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"下三带"理论为基准对模型进行初始化,形成初始预警判据;将电法、微震监测数据作为输入变量,实际涌(突)水事件作为干预输出量,对智能预警模型进行半监督分类学习训练,形成动态化、参数最优的模型预警准则,将监测数据动态划分为4个预警等级,从而实现了水害智能动态预警和数据可视化表达。在冀中能源葛泉矿东井的实际应用中发现,该平台能够基本达到预期目标。     

煤矿底板突水定量预警准则及预警系统研究

为研究煤矿开采底板突水预警准则,研发水害监测预警技术,实现底板突水超前预警,采用矿井水文地质分析、力学分析、地球物理勘探等技术手段,分析了矿井底板突水征兆,建立了监测指标体系,研究了水害预警现场布置方式,提出了采动影响下底板破坏深度的实时监测反演方法。根据监测指标及突水力学判据,提出了矿井底板突水定性预警准则和定量预警准则,开发了底板水害预警系统。最后以许厂矿11603工作面为例,布置水害预警系统,实施了底板突水灾害监测预警。结果表明,水害预警系统可以实时监测煤层底板预警指标,反演底板岩体力学变形破坏情况,结合预警准则,实现煤矿底板突水监测预警。     

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。     

煤层底板突水监测预警系统的开发及应用

煤层底板突水问题,因其具有隐蔽性、突发性的特点,防治水工作面临巨大的问题和挑战,突水监测预警技术为煤矿安全生产过程中必要的措施。在研究煤层底板突水可监测性、监测条件及适用范围的基础上,研制开发了一套基于光纤光栅通信和传感技术的新型煤层底板突水监测预警系统。该系统由数据采集系统和数据突水监测数据集成分析系统组成,能够实现监测数据实时采集、曲线实时显示、远程分析、警情发布等功能。通过在东庞矿北井9208工作面自开切眼至距切眼225 m段监测预警试验,初步验证了煤层底板突水监测预警系统的实用性和有效性。     

采场三维充水结构地质建模及动态可视化实现

为了精细刻画采场水文地质结构和跟踪充水要素的动态变化信息,提高矿井水害监测预警技术水平,笔者提出了三维充水结构可视化概念。三维充水结构由静态模型和动态可视化模型组成,静态模型是实体模型,动态可视化模型是在静态模型基础上嵌套充水水源和充水通道时空变化信息的可视化模型。静态模型依据地质、物探、水文地质等勘探数据,在三维开源几何内核Open CASCADE与DSI离散光滑插值算法、克里金插值算法相结合基础上构建而成的,用来展示采场尺度水文地质结构体的静态特征。动态可视化模型是根据工作面推采过程中水压、水温、应力-应变、视电阻率、破裂范围等动态信息,形成水压导升面、破坏深度包络面等动态衍生信息,在静态模型上嵌入上述动态衍生信息,实现充水要素(充水水源与充水通道)时空展示功能,该模型对数据更新响应时间少于10～20 s;以底板"下三带"理论为基础,提出依据"水压导升面"与"破坏深度包络面"是否叠置作为建立突水预警判据的技术思路。以葛泉矿东井11916工作面为例,通过采集地质、物探、水文地质、采掘工程信息,并融合传感器、网络连续电法、微震等充水要素动态监测信息,构建了采场三维充水结构可视化模型,将其应用于底板突水综合监测预警工程实践中,为11916工作面底板水害监测工程设计及智能化预警提供了新的技术平台。     

回采工作面底板突水智能监测技术应用

针对华北型煤田煤层开采存在的底板突水问题,监测预警以"下三带"理论、"递进导升"理论以及突水系数法为理论基础,构建矿井充水结构三维可视化地质模型,结合电法勘探异常区对影响矿井水文地质条件的易突水地质构造和富水性异常区进行分析,依据分析结果进行底板突水监测系统布设,通过监测煤层开采过程中表征突水水源与突水通道时空演化的指标信息,对底板突水进行监测预警。并在示范矿井开展了回采工作面底板突水预警工程示范,解决矿井突水危险动态辨识与实时预警问题。     

底板突水预警系统在受底板奥灰水威胁工作面中的应用

通过建立微震监测系统,对微震信号进行采集、分析,精确地计算出微裂隙的破坏位置、能量以及可能影响的区域,实时监测采动过程中工作面底板含水层破裂引起的微震信号,超前分析底板破坏带发育情况,分析微震事件的空间展布,监测断层活化情况,及时发布微震预警信息,实现水害实时监测预警.     

