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张双楼煤矿深井复杂地质条件冲击地压智 能化防控实践

2024-02-04 13:49:21  来源:智能矿山杂志  作者:张雷,李兵
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张双楼煤矿隶属徐州矿务集团有限公司(简称徐矿集团),位于江苏省徐州市沛县安国镇,是徐矿集团本部唯一的生产矿井。井田面积约37.8 km2,走向长度13.5 km,倾斜长度2.9 km,地质储量2.4亿t,核定生产能力180 万t/a,主采山西组7、9 层煤,倾角15°~30°,煤层平均厚度分别为2.49、3.33m,最大开采深度达1 200 m,属于中等冲击地压矿井。冲击地压主要影响为开采深度大;煤岩具有冲击倾向性;地质条件较为复杂,断层发育、局部7层煤与9 层煤合并,岩浆岩侵入,9 层煤基本顶为厚层坚硬砂岩顶板,属于典型的深井复杂地质构造条件。

张双楼煤矿大力开展冲击地压防治智能化建设,2020 年11 月,建成江苏省煤矿冲击地压防治工程技术研究中心,为矿井冲击地压防治搭建了科研平台;2020 年12 月,入选国家能源局、国家矿山安全监察局首批71 家智能化示范煤矿建设矿井;2021 年9月,通过江苏省冲击地压防治示范矿井验收;2022年9 月,通过国家智能化示范煤矿验收。

冲击地压防控智能化顶层设计及关键技术

冲击地压防控智能化顶层设计

根据冲击地压相关法律、规范等文件,冲击地压矿井需采用区域与局部相结合的监测和防治措施,而监测和防治措施实施的各个环节均会产生大量数据,为便于数据融合与高效处理,需要进行冲击地压防控智能化顶层设计,包括自我感知、动态预警和自我学习、智能决策、自我调整等模块,各模块具体实现功能要求如下。

(1) 自我感知

将监测和防治设备与传感器结合,实现设备自我感知能力,如微震实时在线监测、自动标记、语音报警;钻屑设备加装转矩、转速、温度等传感器,在钻屑过程中实时采集数据;主/被动CT 探测、地音监测、应力在线监测、矿压监测等均实现自动采集、传输与数据处理。

(2) 动态预警和自我学习

构建大数据平台,存储传感器传输的数据,采用归一化处理数据,输入训练完成的神经网络,由输出层结果判断冲击危险性程度,实现动态预警。同时将冲击危险性程度、防治效果量化指标和防治参数作为样本进行训练,冲击危险性程度、防治效果量化指标作为输入层数据,防治参数作为输出层数据,训练防治学习模型。

(3) 智能决策

根据冲击危险性程度评价结果,若有冲击危险,依据冲击危险性程度、预期防治效果与防治的关系,对防治设备发出指令,实施相应的防治措施。

(4) 自我调整

将训练后的模型作为智能决策新的防治参数选取模型,进行冲击危险判识,并作为后续动态学习的样本。基于张双楼煤矿地质与生产技术条件进行防冲智能化顶层设计,冲击地压智能防治体系由感知层、网络层、平台层及应用服务层组成,如图1所示。

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(1) 感知层

感知层的作用是对矿井生产过程中的应力场、位移场及能量场进行自动触发与响应,并能够高精度、自动化、实时采集与储存数据。主要由自动化钻屑监测、微震监测、震动波CT探测、地音监测、地震监测、应力在线监测等系统组成。

(2) 网络层

网络层的作用是实现对感知层的数据实时、高保真、连续传输。主要由井下融合5G专网、矿山4G专网和工业光纤环网组成。

(3) 平台层

平台层要能够将监测指标进行自动分类(归类为应力场、震动场、能量场)、归一化处理,并智能赋予权重,发布危险等级。平台层是冲击地压智能化系统的大脑,是实现智能防冲体系的关键,其主要作用是数据分析、预警指标识别,以及冲击地压危险的决策与预警。

(4) 应用服务层

应用服务层由智能化防护、自动化防治和自动化检验系统组成。该层根据冲击地压智能决策内容,依靠自动化设备,实现冲击地压的智能监测及防治。

冲击地压防控智能化关键技术

(1) 冲击地压矿井全维信息反演技术

将物联网、云计算、大数据、人工智能、移动互联网、可视化等技术,结合现代矿山的微震、应力、导航、光纤、光测等传感技术手段,建立冲击地压矿区全维信息反演理论和技术,实现煤矿地质信息、采场覆岩动态结构演化信息、力学场信息、地震波CT信息、人员设备路径跟踪、煤岩损伤断裂信息等全方面、全维度、全体系地感知。从监测的离散与局部数据反演得到区域信息,如果基于震动波CT反演应力场、基于微震能量的冲击变形能反演等,可大幅提高数据与信息利用的程度。

(2) 冲击地压发生机理与孕育演化模型

揭示冲击地压发生机理,建立冲击地压孕育演化模型,是实现冲击地压精准评价与预警的基础,其关键在于探索采动条件与煤岩冲击失稳的互馈机制,揭示冲击地压孕育过程中能量积聚、转移和释放特征。根据张双楼煤矿冲击地压发生特点,冲击地压动静叠加诱冲理论能够解释冲击地压发生的条件与过程,可将其作为防冲智能化建设的理论依据。

