基于微震数据及模型的煤矿水害“双驱动”预警体系构建与应用

现阶段,我国越来越多的矿井进入深部开采和下组煤开采期,煤层开采受岩溶水害威胁严重,矿井深部突水隐患探查不清,采掘过程中缺乏科学有效的突水监测预警手段,是造成矿井突水灾害的主要原因。为夯实水害预警监测基础,提出“双驱动”煤矿水害微震预警架构,利用数据驱动与模型驱动,实时动态监测工作面底板突水风险等级及范围,对突水风险趋势智能预测预报。在数据驱动的框架下,以微震事件时空演变规律为切入点,通过对微震事件震源机制反演与属性分析,为导水通道形成判断提供依据,结合水文动态数据变化,建立相应突水判据,对突水风险进行评价。在模型驱动的框架下,构建含分类预测、聚类分析等多种算法的深度学习模型,将典型微震事件群作为模型输入,定量动态预测未来微震事件发生的空间范围与聚集度,继而确定突水风险等级与危险区域。基于微震数据及模型的煤矿水害“双驱动”预警技术,开发了相应的区域性煤矿水害三维智能预警平台,实现了水害风险特征的动态智能预警预测和危险区域的三维可视化显示。实践证明,采用确定性数据研判与智能模型预测的“双驱动”微震预警体系,对突水风险等级和范围的预测效果显著,实现了对底板水害高风险区域的精确预警与防控。     

底板突水灾害大数据预测预警平台

针对淮河能源集团当前开采深部A组煤,受底板水害严重威胁而缺乏有效的智能化、全覆盖预警技术的问题,提出了构建基于水文、充水水源及底板破坏实时监测物联网的多源信息大数据智能预警云平台而指导矿区内突水灾害事故预防的技术思路。以张集煤矿回采A组煤的1612A工作面为工程背景,构建了观测水源、水位、水压、水质、水温等参数变化的水文监测物联网数据传输系统,实时数据采集、数据传输、数据分析处理。而针对底板破坏深度则构建了微震实时监测物联网,传感器拾取底板破裂信号通过井上、井下的光纤环网传输到地面数据信号处理终端,实时监测反演底板破坏、导水裂隙通道分布。将回采、地质和监测数据各类因素考虑在内,建立了基于神经网络和深度学习的预警模型,确定了煤矿安全评价的主控指标以及评判指标,搜集全国大量矿井数据对模型进行了机器学习训练。集成数据采集、管理配置、设备监测、中控大屏、多维分析和故障预警5个模块,由网络集成技术和数据整合技术实现无缝连接,建立了煤矿底板突水灾害大数据预警云平台系统。将学习后的预警模型嵌入系统,基于整合的多源数据进行底板突水危险性评估与预警,与微震数据互馈分析实时发布决策信息。最后,选定淮南等矿...     

基于云服务的煤矿水害监测大数据智能预警平台构建

针对华北型煤田煤层底板突水监测预警问题,以底板"下三带"理论为基础,开展了微震-电法耦合系统水害监测预警。在分析微震-电法耦合系统监测数据基础上,采用Flume设计数据迁移子系统,以流处理方式对监测源数据进行预处理,对关键目标数据进行采集、聚合和传输,实现了有效监测数据的实时迁移。此外,针对煤矿水害多源监测预警过程中数据规模大、数据实时处理要求高等特点,结合多源异构数据关联分析和时空属性数据分析处理需求,基于Spark和HDFS设计实现了具备TB级数据存储处理能力的煤矿水害多源监测大数据存储平台。该平台采用HDFS设计构建统一的多源时序大数据存储体系,通过MapReduce实现大数据并行处理,利用YARN实现资源的调度与管理,为海量数据存储提供支撑。平台采用Spark Streaming框架搭建了数据实时处理中心,通过流处理方式实现监测数据高速处理,并通过智能预警算法模块和远程服务接口为预警系统现场应用提供支撑。在智能预警技术方面,结合监测数据的时空属性特点,提出了基于深度学习时空序列预测方法——长短时记忆循环网络智能预警模型的底板突水模型预警技术。该预警技术基于LSTM方法,以"下三...     

