煤矿防治水智能化技术与装备研究现状及展望

　第４７卷第３期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４７　Ｎｏ􀆰３　　２０１９年３月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｒ.２０１９　移动扫码阅读靳德武ꎬ乔　伟ꎬ李　鹏ꎬ等.煤矿防治水智能化技术与装备研究现状及展望[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１９ꎬ４７(３):１０－１７.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０３􀆰００２ＪＩＮＤｅｗｕꎬＱＩＡＯＷｅｉꎬＬＩＰｅｎｇꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｍｉｎｅｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ４７(３):１０－１７.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０３􀆰００２煤矿防治水智能化技术与装备研究现状及展望靳德武１ꎬ２ꎬ乔　伟１ꎬ２ꎬ李　鹏１ꎬ樊　娟１(１.中煤科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西西安　７１００７７ꎻ２.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室ꎬ陕西西安　７１００７７)摘　要:为了解决煤矿充水条件的精准探测、有效预测、动态监测和水害的可靠治理问题ꎬ人工智能和信息化技术在我国煤矿水害防治技术和装备中获得广泛应用并取得重要进展ꎮ依据智能感知、智能判断和智能执行等智能化技术三要素ꎬ将煤矿防治水智能化定义为水害致灾因素的有效筛选、自动识别和精准控制的过程ꎮ从５个方面系统地总结了煤矿防治水智能化技术现状:即探测装备的智能化芯片应用及数据处理智能算法、含水层富水性分区的信息融合法及煤层底板突水预测的统计学习法、基于智能化传感器及智能算法的矿井水情(害)实时监测预警系统、水害治理工程的信息化设计及智能控制注浆系统、紧急避灾最优路径搜索及突水水源快速识别ꎮ结果表明:水害探测装备及解释方法的智能化提高了装备的抗干扰能力ꎬ实现了探测数据的快速准确处理ꎻ煤层底板突水预测的统计学习法使突水预测精度由８２％提高到９１％ꎻ网络并行电法监测仪在五沟煤矿提前２ｄ成功预报了工作面底板突水ꎻ智能化注浆系统形成了高度定制化的制浆－注浆数字化解决方案ꎬ实现全自动造浆３０ｍ３/ｈꎻ避灾抢险智能化为矿井灾害情景下的井下人员合理疏散和应急救援提供了辅助决策支持平台ꎮ提出随着智慧矿山、透明矿井技术的不断发展与完善ꎬ多源时空智能化探(监)测、玻璃水文地质、水害监测大数据挖掘、井下救援机器人等将会成为热点研究方向ꎬ并最终形成煤矿防治水智能化技术体系ꎮ关键词:充水条件ꎻ智能矿井ꎻ多源时空监测ꎻ玻璃水文地质ꎻ救援机器人ꎻ水害预警ꎻ透明矿业中图分类号:ＴＤ６７ꎻＴＤ１２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１９)０３－００１０－０８ＲｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｍｉｎｅｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌＪＩＮＤｅｗｕ１ꎬ２ꎬＱＩＡＯＷｅｉ１ꎬ２ꎬＬＩＰｅｎｇ１ꎬＦＡＮＪｕａｎ１(１.Ｘｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏｒｐ.ꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｈａａｎｘｉＫｅｙＬａｂｏｆＭｉｎｅＷａｔｅｒＨａｚａｒｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｍｉｎｅｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｃｃｕｒａｔｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎬｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎꎬｄｙｎａｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｈａｚａｒｄꎬａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｅｃｈ￣ｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａａｎｄｇｒｅａｔｐｒｏｇｒｅｓｓｈａｓｂｅｅｎｍａｄｅ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｒｅｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｎａｍｅｌｙｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｊｕｄｇｍｅｎｔａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｅｘｅｃｕｔｉｏｎꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｆｉｎｅｓｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｗａｔｅｒａｓｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｃｒｅｅｎｉｎｇꎬａｕｔｏｍａｔｉｃｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｃｉｓｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｆａｃｔｏｒｓ.Ｔｈｅｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏａｌｍｉｎｅｗａ￣ｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｆｒｏｍｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｆｉｖｅａｓｐｅｃｔｓ:ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｈｉｐｓａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓꎬｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｕｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｗａｔｅｒ－ｒｉｃｈａｑｕｉｆｅｒｐａｒｔｉｔｉｏｎａｎｄｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｌｅａｒｎｉｎｇ－ｂａｓｅｄａｐｐｒｏａｃｈｅｓｏｆｃｏａｌｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎꎬｍｉｎｅｗａｔｅｒｓｉｔｕａｔｉｏｎｒｅａｌ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｗａｒｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｅｎｓｏｒａｎｄａｒｉｔｈｍｅｔｉｃꎬｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌｉｚｅｄｄｅ￣ｓｉｇｎａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｃｏｎｔｒｏｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬｓｅａｒｃｈｉｎｇｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐａｔｈｆｏｒｅｍｅｒｇｅｎｃｙａｖｏｉｄａｎｃｅａｎｄｒａｐｉｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｓｏｕｒｃｅｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｉｎｔｅｒｐｒｅｔａ￣ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｈａｖｅｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｂｉｌｉｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｄｅｔｅｃｔｅｄｈａｓｂｅｅｎａｃｃｅｌｅｒ􀆼收稿日期:２０１８－１１－１２ꎻ责任编辑:赵　