(3) 前兆采集传感与多网融合传输技术

为解决当前传感信息不全面、灵敏度低、可靠性较差、关键区域密集监测传输手段缺乏、异构数据无法融合等问题,研究光纤光栅微震传感、三轴应力传感、非接触供电与数据交互、非在线式检测关键信息快速采集等关键技术,开发具有故障自诊断、高灵敏、标校周期长的前兆信息采集传感技术与装备,研究异构数据融合、自组网、抗干扰等多网融合传输关键技术,开发矿井关键区域人、机、环参数全面采集、多元信息共网传输新方法新装备,可为冲击地压监测系统可靠运行提供技术保障。

(4) 冲击危险性监测评价与预警技术

建立冲击地压综合判识预警理论与模型,形成冲击地压敏感参数选择及其预警判据确定的智能判识技术及体系,实现冲击地压隐患的智能判识及预警,其关键在于构建监测预警指标体系,建立冲击地压主控因、灾害风险与前兆信息的智能判识方法与技术。基于时空互补性,建立冲击地压多尺度多参量监测预警理论,研发冲击地压力−电−震多源信息综合监测预警技术及装备。针对时空数据、感知数据、生产数据、灾变数据等数据的大范围、多类型、多维度、多尺度、多时段等特征,建立面向冲击地压前兆信息模态构建的数据挖掘方法与模型,可实现灾害预测前兆信息模态的自动更新,以及对冲击地压灾害可能涉及的危险区域进行快速辨识和动态圈定,为冲击地压的监测预警奠定理论基础。

(5) 智慧化冲击地压防冲技术与装备

研发高危环境人、机、环多相、多场、多元信息主动调度并自主决策的高速交互防灾治灾智慧机器人与信息化装备。主要针对大直径钻孔卸压、煤体卸压爆破、顶底板爆破卸压、顶板定向水力压裂、支护设备等解危装备进行研发,实现冲击地压智能化防控技术和装备的突破。

冲击地压防治智能化建设成果及应用分析

冲击地压风险智能判识

冲击地压的发生具有时间和空间2 个维度特点,决定各因素信息的记录和更新都离不开时间和空间2 个最重要的属性,这也是各因素间起到相互作用影响的桥梁。例如:某工作面以一定的回采速度逐渐靠近落差为5 m的逆断层,该工作面属于开采技术因素中的某一类对象,断层属于地质因素中的某一类对象,而回采速度是对象工作面的基本属性,“逆”和“落差”是对象断层的2 个基本属性,可以看出开采和地质因素内部和相互之间存在很多从属关系。为建立更加清晰、简洁的逻辑关系,应建立树状结构对开采和地质因素中各对象进行描述。“逐渐靠近”是对断层和工作面之间开始相互作用的一种形象描述,为实现其定量化,这就要求详细刻画2 个对象的空间特征,其中刻画工作面当前位置信息的是推进度,刻画断层空间信息的是其产状,即上下盘的多段线。断层产状、落差等属于静态信息,除非实际揭露后需要修正,否则不随时间而改变。工作面推进度则属于动态信息,空间位置随时间会发生变化。利用以上信息可准确判断断层与工作面相互产生作用的空间和时间关系。断层与工作面生产活动之间的相互作用会引起多源多场监测物理量的变化,如微震监测出现异常、钻屑监测出现异常等,这些信息同样具有时间和空间2 个维度的特征。

以上是以断层和工作面为例提出了如何处理与冲击地压相关的对象和属性在时间和空间的关系,在考虑与冲击地压相关的综合因素后提出建设矿井冲击地压风险因素的思路(图2)。分为地质信息、开采信息、防治信息和多参量综合预警与分析信息4 类。其中管理信息无需单独列出,应作为开采、监测与防治的从属属性贯穿冲击地压防治的全过程;支护信息可作为区段巷道、开拓巷道和准备巷道等的从属属性,也未单独列出。矿井能够在划定的时间和空间上分析各要素与冲击地压的作用关系,构建确定冲击地压风险主控因素的辨识方法,研究建立张双楼煤矿冲击地压风险可控研判机制。即根据基础地质与生产技术资料,在空间上进行危险区域划分;再根据开采与地质构造之间的时间(距离)关系,在时间上(实际是开采进度) 进行危险性评价,实现冲击风险的智能判识。

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冲击地压智能精准感知体系

冲击地压危险区域的监测与预警是冲击地压防治工作的重要部分,对及时采取区域防范措施、局部解危措施及避免冲击危害具有重要作用。目前常用的监测方法主要有2 类:①以钻屑法为主的岩石力学方法;②以微震和电磁辐射监测为主的地球物理方法。

根据《煤矿安全规程》,冲击地压矿井必须建立区域与局部相结合的冲击地压危险性监测制度。张双楼煤矿冲击地压区域监测以微震为主,覆盖矿井所有采掘区域;局部监测采用钻屑监测、主/被动CT探测、地音监测、应力在线监测、矿压监测等手段,覆盖所有冲击地压危险区域,形成了完善的区域−局部、动载−静载结合的分级分区监测技术。冲击地压智能精准感知体系如图3 所示。

