大數(shù)據(jù)分析在礦山?jīng)_擊地壓預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

馬艷英 王瑞虎

摘 要：針對(duì)目前沖擊地壓難以總結(jié)和預(yù)測(cè)的問(wèn)題，本文提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析的礦山?jīng)_擊地壓監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)。本文借鑒對(duì)平煤十一礦22122工作面的分析，得出了沖擊地壓發(fā)生前的主要征兆是煤巖層微震變化。通過(guò)礦山安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)工作面的微震情況、溫度、煤巖層巖體力學(xué)等性質(zhì)的變化進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，最終通過(guò)輸入各礦井的地質(zhì)條件，便可對(duì)該礦井沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間和空間進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警。本文僅為結(jié)合大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)沖擊地壓的一種理論方案，使礦井生產(chǎn)建設(shè)做到更加安全高效。

關(guān)鍵詞：礦山壓力；沖擊地壓預(yù)測(cè)；大數(shù)據(jù)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.083

1 引言

我國(guó)在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)條件下，不斷加大對(duì)煤礦的開(kāi)采深度，雖然經(jīng)濟(jì)得到了較快的發(fā)展，但開(kāi)采后所引起的沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生日益頻繁。在礦山作用下的煤巖存在巨大的彈性勢(shì)能，沖擊地壓使得能量猛烈地、急劇地、突然地從中釋放出來(lái)，造成煤巖體的拋出。煤礦開(kāi)采易造成礦井的沖擊地壓災(zāi)害，對(duì)于整個(gè)世界而言，煤炭占據(jù)人類生活的一大半部分，是一種不可或缺的資源，相對(duì)應(yīng)煤炭開(kāi)采占比大，因此沖擊地壓在礦井生產(chǎn)中也是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，有著巨大的威脅，是一種十分劇烈的礦山壓力顯現(xiàn)形式。沖擊地壓的發(fā)生會(huì)造成巷道堵塞、片幫冒頂、支架損壞、人員傷亡等嚴(yán)重事故，與此同時(shí)，劇烈的震動(dòng)和震耳的聲響也出現(xiàn)。從而使得巖體的顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)間大大增加，拋出的煤巖體也以數(shù)量級(jí)般增多。

在我國(guó)，許多煤礦礦井都有著五六十年的歷史，伴隨著時(shí)間的推移和開(kāi)采深度的不斷增加，沖擊地壓災(zāi)害問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，解決沖擊地壓災(zāi)害問(wèn)題已經(jīng)刻不容緩。但是由于當(dāng)今時(shí)代的科技發(fā)展水平不足，對(duì)于解決沖擊地壓?jiǎn)栴}并沒(méi)有根本的解決方法。由于沖擊地壓災(zāi)害的嚴(yán)重性，嚴(yán)重制約著各國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展，阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此，一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者始終致力于解決沖擊地壓?jiǎn)栴}，在沖擊地壓的控制方式、監(jiān)測(cè)手段及發(fā)生機(jī)理等方面取得了重要進(jìn)展，但是由于沖擊地壓存在很多復(fù)雜的成因，所以當(dāng)前的預(yù)防措施和控制方法仍治標(biāo)不治本，為了更好地研究沖擊地壓，需要更多研究人員會(huì)更加努力，全身心致力于解決沖擊地壓?jiǎn)栴}。

眾所周知，引起沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的原因是多種多樣的，決定他發(fā)生的因素是多種多樣的，所以沖擊地壓預(yù)測(cè)的難度非常大，難以得出一個(gè)非常明顯的規(guī)律性結(jié)論和數(shù)學(xué)公式，在數(shù)學(xué)上有一定的模糊性，但是其本質(zhì)就是巖層在承受很高的應(yīng)力，甚至超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)，高彈性能的突然釋放，所以發(fā)生沖擊地壓的巖層在時(shí)間、空間和力學(xué)性質(zhì)變化上必然存在著一定的聯(lián)系。如果我們應(yīng)用礦山安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)各巖層進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并將各水平、各礦井，甚至全國(guó)各地的沖擊傾向性巖層數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，利用計(jì)算機(jī)對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，就可以得出發(fā)生沖擊地壓煤巖層的時(shí)間、空間和力學(xué)特征變化規(guī)律，應(yīng)用到每個(gè)礦井?dāng)?shù)字礦山系統(tǒng)上，將礦井開(kāi)采的參數(shù)和煤巖層的地質(zhì)力學(xué)規(guī)律輸入系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)就進(jìn)行匹配分析，分析出該礦井具有沖擊傾向性的煤巖層，并提醒礦井負(fù)責(zé)人對(duì)相應(yīng)煤巖層進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和預(yù)防[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)人和物之間信息相互聯(lián)通的橋梁。它是在已經(jīng)比較先進(jìn)和完備的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，按照一定的通信協(xié)議，利用較先進(jìn)的射頻識(shí)別技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。物聯(lián)網(wǎng)的概念最初是在1999年由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出，后來(lái)，美國(guó)和歐洲等國(guó)家看到了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大好前景，抓住機(jī)遇，高度重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展并不斷對(duì)其投資極大地推動(dòng)了本國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟與完善。近些年來(lái)我國(guó)也為了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展采取了一系列的政策措施，將物聯(lián)網(wǎng)納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面取得了一系列突破，極大地促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)研究和建設(shè)的進(jìn)入高潮期。

