罗天敏，庞 伟，刘旭东，于晓辉，王 恒

(1.国家能源集团新疆能源有限责任公司 信息管理中心，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.国能网信科技(北京)有限公司 咨询规划部，北京 100011； 3.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

煤矿智能化是工业社会发展的一个新阶段，是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[1]。近年来，深部、复杂地质条件矿井煤层开采日益增多，煤矿开采强度增大。煤矿进入深部开采后，原岩应力增大、瓦斯压力增高，由于围岩应力场的复杂性、围岩的大变形和强流变性、动力响应的突变性、深部岩体的脆延转化特性等，导致矿压显现、冲击地压危险持续上升，冲击地压灾害已成为严重的动力灾害之一[2-5]。煤矿冲击危险性实时监测预警是煤矿冲击地压治理体系中的一个重要环节[6-9]，而发生冲击地压的原因很多，只有针对性地进行监测和预警，才能取得理想的效果[10]。

目前，冲击地压的有效预警仍是一个重大技术难题，也是灾害防治的迫切需求。为了应对越来越严峻的冲击地压灾害，国内外煤矿企业、科研单位及设备厂家等经过多年的研究、开发和实践，使冲击地压监测预警手段实现了多样化。LI Z L等[11]通过时空预警方法可以在时间预警期间识别时间序列和岩爆风险区域的潜在岩爆风险；HE S Q等[12]提出构建综合预警模型并结合多个预警指标，提高了冲击地压监测预警精度；HE X Q等[13]结合物联网、云计算和大数据技术，对冲击地压发展趋势进行了预测，提高了灾害预警准确率；XUE Y R等[14]提出了一种基于遗传算法的多参数综合预警方法，解决了预警效能较低的问题。目前，国内冲击地压矿井一般使用监测电磁辐射、微震、地音、采动应力、支架压力、锚杆(索)受力等一系列参数的冲击地压监测预警系统，这些系统及成果多采用单参量监测预警，各种装备在监测原理、监测方式与监测侧重点等方面存在差异，使上述多种监测装备存在预警结果不一致的情况，导致仪器装备使用效率不高，甚至发生漏报、误报情况。这是许多冲击地压矿井监测存在的共性问题，即通过安装多个单一监测系统，获得了海量的数据，但是监测预警的准确率无法满足现场工程需求，且企业缺乏相关的监测数据分析专业人员，导致监测系统难以发挥应有的作用[15-17]。

因此，研究冲击地压灾害多系统、多参量监测预警信息的有机融合，实现对已有的和新的技术手段、装备的有关参数进行综合集成监测预警，是冲击地压矿井提高自身灾害监测预警水平亟待解决的现实问题的必由之路[18-21]。基于此，笔者从国家能源集团新疆能源有限责任公司(以下简称“国能新疆公司”)冲击地压防治与监测预警现状出发，经过现场调研、理论研究、硬软件开发，搭建冲击地压多参量集成监测预警本地化平台，以提高冲击地压监测预警效率及效果。

1 冲击地压监测预警存在的问题

针对矿井冲击地压监测预警问题，国能新疆公司开展了多年的技术攻关，取得了阶段性成果，引进、安装了多种监测预警设备，并已经投入使用。但还存在以下问题，需进一步深入研究：

1)冲击地压监测装备生产厂家多、数据量大、指标不统一、迭代更新慢。冲击地压监测参量和设备生产厂家多，致使各监测系统和不同的设备厂家生产的同类系统及装备之间难以建立统一规范的数据接口，积累了海量监测数据，但对监测数据特征及背后隐含的规律没有深入挖掘。各类冲击地压监测预警参量指标之间缺乏“同一时空”关联性，多为单指标预警。随着采掘更替，不同的矿井甚至同一矿井不同工作面的矿压显现都不相同，很难用同一种算法体系或预警指标进行研判，且参与预警的参量权重难以确定，这些直接影响到多参量集成监测预警效果。致使预警结果无法实现实时联合分析，监测预警结果的准确性有待进一步提高。

