0 引言

为满足国民生产发展需求，资源开发不断向深部地下转移。目前，中国煤炭开采深度已超过1 500 m，南非金矿开采深度已超过4 350 m，油气资源开采深度甚至达到7 500 m，未来深部资源开采将成为常态[1]。随着采掘深度增加，地应力增高，岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩体动力失稳引起的灾害频繁发生，造成巨大的人员伤亡及财产损失。2004—2014年，中国煤矿仅顶板事故就发生10 664起，占煤矿各类事故总起数的52.7%，死亡12 518人，占煤矿事故总死亡人数的36.8%。在此期间，平顶山、抚顺、华亭、义马等地区的多家煤矿先后发生冲击地压重大矿山灾害35次，造成300余人死亡，上千人受伤[2-4]。

煤岩动力灾害成因复杂，巷道围岩变形失稳是其发生的直接原因。在地下矿山开采过程中，巷道围岩结构变化失稳演化过程处于内部要素与外部环境的相互作用中，具有显著的非线性特征，导致岩体结构极不稳定，对微小扰动极其敏感，容易引发较大的煤岩动力灾害。另外，由于影响围岩结构变化的各因素之间存在非线性耦合，使得煤岩体失稳演化成因复杂，传统深部地下巷道围岩监测理论与方法表现不尽人意。

为减少井下巷道围岩失稳造成的煤岩动力灾害，根据失稳机理在外部物理与力学方面的表现，现有研究从应力场、变形场、地电场、地震场等角度，提出了应力、微震、电磁辐射、声发射等深部巷道围岩实时监测技术。然而，上述监测技术基于单一物理量的数据采集，仍停留于独立的分析和应用，忽视了各物理量之间的非线性耦合关系，缺乏多物理量的联合监测与分析，无法准确地研判围岩结构变形状态。实现围岩结构的多源、多场监测是构建智慧矿山的必然趋势。

多源、多场监测信息具有异构性、海量多样的特点，各物理量信息之间存在复杂的时空关联关系。同时，矿山开采活动使围岩所处的外部环境具有动态性，需要在复杂动态多变的环境条件下感知获取多种监测对象的准确信息。总体来说，多源、多场围岩结构监测呈现复杂、多样、动态、关联等特点。因此，需要采用传感、数据采集与传输、信息处理与分析等信息与智能技术和方法，将多种监测系统集成于同一信息化平台上，实现围岩结构稳定性实时监测与煤岩动力灾害预警。

本文在总结分析深部地下巷道围岩监测理论及其研究进展的基础上，阐述了深部地下巷道围岩结构监测信息化关键技术，讨论了实现深部地下巷道围岩结构监测信息化所面临的挑战。

1 巷道围岩监测理论

围岩监测技术作为围岩稳定性控制的重要环节，对巷道支护设计与灾害预警起到了积极反馈及决策支持作用。矿山巷道发生的坍塌冒落、大变形及煤岩动力灾害均由不同程度的煤岩体失稳所造成，是极其复杂的非线性动力学演化过程。从结构力学、动力学等理论角度来分析围岩失稳机理是巷道围岩监测技术发展的理论基础。

经典力学弹塑性理论认为煤巷开挖时围岩会出现异常的、较大的弹性变形行为，此时围岩处于弹性变形阶段，煤体的应力-应变关系表现出强烈的非线性行为[5-6]。有研究认为岩体断裂破坏是其非连续变形的结果，深部岩体弹性模量呈现出非线性变化[7]。此外，岩石变形破坏过程中能量积聚、传递、耗散和释放具有一定规律，并与岩石强度存在联系。因此，可通过定量表征深部煤岩体的应力场、能量场、空间分布和集聚位置来开展围岩稳定性分析。