瑞基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１７ＹＦＣ０８０４１０３)ꎻ国家自然科学基金资助项目(４１８０７２２１)作者简介:靳德武(１９６６—)ꎬ男ꎬ陕西蓝田人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]０１靳德武等:煤矿防治水智能化技术与装备研究现状及展望２０１９年第３期ａｔｅｄ.Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｌｅａｒｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｉｎｃｏａｌｓｅａｍｆｌｏｏｒｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｆｒｏｍ８２％ｔｏ９１％.ＩｎＷｕｇｏｕＣｏａｌＭｉｎｅꎬｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｐａｒａｌｌｅｌｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｐｒｅｄｉｃｔｅｄｔｈｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｆｒｏｍｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｆｌｏｏｒｔｗｏｄａｙｓｉｎａｄｖａｎｃｅ.Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｇｒｏｕｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｆｏｒｍｅｄａｈｉｇｈｌｙｃｕｓｔｏｍｉｚｅｄｄｉｇｉｔａｌｐｕｌｐｉｎｇ－ｇｒｏｕｔｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅａｎｄｒｅａｌｉｚｅｄａｕｔｏｍａｔｉｃｐｕｌｐｉｎｇ３０ｍ３/ｈ.Ｄｉｓａｓｔｅｒｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｃｕｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｖｉｄｅｓａｎａｕｘｉｌｉａｒｙｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｒｅａｓｏｎａｂｌｅｅｖａｃｕａｔｉｏｎａｎｄｅｍｅｒｇｅｎｃｙｒｅｓｃｕｅｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｅｒｓｏｎｎｅｌｕｎｄｅｒｔｈｅｍｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒｓｃｅｎａｒｉｏ.Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏａｌｍｉｎｅａｎｄｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｃｏａｌｍｉｎｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓꎬｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅｓｐａｔｉａｌ－ｔｅｍｐｏｒａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎬｇｌａｓｓｈｙｄｒｏ－ｇｅｏｌｏｇｙꎬｂｉｇｄａｔａｍｉｎｉｎｇｆｏｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｓｉｔｕａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎬａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｒｅｓｃｕｅｒｏｂｏｔｓｗｉｌｌｂｅｃｏｍｅｈｏｔｓｐｓｒｔｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅꎬａｎｄａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｙｓｔｅｍｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｗｉｌｌｆｉｎａｌｌｙｃｏｍｅｉｎｔｏｓｈａｐｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎻｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｅꎻｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎻｇｌａｓｓｈｙｄｒｏ－ｇｅｏｌｏｇｙꎻｒｅｓｃｕｅｒｏｂｏｔꎻｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｗａｒｎｉｎｇꎻｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｍｉｎｅ０　引　　言煤炭是我国的主体能源ꎬ是保障国民经济健康稳定发展的重要基石ꎮ煤矿水害是与瓦斯、煤尘、火和顶板灾害并列的５大灾害之一ꎬ突水不仅影响矿井正常生产ꎬ而且会造成重大财产损失与人员伤亡ꎬ因此ꎬ预防和控制矿井水害事故的发生是保障国家能源安全和维持经济社会可持续发展的一项重要任务[１]ꎮ近年来ꎬ随着物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的快速发展ꎬ矿山智能化技术正在逐步改变传统的煤矿水害防治模式ꎬ推动煤矿防治水技术不断创新与升级[２－３]ꎮ智能化是指使对象具备灵敏准确的感知功能、正确无偏的判断功能以及行之有效的执行功能而进行的关联工作ꎮ煤矿防治水智能化就是在水害探测、预测、监测、治理等装备、方法和工艺中ꎬ通过自动化、信息化和数字化“三化”融合策略ꎬ结合信息感知、智能算法、数据挖掘等先进技术ꎬ对水害致灾因素进行有效筛选、自动识别和反馈控制的过程ꎮ目前ꎬ煤矿防治水智能化技术仍然处于细分领域的探索阶段ꎬ尚未形成智能化技术体系ꎬ主要表现在探测装备及解释方法智能化、水害预测评价技术智能化、监测预警技术智能化、水害治理和避灾抢险技术智能化５个方面ꎮ１　煤矿水害探测装备及解释方法智能化煤矿水害探测技术及装备主要针对断层和陷落柱、含水层的富水性、隔水层的厚度等参数进行探测ꎮ近年来ꎬ随着集成电路、计算机、人工智能等技术的高速发展ꎬ煤矿水害探测技术及装备向着高分辨率、自动化、智能化的方向迈进ꎮ１.１　矿井高分辨三维地震勘探技术为了提高采集信号的信噪比和装备的抗干扰能力ꎬ三维地震勘探装备采用具有自适应、自我调整增益功能的智能检波器ꎮ在断层识别中ꎬ通常采用的方法是技术人员在三维地震数据的剖面图上进行手动解释ꎬ周期长、主观性强ꎮ为了克服这一缺点ꎬ学者们采用了多种人工智能算法进行断层识别:①使用“人工蚂蚁”方法压制不连续属性体中的噪声[４]ꎻ②使用融合地质经验知识的信号处理技术实现断层自动提取[５]ꎻ③应用人工神经网络生成断层概率体ꎬ实现断层的半自动识别[６]ꎮ１.２　瞬变电磁探测技术瞬变电磁技术对低阻体敏感ꎬ对场地适应能力强ꎬ施工效率高ꎬ是目前煤矿水害防治中隐蔽致灾水源探查的主要手段ꎮ为了提高瞬变电磁仪的抗干扰能力和数据处