2)冲击地压监测数据挖掘分析利用程度低。例如：液压支架监测系统多采用界定临界预警应力值的简单方法进行实时预警，忽略了其增幅、增速等有效指标；微震系统多用于简单分析震动事件的位置和能量大小，缺乏提前预警处置；监测预警系统多采用采掘时的监测预警，对历史数据的规律性研究、归档等大数据分析工作开展较少。

3)冲击地压监测预警结果处理的时效性有待提高。部分已实现多参量联合监测预警的现代化矿井，在显现冲击地压预警时，仍需人工纸质审批与研判，造成预警处理时间过长，易导致事故发生。

4)冲击地压多参量集成监测预警技术亟待开展。虽然国能新疆公司在冲击地压矿井已安装了微震、地音、液压支架、顶板离层监测等多种监测设备，但监测预警效果并不理想。比如：电磁辐射监测范围较小且尚未实现定位；地音监测系统监测范围较小；微震监测一般需要根据大能量事件发生前一段时间内较小能量的统计规律来确定预警指标，短期预警较困难等。因此，有必要针对多种冲击地压监测设备开展冲击地压多参量综合前兆信息的研究，建立综合集成预警技术方法，提高灾害预警的准确性及可靠性。

2 冲击地压多参量集成监测预警平台本地化建设方案

国能新疆公司冲击地压监测平台是根据下属矿井冲击地压防治情况，基于工业互联网平台，结合大数据和人工智能的技术手段，为服务公司下属各个冲击地压矿井而建设。该平台采用集约化建设，可提供开发各矿井多参量集成监测预警系统的各类开发工具，并可根据各矿井实际场景和需求开发出适用的冲击地压监测预警系统；公司运用云边端架构，部署的私有云平台可提供数据挖掘和预警模型训练，针对性地将各矿井的数据挖掘和预警模型训练成果下发，以实现集团对冲击地压监测预警等数据的有效分析，支撑各下级矿区生产作业事前、事中和事后的综合分析，实现公司信息智能化升级，极大地保障生产作业安全、提升冲击地压灾害的预防预警能力。

2.1 预警平台整体架构

冲击地压多参量集成监测预警平台利用物联网、大数据、人工智能等技术，由数据源、IaaS层、PaaS层，以及综合展示组成平台架构体系。平台具体架构如图1所示。

图1 冲击地压多参量集成监测预警平台本地化架构图

2.1.1 数据源

数据源主要汇聚现场各类矿用设备系统数据等，如应力在线监测系统、微震监测系统、地音监测系统、电磁辐射监测系统等数据，实现现场各类工控参数、基础数据、地理信息、增量数据、实时数据等信息反馈，同时基于矿井现场不同的区域环境，并借助物联网实现数据的采集上传和处理，将整个底层数据信息提供给上层业务应用。

2.1.2 IaaS层

IaaS层主要借助公司私有云，结合多种通信技术，如以太网(局域通信技术)、Modbus、串口通信、NB-ioT等，实现边缘层数据资源的传输汇聚及上层业务应用基础运行。

2.1.3 PaaS层

PaaS层基于B/S架构并通过工业互联网平台，将一种包含应用服务平台、物联网平台、大数据平台、运维平台4个模块的多参量集成监测预警平台本地化，建立起自上而下的决策流和自下而上的信息流的闭环管理。平台可满足各类数据治理、开发训练和运维需求。

