煤矿深部区域智能化防冲系统建设

文/张 雷

近年来，随着人工智能、大数据、物联网、云计算和5G通信等先进技术在煤矿的应用逐渐成熟，智能化开采模式逐渐在我国各大矿区推广应用，实现了减人提效和安全高效开采的目标。而我国东部矿区由于开采历史悠久，浅部煤炭资源已基本开采殆尽，深部煤炭开采成为未来的必然趋势。徐矿集团张双楼煤矿作为东部矿区典型的深部开采矿井，受工作面围岩体高地应力的影响，生产过程中受冲击地压的威胁较为严重，制约了深部煤炭资源的安全高效开采。针对这一问题，张双楼煤矿结合已有的防冲经验，在目前的智能化建设成果的基础上，进一步发展建设了冲击地压的智能化防治系统，以期提高深部区域冲击地压防治的自动化和智能化水平，加强矿井的安全生产管理能力，同时完善现有的智能化煤矿结构。

一、矿井概况

张双楼煤矿位于江苏省徐州市沛县安国镇境内，矿区井田面积约37.8km2，走向长13.5km，倾斜长2.9km。矿井设计生产能力120万t/a，经两次改扩建，2009年核定生产能力为225万t/a。因受冲击地压致灾因素影响，2019年矿井生产能力按要求核减到180万t/a。目前采掘活动主要集中在-500m西一采区、-500m西三采区、-1000m延伸采区、-1000m西三下山采区，其中-1000m延伸采区及-1000m西三下山采区埋深均在-1000m以下。

张双楼煤矿深部区域开采面临的主要问题为冲击地压，是制约矿井安全生产发展的瓶颈之一。为了有效降低深部区域工作面开采的冲击危险性，张双楼煤矿在煤矿智能化建设的引领下建立了智能化防冲系统，以期为深部区域煤炭资源的安全开采提供有效保障。

二、智能化防冲系统构成及功能

张双楼煤矿智能化防冲系统主要由地音监测系统、智能钻屑系统、双震源CT监测系统、冲击危险区域智能限员系统和冲击地压风险智能判识与多参量监测预警云平台构成。

1.地音监测系统

地音监测技术原理是通过接收煤岩体介质内部在载荷作用下发生微破裂时的声波，探索主破裂发生的前征兆信息和破裂后的演化规律。其所监测的地音事件能量较弱，震动频率较高，在300～2000Hz，即低能高频信号。

冲击地压地音监测系统采用总分式结构，根据监测内容（顶板活动、煤层片帮或破裂）的不同，可用于工作面或巷道围岩体破裂状态的监测。传感器与工作面为40～100m的距离，传感器间距40～50m为宜。

2.智能钻屑系统

传统钻屑法数据的获取和危险性判别主要靠人工完成，主观影响因素过大，开展钻屑法监测自动控制、自动报警及钻屑检测智能称重技术研究可提供更加精确的局部监测，实现动力灾害危险性判别与预警的智能化、规范化和标准化。张双楼煤矿通过联合设备厂家开展新型煤层应力钻屑检测钻机研究，实现其远程控制、自动行走、自动控制钻进速度、智能称量煤粉重量等功能，提供更加安全、精确的局部监测。

3.双震源CT监测系统

双震源CT监测系统利用主、被动双源震动波一体化反演技术，可定期进行应力场探测反演，高效率、大范围、高分辨率地反演采掘工作面区域的波速分布，从而确定监测区域内的应力场分布特征，划分冲击危险区域。基于震动波速构建冲击危险预警指标，可准确预警探测区域内的冲击危险级别的分布范围，从而提高防冲管理工作的针对性和准确性。

4.冲击危险区域智能限员系统

根据《防治煤矿冲击地压细则》要求，人员进入冲击地压危险区域时必须严格执行“人员准入制度”。

冲击危险区域智能限员系统主要由井下、井上两部分组成，每个工人均佩戴有源防爆射频卡，并在每个施工巷道内安装2台射频信号接收基站，1台安装在巷道入口处，另一台安装在距离巷道入口20m处，根据基站读取卡的先后顺序来判断工作人员的进出、作业人员作业情况，作业时间、人员数量以及身份信息都在远程监测系统之中。

冲击危险区域智能限员系统采用了如图1所示7个主要软件功能模块。各模块的具体功能如下。

图1 煤矿限员管理系统功能结构图

（1）冲击危险区域智能限员系统，实时统计巷道内流动人员、作业人员的数量、身份等信息及作业时长。

（2）现场使用矿用防爆声光报警器，其主要功能是提示人员进出危险区域，并在人员数量超限时进行声光报警，提示人员禁止进入。

（3）系统可通过井下LED显示屏实时显示各工作面的当前作业人员数量，并可根据时间段的不同动态调节采面的限员人数。

（4）当巷道内发生危险情况时，可通过人员佩戴的身份识别卡发出的射频信号，迅速实施救援，争取救援时间。

（5）地面控制分站接入地面环网，与系统上位机组态软件无缝对接，并实时监控作业人数。

5.冲击地压风险智能判识与多参量监测预警云平台

张双楼煤矿冲击地压风险智能判识与多参量监测预警云平台目前在74104回采工作面、9201回采工作面、94602掘进工作面和94102掘进工作面应用，其具体应用效果如下。