信息融合技术在矿井突水预测中的应用

矿井突水预测是矿井水害防治和实现安全开采的基本前提与重要基础。本文结合矿井现场的钻孔原始资料信息、突水点信息、地表水质监测信息及涌水量数据信息等水文地质状况,开展以信息融合技术为基础的底板突水危险性评价研究,开发了基于ArcGISEngine的煤矿水文地质信息管理和突水预警平台。将地理信息与数据处理相融合,通过信息融合对预测区的安全状况作出科学判断。     

彬长矿区复杂地质条件下煤矿灾害预警平台研究与应用

陕西彬长矿业集团有限公司(以下简称“彬长矿业”)下属5对矿井开采条件复杂，受水、火、瓦斯、冲击地压等灾害影响严重，亟需基于监测数据构建分析模型对各类灾害进行超前分析和预警，以此促进矿井安全生产。分析了几种灾害的大数据特征，研究了监测预警模型和预警指标体系，研发了煤矿复杂地质条件下灾害监测预警平台，该平台可实现灾害的实时监测和预警，并可以“一张图”综合展示。现场实际应用表明，通过对各监测系统实时数据和历史数据的集成、加工、挖掘，形成了有效的安全预警模型，实现了彬长矿业下属5对矿井灾害的实时监测、大数据分析、提前预警和预警信息分析推送等功能，大大提升了彬长矿业的灾害监测和预警水平。     

基于GIS与大数据分析的矿压监测预警平台

为响应国家关于加快煤矿智能化发展的号召，针对煤矿GIS“一张图”中巷道路径不能实现精确计算，矿压数据不能实现高效甄别、有效提取的问题，以及矿压预警需要实现在线推演、可视化展示的需求，提出建立基于GIS与大数据分析的矿压监测预警平台。采用GIS“一张图”、巷道结点-路径拓扑算法、多源异构监测数据处理技术、矿压大数据分析技术，搭建成能够实现矿井下复杂情况切实反映、矿压监测数据有效提取、采掘风险在线预测、可视化程度高的矿压监测预警平台。通过在李雅庄矿的实际应用，表明该系统运行稳定可靠，可有效提升煤矿的矿压风险监测预警。     

矿井水害的临突监测指标及预警模型

对矿井水害临突监测的有效指标进行了探讨,分析了其报警阈值的确定方法。在此基础上,提出了单因素评判预警模型及多因素耦合预警模型,并建立了相应的预警指标和等级,初步构建了矿井水害临突监测预警系统的框架体系。     

矿井水害的临突监测指标及预警模型

对矿井水害临突监测的有效指标进行了探讨,分析了其报警阈值的确定方法。在此基础上,提出了单因素评判预警模型及多因素耦合预警模型,并建立了相应的预警指标和等级,初步构建了矿井水害临突监测预警系统的框架体系。     

乌东煤矿冲击地压监测预警平台搭建与应用

为应对乌东煤矿越来越严峻的冲击地压预警与防治形势,提高冲击地压灾害预警准确性,保障煤矿安全高效生产,运用大数据分析方法和云计算技术,结合该煤矿特殊地质条件和复杂开采手段,搭建了集成微震、地音、矿山压力等多种监测手段的冲击地压预警平台,从“时间—空间—强度”三个维度建立多系统多参量监测预警指标体系,构建冲击地压危险综合预警模型。该平台实现了对监测矿井冲击危险的“全天候”、“全方位”的实时动态感知,主要功能包括:能够实时采集各监测系统的数据并完成前兆信息特征提取;展示各单系统预警指标及其临界值,并实现单系统单一指标预警到多系统融合预警的转变;可一键生成报表,实时查看设备状态,节省大量人力、物力。该平台已在乌东煤矿应用,实现矿井的分区分级预警,有效提高了冲击地压监测预警的准确性和可靠性,指导现场冲击地压防治工作,辅助科学决策。     

平朔井工三矿9~#煤层充水因素分析及水害防治

分析平朔井工三矿的充水因素,认为开采9#煤层的最大隐患是顶板石炭-二叠系砂岩突水,大气降水、地表径流以及大沙沟水补给下部含水层导入矿井也是不可忽视的因素,并利用导水裂隙带高度计算结果对煤层顶板水冒落安全性进行分析评价,为矿井水害防治提供了决策依据。     

