臧歡歡

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心 山西大同 037003）

0 引言

大同礦區(qū)現(xiàn)開采的石炭系煤層賦存條件較為復(fù)雜，開采過程中，動(dòng)力災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[1]?，F(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多布置于井下，由于井下空間環(huán)境惡劣，易導(dǎo)致儀器性能不穩(wěn)定，且傳感器需單獨(dú)供電，易受井下電磁場(chǎng)干擾，影響監(jiān)測(cè)信號(hào)質(zhì)量[2]；同時(shí)，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高，難以保證高密度測(cè)點(diǎn)布置，致使井下空間存在大量監(jiān)測(cè)盲區(qū)，常出現(xiàn)多個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)不到動(dòng)力災(zāi)害信號(hào)而導(dǎo)致無法及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸困難，井上-井下微震數(shù)據(jù)傳輸一般采用有線傳輸，網(wǎng)絡(luò)布設(shè)困難、容易損壞，不利于災(zāi)害預(yù)警；監(jiān)測(cè)臺(tái)站體積大，傳感器固定，不利于隨采區(qū)移動(dòng)而合理優(yōu)化布置[3]。為此，通過建立高頻微震無線地面臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行石炭系煤層開采動(dòng)力災(zāi)害全區(qū)域在線監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。

1 無線地面臺(tái)站架構(gòu)研究

1.1 工作面地理?xiàng)l件

塔山礦8204-2工作面地表地質(zhì)構(gòu)成較為復(fù)雜，地勢(shì)高低走向各不相同，山脈、溝谷以及平地錯(cuò)落分布，微震信號(hào)會(huì)隨著地質(zhì)構(gòu)造不同、地勢(shì)的不同而不同，同時(shí)，礦區(qū)遠(yuǎn)離人們的生活區(qū)域，無恒定供電設(shè)備，且有線、無線網(wǎng)絡(luò)均無覆蓋，適合開展高頻微震無線地面臺(tái)站監(jiān)測(cè)研究[4]。

1.2 地面臺(tái)站選址方案

為實(shí)現(xiàn)地面臺(tái)站的各個(gè)分臺(tái)站能夠接收到微震信號(hào)，減少隨機(jī)誤差，從而提高微震判定等相關(guān)功能的計(jì)算精度。根據(jù)塔山礦8204-2 工作面井上井下對(duì)照?qǐng)D進(jìn)行臺(tái)站初期選址，要求各個(gè)臺(tái)站盡量覆蓋8204-2工作面，各個(gè)地面臺(tái)站之間不能出現(xiàn)“三點(diǎn)一線”的情況，有利于觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過對(duì)預(yù)選位置反復(fù)勘查，最終確定出7 個(gè)地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站的具體位置?，F(xiàn)場(chǎng)通過礦區(qū)GPS定位設(shè)備測(cè)量地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站精確礦區(qū)坐標(biāo)，如表1所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，在塔山礦CAD礦區(qū)地圖上進(jìn)行了地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站標(biāo)記工作，繪制出了7 個(gè)臺(tái)站的礦區(qū)地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布圖，如圖1所示。

表1 臺(tái)站礦區(qū)坐標(biāo)

圖1 地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布圖

1.3 地面臺(tái)站構(gòu)建

塔山礦8204-2工作面對(duì)應(yīng)地表為山嶺，無供電無網(wǎng)絡(luò)無人煙，需要構(gòu)建太陽能供電系統(tǒng)支撐硬件設(shè)備運(yùn)行。地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站硬件主要由傳感器、監(jiān)測(cè)儀、蓄電池、控制器、太陽能板和網(wǎng)橋構(gòu)成，按其安裝位置分為地下和地上兩部分組成。地下部分采用基坑方式建設(shè)，基坑深度2.5 m，分上下兩層，上層高1 m，用于放置微震儀、電源等，下層位于地表下方1.5 m處澆筑擺墩，用于安裝微震傳感器，所有監(jiān)測(cè)設(shè)備均安裝在觀測(cè)坑內(nèi)；地上部分的太陽能板、GPS 探頭、通信網(wǎng)橋等設(shè)備安裝在觀測(cè)坑旁5 m高的金屬立桿上。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

根據(jù)塔山礦需求，高頻微震無線地面臺(tái)站大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊和二級(jí)數(shù)據(jù)分析模塊組成，其中每個(gè)模塊還分為若干的子模塊，為其主模塊提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)架構(gòu)的整體模塊劃分如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)模塊劃分示意圖

