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| 煤矿智能全息水文地质管控平台构建 |
安全、高效、绿色、智能开采是煤炭人肩负的使命。煤炭开采过程中常常受到水害威胁，给我国能源安全和国民经济稳定发展带来隐患。2012至2022年间，全国煤矿共发生水灾致死事故118起，经济损失和社会影响严重。随着浅部能源的逐渐枯竭及煤炭开采总量的不断增加，煤矿开采深度以平均10～25m/a的速度快速向深部延伸，深部开采面对的高承压水突水隐患形势更加严峻。煤矿各业务子系统纵多，协议标准不统一，数据孤岛、信息烟囱林立，安全系统保障功能孤立，《煤矿智能化建设指南》要求煤矿各业务应用全面一体化集成，打通管理孤岛、数据孤岛。矿井水害防治同样面临相似难题。为解决此类问题，承担起安全、智能开采地质保障先锋，华虹公司研发团队充分应用大数据、物联网、地质建模等技术，将透明地质三维建模与矿井水害防治措施深度融合，构建了“煤矿智能全息水文地质管控平台”，包括水文地质信息管理、水文动态监测、物理场监测、三维建模、水害预警管控等子系统。
1.平台构建思路与对策
武强院士团队通过集成与挖掘矿井水害所有可能的历史和实时数据，建立云环境下多源异构、大规模、跨领域资源“一张图”，实现预测预警、应急疏散、设备管理等功能。本团队在此研究基础上提出“一个体”创新理念，将矿山透明地质空间数据、属性数据、时态数据与采矿工程数据融合所形成一套时空一致、标准统一的大数据体，将水文地质相关静态基础数据、三大监测系统动态数据融入三维地质模型，实现矿山时空全息可视化表达。
1.1 查明矿井水空间赋存位置
通过采前物探、钻探等手段，实现深部突水通道和隐性裂隙带全空间探查。通过建立水文地质空间地理信息数据库，将矿井基础数据、水文地质静态数据、动态数据进行实时迁移入库，录入封孔不良钻孔、老空积水区、含（导）水构造、主要含水层等已知危险源的空间位置信息，为透明地质三维建模做好数据准备，为防止采掘工程误揭危险区提供可视支撑。
1.2 监测矿井水情动态变化
通过水文动态监测实现井上下各水文监测点的水位、水压、水质等信息的自动采集、显示、上传。针对存在受水威胁的重点区域，选择电法、微震监测手段，配合水文监测对回采工作面或掘进巷道进行实时震电监测，研判回采过程中导水构造是否活化、注浆治理工程是否局部失效等水情隐患，将水情监测从末端引向隐伏态的源头。
1.3 多源数据空间一体化融合分析
在“一个体”透明空间中实时重构各水文点的水情变化，并同步展现因采动破坏引发的断裂微震、因裂隙水导升和构造活化引发的介质电阻率等隐伏的水情动向，完成全息水情监测，将水情监测从末端引向隐伏态的源头。“一个体”全息、全方位的展示可助力专业人员充分挖掘监测大数据中的潜在信息，对多源数据进行交叉验证，对水情事件进行联合预警，显著提高监测系统使用效率与价值。
1.4 针对性地水害预警管控
平台充分应用物联网规则引擎技术，将水情事件涉及的预警方法选择、指标设定、信息推送、设备联动控制等预警管控流程节点化、可视化，灵活应用于不同场景下的应急处置，充分贯彻国家“一矿一策、一面一策”的水害防治精神。
2.平台架构
针对煤矿突水监测手段单一分散、观测点空间覆盖不全、预警管控水平不高、综合可视化不强等问题，基于伪随机多频电法、三分量微震事件定位、高斯-牛顿法三维电阻率反演、参数化建模、物联网平台、规则引擎等技术，集成开发了煤矿智能全息水文地质管控平台。平台架构如图1所示，自下而上分为感知层、传输接入层、数据资源层、支撑层、应用层、展示层和用户层。
 图1 煤矿全息水文地质管控平台架构
3.1水文地质信息管理系统
系统从矿井防治水基础工作入手，详细分析了防治水信息的数据来源、数据特征及数据流程，建立了数据模型和逻辑数据模型，对防治水相关信息进行了抽象、汇总和组织。按照国家矿山基础信息相关标准，兼顾系统空间信息分析原则，结合面对对象的设计思路，对各类信息进行分类与编码，为统一行业规范与软件接口提供了标准。实现煤矿水文地质基础信息的统一入库和标准化存储，包括采掘工程与水有关的空间信息和属性信息、防治水机构、制度以及新版《煤矿防治水细则》中要求的16类台账、6类基础图、12类专业报告统一化、标准化管理。
 图2 防治水基础台账管理
系统以RS485、工业环网、GPRS网络为通信平台，通过与地面遥测分站、井下监测分站、通信分站等采集终端实时交互，以企业内部服务器和云服务器为控制中心与发布中心，为矿井水文动态监测提供自动采集、自动上传、自动分析、自动预报的智能应用。实现大气降水、地表水、地下水动态监测。系统能够采集、上传地面大气降水量，地面水体流速、流量等，矿井涌水量，井下排水量，地面水文长观孔水压、水位、水质等，井下疏放水钻孔流量、水温、水压等信息。重点对地面长观孔、井下涌水、排水等测点异常信息进行实时监测，超限报警。
3.3地球物理场监测系统