1)应用服务平台可满足完成融合信息录入、业务流转、事项审批、即时通信、数据洞察等业务节点的复杂业务应用要求，支持前后端组件，有效支撑、灵活构建个性化应用。应用服务平台由引擎组件、布局组件、视图组件、图表组件、常规组件5个功能模块组成。引擎组件基于DevOps及微服务架构实现IT层资源治理及业务流程能力提供，并以HTTPS及GRPC标准向上层应用统一赋能；布局组件满足应用界面布局要求，支持包括主页面布局、字表布局、子应用布局等组件运行；视图组件支持列表视图、看板视图、日历视图、占用视图和级联视图等组件运行；图表组件支持包括散点图、曲线图、条形图、密度图、柱状图、报表等组件运行；常规组件支持包括首页组件、大屏组件等组件运行。应用服务平台为监测系统的布局、报表系统、监测预警一张图等提供了便捷和快速灵活的运用环境。

2)物联网平台提供满足通过业内主流的物联网协议将矿区现有及未来可能接入的物联网设备数据纳入平台的要求，并提供设备管控、边缘计算及资源调度能力等功能，为上层应用有效使用物联网数据提供保障。物联网平台由设备接入、数据解析2个功能模块组成。设备接入提供支持Modbus、OPC等多协议，满足海量异构设备的泛化接入等功能；数据解析提供支持实时数据离线、在线数据高压缩比在线计算等数据解析功能，在保证效率的同时有效节省资源。物联网平台可利用数据挖掘为监测预警系统提供智能分析方法，及时对冲击地压危险区域进行预警。

3)大数据平台提供使目前现有的、即将建设的和未来的系统在业务、数据、技术和管理各层面实现高度的集成性和统一性的大数据运行环境支撑。提供全局统一数据接入工具运行环境，满足全面支持内外部、线上下多源异构数据接入，有效实现数据多向同步、实时互通，满足消除数据孤岛等部署功能运行需要。大数据平台由数据资源池、数据治理、数据服务3个功能模块组成。数据资源池汇集各底层系统的所有过程信息，灵活应用数据挖掘分析技术，满足系统各模块功能实现需求的数据资源池的运行；数据治理提供从各级业务数据中提取出有用的数据并进行清理，以保证数据正确性的数据治理工具运行；数据服务提供运用大数据核心业务应用分析技术，提升现有平台对数据的存储、计算、分析和管控能力的数据服务功能。大数据平台整合煤矿冲击地压全方位信息，实现数据分析成果共享，为业务决策提供有效支撑，实现安全风险管控、资源调度，保障煤矿企业安全生产。

4)运维平台提供IT访问安全、后台作业跟踪、配置管理数据库及IT服务管理能力。运维平台由组织运维、权限运维、安全审计、平台运维4个功能模块组成。组织运维提供全面、强大的从集团到分公司再到下属企业的多层级组织机构建模、业务分工、业务协作管理等功能；权限运维提供灵活的分级授权机制，通过权限的层次控制保证用户和数据安全的权限运维；安全审计对系统管理员及安全管理员的日常配置和审核工作进行检查的安全审计功能运行环境部署；平台运维支持记录数据监控、流程监控、组织架构、规则引擎、数据引擎等操作，确保系统能够可靠、高效、稳定运行的平台运维功能运行环境的部署。运维平台将监测系统的服务器、网络环境、数据库及应用系统纳入管理控制，进行统一整合，预警等信息可帮助运维人员迅速发现并处理解决问题。

2.1.4 综合展示

综合展示基于冲击地压多参量集成监测预警平台的应用需求，结合数字媒体技术，为矿区冲击地压监测预警平台提供多维服务，提升相关业务管理人员管理效能。

2.2 预警平台网络架构

冲击地压多参量集成监测预警平台网络架构如图2所示。

本APP还提供电子书下载功能，方便用户在无网络的情况下能够进行电子书阅读。下载的电子书以txt文件格式存放在本地手机。

图2 冲击地压多参量集成监测预警平台网络架构

监测预警系统数据通过管理网传输到物联网主机，物联网主机与公司数据中心服务器互联。矿区物联网主机采集的矿端微震、液压支架、地音、电磁辐射等数据，通过服务器发送至国能新疆公司冲击地压多参量集成监测预警平台进行存储、处理分析、信息发布等操作。平台提供统一的技术支持、运维、升级、迭代等服务。通过集团本地云资源，实现监测预警平台的本地化及下属矿井监测预警系统功能部署，用户通过权限网页访问的形式使用各自冲击地压监测预警系统。

