高頻微震無線地面臺站大數據監測系統研究

臧歡歡

（大同煤礦集團有限責任公司技術中心 山西大同 037003）

0 引言

大同礦區現開采的石炭系煤層賦存條件較為復雜，開采過程中，動力災害時有發生[1]。現有監測系統大多布置于井下，由于井下空間環境惡劣，易導致儀器性能不穩定，且傳感器需單獨供電，易受井下電磁場干擾，影響監測信號質量[2]；同時，現有監測系統成本高，難以保證高密度測點布置，致使井下空間存在大量監測盲區，常出現多個測點監測不到動力災害信號而導致無法及時準確地進行災害預警；監測數據傳輸困難，井上-井下微震數據傳輸一般采用有線傳輸，網絡布設困難、容易損壞，不利于災害預警；監測臺站體積大，傳感器固定，不利于隨采區移動而合理優化布置[3]。為此，通過建立高頻微震無線地面臺站監測系統進行石炭系煤層開采動力災害全區域在線監測勢在必行。

1 無線地面臺站架構研究

1.1 工作面地理條件

塔山礦8204-2工作面地表地質構成較為復雜，地勢高低走向各不相同，山脈、溝谷以及平地錯落分布，微震信號會隨著地質構造不同、地勢的不同而不同，同時，礦區遠離人們的生活區域，無恒定供電設備，且有線、無線網絡均無覆蓋，適合開展高頻微震無線地面臺站監測研究[4]。

1.2 地面臺站選址方案

為實現地面臺站的各個分臺站能夠接收到微震信號，減少隨機誤差，從而提高微震判定等相關功能的計算精度。根據塔山礦8204-2 工作面井上井下對照圖進行臺站初期選址，要求各個臺站盡量覆蓋8204-2工作面，各個地面臺站之間不能出現“三點一線”的情況，有利于觀測與數據處理。經過對預選位置反復勘查，最終確定出7 個地面監測臺站的具體位置。現場通過礦區GPS定位設備測量地面監測臺站精確礦區坐標，如表1所示。根據表1數據，在塔山礦CAD礦區地圖上進行了地面監測臺站標記工作，繪制出了7 個臺站的礦區地面監測臺站分布圖，如圖1所示。

表1 臺站礦區坐標

圖1 地面監測臺站分布圖

1.3 地面臺站構建

塔山礦8204-2工作面對應地表為山嶺，無供電無網絡無人煙，需要構建太陽能供電系統支撐硬件設備運行。地面監測臺站硬件主要由傳感器、監測儀、蓄電池、控制器、太陽能板和網橋構成，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，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，所有監測設備均安裝在觀測坑內；地上部分的太陽能板、GPS 探頭、通信網橋等設備安裝在觀測坑旁5 m高的金屬立桿上。

2 系統整體架構

根據塔山礦需求，高頻微震無線地面臺站大數據監測系統由一級實時監測模塊和二級數據分析模塊組成，其中每個模塊還分為若干的子模塊，為其主模塊提供技術支撐。系統架構的整體模塊劃分如圖2所示。

圖2 軟件架構模塊劃分示意圖

圖3 系統模塊數據交互示意圖

地面臺站大數據監測系統分為一級實時監測模塊和二級數據分析模塊。其中一級實時監測模塊分為數據流轉換處理模塊、核心震級定位計算模塊和實時監測可視化模塊三個部分；二級數據分析模塊分為大數據歷史數據分析模塊和數據分析可視化模塊。每個模塊之間可以進行數據交互并將重要信息存入數據庫。系統各模塊之間的數據交互方式如圖3所示。

3 微震監測系統構建

3.1 一級實時微震監測系統

一級實時微震監測系統安裝于二風井辦公樓中心機，用于實時監測并反饋微震事件監測結果，配合人工校驗方法，高效準確地確定微震事件。

（1）實時微震監測模塊

實時微震監測模塊進行微震事件的初步時間、空間及震級監測判識，如圖4所示，監測模塊實時監測礦區震動點的坐標與震動值。

（2）實時微震波形圖顯示模塊

如圖5 所示，對全部的地面監測臺站進行微震數據的實時監測，高頻微震采集器的三分量震動數據進行圖形化顯示，每個地面監測臺站顯示三個通道數據的波形，研究先進的JSP 異步局部刷新技術以及EChars中間件技術，保持整體頁面和各個波形顯示窗口相互獨立更新，各個波形數據可隨時間推移實時動態更新。

圖4 監測軟件界面

圖5 實時波形顯示界面

3.2 二級大數據統計分析平臺

二級大數據統計分析平臺，將微震事件統計結果及全臺站歷史監測數據導入遠端Hadoop大數據集群，進行多級大數據聯動查詢方法研究，實現對微震事件統計結果的查詢操作。如圖6 所示，微震統計模塊界面分為左右兩部分，界面左側第一行的兩個輸入框為日歷選擇查找的起止日期，第二行為查詢震級數據，輸入二級聯動查詢條件后，界面右側礦區地圖上會在響應的位置上出現紅色圓環圖標，圓環大小表示微震災害事件的震級大小。

圖6 微震統計界面

4 實測結果分析

根據微震定位結果，按照表2所示方式，將微震定位點表示在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 150 m（從 2018 年開采的730 m 推進至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，監測到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監測，對8204工作面側煤柱采取卸壓措施。

2019 年 2 月工作面推進 170 m(從 1 月開采的 880 m 推進至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，發生1次104J以上事件，距離8204-2工作面55 m。

圖7 塔山礦1月微震監測定位結果

圖8 塔山礦2月微震監測定位結果

5 結論

通過對塔山礦8204-2工作面進行地面微震監測，截止到2019年底，工作面回采過程中未發生冒頂及強礦壓等動力災害事故，確保了煤礦安全生產，同時，驗證了該技術的應用安全可靠，解決了微震地面監測的難題，給塔山礦石炭系煤層開采動力災害預警和防治提供了支撐，取得了巨大的經濟社會效益，提升了企業的生產技術水平，為類似條件下的煤層開采開創了新的技術途徑，對指導國內同類大型煤炭企業提升檢測技術具有重要的指導作用。