系统基于伪随机信号的多频电法监测，利用伪随机对应辨识技术同步提取多频观测值，实现巷道围岩体富水性变化的电阻率异常响应，并采用拟高斯-牛顿法对预处理后的数据进行三维电阻率反演。同时通过在工作面两巷布置的深部微震传感器，接收煤层采动造成的岩层压裂诱发的震动信号，采用三分量微震事件定位技术反演求出各震源点的空间真实位置和微震事件能量大小等参数。采用电法和微震两种地球物理监测手段，配合水文监测系统对回采工作面或掘进巷道存在水害的高风险区域进行实时地电场、震动场监测，有效解决单一物理勘探方法的局限性和多解性，为煤矿防治水工作提供了有效的技术手段。
3.4三维建模系统
系统形成一整套三维坐标快速提取技术，可快速从矿井地形地质图、煤层底板等高线图、勘探线剖面图、钻孔柱状图等图件中提取地面地形、巷道空间位置、煤层底板起伏、断层边界、陷落柱轮廓等地质建模对象的三维坐标，极大缩短了三维地质建模数据处理周期。基于Three.js三维建模引擎，开发了多款煤矿透明地质对象建模专用组件，在对地面地形、井巷工程、含水层、含导水构造、煤层等地质对象三维空间数据、属性数据透明化统一管理的基础上，系统可快速对煤矿地面地形、工业广场、井巷工程、采掘工作面、构造与异常、地层、煤层、积水区等水文地质对象进行参数化建模，实现水文地质三维表达和模型应用，如图4，也为其它系统的接入、显示提供共享载体。
 图3 建模预览
系统根据国内突水水源的实际情况，提供包含Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-、NO3-、K+、Na+、Mg2+、TDS、PH等42种指标作为水源类型判别因子，根据水体运移的时空规律，以采样点三维空间坐标、化验时间和判别因子为参数，兼顾突水水源快速检测实时性、可靠性的要求，提出改进的灰色关联分析、Fisher算法分析、Piper三线图等分析方法。系统对水样数据进行录入、管理、查询，在保证识别效率的前提下，利用上述地下水水化学成分分析方法，通过标准水样配置，对水源类型进行全面水质分析和高精度精准识别，并进行标准化统一管理，判别水质水源类型生成对象水质分析台账。
 图4 水质分析成果
系统在矿级的主控端及集团级的平台端分别实现相应的预警管控机制，实现多层级一体化建设，满足智能化预警管控需要。水害预警对象包括地球物理勘探已查明的水害危险源、水流场异常变化、地球物理场异常变化、多场多参量异常变化等。对预警对象及数据进行分类分级界定、统一管理。并实时关联采掘工作面掘进或回采进度，运用空间分析与统计分析工具，进行智能分析，对水害事件进行三维可视化动态预警。预警模式包括单一指标预警、多指标预警、模糊数学综合预警三种。通过规则引擎技术，实现预警方法选择、预警阈值设定、设备管理、通知管理、告警管理等功能。通过预警指令的触发与推送，可将平台与矿井抽排水等外部系统联动，紧急情况触发应急处置的管控联动，实现智能化预警管控目标。
3.7数智大屏系统
结合数据源类型匹配可视化资源，支持多种数据展示形式，为不同应用场景提供数智大屏解决方案，实现矿井水文动态监测的基础信息、关联信息、预测信息等统一部署，做到一屏尽显，一目了然。
 图5 数智大屏编辑页
将矿井地球物理场的监测等多源数据融入到系统中，实现全息水情的监测，不但可以监测各水文观测点的变化，还可以监测到因采动动力破坏引发的断裂微震、因裂隙水导升及构造活化而引发的介质电阻率等物性变化等隐伏的水情动向，将水情监测从末端引向隐伏态的源头，实现全流程监测。能大幅提升系统的前置预警能力，为防治水工作争取时间，使防治水工作能从被动应急蜕变为主动作为，提升到“治未病”的“上医”水平。
 图6 “一个体”展示
煤矿智能全息水文地质管控平台为矿井水文地质数据管理、水害预警防控提供了新的手段。平台基于透明地质三维可视化建模，将矿井水涉及的所有看得见的水文信息和看不见的关联信息进行一个体表达，克服传统二维平面图中难以区分三维空间关系的不足，可助力专业水文地质工作人员充分挖掘井上下渗流场及地球物理场监测数据中的潜在信息，对水情事件进行联合分析，显著提高监测系统使用效率与价值，具有良好的推广应用效果。该平台已在多个矿区进行推广建设。在矿井水文地质信息管理方面，将16项1000余份防治水基础台账、50余份防治水图件报告纳入系统管理。并将地表260个钻孔柱状、2万余米巷道、200余份地球物理探测成果、58条断层等透明地质工程信息录入三维建模系统，并构建了矿井水文地质精细模型，其基于透明地质的电法与微震耦合监测系统，指导了1个3km长200米宽的回采工作面施工，成功实现了3个断层破碎带涌水量动态预测，精度满足生产要求，有效提升了该矿的矿井水害防治技术水平。
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福州华虹智能科技股份有限公司 |
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