如下。

图3　冲击地压综合监测预警流程与云平台设计

（1）时序预警

采用冲击地压远程综合监测预警分析软件进行冲击地压的多参量综合监测预警分析，实时给出当前冲击危险等级（无、弱、中、强），同时借助冲击地压风险智能判识与多参量综合监测预警云平台及时发布预警结果。

（2）空间预警

采用冲击地压风险智能评估与防冲优化设计软件开展冲击地压风险多因素耦合作用下的应力评估，及其与现场监测数据（震动波CT探测、微震监测等）、后期采掘巷道设计、防治措施实施等因素的快速耦合叠加，及时动态给出当前冲击危险区域及其危险等级。

（3）预警检验

采用钻屑监测、电磁辐射监测等方法对上述时空预警结果揭示的冲击危险区域进行检测验证，最终确定冲击危险地点及危险等级，进而指导采取针对性的防治措施。

（1）云平台系统架构

综合监测预警云平台架构如图4所示。该平台最底层是由现场微震、应力在线、钻屑等监测手段形成监测网络，数据采集后进行预处理，以标准化格式通过远程数据连接实时上传至服务器；通过调取服务器数据，利用监测预警分析软件、震动波CT反演软件等得到处理后的预警结果，基于风险判识模型及危险等级确定准则，判定工作面的危险状态并制定相应的防治及管理措施，指导现场工作；用户通过WEB浏览器下载预警和防治意见。

图4　综合监测预警云平台架构

（2）云平台软硬件构成

云平台硬件部分包括大屏展示平台、服务器、多屏处理器、控制主机等，如图5所示。通过各硬件显示及数据传输的配合，完成冲击地压监测预警。云平台软件系统包括服务器端、客户端及浏览器发布3个部分，客户端主要与矿井微震监测分析软件、震动波CT反演软件及其他应力、地音等相关数据处理软件的交互，将以上软件进行分析操作后的数据以标准化格式上传至服务器。服务器主要完成数据处理、添加客户端、界面显示等功能，数据处理包括利用内嵌于软件的多参量综合预警、冲击变形能时空预警及微震数据定位、频次能量展示等任务；添加客户端主要完成客户端的增减，并发送端口号至指定矿区或矿井；界面显示主要完成显示各个客户端的连接状态、底图显示、预警信息及防治措施展示等功能；浏览器发布通过查询各矿井最新上传的文件，实时显示并根据用户权限提供下载。

图5　云平台软硬件结合设计框架

与其他冲击地压监测预警平台区别的是，冲击地压风险智能判识与多参量综合监测预警云平台是基于GIS地理信息系统的云平台，通过将矿井原有的CAD采掘工程平面图转换至与地理坐标相对应的GIS底图，该底图不仅包括原CAD图中的点、线信息，还可赋予工作面、巷道等属性，为智能拾取判识奠定了基础。通过对服务器数据的调取，利用底图中工作面、巷道的属性信息实现矿井采掘、监测、防治信息的一张图展示。

综合监测预警云平台在多系统综合常规展示的基础上，综合考虑微震活动性多维信息、矿压、钻孔应力等多参量预警指标体系，根据内部构建的冲击地压多参量模型和算法，赋予各个预警指标不同的权重，从而确定综合预警指标。针对不同的监测系统、不同的监测手段，基于煤岩体动静载叠加诱冲原理、能量聚集与释放原理、“三场”监测预警体系，以监测“三场”为主体，监测煤柱型、顶板型、断层型、褶曲型4种冲击为对象，构建了包括微震活动性多参量预警指标、微震时空强多参量预警指标、冲击变形能时序预警指标、震动波CT反演、应力预警指标、矿压预警指标等在内的多参量（赋予权重）预警模型及风险智能判识方法，真正实现了多参量综合预警、风险AI智能判识，可实时、直观、分级显示监测区域冲击危险状态，如图6所示。

图6 实时、直观、分级显示监测区域冲击危险状态

近远场冲击地压危险震动波CT反演空间预警功能工作面开采后所形成的采空区导致上覆岩层重量加载到其临近的支撑区域，形成一侧应力降低区与一侧高应力集中区。对同一性质的岩石来说，震动波速越高，所受应力越大，超过其煤岩体强度的可能性就越大，冲击危险性就越高。裂隙带对应一个低波速区，而在应力集中区域则对应高波速区，在这2个区域之间是从高波速向低波速过渡的一个区域，即波速变化梯度较大的区域。强矿震不仅发生在高波速区域，也发生在波速梯度变化明显的区域，所以梯度变化较大的区域也是冲击危险的区域。

基于微震系统的震动波CT反演技术，可实现对工作面回采、巷道掘进期间的近场应力场探测、区域远场应力场探测及潜在冲击危险区域动态预测。可大范围、高分辨率获得采掘生产区域的冲击地压危险分布范围、级别，确定反演区域内的应力场分布，预测高应力区和潜在冲击危险区域，突破过去只能在离散局部点实施监测的弊端，能针对性指导现场制定卸压解危措施，明确防冲范围，合理配置防冲力量。综合监测预警云平台集成震动波CT反演预警模块，可以调用CT反演云图，直观地显示工作面高应力区及潜在冲击危险区，实现超前预警。在250209上材料巷道车场掘进期间，因掘进工作面附近巷道密集且错层交叉造成局部应力集中，工作面压力显现较为强烈。通过CT反演技术对工作面周围高应力区进行了反演探测，如图7所示。针对高应力区进行局部卸压防治，工作面微震监测频次和能量明显下降，防治效果良好。

