煤礦防治水智能化技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

張 磊，許 博，劉 斌，劉會(huì)彬

(1.陜西華彬雅店煤業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500；2.彬縣煤炭有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤炭是中國的主要資源，是國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定安全運(yùn)行的重要保障。然而，在開采煤炭的過程中，災(zāi)害事故頻發(fā)，其中煤炭水害被稱為五大災(zāi)害之一。突水不僅會(huì)影響正常的采掘進(jìn)度，還會(huì)對人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅，因此礦井水防治非常重要[1]。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能開采技術(shù)正在逐步改變煤礦傳統(tǒng)的防災(zāi)方法，煤炭水害防治技術(shù)也在時(shí)代的發(fā)展中不斷更新[2]。

1 探測裝備以及相應(yīng)方法的智能化

煤礦災(zāi)害探測技術(shù)和裝置主要用于探測斷層、沉淀柱、隔水層厚度等參數(shù)。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦水害探測技術(shù)的自動(dòng)化和智能化水平越來越高。

1.1 對地震勘探技術(shù)進(jìn)行三維分辨

為了提高信號(hào)的抗干擾能力，三維地震勘探系統(tǒng)必須接收具有自適應(yīng)放大功能的智能檢波器。在錯(cuò)誤檢測中，技術(shù)人員展示和解釋三維地震數(shù)據(jù)的剖面，其不足之處是周期長且容易受到主觀移速的影響。為了克服這一缺陷，科學(xué)家采用了許多人工智能算法進(jìn)行斷層的識(shí)別：屬性的非連續(xù)結(jié)構(gòu)中抑制噪聲的方法[3]；利用信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行自動(dòng)斷層提取[4]；錯(cuò)誤概率范圍由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成，系統(tǒng)將會(huì)對斷層進(jìn)行識(shí)別[5]。

1.2 瞬變電磁探測技術(shù)

瞬變電磁技術(shù)靈敏度強(qiáng)，對施工現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)，施工性能高，是煤礦災(zāi)害防治中尋找隱蔽水源的最重要途徑，為了提高瞬變電磁儀器的抗干擾性和數(shù)據(jù)分析處理的準(zhǔn)確性，一些科學(xué)家在瞬變電磁儀器和解釋方法中加入了各種智能技術(shù)，智能芯片用于自動(dòng)過濾干擾信號(hào)，避免環(huán)境干擾，提高定位精度，將人工智能算法引入其中。

1.3 高密度電法探測技術(shù)

在對高密度電法的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法快速反演可見電阻數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理速度和效率上得到了有效提升；利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對高密度電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，取得關(guān)鍵性的突破；將蟻群算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，在精確度上有所提升；高密度電法的非線性反演是通過將混沌算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法BP相結(jié)合來優(yōu)化群粒子的振蕩來實(shí)現(xiàn)的[6]。與BP網(wǎng)絡(luò)處理方法相比，數(shù)據(jù)處理的精度和反演成像的質(zhì)量大大提高。

2 預(yù)測評(píng)價(jià)智能技術(shù)

2.1 三維充水結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)

在對地質(zhì)模擬和信息等進(jìn)行表達(dá)時(shí)，采取三維可視化地質(zhì)建模能夠很好地對相關(guān)信息進(jìn)行表達(dá)，解決其中的不足之處。同時(shí)搭載計(jì)算機(jī)和科學(xué)可視化手段，從三維空間的角度對水源和充水渠道的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行表征和數(shù)字化再現(xiàn)，以便對突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。可視化模型如圖1所示。

圖1 某煤礦三維充水結(jié)構(gòu)可視化模型

在水文地質(zhì)建模的概念基礎(chǔ)上，能夠很好地對三維充水結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造，將通道以及抗水層的分布結(jié)構(gòu)反映出來，在此過程中還具備動(dòng)態(tài)演化的特點(diǎn)。三維充水結(jié)構(gòu)建模有2種形態(tài)，分別為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)，動(dòng)態(tài)建模是一個(gè)集成動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的過程識(shí)別進(jìn)入挖掘過程并實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)功能。

2.2 含水層富水性規(guī)律與分區(qū)技術(shù)