冒落拱理论[8]、采场砌体梁理论[9]将围岩稳定性看作围岩结构问题来分析。由于不同岩石结构的力学响应不同，围岩结构稳定与力学条件具有相关性。长壁采场覆岩空间结构理论针对不同空间结构下的矿压与微震之间规律进行研究，可用于冲击危险性评价[10-12]。对覆岩整体空间结构演化的研究表明，覆岩结构失稳型冲击地压是由围岩断裂、破裂的分布与形式等结构态势与其周围应力场差异共同影响的结果[13]，表现出的围岩断裂规模和破坏程度差别很大。在研究围岩应力场的同时，对围岩结构变形因素的监控也十分重要。基于新奥法的检测反馈原理在采用支护系统加固围岩的同时，通过对围岩和支护结构变形、压力等因素的测量、监控来判断围岩稳定性。该类方法不仅避开了岩体受力、变形和破坏的具体过程，还可实时监控煤矿开采扰动，为解决复杂的岩石工程问题提供了新思路。

矿山巷道围岩变形破坏形成机理复杂，是以应力为主的内部演化与外部支护条件、开采扰动等共同作用的结果。因此，应力、变形量、应力场及能量场变化呈现出的物理力学特征是直接、可靠判断围岩稳定性的依据，也是巷道监测的重要对象。

2 巷道围岩监测技术与方法

基于对巷道围岩变形机理的认识，从应力、支护条件、开采扰动等方面出发，根据监测目标不同，将巷道围岩监测技术大致分为2类：一类是针对应力或变形量的局部监测技术，包括钻屑法、岩饼法、应力测量法、围岩变形监测法等[14-15]，通过监测局部围岩的物理指标，直接或间接取得围岩应力；另一类是探测地震场、地电场等能量场物理特征的系统监测技术，如地震法[16]、地电法[17]，通过连续记录煤岩体相应物理场信息，获得连续区域的围岩状态。

2.1 局部监测技术

应力是围岩稳定性研究的重要对象。巷道围岩局部监测技术侧重对围岩应力的实时测量与连续监测，采用直接或间接方法测量应力或变形量，进而得到监测区域危险性评价与预测结果。

钻屑法通过监测受压煤层打钻所产生的钻屑排出量、粒度变化及打钻过程中产生的动力效应变化来预测围岩失稳。实际中，通过定量分析钻屑量与应力之间的关系，综合考虑钻孔处动力现象，给出围岩突变的危险指标。但是，如果钻孔过程中出现岩芯饼化现象，则不能采用钻屑法进行应力测量。在深部地质环境下，煤岩体容易出现岩芯饼化，钻屑法不适用于深部围岩失稳分析与评价，因此产生了岩饼法[18]。该方法在对岩饼取样之后，通过测量岩饼形态来计算所受应力。

应力测量法通过在巷道中多点安装应力传感器，实现围岩多点应力监测，一定程度上扩大了钻屑法、岩饼法的监测范围。围岩变形监测法通过激光测距仪、测距传感器等测量巷道围岩的垂直位移、水平位移等，根据围岩外部结构变形量得到围岩受力的量化值。在测量围岩外部结构变形方面，有研究采用计算机视觉技术，基于立体视觉测量巷道围岩变形情况[19]。

以上巷道围岩局部监测技术是点与面结合的小尺度局部监测技术，在一定场景下能够得到较好的围岩稳定评价效果，但在复杂区域性监测中，难以兼顾开采扰动等外部因素对围岩应力分布规律的影响，易产生误差，可靠性较差。

2.2 系统监测技术

系统监测技术采用地球物理法来判断巷道围岩失稳。围岩变形破裂等失稳现象伴随着受载煤岩体内部的物理变化过程。在这一过程中，煤岩体会出现电磁效应、能量释放等动力现象。地球物理法可系统地对区域内受载煤岩体的响应物理量进行监测，从而反演煤岩体变形破裂的状态和过程，预测煤岩动力灾害。现有系统监测技术包括电磁辐射法、声发射法、微震监测法、震动层析成像法等。这些方法以动力现象为监测对象，借助电磁场与电磁波、信号处理等信息化技术，从地电场、地震场等角度对巷道围岩进行实时监测。