2.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)覆蓋的范圍越來(lái)越廣，“人、機(jī)、物”三元世界在信息空間（Cyber Space）中的交互、融合所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，這樣就產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)問(wèn)題[2]。

由于大數(shù)據(jù)是一個(gè)比較抽象的概念，這就使大數(shù)據(jù)至今沒(méi)有一個(gè)明確統(tǒng)一的定義。大部分對(duì)大數(shù)據(jù)的定義是根據(jù)其大數(shù)據(jù)的特征而來(lái)，其中具有代表性的是：大數(shù)據(jù)是指具有“大容量（Volume）、多變性（Variety）、快速化（Velocity）”特性的數(shù)據(jù)，這就是“3V”定義。除此之外，“低價(jià)值密度（Value）”也是大數(shù)據(jù)還應(yīng)當(dāng)具有的顯著特征。

數(shù)據(jù)分析、管理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與大數(shù)據(jù)有著密切的聯(lián)系，大數(shù)據(jù)的存在及其規(guī)模效應(yīng)給他們帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。因此人們提出了諸如基于Hadoop的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方法、基于ETL的數(shù)據(jù)抽取和集成方法及各種在線學(xué)習(xí)方法，進(jìn)而更好地發(fā)展和應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)。

2.3 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù)也是以當(dāng)今發(fā)展迅速的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為背景下的一種新興的技術(shù)，具有按需服務(wù)、超大規(guī)模、高可拓展、虛擬化、高可靠、通用化等特點(diǎn)。由于云計(jì)算有很好的應(yīng)用和商業(yè)價(jià)值，所以Google、Amazon、IBM、SUN、Microsoft等公司都推出了各自的硬件和軟件架構(gòu)[3]。

2.4 三種技術(shù)的聯(lián)系

大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)這三種技術(shù)之間存在很多的聯(lián)系，同時(shí)三者之間也有區(qū)別。物聯(lián)網(wǎng)注重物與物之間的聯(lián)系，但是機(jī)器和人的思維方式是存在本質(zhì)性區(qū)別的，物體反饋給人的信息和方式需要通過(guò)人機(jī)交互所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)經(jīng)分析才能得到。所以物聯(lián)網(wǎng)是人與物產(chǎn)生大量交互數(shù)據(jù)的產(chǎn)生源頭，大數(shù)據(jù)是人機(jī)交互產(chǎn)生和各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，云計(jì)算是對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類整合分析的技術(shù)。大數(shù)據(jù)在其中是基礎(chǔ)，是人機(jī)交互反饋的根本。

3 大數(shù)據(jù)分析在沖擊地壓預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 煤礦信息化技術(shù)

由于我國(guó)煤炭行業(yè)發(fā)展時(shí)間較短、經(jīng)驗(yàn)不足以及礦井井下環(huán)境的復(fù)雜多樣性，與其他行業(yè)相比，礦井的信息化較為困難。目前也沒(méi)有一個(gè)確切的實(shí)現(xiàn)煤礦信息化技術(shù)綜合自動(dòng)化的方案。但是僅對(duì)于綜合自動(dòng)化的實(shí)踐工作概況而言都是相對(duì)類似的，即對(duì)煤礦各個(gè)子系統(tǒng)都進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)了解井下的各種生產(chǎn)狀態(tài)，各系統(tǒng)之間相互影響和協(xié)調(diào)，建設(shè)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)全礦井各個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入和顯示的硬件和軟件平臺(tái)，這也是實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化目的的所需。不同的研究人員及企業(yè)對(duì)其進(jìn)行了研究和改進(jìn)： EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)、總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)等等均被采用過(guò)用來(lái)構(gòu)建全礦井通信網(wǎng)絡(luò)，目前大多數(shù)現(xiàn)代化礦井都運(yùn)用下圖所示的方式。