基于矿山物联网的矿井突水感知关键技术研究

从感知矿山理念与物联网三层架构出发,以网络化测量、智能传感器、地球信息科学、数据挖掘等新兴学科与水文地质、采矿、地球物理等传统矿山学科相互交叉为手段,分析了矿井突水信息采集、传输、处理与预警技术现状,论述了矿山物联网条件下实现矿井突水感知的关键技术。在感知层,以网络化测量与智能传感器为关键技术,构建多物理场网络化分布式监测系统;在网络层,利用空间数据仓库、三维地学模拟系统和云计算搭建突水云服务平台,实现矿井突水多源异构信息的高效存取与三维复合分析,为构建突水专家云提供基础;在应用层,以多源信息融合为关键技术,提出了一种多模型组合的矿井突水预警方法,将静态预测与实时预警相结合,充分利用历史与实时数据,增大突水预警判据的信息量。最后指出了建设整个系统需要分3个阶段逐步实施。     

煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展

新一轮能源变革正在孕育,互联网+及智能化发展势头强劲,在总结我国煤矿典型动力灾害预防存在主要问题及思考煤矿监控预警如何面对新一轮科技创新的基础上,提出了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警新理念与关键技术。煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警是在煤炭精准开采的理念指导下,基于多相多场耦合灾变孕育演化机理,利用灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术、多源海量前兆信息提取挖掘方法,能够实现煤矿典型动力灾害前兆信息深度感知、风险精准判识及监控预警的新模式新方法。该模式能够实现煤矿监控预警由传统的经验型、定性型向精准型、定量型转变,全面提升我国煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警能力。凝练了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的4个关键科学问题和8个主要研究方向,围绕基础理论研究、关键技术开发和预警平台搭建,重点阐述了12个方面的研究进展,为实现冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时精准预警提供了技术路径。     

煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术“十三五”研究进展

冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿典型动力灾害的风险判识和监控预警是煤矿安全生产的重点和难点。在“十三五”期间,针对该问题重点开展了煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警关键技术研究及装备研发工作,建立了开采扰动和多场耦合叠加效应下煤矿动力灾害孕育演化机理和发生发展的新理论,提出了煤矿典型动力灾害多参量前兆信息智能判识理论及预警模型;开发了具有故障自诊断、高灵敏、标校周期长的前兆信息采集传感技术与装备;通过对异构数据融合、自组网、抗干扰等技术研究,提出了矿井关键区域人机环参数全面采集、多元信息共网传输新方法,为煤矿典型动力灾害监控预警系统安全无故障运行提供了技术保障;构建了自动化、信息化、智能化预警平台,平台具备故障自诊断、高灵敏、响应时间短、标校周期长、抗干扰等功能,预警准确率提升到90 % 以上。通过煤矿典型动力灾害监测预警基础研究-关键技术开发-应用示范的有机融合,实现了煤矿重大灾害灾变隐患在线监测、智能判识和实时准确预警。     

近距离煤层下层综放工作面压架机制研究

以大佛寺煤矿40109综放工作面在近距离煤层重复采动过程中出现的压架事故为研究对象,利用顶板灾害监测预警系统掌握40109工作面在回采过程中周期来压规律,结合40109工作面工程地质条件分析以及顶板涌水情况可知,上煤层回采扰动、下层厚煤层开采以及矿井水侵蚀造成的40109老顶破断-失稳是压架事故发生的主要原因。后期通过加强对40109综放工作面顶板的合理管理,有效预防了压架事故的发生,保证了该工作面的安全快速回采。     

瓦斯与煤自燃复合灾害监测预警系统研究与应用

为了解决高瓦斯易自燃煤层工作面采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治智能化程度低、缺乏灾害风险的精准分级管控等问题,构建了以瓦斯抽采与自然发火监测数据为基础、以风险分级智能化管控为核心的瓦斯与煤自燃复合灾害监测预警系统。采用API接口调用方式建立数据采集平台,构建了基于多源信息融合、K-Means聚类分析、预警规则知识库等方法的分析预警模型,设计开发了瓦斯与煤自燃复合灾害监测预警系统软件,实现了复合灾害的精准监控、风险动态评判和智能预警。在试点工作面的应用结果表明,该系统可直观展示复合灾害监测预警信息,使采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治工作透明化,有效提升了灾害防治的智能化水平。     