2.2.1 电磁辐射法

巷道围岩受开采扰动发生变形破裂时，原有应力平衡状态被打破，该过程会引起电磁辐射。围岩发生变形破裂的程度越大，产生的电磁辐射信号越强[20]。王恩元等[20]在对煤岩体电磁辐射的研究中发现，沿工作面煤岩体在不同深度位置的电磁辐射源所产生的电磁辐射强度与其应力有类似趋势。因此，电磁辐射与围岩应力状态有关。电磁辐射法是一种非接触式围岩监测方法，通过监测电磁辐射强度与脉冲数来表征监测点的应力集中程度。

电磁辐射法应用于巷道围岩结构监测时，主要涉及电磁辐射信号的接收和处理。依据电磁辐射法原理，电磁辐射强度与脉冲数是该方法的监测对象。可采用点频方式记录煤岩电磁辐射脉冲数，以脉冲数率表征电磁辐射强度；采用无线电接收机和计数器记录电磁辐射能量和脉冲数;采用由环形磁性天线和PC架构记录仪构成的电磁辐射采集装置对煤岩电磁辐射信号进行连续采集；采用基于定向天线的装置接收有效范围内的电磁辐射信号[21-23]。在信号处理方面，由于围岩变形破裂引起的电磁辐射具有阵发性脉冲特性，是非平稳随机信号，所以信号具有强度弱、频带宽的物理特点，且具有较强的随机性和突发性，容易被井下设备的噪声淹没。针对该问题，一方面可改进电磁辐射接收端的天线和前置放大系统等电路设计，提高信号增益，减少电磁干扰[24]；另一方面可对信号进行频谱分析，提取其频谱特征。

2.2.2 声发射法

巷道围岩变形破裂过程中积聚的应力会以弹性波的形式释放与传播，弹性波中携带了大量围岩结构损伤信息，由此产生了声发射法。Kaiser效应证明监测声发射信号可测出煤岩体之前的受力情况，与受载围岩破裂裂纹扩展规律相关。围岩受载增加，则声发射能量增大，应力在声发射信号最大时可达到极限值；在围岩破裂后，声发射信号减小[25]。声发射法工作原理如图1所示。在煤岩体外部布置一定数量的声发射传感器，煤岩体受载破裂时产生的声发射信号可由传感器采集并传输到传感节点。

图1 声发射法工作原理
Fig.1 Working principle of acoustic emission method

声发射法主要针对声发射信号进行时频域分析，描述围岩变形破裂的演化、能量积蓄与释放，以得到围岩失稳的声发射规律。声发射法主要监测振铃计数、能量、绝对能量、信号强度、幅值等参量。作为研究通常使用的参量，振铃计数表示声发射事件的总量、频度，能量表示声发射事件的相对能量或强度[26]。研究表明，声发射振铃计数率、能量与应力演化相关，在声发射振铃计数率与能量在时间轴上快速升高之后，出现较长时间的“平静期”，表明围岩发生破坏，发生冲击矿压的可能性大大提高[27-28]。这进一步说明声发射参量可表征围岩变形破裂状态。然而，声发射法以监测高频信号为主，高频信号易衰减，干扰多，有一定的适用范围和条件。

2.2.3 微震监测法

微震监测法通过监测围岩变形破裂过程中积聚的能量在释放时产生的小能量级别震动，对围岩变形破坏的位置、范围及发展趋势做出判断。该方法与声发射法原理相同，不同之处是所监测的频谱范围有差异[29-30]。