基于伪随机序列的矿井电法监测系统

为了深入研究回采工作面底板导水构造随采动过程的发育情况,以预防水害事故的发生,开发了底板视电阻率实时监测系统。系统采用低频交流电透视技术、伪随机多频同步发射技术、高精度全波形连续数据采集技术、工频抗干扰技术等,并通过井下光纤网络实现了井下无人值守、地面远程监控、电法数据实时成图的监测预警系统。现场试验表明,该系统可实现包括对采空区范围的工作面底板视电阻率的实时远程监测。     

赵家寨矿井二1煤层开采矿井充水特征分析

在分析赵家寨矿井水文地质条件及存在的主要水害问题的基础上,着重从矿井涌水量和地下水位监测孔水位变化两方面对矿井充水特征进行了分析,得出造成该井田底板水害的主要原因是垂向导水构造,以及二。煤层直接底板充水含水层与深部灰岩含水层之间垂向水力联系。提出了今后水害防治工作的重点。     

煤矿防治水智能化技术与装备研究现状及展望

为了解决煤矿充水条件的精准探测、有效预测、动态监测和水害的可靠治理问题,人工智能和信息化技术在我国煤矿水害防治技术和装备中获得广泛应用并取得重要进展。依据智能感知、智能判断和智能执行等智能化技术三要素,将煤矿防治水智能化定义为水害致灾因素的有效筛选、自动识别和精准控制的过程。从5个方面系统地总结了煤矿防治水智能化技术现状:即探测装备的智能化芯片应用及数据处理智能算法、含水层富水性分区的信息融合法及煤层底板突水预测的统计学习法、基于智能化传感器及智能算法的矿井水情(害)实时监测预警系统、水害治理工程的信息化设计及智能控制注浆系统、紧急避灾最优路径搜索及突水水源快速识别。结果表明:水害探测装备及解释方法的智能化提高了装备的抗干扰能力,实现了探测数据的快速准确处理;煤层底板突水预测的统计学习法使突水预测精度由82%提高到91%;网络并行电法监测仪在五沟煤矿提前2 d成功预报了工作面底板突水;智能化注浆系统形成了高度定制化的制浆-注浆数字化解决方案,实现全自动造浆30 m3/h;避灾抢险智能化为矿井灾害情景下的井下人员合理疏散和应急救援提供了辅助决策支持平台。提出随着智慧矿山、透明矿井技术的不断发展与完善,多源时空智能化探(监)测、玻璃水文地质、水害监测大数据挖掘、井下救援机器人等将会成为热点研究方向,并最终形成煤矿防治水智能化技术体系。     

矿井电法在煤层采动破坏和水害监测中的应用进展

煤层采动破坏容易引起突水事故,严重威胁了矿井的安全生产。煤矿突水事故防治集中于回采前的隐患探查,对回采过程中发育的导水通道尚缺乏行之有效的探查手段。因此,从煤矿顶、底板突水机理分析出发,对比了煤矿井下采用的多参数传感器监测、微震监测以及电法监测等监测方法,其中电法监测因其对煤岩电阻率变化较敏感,在煤层采动破坏和水害监测中得到了广泛应用。矿井电法监测最初主要被用于煤层顶、底板破坏监测,随着矿井电法监测设备的成功研制,相关学者对采动破坏过程的电场响应特征展开了深入研究,矿井电法监测逐渐向水害监测发展,并在井下现场应用中发展出了不同的观测方法。矿井电法监测数据的处理解释目前一般采用视电阻率断面图或电阻率反演成像,因受数据采集中各种干扰因素的影响成像分辨率较低。广泛应用于近地表探测的时移电阻率成像法,通过改进数据采集方式、对数据进行预处理、优化反演方法以及在反演过程中选择合适的正则化约束方法等手段,大幅提高了监测数据的成像分辨率,该方法可同样适用于煤矿井下电法监测数据的处理解释。早期的矿用电法仪器主要用于工作面水害隐患的静态探测,近年来真正意义上的矿用电法监测设备已经研制成功并进入推广应用阶段。随着新版《煤矿防治水细则》(2018年)的施行,矿井电法监测迎来了新的发展机遇。然而煤矿井下施工环境复杂、观测空间有限,矿井电法用于煤层采动破坏和水害监测时尚面临着电磁干扰、一致性校正、成像方法、多解性及水害预警等问题有待解决。针对上述问题,需要进一步提高监测设备的抗干扰能力,改进数据预处理方法,采用时移电阻率成像提高解释精度,同时加强导水通道发育过程电场响应特征及电性变化与水害风险定性关系的研究,最终达到对矿井水害进行监测预警的目的。     

注浆技术在华北奥灰水害防治中的应用与发展

我国华北型煤田水文地质条件复杂,随着深部资源的大规模开发,煤层底板奥灰突水概率增加,奥灰水害成为华北型煤田深部开采的严重安全威胁。应用注浆技术能够快速封堵突水通道,消除潜在水患,在华北奥灰水害防控方面具有明显优势;历经工作面注浆、井下定向孔注浆和地面定向孔注浆,装备进步推动华北型煤田奥灰水害注浆防治技术持续发展。本文分析了注浆技术在华北型煤田奥灰水害防治中的发展历程,结合奥灰水害超前治理工程案例,分析了实践中地面定向孔注浆技术遇到的问题,指出了区域水害防治地面定向孔注浆技术发展方向。本文对华北型煤田深部开采底板奥灰水害防治具有重要参考意义。     

古汉山矿工作面底板注浆堵水实践

焦作煤田古汉山井田受水害威胁严重.结合典型实例,针对古汉山矿11012回采工作面底板突水成因进行分析,对堵水技术和堵水效果进行总结.认为古汉山井田L8灰岩水是二1煤层底板的直接充水水源;断层沟通L2、O2灰岩水是易导致矿井突水淹井的主要原因.对生产作业存在的问题提出了建议.     