西部生态脆弱矿区矿井突水溃沙危险性分区

以榆神府矿区为例,开展了以多因素融合为基础的突水溃沙评价研究。在突水溃沙机理分析的基础上讨论了突水溃沙灾害形成的影响因子,选取沙层厚度、含水层富水性、有效隔水层厚度和采动空间等作为研究榆神府矿区突水溃沙的关键因素,编制了无量纲图,采用熵权法确定了各因素的权重,在GIS平台下构建了基于多因素融合技术的榆神府矿区突水 溃沙评价模型,以此为基础对榆神府矿区突水溃沙危险性进行综合分区,经验证,评价结果较为合理,说明构建的评价模型适用于榆神府矿区突水溃沙危险性评价。     

基于“矿石流”的三山岛金矿大数据综合管控平台研发

针对矿山综合管控平台建设中存在的数据孤岛、系统封闭以及信息难以融合的问题,提出了基于数据驱动面向“矿石流”的矿山大数据融合技术。根据“矿石流”数据来源、数据集成及数据分析等需求,开展了数据采集、存储与标准化管理技术、多源数据整合技术、“矿石流”全流程关联技术等矿山大数据系统关键技术研究。以三山岛金矿大数据管控平台开发为例,详细分析了矿山“矿石流”的全流程场景,结合矿山现有的业务流程,采用华为大数据平台对资源储量、采矿、出矿、运输提升、地表运输及选矿等各工艺环节数据进行关联,建立了基于“矿石流”的矿山大数据综合管控系统的工业平台,实现了在统一平台上对矿山全流程的统一优化指挥调度与全流程管控分析,提高了矿山生产和管理的时效性、有效性、资源优化配置水平与综合实力,促进了矿山的协同作业与规范管理,为智能矿山建设提供了参考。     

华蓥山复杂地质条件下的矿井水害防治方法

针对华蓥山煤矿区典型的水文地质条件,系统分析和总结了岩溶构造通道、断裂构造通道、采动裂隙通道、封闭不良的钻孔以及采空区对矿井突水的威胁程度。根据矿区水害威胁程度的强弱和范围大小的不同,利用突水威胁系数将矿区划分为无突水威胁区域、弱突水威胁区域、中弱突水威胁区域、中强突水区域和强突水区域等5个等级,并提出了相应的区域防治水的措施和建议。针对华蓥山矿区水害威胁源多且威胁大的特点,建立了"监测预报、防探结合、治理检验、综合防护"四位一体的综合防治水技术措施体系。     

煤与瓦斯突出综合预警系统在严重突出矿井的建设

为了提升煤与瓦斯突出矿井防突水平和抗灾能力,以事故预警理论为指导,从瓦斯灾害防治实验室和预警平台2方面为示范矿井建设了煤与瓦斯综合预警系统。通过预警系统建设,形成了适合矿井实际特征的煤与瓦斯突出综合预警指标体系和规则库模型,从煤层及瓦斯赋存特征分析、采掘空间安全情况分析、钻孔施工效果分析、日常预测指标发展趋势、瓦斯涌出特征实时跟踪、超掘(采)动态监控等方面实现了煤与瓦斯突出灾害的在线监测、超前预警和过程化控制。现场应用表明,预警系统具有较高准确性,能捕捉分析矿井瓦斯突出灾害的潜在隐患和预兆,能为矿井防突提供决策依据和技术保障,并促进矿井的精细化、规范化管理和信息化交流。     

煤矿综合自动化系统设计中物联网的应用

为了减少井下事故、降低人员死亡率,方便对入井人员、设备、电气、开采环境等实时的监控和管理,在原有的井下工业以太网基础上,融入了物联网的传感器和无线宽带技术,建立无线传感和光纤传输的综合网络。基于物联网的煤矿综合自动化软件平台的开发,使得安全生产的联动控制和实时监测、人员跟踪定位、矿井灾害预警、抢险救灾、煤矿信息管理能够更好的实现。减少了煤矿安全隐患的同时,加速了煤矿企业的现代化脚步。