2.3 矿井监测预警系统功能架构

通过国能新疆公司本地化部署平台对接下属矿井，根据需求，对所属矿井各个系统的数据进行统一采集，接入冲击地压多参量集成监测预警平台，完成下属矿井冲击地压集成监测预警系统功能本地化部署工作，确保平台稳定可靠运行。

矿井监测预警系统功能由冲击地压监测预警一张图、实时监测、综合预警、报表系统和设备管理等模块构成，具备冲击危险空间分区、危险分级、自主判识、实时预警、语音报警、智能可视化、远程服务等功能，可有效辨识生产过程冲击危险信息，提高冲击风险预警能力。实现冲击地压多元、海量、动态信息远程在线传输、云存储、数据融合、数据治理与挖掘和集成预警，建立煤矿冲击地压监测预警中心，形成“防冲部门—矿井—公司”三级监测预警网络。矿端监测预警系统功能架构如图3所示。

图3 矿井冲击地压多参量集成监测预警系统功能架构

3 矿井冲击地压多参量集成监测预警系统功能本地部署

3.1 系统基本部署功能模块

乌东煤矿是国能新疆公司第一个部署冲击地压多参量集成监测预警系统的矿井，基于公司工业互联网平台，开发了冲击地压监测预警系统。根据软件登陆信息授予用户相应使用权限，用户根据不同权限，通过简洁实用的软件登陆界面，并根据不同的权限浏览对应的信息。且数据文件Web化，研究人员通过网页浏览器即可登陆进入信息显示界面，并通过不同检索条件获得所登陆矿井的分析结果。

3.2 系统主要功能

冲击地压多参量集成监测预警系统的主要用户包括煤矿企业冲击地压监管科室、综合调度指挥中心、运维服务机构。不同用户输入相应账号和密码即可登录预警系统，获取所需的应用服务。预警系统功能模块主要包括监测预警一张图、实时监测、综合预警、设备管理、语音报警、报表系统等。

1)监测预警一张图。基于大数据和人工智能技术，可实现支架压力、微震实时能量、微震日能量与频次、地音累计能量与频次、多参量综合预警信息、微震一张表等动态信息的在线传输、存储、展示，可多维度宏观展现矿井冲击危险总体态势。监控人员可通过该图了解各区域监测系统运行、危险预警、数据差异等情况。实现对全矿井各区各工作面冲击危险区域的“全天候” “全方位” “全向量”的实时动态感知，以及冲击危险的智能预警和语音报警。通过一张图，工作人员对发现的异常指标，可直接操作至相应子系统，对监测数据及预警详情进行分析，辅助技术人员进行科学决策。

2)实时监测。实时监测预警模块实现对乌东煤矿微震、地音、液压支架等监测系统监测参数的实时采集和呈现，实现将多个系统集中在一个屏幕上切换显示。实时监测模块能够实现对煤岩层应力、微震实时波动、微震日累计波动、地音实时能量和脉冲等监测数据的自动实时采集，支持能量、进度、工作面、脉冲等信息录入。且相关数据或信息可通过实时监测模块动态展示，如应力测点按应力大小用不同颜色显示，微震事件按能量大小用不同颜色、不同大小的柱状图显示，地音监测按脉冲能量用不同颜色显示，微震空间参数实时监测界面用不同颜色代表危险发生状况。工作人员可同时查看不同的工作面、监测系统和测点的监测情况，从而提高了数据分析效率，一定程度上保障了矿井安全生产。