微震监测法主要监测微震信号的幅度、能量、持续时间、衰减及波速等特征，从而对围岩内部结构、破坏机制、应力状态进行反演和预估。研究证明，微震事件的分布具有时空性，不同位置和分布的微震事件在时间、空间上的运动特性具有强关联性，岩体变形、破坏机理和微震数据三者之间存在对应关系，可通过分析微震事件的演化过程来研究岩爆、冲击地压等动力灾害。学者们建立了围岩失稳风险评估函数，提出了微震事件密度云图判断条件、震级与频度关系、震级与能量集中度等岩爆判据[31-33]。因此，微震监测法可用于微震事件定位、自然与人工震源识别、围岩失稳机制研究及动力灾害预警等方面。与电磁辐射法相比，微震监测法和声发射法均可扩大监测范围，可动态、连续记录围岩内部的动力演化情况，是一种区域性监测手段。除存在信号易受噪声影响、有效信号难以区分等问题外，现有的微震监测法以低频信号监测为主。若要精确、可靠地监测围岩失稳，需要同时装备多个频带的监测设备，这也提出了多系统集成、数据融合分析等要求。

2.2.4 震动层析成像法

震动层析成像法通过地震波射线在监测区域内部介质中传播，获取波速、密度、能量衰减等参量，对煤岩体进行成像，从而反演震动波速度场及应力场的分布规律[34-35]。利用该方法可反演煤岩体破裂图像和应力图像。

根据反演参数不同，震动层析成像法分为2种：将随时间变化的波速分布作为反演参数的速度层析成像法；关注震动波幅度测量的衰减层析成像法。另外，根据震源来源，震动层析成像法分为主、被动式[35]，如图2所示，区别在于震源不同。主动式震动层析成像法的震源是人工激发产生的，可准确知道震源位置；被动式震动层析成像法的震源是矿山开采过程中引起的自然矿震，是自然震源。已有研究证明，利用震动层析成像法得到的波速变化与开采引起的应力转移分布一致，可对煤层裂隙演化过程进行监测，评估岩爆、冲击地压危险[36-38]。主动式震动层析成像法采用人工震源，因波传播衰减等问题，限制了其应用范围，不能进行远程长周期监测；被动式震动层析成像法是自然震源，可适当远距离布置探头，监测区域范围较大，且可用于长周期连续监测，但该方法受矿震震源定位精度、射线覆盖充分性或规则性的影响，监测可靠性有待提高[39]。

(a) 主动式

(b) 被动式

图2 震动层析成像法工作原理
Fig.2 Working principle of seism tomography method

3 巷道围岩结构监测信息化

3.1 多源、多场监测技术

上述巷道围岩监测技术可从应力场、变形场、地电场、地震场等不同角度实现不同尺度监测。但由于深部地下巷道围岩赋存环境的复杂性，每种监测技术有自身的适用范围，会受到技术条件、区域范围、环境信息等客观因素的制约，难以通过单一监测技术的实施可靠分析巷道围岩稳定性。因此，本文提出采用深部地下巷道围岩结构监测信息化技术，构建多源、多场监测体系，通过获取多源、多场监测数据，准确得到待监测区域围岩结构状态与特性。

深部地下巷道围岩结构监测信息化技术原理如图3所示。通过布设微震、声发射、电磁辐射等多场感知装置，收集物理空间中不同因素信息，将其转换为离散的、数字的信息，以无线方式传输至分布式控制器进行感知数据分析与处理，最终通过工业以太环网将大量有效信息传输至地面。这一过程能够实现围岩结构物理空间与信息空间的相互映射，多源、多场监测技术的高效协同，多场信息的实时交互，突破原有监测技术和方法独立的局面。

3.2 数据感知技术

对巷道围岩结构物理实体的感知由若干传感节点及汇聚节点共同完成，获得描述围岩结构物理要素的应力、应变、微震、电磁辐射、声发射等多场信息。作为直接提取围岩结构物理信息要素的关键环节，感知信息的准确性与完整性决定了计算分析结论的可靠程度。广泛感知是围岩结构状态准确认知的前提和基础。

图3 深部地下巷道围岩结构监测信息化技术原理
Fig.3 Principle of informatization technology for roadway surrounding rock structure monitoring in deep underground