在對井田主要含水層的水動(dòng)態(tài)進(jìn)行劃分時(shí)，可以使用預(yù)測以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，在此過程中主要是根據(jù)含水層富水性規(guī)律以及相應(yīng)的空間管理技術(shù)進(jìn)行選擇。在分析和識(shí)別影響水動(dòng)態(tài)的主要控制因素的基礎(chǔ)上，提出了一種基于GIS信息多元素融合的水質(zhì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)法，并將其應(yīng)用于富水量采集區(qū)，根據(jù)水層的三維結(jié)構(gòu)特征，確定了砂厚、層數(shù)、含水率等相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對評(píng)價(jià)指標(biāo)與用水量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，將水層的水效率分為大氣因素比較法和綜合稀釋評(píng)價(jià)法[7]。

2.3 對煤層底板突水區(qū)域預(yù)測進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

煤層底板往往會(huì)受到多種因素的影響而出現(xiàn)突水的情況。在對相關(guān)問題進(jìn)行分析時(shí)，要根據(jù)其原理對水流發(fā)生以及相應(yīng)的影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行確定。通過對相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)的分析建立起非線性數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測非礦區(qū)水流風(fēng)險(xiǎn)；通過對煤層底板突水相關(guān)因素分析，建立煤層底板突水預(yù)測系統(tǒng)；運(yùn)用信息分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段，建立突水預(yù)測監(jiān)控系統(tǒng)，用于預(yù)測突水過程中的水流量，參考相關(guān)數(shù)據(jù)和模型將突水預(yù)測的準(zhǔn)確率提高到91%[8]。

3 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的智能發(fā)展

3.1 礦井水情遠(yuǎn)程監(jiān)測

隨著智能芯片以及其他設(shè)備的不斷發(fā)展和應(yīng)用，水狀測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化。礦井水狀監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器、地下數(shù)據(jù)變電站、阻燃電源、地面通信適配器等，煤礦系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控是促進(jìn)煤礦生產(chǎn)信息化發(fā)展的重要手段。通過實(shí)時(shí)采集，然后將采集的信息展現(xiàn)在主屏幕上，全面分析和掌握水文地質(zhì)特點(diǎn)及規(guī)律，在此基礎(chǔ)上制定具備決策依據(jù)的防治規(guī)劃。實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)使用自適應(yīng)傳感器以及智能化芯片，實(shí)現(xiàn)對煤礦地表水文地質(zhì)觀測長孔水位、水溫動(dòng)態(tài)及對地下水文地質(zhì)觀測水壓、流量的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測，很好地體現(xiàn)出技術(shù)方面的進(jìn)步。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的整合促進(jìn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣促進(jìn)了水狀監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)代化，通過對該系統(tǒng)裝配互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器，能夠有效地對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。近年來，中國遠(yuǎn)程水情監(jiān)控系統(tǒng)在建立和完善過程中開發(fā)出了互聯(lián)網(wǎng)+的模式，該系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)(隨時(shí)驗(yàn)證水情系統(tǒng)數(shù)據(jù)的移動(dòng)終端)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)功能，同時(shí)還兼具遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)故障診斷、專家遠(yuǎn)程技術(shù)援助等功能，并建立了一套完善的水情監(jiān)測關(guān)系系統(tǒng)的采區(qū)水系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，對于促進(jìn)煤礦防治水技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。

3.2 煤礦排水自動(dòng)控制系統(tǒng)

煤礦排水自動(dòng)控制系統(tǒng)是指礦井卸煤機(jī)在無值班人員工作的情況下自動(dòng)運(yùn)行的地下排水系統(tǒng)。自動(dòng)水泵控制系統(tǒng)包括控制進(jìn)水閥的開啟和關(guān)閉、自動(dòng)監(jiān)測排水參數(shù)、遠(yuǎn)程傳輸、自主維修等功能。自動(dòng)泵控制系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在自動(dòng)記錄和分析泵的啟停時(shí)間、工作時(shí)間、實(shí)時(shí)水位、管道流量等參數(shù)；根據(jù)水箱水位自動(dòng)啟停水泵；根據(jù)不同水位檢查泵的啟動(dòng)和停止數(shù)量；根據(jù)水泵和發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)繞組溫度、電流等運(yùn)行參數(shù)對給水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析；備用和維護(hù)泵應(yīng)自動(dòng)調(diào)整，調(diào)節(jié)水泵之間的可變運(yùn)行，應(yīng)急頻率降低，主排水系統(tǒng)自動(dòng)控制。煤礦排水自動(dòng)控制系統(tǒng)將信息化技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合，從而確保系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。它連接到整個(gè)煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)，是整個(gè)煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)的子系統(tǒng)。天地科技有限公司設(shè)計(jì)并改造陜西北部的一些煤礦，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)管理系統(tǒng)的智能化。