3.2 沖擊地壓的力學(xué)機(jī)制

沖擊地壓是一種特殊的礦山壓力顯現(xiàn)形式，其根源是高彈性能的突然釋放，其蘊(yùn)含的高彈性能就是因?yàn)樯细矌r層的垂直應(yīng)力、煤巖層自身的膨脹應(yīng)力和由于地質(zhì)構(gòu)造造成的構(gòu)造應(yīng)力等所造成的。由于地殼運(yùn)動(dòng)的影響以及溫度、壓力的變化，加之地層沉積巖的作用，在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育形成過(guò)程中，地層所受到的應(yīng)力始終在不斷的變化之中，就會(huì)偶然的形成許多局部應(yīng)力場(chǎng)，在其中就會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，該應(yīng)力場(chǎng)中儲(chǔ)存著極高的彈性變形能量的機(jī)械物理性能表征、巖層開(kāi)采方式和相關(guān)力學(xué)參數(shù)。這種機(jī)械力學(xué)性能是相關(guān)煤巖體的固定屬性。從巖體控制學(xué)的角度考慮，可將這些參數(shù)作為描述煤巖層沖擊傾向性的指標(biāo)，但是也只能進(jìn)行定性分析，因?yàn)椴煌刭|(zhì)條件下各個(gè)因素對(duì)沖擊傾向性的影響程度不同[4，5]。

3.3 沖擊地壓發(fā)生前后的微震信號(hào)特征

根據(jù)參考文獻(xiàn)，我們對(duì)平煤十一礦22122切眼煤柱進(jìn)行分析。平煤十一礦目前采深接近一千米，二水平二采區(qū)2212區(qū)段開(kāi)采二1煤層，煤厚4.2m左右，分層開(kāi)采。22122工作面設(shè)計(jì)開(kāi)采2212區(qū)段的下分層，采深820～880m，走向長(zhǎng)度1300m，斜長(zhǎng)180m，下分層猜厚2.0m，距上分層采空區(qū)20～30m。

在掘進(jìn)過(guò)程中22122切眼共發(fā)生了3次沖擊地壓， 2009年12月27日中班發(fā)生了第一次沖擊地壓，沖擊發(fā)生后迎頭以后20m范圍內(nèi)兩幫收斂0.3 m，底鼓0.5 m，切眼往下掘進(jìn)至100～105 m位置，能量的釋放量為4.56×105J，并且造成了人員傷亡，損壞了機(jī)械設(shè)備。2010年1月15日中班23時(shí)10分，第二次沖擊地壓發(fā)生，當(dāng)時(shí)瓦斯排放措施孔正在處于施工階段，切眼向下掘進(jìn)到125 m處，事故發(fā)生后在迎頭以后20～30 m范圍內(nèi)兩幫收縮0.2 m，迎頭后退30 m范圍內(nèi)，底鼓0.4 ～0.8m，溜板的高度抬高了0.4m，大量煤塵被揚(yáng)起，瓦斯涌出量沒(méi)有明顯變化，使多名工人受傷，煤礦設(shè)備被破壞，經(jīng)過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得知沖擊地壓能量較大，達(dá)到了1.52×105J； 2010年2月19日18時(shí)53分發(fā)生了最后一次沖擊地壓，迎頭退后5m的50 m范圍內(nèi)底板膨起0.7～0.8 m，切眼與下巷的距離為3m，兩幫收縮0.3 ～0.4mm，工人感到了劇烈的震感，由于工作人員按照規(guī)定穿有防護(hù)服，此次事故沒(méi)有出現(xiàn)人員傷亡的情況，經(jīng)過(guò)測(cè)算此次沖擊地壓具有的能量高達(dá)3.33×105J[6]。