图7  掘进工作面CT反演云图

以变形能释放对应的震动微破裂为切入点，构建了基于微震重构的冲击变形能时序监测预警指标，如图8所示。这是一种物理意义明确、可操作性强且量化危险等级的冲击失稳预警新指标，提供了一种全新的冲击地压时序监测预警方法。

图8　基于微震重构的冲击变形能时序监测预警指标及云图

综合监测预警云平台基于地理信息系统GIS矿图的预警信息管理，能够一张图展示矿井地理位置、工作面采掘进尺、冲击地压防治信息等，实时显示微震事件位置及能量，将相关数据信息和结果直接显示在矿图上。同时可实时查询微震、应力、支架阻力等监测历史数据，数据表、曲线图、柱状图等多种形式展示；能够以云图形式圈定危险区域，在一张图中展现监测、预警、防治等各类信息，实现冲击危险区域的可视化，矿井冲击风险状态实时、分级直观显示；各类图表均有鼠标悬停显示功能，实时显示相应信息，有助于技术人员快速分析和判断。

根据综合监测预警云平台对冲击地压危险在时间和空间2个维度上的监测预警结果，可有效指导现场制定防冲解危措施，如图9所示。

图9　综合监测预警云平台的监防互馈体系

现场一方面通过钻屑、大直径卸压钻孔施工的动力现象等验证监测预警结果，另一方面可通过综合预警平台对防治措施的效果进行检验，实现监防互馈，大幅提高现场防治效率，准确解危冲击危险区域。砚北煤矿冲击地压风险智能判识与多参量综合监测预警云平台可通过WEB及APP方式在台式机、笔记本电脑、手机及平板上展示采掘工程平面图、各项监测指标值、CT反演和冲击变形能等空间预警结果，如图10所示；根据卸压措施、钻屑量、应力与矿震监测等结果，实现监测预警与卸压解危之间的监防互馈；依据微震−应力−能量多参量预警模型，实现砚北煤矿冲击地压的远程在线自动预警，提高决策效率。

图10　终端展示效果

砚北煤矿冲击地压风险智能判识与多参量综合监测预警云平台集合GIS技术、大数据、云计算、采矿地球物理技术，集成了微震、应力、钻屑、大直径卸压等多种监测系统及防治数据信息，对信息和数据统一管理。针对不同的监测系统和监测方式，该平台建立了科学合理的预警指标，包括微震活动性多参量预警指标、微震时空强多参量预警指标、冲击变形能时序预警指标和震动波CT反演（注重冲击地压模型与冲击地压危险空间、时间趋势分析），以及应力预警指标、矿压预警指标等预警指标体系，并构建了基于冲击地压类型支持下的“三场”（应力场、震动场、能量场）多参量时空预警模型，实现了矿井冲击地压多参量综合、分级、分区、实时预警。砚北煤矿冲击地压风险智能判识与多参量综合监测预警云平台如图11所示。

图11  综合监测预警云平台

砚北煤矿250203下工作面为下分层工作面，上部已开采形成采空区，平均采深约500m，煤层倾角变化不大，平均倾角28°，平均煤厚为15.0m，工作面附近无断层及其它构造发育。工作面煤层及其顶、底板鉴定结果均为弱冲击倾向性，回采期间冲击危险性主要受上层采空区、交叉巷道和采掘活动影响。利用综合监测预警云平台对250203下工作面2023年8月1日—10月31日的微震事件能量、频次、综合预警值演化规律进行分析。

2023年8—10月，砚北煤矿250203下工作面范围内共计发生微震事件246次，其中能量大于103J的事件111次，工作面主要以小能量事件为主，围岩能量释放较低，矿震活动频次也较低，说明该段时间内，煤岩体处于较为稳定的状态。

由综合指标预警结果来看，2023年8月1日—10月31日，工作面综合预警结果始终低于弱冲击危险性示警线，参考工作面进尺记录可知，2023年10月综合指标预警结果的表现是工作面长时间停产导致的，工作面围岩状况趋于稳定。

2023年8月1日—10月31日冲击变形能空间预警结果如图12所示。由图12可知，工作面回采前方200m范围两巷侧矿震活动较弱，为无冲击危险区域。同时在10月，由于工作面停产检修，冲击变形能连弱预警都没有。工作面恢复生产前需要对两巷加强监测，必要时采取卸压措施。

图12  250203 下工作面8月1日—10月31日空间预警结果

由图13可知，2023年8月1日—10月31日，250203下工作面应力集中区域主要在运输巷附近并超前工作面。总体而言，应力集中区域的范围在减小，且集中程度在减小，始终未出现高应力集中区域。在运输巷侧的巷道交叉处，CT反演结果往往显示出较高应力集中区域，随着后续停产结束恢复生产，在这一区域需要加强冲击地压风险防控。

图13 250203 下工作面8月2日—10月17日CT反演

砚北煤矿冲击地压风险智能判识与多参量综合监测预警云平台将微震、地音、应力在线监测及采煤工作面液压支架工作阻力等监测系统和防治信息融合为一体，将不同格式的数据统一管理，并构建了基于冲击地压类型支持下的“三场”多参量带权重时空预警模型，减小了单一参量分析误差，提高了冲击地压预测预警准确率。此外，三维震源分布展示，可以很直观地得出震源位置与巷道在空间上的关系，降低了监测人员的分析工作强度，为矿井的冲击地压防治工作提供了技术支撑，对防冲措施的精准制定具有积极意义。