4)报表系统。报表系统模块的主要功能是实现标准化一键生成报表，满足工作人员整理数据、分析各监测系统数据的需求，协助制定科学防治决策，供公司检查和存档。综合分析日报表，每日可根据开采过程中各监测系统获取的数据进行分析，评价现场危险状态并记录所采取的防治措施，以便工作人员进行标准化管理；通过对采掘工作面名称、日推进工作面位置、剩余可采长度、当日班次信息进行统计分析，同时手动填写电磁辐射、钻屑量、矿压解危措施、进放煤时间统计、工作面信息，生成报表。系统的报表模块基于乌东煤矿实际情况，定制开发了一键生成报表功能，使原需2.5 h才能完成的报表，在15 min内即可一键自动生成，节省90%的工作时间，极大提高了人员工作效能。

5)设备管理。设备管理模块主要功能是管理设备运行状态，对地音、液压、微震等系统设备和工作面各监测设备状态进行排查，及时显示处于故障状态的设备，便于工作人员了解设备运行情况，并及时维修更换，避免监测不全面而发生事故。系统的设备管理模块可实时查看各系统监测设备的运行状态，防冲办技术员也可根据乌东煤矿实际采掘情况增加、删除工作面，平台自动调整各模块对应数据，满足平台本地化便捷运维要求。

6)语音报警。语音报警模块主要播报预警程度、危险等级，以及建议采取的措施，并根据危险程度等级的变化界面展现出不同的状态。当危险程度<0.25，此时无危险，不进行预警；当0.25≤危险程度<0.50，此时为弱危险；当0.50≤危险程度<0.75，此时为中等危险；当危险程度≥0.75，此时为强危险。工作人员可根据相应情况，点击确认键结束预警信息播报，实现管理人员对预警信息的主动获取。

4 多参量集成预警模型开发及其在平台的应用效果

4.1 矿井冲击地压前兆预警指标挖掘

乌东煤矿自安装了ARAMIS M/E 微震监测系统和 KJ623 地音监测系统以来，积累了海量的历史监测数据，对这些监测数据进行深入挖掘以提取可靠的冲击地压前兆预警指标是实现对冲击准确预警的关键。利用统计学、专家知识等方法，针对井下各个监测系统的数据特性及其对冲击事件的响应特征，建立了冲击地压前兆预警指标体系，包含频次偏差值DF、频次比Fr、离散度Ds、能量偏差值DE、能量偏差高值总数DH等，具体计算公式如表1所示。

表1 冲击前兆预警指标计算公式

应用乌东煤矿某冲击地压案例发生前后一个半月内的微震、地音监测数据，绘制如图4所示的前兆特征参量时序变化曲线。该时间段内共有5个能量大于105J的微震事件，按照时间先后编号为①～⑤(①2016-12-23T05:50:37，1.10×107J；②2017-01-05T14:45:25，1.50×106J；③2017-01-08T14:23:01，1.60×105J；④2017-01-10T20:07:07，7.10×105J；⑤2017-02-01T21:51:21，2.10×108J)。

由图4可以看出，在冲击地压或大能量事件发生前,各预警指标都出现了明显的响应特征，在事件发生前两天内出现明显波动并且超过了对应的临界值，可对冲击地压的准确监测预警提供较好的决策辅助。

4.2 冲击地压多参量集成预警模型

利用机器学习中的遗传算法，作为最优预警临界值指标的寻优方法，并结合R值评分法作为评价指标预警效能的适应度函数，构建如图5所示的冲击地压多参量集成预警模型。

图5 冲击危险多参量集成监测预警流程图

该方法首先将各系统冲击前兆特征参量两两组合后输入遗传算法中进行训练得到最优临界值V1、V2和适应度R，再比较不同特征参量组合的适应度值，取最大的1～2组作为该监测系统的前兆特征参量，并将该特征参量与其对应的临界值相比较，若超过临界值则预警程度加1(初始值为0)。利用MATLAB R2014a 编制相应代码，在计算机仿真环境中进行模拟训练，其中利用遗传算法训练最优临界值的计算过程如图6所示。

(a)运算过程中最佳适应度值和平均适应度值变化情况

之后，根据式(1)计算多系统融合冲击危险性预警指数ICi：

(1)