从应力场、地震场、地电场等多场角度感知围岩结构的物理属性，要求系统同时获取围岩的应力、微震、声发射等信息。就已有的监测系统而言，应力信息可通过埋置式传感节点感知，直接深入围岩内部监测，得到的应力信息较为准确、可靠。电磁辐射、声发射、微震信号均是外部监测的围岩物理属性，易受煤矿井下作业环境中机电设备电磁干扰和噪声影响，信号微弱，噪声难以滤除，信号放大与提取困难。可采用电路滤波与信号增强技术，研究软硬件协同方法，提高感知信息质量。同时，从抗电磁干扰、提高节点灵敏度的角度，研究光纤传感器，以取代井下节点普遍使用的压电、电阻等材料。

3.3 数据采集与传输技术

3.3.1 数据采集

传感节点感知到的外界物理信息不能直接传输，需要在节点的数据处理模块中进行信息转换，由模拟的物理信号转换成离散的数字信号，从而降低传输比特数。多源多场监测需布设大量传感节点，围岩结构实时监测产生的数据量非常巨大，能够提取的有效信息有限，价值密度低。需要选择适当的采样频率。采样频率过高，单个节点会迅速产生大量采样数据，增加存储和通信开销，系统各节点之间的同步性要求更高；采样频率过低，则无法真实、有效地反映围岩结构特性。实际中，可根据采集物理量的频响范围来确定信号采样频率。在围岩结构的渐变演化阶段，可适当降低采样频率，减少冗余信息采集，减轻系统负荷；在围岩结构突变或强采动条件下，提高采样频率有利于观测围岩结构变化的细节信息。此之，还需要考虑区域节点间信息的冗余度、错误和虚假数据传输等问题，研究传感数据中时空相关性数据压缩采样技术与错误、虚假数据过滤技术，减少巷道围岩结构监测中数据采集量，降低对传输带宽、能耗等的要求，提高数据安全性，延长传感器生命周期。

3.3.2 数据传输

矿山安全生产要求巷道围岩结构监测具备复杂环境下数据实时通信与交互能力。井下主干传输网络采用千兆工业以太环网，围岩监测传感器可通过无线接入网(WiFi，WSN)连接到主干网。由于煤矿井下环境复杂且应用多样化，高效的无线传输面临巨大困难。

从传输场景角度分析，煤矿空间受限，巷道倾斜、有拐弯和分支，巷道表面粗糙，粉尘等问题都将导致无线传输严重衰减。电磁波不仅会被吸收，更主要的是会频繁发生反射和散射现象，产生多径效应，降低无线通信效率。

从传输对象角度分析，围岩结构监测信息的多源异构性提出了不同的传输需求(例如低延迟、高可靠等)，因此，亟需研究适合井下的协作式无线通信技术，提高无线传输增益，克服井下复杂环境及信号衰减效应的影响。

较为成熟的无线自组织传感网具有灵活部署的特点，可实现采掘、采空等特殊区域的无线接入监测，但存在网络连通性差和跳数过多造成延迟的问题。而多跳传输方式会造成传输带宽大幅下降。因此，在设计巷道围岩结构无线监测传输网时，要综合考虑传输QoS(Quality of Service，服务质量)、信道分配、路由、传输延迟、带宽等性能指标，兼顾巷道围岩赋存条件复杂性，强电磁干扰、设备振动等环境因素对信号传输性能的影响，研究符合巷道围岩监测特点的协作传输机制。

3.4 时空数据分析

3.4.1 特征提取

尽管在信息感知、数据采集与传输等阶段中，一些技术的应用在一定程度上抑制了噪声干扰，但无法从根本上消除复杂环境中电磁干扰、设备振动等影响。因此，巷道围岩结构监测所获数据无法直接用于围岩稳定性评价及动力灾害预警。长期以来，针对巷道围岩结构监测信息的处理与分析是矿山安全监测监控的重点。