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冲击危险监测预警云平台及决策

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,集成微震、应力、地音、钻屑、大直径卸压等多种监测系统及数据信息,对信息和数据统一管理,是中国矿业大学冲击地压研究团队“十三五重点研发计划项目”的研究成果,如图4 所示。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,包括微震监测的时空强预警指标(20 个)、冲击变形能指标和震动波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”多参量带权重时空预警模型,智能算法(权重赋值)是基于混淆矩阵与高斯隶属判别函数实现,形成了以无、弱、中、强4 个冲击危险等级标识的分级概率与综合预警模式,实现了矿井冲击地压多参量综合、分级、分区、实时预警。

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冲击区域智能限员系统

基于云边智能的冲击区域限员系统,采用物联网、大数据、云计算、网络传输、传感器等技术,实现了即时感知、准确判断和精确执行。智能限员系统接入张双楼矿智能矿山管控一体化平台,形成了N个智能应用之一。但工业以太环网+云的方式,容易受到网络中断、数据拥塞等影响,无法响应限员检测的实时性要求,因此,创新性地提出了云、边结合的网络架构,利用边缘处理装置,实时统计人员信息、分析视频信息、控制语音报警、实施设备断电,而将处理结果和实时数据传输到云端,即使出现断电、断网等事故,依然可以在网络恢复后云端进行显示历史信息和实时信息。冲击区域智能限员系统主要由井下井上2 部分组成,也分别对应上述体系的边缘侧和云端。井下部分(边缘侧) 由工业以太网交换机、智能边缘处理器(控制器)、限员闸机、闸机控制器、声光报警器、防爆显示器、摄像机等核心装置构成,如图5 所示。

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冲击地压自动化防治系统

研制技术先进的智能卸压钻机可减少操作钻机人数、减轻劳动强度、提高施工效率与安全保障,在人力成本和安全成本上带来可观的经济效益。并可从本质上提升矿井钻探装备的技术水平和自动化程度。通过对张双楼煤矿施工现场需求的分析,提出智能卸压钻机应具备以下功能:①“一键”全自动进行钻进、退钻功能;②不同钻孔倾角自动上下钻杆功能;③地面远距离操作和现场遥控操作2 种远程模式,并可进行远程视频监控;④钻孔姿态自动调节功能。

冲击地压自动化卸压钻机(图6) 实现了自动上下钻杆、全自动钻孔、无线远程遥控、自动记录钻孔深度、钻孔时间等功能,弥补了我国现有同类钻机的缺点,改进了钻机卸压施工工艺,成为全国首例在深井岩层直接顶大倾角梯形断面巷道冲击危险工作面应用于防冲钻孔卸压的案例。

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防冲效果智能检验装置

目前,冲击地压矿井主要卸压方式采取顶板深孔预裂爆破预卸压、高压注水卸压、底板煤层爆破预卸压和大直径钻孔预卸压。卸压孔施工位置和施工质量所起到的效果较难评价,亟需一种对卸压孔钻进深度和效果进行校检的设备。笔者团队开发了一种自动化检验装置——无线钻孔轨迹测量技术(图7),采用高精度多轴姿态传感器,大幅提高了轨迹测量精度及稳定性,测量系统可按时间或深度任意设置参数,自动测量倾角、方位角、深度值和钻孔轨迹,解决了因钻孔塌孔而不能测轨迹和深度的问题。无线钻孔轨迹测量技术实现了钻进卸压智能化和数字化, 大幅了冲击地压防治工程的效率。

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总 结

(1) 张双楼煤矿结合矿井地质与生产技术条件,进行冲击地压防治智能化体系建设与顶层设计,提出一套由感知层、网络层、平台层及应用服务层组成的冲击地压智能化防治理论体系。主要包含智能化监测系统、智能预警系统、智能化防护系统、自动化防治系统和自动化检验系统。

(2) 建立冲击地压智能监测与感知系统,区域监测以地震监测、微震监测为主,局部监测采用主被动CT探测、地震波监测、地音监测、应力在线监测、矿压监测、钻屑监测等,实现了矿井冲击危险实时智能监测;建立冲击地压智能预警系统,实现了矿井冲击地压多参量综合、分级、分区、实时预警,形成冲击地压风险智能判识与多参量综合监测预警云平台。

(3) 设计基于边、云体系架构冲击区域智能限员系统,达到了超员报警、关门、断电效果;安装智能限员系统,实现了减人、提效、增安的目的。

(4) 研发冲击地压智能卸压与效果智能检验系统,设计遥控全自动卸压钻机,实现了自动上下钻杆、全自动钻孔、无线远程遥控功能,成为全国在深井岩层直接顶大倾角梯形断面巷道冲击危险工作面应用于防冲钻孔卸压的重要案例;研发冲击地压防治效果智能检测系统,实现了钻进卸压智能化和数字化,大幅提高了冲击地压防治工程的效率。


责任编辑: 李金松

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