多参数水文动态监测智能预警系统的综合应用

南屯煤矿下组煤开采受底板十三灰、十四灰和奥灰承压水威胁,自2003年以来在地面和井下进行了下组煤补充勘探,健全了水文地质观测网。为了掌握各含水层水文地质参数,研究应用了多参数水文动态监测预警系统--KJ402矿井水文监测系统及配套软件,实现了对主要充水含水层水位、水温、水压、水量及其变化规律的实时监测和预警,达到对水害事故的早发现、早预报、早防治,保障了矿井生产未受水害威胁。     

九里山矿底板突水监测预警技术的实践应用

以九里山矿16052工作面为研究对象,采用微震监测技术构建底板突水监测预警系统,并进行实践应用。监测预警结果表明:16052工作面底板总体情况稳定,局部可能发生损伤,底板出水点位置可能位于工作面前50 m至后30 m区域,底板破坏深度约11.38 m,理论计算结果验证了微震监测预警系统结果的准确性。     

恒源煤矿地面顺层钻探注浆实践

皖北煤电集团公司恒源煤矿开采淮北煤田二叠系山西组六煤层和下石盒子四煤层,是皖北煤电集团公司在淮北矿区的主力矿井之一。矿井水文地质条件复杂,存在富水性较强的煤系砂岩裂隙水出水、岩溶陷落柱导水、六煤层开采底板太原群灰岩水突水等充水因素,在矿井建设期间曾发生多次突水淹井事故,矿井受水害威胁严重。通过采用地面顺层注浆对其灰岩水害进行治理,成效显著。     

基于Unity3D的微震监测分析虚拟现实系统研发

微震监测对矿山安全生产具有重要意义,也得到了广泛应用。针对微震监测数据数量庞大、内容冗杂、实时显示弱、与采掘工程集成度低等问题,开发了一种基于Unity3D平台的微震监测数据分析平台。其主要过程是:收集矿山三维地质坐标、地层岩性等数据建立矿山三维模型,导入到Unity3D引擎当中,对模型添加材质,进行渲染并实现模型坐标数据与现实坐标数据整合,在此基础上利用C#语言编写脚本实现采掘进度的实时模拟,再通过连接SQL Server数据库将矿井微震监测数据进行调用,完成整个系统地质数据、采掘数据与微震数据的集成和实时显示。通过调用系统数据,可实现微震数据的相关统计、分析,并分析其与地质条件、采掘活动的相关性。系统在河南义马煤田跃进、常村两矿进行了实际应用,实现了矿井群开采微震监测数据的联合分析。     

煤层底板监测预警系统应用研究

为了实现煤层底板富水性变化的动态监测,保证矿井安全生产,以赵庄矿为例,对煤层底板监测预警系统进行应用研究。该系统由数据采集系统、分析处理系统、预警系统组成。预警系统可实现对煤层底板监测数据的自动采集、传输、处理、分析、成图和报警。图像反应监测区域煤层底板岩层的富水性,达到报警条件时,向预先指定的客户端发送报警信息。     

基于Labview的矿井工作面突水预警系统构建研究

突水监测预警是矿井水害防治措施中最重要的技术环节之一。在研究矿井突水征兆的基础上,以预警理论为指导,并结合煤矿生产实际情况,研制开发了一套基于Labview的矿井工作面突水预警系统。该系统由数据采集系统和突水监测数据集成分析系统组成,能够实现监测数据实时采集、曲线实时显示、远程分析、警情发布等功能,对于煤矿安全生产具有重要的意义。     

高构造应力下冲击地压微震时空特征与前兆

针对煤矿冲击地压的预测难题,利用微震监测数据,对华亭煤田250105工作面回采过程中微震事件能量与频次关系、空间分布特征进行分析,探讨该工作面冲击地压机制及前兆特征。研究表明:250105工作面冲击地压分布在工作面超前220 m范围内煤层和底板,在沿采空区煤柱侧分布较多,主要是由高水平构造应力与工作面超前支承压力和残余支承压力叠加引起坚硬煤层或底板破断所致。冲击地压前微震能量和频次存在着"峰值-降低-升高-冲击"的模式,对微震点空间分布进行主成分分析发现第一主分量与工作面推进方向一致,第一主分量方差贡献率大幅下降并低于55%可视为冲击地压发生前兆之一。