大同礦區動力災害高頻微震無線地面臺站監測系統研究

研發起止時間：2017年10月～2019年12月

完成單位：大同煤礦集團有限責任公司，遼寧大學

成果水平：國際先進

1 項目背景

同煤集團大同礦區是我國主要產煤區之一，為國家的建設做出了重大貢獻。經過多年的開采，大同礦區淺部煤炭資源已近枯竭，開采逐漸轉向深部。進入深部開采后，由于深部煤巖性質發生了顯著變化，由此造成煤礦深部強礦壓致災機理與災變準則也有明顯差異，預警與防治技術及監測軟硬件設施也不同。目前，現有監測系統大多安裝于井下，由于井下深部空間環境惡劣，易導致儀器性能不穩定，且傳感器需要單獨供電，容易受井下電磁場干擾，影響監測信號質量；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，且常常出現多個測點監測不到強礦壓信號而導致無法及時準確地進行災害預警；深部開采井上-井下監測數據傳輸多采用有線傳輸，網絡布設困難、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，以上問題一直難以克服，導致預警手段準確率不高，防治措施的有效性也不十分理想。因此，探索新的技術途徑監測煤層開采中強礦壓顯現難題勢在必行。

為改變目前的現狀，進一步深入研究大同礦區強礦壓顯現問題發生的特征、原因和條件，以同煤塔山煤礦為研究對象，建立了大同礦區高頻微震無線地面臺站監測系統，構建了大同礦區微震大數據平臺，為礦區安全開采提供理論基礎和技術支持。

2 研究內容

（1）通過理論研究、實驗模擬以及現場實測的方法，根據塔山煤礦工作面地質構造、地理環境、井群特征及動力災害發生規律，研究適合塔山礦區的地面微震監測系統臺網布置方案；

（2）確定適合塔山礦區的高頻微震到時確定方法、微震定位方法及震級計算方法；根據微震信號特征分析，研究煤礦動力災害類型判識方法及預警方法研究；

（3）研究微震事件發生頻次與震級關系，并結合井下開采情況和地質構造情況，根據微震事件特征研究微震事件能量演化規律和超前影響范圍；

（4）構建了大同礦區微震大數據平臺，為礦區安全開采提供理論基礎和技術支持，給塔山礦區深部動力災害預警和防治提供支撐。

3 主要研究成果

(1)本項目構建了動力災害高頻微震地面監測臺站，圖1為地面監測臺站分布圖，提出了微震到時確定方法、微震定位方法以及微震震級計算方法，構建了微震大數據二級管理平臺，為煤炭行業打造和推進地面微震監測開發提供了理論架構和體系借鑒，一定程度上填補了國內煤礦地面微震監測大數據分析領域的空白。高頻微震采集器結構圖如圖2所示。

圖1 地面監測臺站分布圖

圖2 高頻微震采集器結構圖

（2）提出了煤礦動力災害類型判識方法，采用小波分解進行時域分析，對小波系數進行逆變換并重構去除噪聲信號。定義了4 層分解層，使用閾值函數處理的最低級別的近似系數LC4和細節系數DDC4進行一維小波重構，然后得到DLC4；逐層將近似系數和細節系數逐層重構為小波，最后得到一個近似的原始信號（去除噪聲）；構造ELM 分類器，將隱藏層節點用作循環條件，并計算與每個隱藏層節點相對應的準確率，通過前饋神經網絡學習算法，將微震事件與已學習的事件進行類型匹配，進而判斷煤礦動力災害，實現了煤礦災害類型的智能化分析。

（3）通過對塔山礦的實際情況進行分析，提出基于兩級線性回歸的動力災害預警方法。將海量歷史災害數據進行數據匯總，采用移動回歸法提取數據特征，并在此基礎上，通過線性回歸法建立災害模型，為煤礦動力災害判識提供模型基礎；通過置信區間構建判識域，提出置信因子變換的方法預測災害波形未來的發展趨勢，為煤礦動力災害預警技術提供理論支持。

（4）開展了塔山礦8204-2工作面微震監測覆巖破壞能量演化規律研究，圖3為塔山煤礦8204-2工作面地面微震監測系統布置圖。

圖3 塔山煤礦8204-2工作面地面微震監測系統布置

4 應用效益

對塔山煤礦8204-2工作面進行地面微震監測，根據塔山礦8204-2 工作面1～6 月份回采期間微震監測結果，準確定位到微震事件297 次，總能量7.27×105J，得到工作面最大超前影響范圍約130 m，盡管該工作面為孤島工作面，但采取了有效監測和卸壓手段，回采期間未發生超過105J能量事件和動力災害。

研究成果在大同煤礦集團有限責任公司塔山煤礦獲得成功應用，取得了較大的經濟效益。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，減少了監測系統的成本投入，同時減輕了監測人員的勞動強度，為安全生產提供了有力的保障，也為今后開展地面微震監測積累了寶貴的經驗。解決了煤礦動力災害地面微震監測的難題，降低了安全隱患的發生，顯著提高了工作面開采效率,研究成果可在類似條件礦井中推廣應用。