式中：WCi为某监测系统第i时刻的综合预警指数；RCi为利用R值评分法基于综合预警指数WCi计算出的该系统预警效能。

WCi的计算公式如下：

(2)

式中：Wi表示单系统不同特征参量组合或单系统不同传感器的预警程度；Rj表示单系统不同特征参量组合或单系统不同传感器的预警效能。

R值评分法的计算公式如下：

(3)

4.3 多参量集成预警模型应用效果

2017-03-07—2017-12-28，乌东煤矿共发生10次能量大于105J 的微震事件，包含 “4·26” 冲击地压事件。为了避免产生系统误差，认为发生时间和地理坐标极接近且能量大于105J 的微震事件属于同一次大能量事件，如发生在9月21日的4次连续微震事件为同一次事件，故最终认为此时间段共发生了6次事件，依时序按 ①～⑥编号。利用R值评分法计算此时间段不同监测系统的预警效能，判断预警成败的依据是：综合预警指数WCi在事件发生前三天内超过0.5则预报成功；反之，则失败。结果如表 2所示。

表2 不同监测系统的预警效能

计算多系统集成冲击危险性预警指数IC，结果如图7所示(①2017-03-21T19:10:00，3.9×107J；2017-03-21T20:03:00，6.0×105J；②2017-04-14T22:55:00，2.8×105J；③2017-04-26T20:06:00，2.20×106J；④2017-09-21T04:41:00，3.9×106J；2017-09-21T04:42:00，2.5×106J；2017-09-21T04:43:00，4.4×106J；2017-09-21T04:44:00，9.5×106J；⑤2017-11-05T06:39:00，1.3×105J；⑥2017-12-04T18:41:00，2.7×105J)。

图7 多系统集成冲击危险性综合预警指数IC

如图7中红色方框内所示，在事件发生的前3天，冲击危险综合预警指数IC都达到了 0.5 以上，达到中等或强冲击危险，表示该指数的变化与事件的发生有明显的相关性，可以为事件提供有效的预警。并且该指数综合多系统的时—空—强多维特征参量，为冲击危险提供前兆信息，根据R值评分法，运用式(3)计算其预警效能R=0.896。

可以看出R明显高于微震单系统的预警效能0.763和地音单系统的预警效能0.621，这是由于在对多系统预警结果进行综合集成时，不同监测系统之间相互提供预警判据且多维特征参量预警结果相互验证，排除了单系统偶然因素的影响，从而提高了预警准确率，最终使其预警效能高于单个监测系统。

冲击危险性综合预警指数IC能有效地评价冲击地压实际危险程度，并且综合了多系统多参量监测优势，便于阅读且能实时定量地为矿山提供预警信息，使矿山能够更高效、准确地对冲击地压灾害进行防范治理，从而避免重大人员伤亡及财产损失，对安全生产有重大意义。

5 结论

1)冲击地压多参量集成监测预警平台本地化部署后，现场数据通过物联网主机采集后经集团公司内部专网直接传输至本地数据库保存，数据上传速度和完整性有较大提高。

2)平台本地化部署后，运行环境仅受现场及集团网络影响，运行过程在一个相对封闭的环境中进行，受外网影响及攻击隐患减小，运行过程稳定，平台运作效率更高。且IT设备无论是使用云平台或物理机，均使用集团内部网络安全设备，由集团统一对网络安全进行管控，安全性大大提高的同时，减少了设备的投入。

3)建立了适用于下属乌东煤矿的监测预警指标体系并融合至平台系统，包括频次偏差值DF、频次比Fr、离散度Ds、能量偏差值DE、能量偏差高值总数DH等。各预警指标对冲击地压具有一定响应，以此为基础并结合遗传算法和R值评分法构建了乌东煤矿多系统多参量集成预警模型，现场应用显示可大幅度提高冲击地压灾害预警的准确性。