3.3 網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測技術(shù)是在傳統(tǒng)電法和高密度電法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代電法技術(shù)，它可以對礦井水情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，使監(jiān)測的過程更加直觀化。網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測技術(shù)主要是通過在地下分布智能電極、電源、通信網(wǎng)絡(luò)和主要地面監(jiān)測站。主要過程是智能電極和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的組合對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線監(jiān)測，從而降低通過網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)所需要的費(fèi)用；采集所有來自電場的數(shù)據(jù)用于遠(yuǎn)程控制。開發(fā)的并行電網(wǎng)儀表已在多個(gè)煤礦中使用，在五溝煤礦成功預(yù)測了工作面底板的水流；應(yīng)使用電網(wǎng)法檢測工作賦格的轉(zhuǎn)換效果；應(yīng)使用并聯(lián)電網(wǎng)方法實(shí)時(shí)監(jiān)測礦區(qū)的積水情況，并對積水的變化過程進(jìn)行分析[10]。

4 煤礦防治水智能化技術(shù)展望

為建立和完善煤礦防治水智能技術(shù)體系，應(yīng)在以下3個(gè)方面進(jìn)行研究。

4.1 多源時(shí)空智能化探測技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，探測技術(shù)逐步得到完善，目前較常用的是智能傳感器技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測方法的現(xiàn)代化。機(jī)器人監(jiān)控、信息存儲(chǔ)智能管理，將實(shí)施水災(zāi)智能監(jiān)測和專家預(yù)警系統(tǒng)。通過3D地震現(xiàn)場探測機(jī)器人研究人工智能在物理探測行業(yè)的應(yīng)用。在采礦水域風(fēng)險(xiǎn)智能監(jiān)測領(lǐng)域，將建立一個(gè)完整的平臺(tái)，利用不同類型的傳感器收集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，以便通過自動(dòng)觀測工作和用戶設(shè)備，如地電磁，獲得礦井水害的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)[11]。

4.2 玻璃水文地質(zhì)技術(shù)

在對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析時(shí)，會(huì)使用到玻璃水文地質(zhì)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)是比較核心的。建立地質(zhì)信息系統(tǒng)，采集、管理、集成三維全息多尺度建模的處理分析和可視化技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地觀察地下地質(zhì)構(gòu)造，全面了解深部的水文地質(zhì)條件，直觀地感知深層文地質(zhì)變化過程，對水害活動(dòng)的全過程，包括礦井水害的發(fā)生過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的監(jiān)控。

4.3 基于人工智能的水害監(jiān)測大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

隨著探測和監(jiān)測方法的不斷豐富和改進(jìn)，與水災(zāi)相關(guān)的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長。因此，在對水災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，要重視在時(shí)空大數(shù)據(jù)中對有用信息進(jìn)行提取，這樣才能夠切實(shí)解決監(jiān)測方面的問題。在對透明環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘時(shí)，可以利用三維技術(shù)，融合出時(shí)空數(shù)據(jù)空間站，確保數(shù)據(jù)的挖掘過程的順利[12]。目前在對礦井防治水技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，會(huì)融合互聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等技術(shù)，這些技術(shù)不僅可以快速處理有關(guān)礦井水災(zāi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)也能根據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)體建立一個(gè)全面而精確的礦井水害預(yù)測模型。

5 結(jié)語

礦井水害防治的重點(diǎn)在于精準(zhǔn)預(yù)測，從而有針對性地提出防治措施。從水害探測裝備及相應(yīng)的技術(shù)方法出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)階段預(yù)測評(píng)價(jià)的主要智能化技術(shù)，論述了礦井水情遠(yuǎn)程監(jiān)測、煤礦排水自動(dòng)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測技術(shù)。在煤礦防治水智能化技術(shù)的發(fā)展趨勢方面，多源時(shí)空智能化探測技術(shù)、玻璃水文地質(zhì)以及基于人工智能的水害監(jiān)測大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將成為重要的發(fā)展方向。總之，準(zhǔn)確、有效的預(yù)測是煤礦防治技術(shù)智能化三要素的基本特征，而煤礦防治水智能化是有效識(shí)別和準(zhǔn)確控制隱患的重要技術(shù)手段。