在貴州深邃復(fù)雜的礦井地層之下，一張由萬(wàn)米光纜織就的“全光感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”正晝夜不息地運(yùn)行。它不帶電、不懼水、抗干擾，能敏銳捕捉到巖體深處微如呼吸的破裂信號(hào)，在煤與瓦斯突出等災(zāi)害發(fā)生前搶出寶貴的“生命時(shí)間”。
12月16日，記者走進(jìn)貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司，探訪貴州省能源智能開(kāi)發(fā)與高效利用實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱貴州能源實(shí)驗(yàn)室）。這里自主研發(fā)的“全光纖微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)的根本性突破——其監(jiān)測(cè)靈敏度相比傳統(tǒng)電學(xué)設(shè)備提升10倍以上，不僅榮獲中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，更為我國(guó)復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤礦安全生產(chǎn)裝上了一道“國(guó)產(chǎn)光纖防線”。
從“模糊聽(tīng)診”到“顯微透視”，以加速度“顯微鏡”捕捉毫末之變
“如果把煤礦巖體比作人體，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備像是在聽(tīng)診，而我們的系統(tǒng)則是在進(jìn)行高精度的CT掃描?！痹趯?shí)驗(yàn)室里，副主任李青松介紹。
該系統(tǒng)由微震監(jiān)測(cè)主機(jī)、光纖加速度傳感器和微震分析平臺(tái)三部分組成。與傳統(tǒng)設(shè)備不同，它完全摒棄了電子傳感器路線，采用全光纖干涉技術(shù)，利用光波在光纖中傳播的相位變化來(lái)反推外界振動(dòng)。
“靈敏度提升10倍以上，在工程上是一個(gè)巨大的跨越?！崩钋嗨烧f(shuō)，“這套設(shè)備的靈敏度達(dá)到了0.1μg@1KHz——在1000赫茲的振動(dòng)頻率下，哪怕加速度的變化僅有重力加速度的千萬(wàn)分之一，傳感器也能精準(zhǔn)識(shí)別。”
此外，該技術(shù)不僅“聽(tīng)”得清，而且“聽(tīng)”得寬。其頻率測(cè)量范圍覆蓋0.5至1200Hz，既能監(jiān)測(cè)到低頻的巖體蠕變，也能捕捉到高頻的煤巖斷裂，解決了傳統(tǒng)設(shè)備“漏聽(tīng)”極小能量微震事件的難題，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)災(zāi)害前兆的“明察秋毫”。
破除“黑盒”困局，萬(wàn)米光纜鋪就自主可控的“礦山波形指紋庫(kù)”
“過(guò)去，我們?cè)M(jìn)國(guó)外的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但數(shù)據(jù)格式封閉、接口協(xié)議不開(kāi)源、核心定位算法不透明，就像一個(gè)‘黑盒子’?！辟F州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司瓦斯分院院長(zhǎng)衡獻(xiàn)偉指出：“這導(dǎo)致我們不僅維護(hù)成本高昂，更無(wú)法根據(jù)貴州特有的地質(zhì)條件進(jìn)行算法優(yōu)化?！?/span>
為打破這一技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控，研發(fā)團(tuán)隊(duì)選擇了最艱難的攻堅(jiān)之路。
攻關(guān)期間，團(tuán)隊(duì)將實(shí)驗(yàn)室“搬”到了煤礦生產(chǎn)一線。為獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，李青松和團(tuán)隊(duì)深入義忠、林華等煤礦，在巷道中鋪設(shè)超萬(wàn)米光纜，連續(xù)駐守井下三個(gè)月。我們面對(duì)的是井下鉆機(jī)轟鳴、皮帶運(yùn)輸、爆破震動(dòng)等數(shù)千倍于有效信號(hào)的強(qiáng)噪音環(huán)境。
“我們要做的，是在海量噪音中‘淘’出真正的危機(jī)信號(hào)。”衡獻(xiàn)偉介紹。團(tuán)隊(duì)采集了400TB的有效微震數(shù)據(jù)，采用深度學(xué)習(xí)和連續(xù)小波變換等技術(shù)，逐一甄別機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾與巖石破裂信號(hào)，構(gòu)建起屬于中國(guó)礦山的“典型波形指紋庫(kù)”。
正是基于這些帶泥土味、煤灰味的實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“信號(hào)處理－事件解析－定位反演－機(jī)制分析－預(yù)警決策”技術(shù)體系，徹底擺脫了對(duì)國(guó)外算法的依賴。
從“被動(dòng)防災(zāi)”到“秒級(jí)預(yù)警”，預(yù)警準(zhǔn)確率超91%守護(hù)生命防線
“過(guò)去瓦斯監(jiān)測(cè)主要靠濃度閾值報(bào)警，往往是指標(biāo)紅了，危險(xiǎn)已經(jīng)逼近了，存在明顯的滯后性。”站在實(shí)驗(yàn)室展示區(qū)，瓦斯分院產(chǎn)品研發(fā)部部長(zhǎng)左金芳身后的光纖傳感設(shè)備整齊排列。
“全光纖微震監(jiān)測(cè)技術(shù)將防線大幅前移。將微震數(shù)據(jù)與瓦斯、礦壓等多源數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建了瓦斯災(zāi)害預(yù)警大模型?！弊蠼鸱冀榻B，這個(gè)技術(shù)能捕捉煤與瓦斯突出前的“微破裂”前兆，通過(guò)分析微震事件的時(shí)空演化規(guī)律，實(shí)時(shí)將工作面劃分為正常、威脅、危險(xiǎn)三個(gè)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)危險(xiǎn)源“時(shí)-空-強(qiáng)”多維度的快速辨識(shí)與秒級(jí)響應(yīng)。
目前，該技術(shù)已在貴州能源集團(tuán)下屬多個(gè)礦井成功應(yīng)用，預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)到91%。在一個(gè)真實(shí)案例中，系統(tǒng)連續(xù)觸發(fā)微震能量預(yù)警，并敏銳捕捉到瓦斯?jié)舛鹊奈⑿‘惓２▌?dòng)。經(jīng)礦方排查，在回采工作面30米外發(fā)現(xiàn)了隱蔽的地質(zhì)構(gòu)造異常，成功避免了一起潛在的動(dòng)力災(zāi)害事故。
“我們正在研發(fā)下一代設(shè)備，致力于打造‘一設(shè)備多感知’的一體化終端。”左金芳透露，未來(lái)的傳感器將不再局限于微震監(jiān)測(cè)，而是集成應(yīng)力、溫度等多參量傳感單元，并融合AI人工智能大模型，提高對(duì)災(zāi)變信號(hào)的智能篩選與自動(dòng)解譯技術(shù)。
作為省級(jí)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新平臺(tái)，這里正成為技術(shù)輻射的策源地。依托“富礦精開(kāi)”戰(zhàn)略，該項(xiàng)技術(shù)正走出煤礦，向頁(yè)巖氣壓裂監(jiān)測(cè)、隧道巖爆預(yù)警、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域延伸，致力于解決更多重大基礎(chǔ)設(shè)施的安全痛點(diǎn)。
“我們不僅要解決當(dāng)下的安全問(wèn)題，更要帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)集聚?！弊蠼鸱急硎?，通過(guò)技術(shù)孵化，將吸引傳感器制造、軟件開(kāi)發(fā)等企業(yè)落地，形成區(qū)域性全光纖監(jiān)測(cè)產(chǎn)業(yè)集群，為貴州新型工業(yè)化與安全生產(chǎn)提供雙重科技支撐。（貴州日?qǐng)?bào)天眼新聞?dòng)浾?張凌）
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