圖3 系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)交互示意圖

地面臺(tái)站大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為一級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊和二級(jí)數(shù)據(jù)分析模塊。其中一級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊分為數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換處理模塊、核心震級(jí)定位計(jì)算模塊和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可視化模塊三個(gè)部分；二級(jí)數(shù)據(jù)分析模塊分為大數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)分析可視化模塊。每個(gè)模塊之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并將重要信息存入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)各模塊之間的數(shù)據(jù)交互方式如圖3所示。

3 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 一級(jí)實(shí)時(shí)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一級(jí)實(shí)時(shí)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于二風(fēng)井辦公樓中心機(jī)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋微震事件監(jiān)測(cè)結(jié)果，配合人工校驗(yàn)方法，高效準(zhǔn)確地確定微震事件。

（1）實(shí)時(shí)微震監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)時(shí)微震監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行微震事件的初步時(shí)間、空間及震級(jí)監(jiān)測(cè)判識(shí)，如圖4所示，監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦區(qū)震動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)與震動(dòng)值。

（2）實(shí)時(shí)微震波形圖顯示模塊

如圖5 所示，對(duì)全部的地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站進(jìn)行微震數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，高頻微震采集器的三分量震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，每個(gè)地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站顯示三個(gè)通道數(shù)據(jù)的波形，研究先進(jìn)的JSP 異步局部刷新技術(shù)以及EChars中間件技術(shù)，保持整體頁面和各個(gè)波形顯示窗口相互獨(dú)立更新，各個(gè)波形數(shù)據(jù)可隨時(shí)間推移實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。

圖4 監(jiān)測(cè)軟件界面

圖5 實(shí)時(shí)波形顯示界面

3.2 二級(jí)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)

二級(jí)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)，將微震事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果及全臺(tái)站歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入遠(yuǎn)端Hadoop大數(shù)據(jù)集群，進(jìn)行多級(jí)大數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)查詢方法研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)微震事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果的查詢操作。如圖6 所示，微震統(tǒng)計(jì)模塊界面分為左右兩部分，界面左側(cè)第一行的兩個(gè)輸入框?yàn)槿諝v選擇查找的起止日期，第二行為查詢震級(jí)數(shù)據(jù)，輸入二級(jí)聯(lián)動(dòng)查詢條件后，界面右側(cè)礦區(qū)地圖上會(huì)在響應(yīng)的位置上出現(xiàn)紅色圓環(huán)圖標(biāo)，圓環(huán)大小表示微震災(zāi)害事件的震級(jí)大小。

圖6 微震統(tǒng)計(jì)界面

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)微震定位結(jié)果，按照表2所示方式，將微震定位點(diǎn)表示在8204-2工作面周圍，如圖7、8所示。

表2 微震事件表示方法

2019 年 1 月工作面推進(jìn) 150 m（從 2018 年開采的730 m 推進(jìn)至880 m），如圖7 所示，微震事件主要集中于兩部分，一是8204-2 工作面與8204 工作面交界煤柱區(qū)，監(jiān)測(cè)到3次103J以上微震事件；二是在工作面超前130 m 范圍，因此判斷工作面超前影響范圍約130 m，開采過程中建議加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，對(duì)8204工作面?zhèn)让褐扇⌒秹捍胧?/p>

2019 年 2 月工作面推進(jìn) 170 m(從 1 月開采的 880 m 推進(jìn)至1 050 m)，如圖8 所示，微震事件空間展布較為均勻，主要分布在8204和8206工作面采空區(qū)，發(fā)生1次104J以上事件，距離8204-2工作面55 m。

圖7 塔山礦1月微震監(jiān)測(cè)定位結(jié)果

圖8 塔山礦2月微震監(jiān)測(cè)定位結(jié)果

5 結(jié)論

通過對(duì)塔山礦8204-2工作面進(jìn)行地面微震監(jiān)測(cè)，截止到2019年底，工作面回采過程中未發(fā)生冒頂及強(qiáng)礦壓等動(dòng)力災(zāi)害事故，確保了煤礦安全生產(chǎn)，同時(shí)，驗(yàn)證了該技術(shù)的應(yīng)用安全可靠，解決了微震地面監(jiān)測(cè)的難題，給塔山礦石炭系煤層開采動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警和防治提供了支撐，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，提升了企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平，為類似條件下的煤層開采開創(chuàng)了新的技術(shù)途徑，對(duì)指導(dǎo)國內(nèi)同類大型煤炭企業(yè)提升檢測(cè)技術(shù)具有重要的指導(dǎo)作用。