（1）实时、直观、分级显示监测区域冲击危险状态。基于张双楼煤矿采掘工作面监测区域内微震数据，利用云平台多参量预警指标及其权重，包括冲击变形能时序指数、应力在线预警指标、时序集中度指标、时空扩散性预警指标、时间信息熵、时间窗总应力当量、时间窗总频次、活动度、空间信息熵、算法复杂性、缺震和能量信息熵指标，从而计算出监测区域内冲击危险综合预警结果和冲击危险状态（无、弱、中等、强）。比如，通过对74104工作面监测区域内冲击危险状态的监测分析，74104工作面当前冲击危险状态显示A（无），并显示当天最大矿震、30天最大矿震、当天最大应力、30天最大应力、防治措施（卸压爆破、大直径钻孔）等。

基于冲击地压多参量预警指标，云平台能够实现多参量预警指标风险变化趋势的展示与分析。比如，依据对74104工作面2020年1月1日到2021年4月8日内多参量预警指标风险变化趋势曲线图，可分析这一时间段内各个预警指标的冲击危险结果以及综合预警结果。

（2）工作面微震事件实时显示及查询。基于74104工作面监测区域内的微震事件，云平台设置了微震事件实时显示及查询功能，默认显示当前时间前15天微震事件，鼠标悬停微震事件圆球上方时，可快速显示震动能量、事件，直观查看震动位置，通过鼠标左键、滚轮实现矿井矿图的放大、缩小、平移功能。

（3）工作面微震数据展示与分析。基于74104工作面监测区域内的微震事件，云平台设置了微震数据展示与分析功能，主要分析所选时间段内的矿震总能量、矿震最大能量、矿震频次，平台具有自动生成微震频次能量曲线图、矿震事件柱状图的功能，并且能够生成曲线图、柱状图、数据表等多种格式。此外，云平台还自带历史数据查询、图表自动生成、图表导出保存及打印等功能。

（4）直观展示工作面震动波CT反演预警结果。根据74104工作面监测区域内的微震数据，基于SOS微震监测系统的震动波CT反演技术，利用云平台震动波CT反演预警模块，调用CT反演数据及云图，直观显示74104工作面高应力区及潜在冲击危险区。震动波CT反演云图颜色越深（红色区域）表示该区域为高应力危险区。

（5）工作面冲击变形能指数时序预警。根据74104工作面监测区域内的微震数据，利用云平台冲击变形能指数时序预警模块，生成74104工作面冲击变形能指数时序预警云图，图中颜色越深（红色区域）表示该区域冲击危险程度越大。

（6）工作面钻屑、卸压钻孔防治信息集成展示与分析。根据74104工作面钻屑监测、大直径卸压钻孔、卸压爆破钻孔的施工方案及其参数，利用云平台的防治措施模块、钻屑模块直观展示工作面内钻屑监测、卸压防治工作及其施工参数等信息。

（7）实时显示工作面进尺。根据74104工作面回采速度，云平台的进尺模块具有实时显示工作面进尺的功能。

三、智能化防冲系统应用效益分析

智能化防冲系统的应用能够有效改善张双楼煤矿的安全生产条件。防冲层面的智能化改造旨在创造一个安全可控的生产环境，通过地音监测系统、智能钻屑系统、双震源CT监测系统、冲击危险区域智能限员系统和冲击地压风险智能判识与多参量监测预警云平台的应用，借助矿井地面集中监测监控、数据共享、报警联动、精确人员定位等手段，使得安全生产管理全过程更加透明，风险预警预报更加精准及时。智能化防冲系统实现了无人或少人值守，大大降低了安全生产事故率，煤矿安全生产周期将大幅延长。

四、结论

在矿井开采尤其是深井开采过程中，冲击地压防治是保证井下安全生产的重中之重。在智能化煤矿建设的引领之下，张双楼煤矿结合当前的防冲经验与技术，建立了深部矿井智能化防冲系统，开发了冲击地压风险智能判识与多参量监测预警云平台，实现了深部矿井冲击危险性区域智能判定以及防冲措施效果智能鉴定。该系统不仅能够有效改善深部矿井安全生产条件，还能进一步实现井下无人或少人值守，对同类型矿井的智能化建设及冲击地压的智能化防治有一定的借鉴意义。