通過(guò)對(duì)3個(gè)沖擊地壓發(fā)生點(diǎn)的沖擊地壓發(fā)生點(diǎn)前后微震頻率和波形進(jìn)行分析，就可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)生前微震的頻率和波形進(jìn)行分析，就能通過(guò)下一次微震分析該出有無(wú)沖擊地壓危險(xiǎn)。根據(jù)以上闡述的各種因素對(duì)沖擊傾向性的影響，為了減少災(zāi)害的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，可以在工作面布置多種監(jiān)測(cè)手段，對(duì)煤巖層的溫度、巖體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，匯總到總服務(wù)器，就可以得到該礦沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間地點(diǎn)規(guī)律，以及發(fā)生時(shí)煤巖層的微震情況、煤巖層的溫度變化、底鼓高度、裂隙發(fā)育程度、應(yīng)力分布等狀況，進(jìn)行綜合分析，然后通過(guò)層次分析法等方式對(duì)這些因素的影響程度進(jìn)行分析。

通過(guò)這些我們可以想到，數(shù)據(jù)的樣本越大，我們就能得到越發(fā)準(zhǔn)確的各因素影響情況。所以，大數(shù)據(jù)在此處的重要性尤為明顯。如果我們對(duì)全國(guó)數(shù)千家礦井的沖擊地壓情況進(jìn)行大數(shù)據(jù)綜合分析，就能得到一個(gè)綜合的預(yù)測(cè)方法。我們只需要輸入該礦井的地質(zhì)因素和采煤方法，就能較為有效和準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沖擊地壓可能發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)。

3.4 無(wú)線礦壓檢測(cè)系統(tǒng)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由采集節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、地面?zhèn)鬏斀涌诩吧衔粰C(jī)數(shù)據(jù)處理軟件等組成。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置濺射薄膜式壓力傳感器，當(dāng)系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)時(shí)，在傳感器內(nèi)，產(chǎn)生了由支架壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化而來(lái)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)ZigBee無(wú)線發(fā)射模塊和CAN總線，途徑無(wú)線網(wǎng)關(guān)，最終傳至上位機(jī)，與此同時(shí)，通過(guò)ZigBee無(wú)線發(fā)射模塊，各采集節(jié)點(diǎn)也會(huì)收到傳至無(wú)線網(wǎng)關(guān)的上位機(jī)命令，上位機(jī)在接受信號(hào)之后，利用礦壓數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理[7]。

首先有各區(qū)段將該區(qū)段的數(shù)據(jù)匯總到采區(qū)，之后逐級(jí)向上匯總，最終匯總至礦井總控制室的云端服務(wù)器，總調(diào)度室便可了解井下個(gè)煤巖層的沖擊傾向性變化，并通知井下相關(guān)工作人員進(jìn)行預(yù)防和應(yīng)對(duì)，最大程度的做到對(duì)沖擊地壓的預(yù)測(cè)和預(yù)防。各礦井可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將自己礦井的數(shù)據(jù)上傳至國(guó)家有關(guān)部門或者專門的數(shù)據(jù)分析部門，由他們對(duì)各礦井的大數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，從而可以得出針對(duì)各個(gè)地區(qū)、各個(gè)礦區(qū)、各個(gè)礦井和不同地質(zhì)條件下的沖擊地壓發(fā)生規(guī)律和應(yīng)對(duì)策略，形成對(duì)沖擊地壓的系統(tǒng)性治理對(duì)策。

4 結(jié)論

綜上提出了一種應(yīng)用大數(shù)據(jù)對(duì)礦山?jīng)_擊地壓進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用使沖擊地壓規(guī)律的總結(jié)和預(yù)測(cè)變成了可能，但是在全國(guó)所有礦井實(shí)現(xiàn)上文所提到的礦山安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理分析是一件比較困難的事情，還有許多的問(wèn)題需要解決。若要實(shí)現(xiàn)上述的方案，需要投入大量的人力和物力對(duì)相關(guān)的硬件設(shè)備和軟件進(jìn)行大規(guī)模的改良和研發(fā)。但是相較于沖擊地壓對(duì)礦山安全生產(chǎn)造成的嚴(yán)重威脅和大量的經(jīng)濟(jì)和人員損失，作者認(rèn)為開(kāi)發(fā)此系統(tǒng)是十分必要的，一旦研發(fā)出了系統(tǒng)的基于大數(shù)據(jù)分析的沖擊地壓監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，將對(duì)于未來(lái)的礦山安全高效生產(chǎn)產(chǎn)生十分重大的推動(dòng)作用，本文證實(shí)了該方案在理論上的可行性。

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作者簡(jiǎn)介：馬艷英（1998-），女，山東汶上人，學(xué)士在讀，主要從事于安全工程相關(guān)的研究。