以微震、声发射等为主的监测信息属于微弱信号，极易受开采环境中噪声影响，研究集中于信号去噪或微弱信号提取，从时域、频域、统计特性等方面分析监测信息和噪声的差别，进而采用信号处理方法，从噪声中检测出有用的微弱信号。已有研究表明，微震、声发射信号具有分布参数及规律随时间变化的非平稳信号特征，可采用短时傅里叶分析、小波分析、Wigner-Ville分布、经验模式分解等线性或非线性时频分析方法进行定量描述。

3.4.2 智能分析

人工智能与数据挖掘技术的发展为巷道围岩结构监测信息处理与分析提供了新的可能。在对信号分析提取初始特征基础上，采用特征约减或特征学习方法筛选初始特征，优选与围岩结构相关性强的特征信息作为围岩稳定性评价指标。此外，进化计算、神经网络、灰色理论等智能方法也可用于构建围岩稳定性评估模型和煤岩动力灾害预警系统，在围岩变形量、变形规律研究，以及冲击地压、岩爆预警等方面起到决策支持作用，并可在一定程度上应用于矿山安全监控监测工程实践中。

现有信息处理与分析方法使巷道围岩结构监测系统在实效上得到了改善，然而针对围岩稳定性评估、煤岩动力灾害辨识等方面的研究仍处于初期，相关研究技术和方法较少，并且集中在单一监测数据分析上。虽然已有研究证明围岩破裂产生的电磁辐射信号和声发射、微震信号的起始时间存在一致性，且都与围岩受载应力水平相关，但鲜有系统、融合的研究方法和技术。此外，现有巷道围岩监测技术涉及应力场、变形场、地震场、地电场等信息，监测数据呈现结构化、半结构化和非结构化的异构性特点，需研究多源异构数据的融合方法。针对多场信息的多样性、非线性、高维性及时空性，需研究多源、多场监测物理量之间，监测物理量与围岩结构之间复杂的关联或因果关系，从数据角度对围岩变形破坏的机理进行描述和分析。

4 巷道围岩结构监测信息化面临的挑战

巷道围岩结构监测信息化包括以围岩结构为对象的物理实体评估与建模，以及与其相关的数据采集与传输、处理与分析的信息系统。虽然针对巷道围岩结构监测分别进行了物理实体研究和信息系统构建，但二者均采用分离方式完成，缺乏协同分析和设计。此外，巷道围岩结构监测信息化最终要形成“从围岩结构变形破坏机理研究、指标体系的构建，到围岩结构实时监测，有效地控制围岩结构，并对机理进行反馈”这样运行在不同时间和不同空间的1个或多个闭环系统，实现长周期、全方位的巷道围岩结构监测。针对该目标，巷道围岩结构监测面临以下挑战。

4.1 受限环境下的传感节点供能

长周期区域性监测要求传感节点具有较长的生命周期。井下特殊区域中传感节点的供能要满足长周期围岩结构监测需求。一般而言，井下可采用的传感器体积小，电池能量有限，受限于采掘等区域环境的复杂性，采用更换电池进行能量补给的方式不现实。现有传感器供能问题解决方法主要集中在降低能耗上，如通过节能路由、节点分布算法来减少无线传感网络能耗[40]，或者调整网络节点休眠模式，使部分节点在采集数据时打开，采用多跳传输方法将数据传输到基站，最大化监测网络生命周期[41]。此外，对传感节点数据采集模块设计压缩采样算法，在一定程度上可减少传感节点能耗。但以上方法不能从根本上解决长周期监测的功能问题，还需要从源头寻找解决问题的途径。现有一些研究通过设计传感器能量捕获模块，从周围环境中捕获能量，结合相应的路由算法最大化监测网络生命周期[42]，取得了一定进展。但深部地下巷道环境特殊，具有易爆、易燃等特点，对能量源的使用有严格限制，捕获何种能量、如何捕获能量有待进一步研究。

4.2 异构传感设备统一交互问题

巷道围岩结构监测的传感设备众多，种类、特性参数、类型不一，分别具有独立的编码规则和通信协议，导致系统底层传感设备间无法实现信息交互。煤矿井下环境复杂多变，造成现场通信环境多样化，条件复杂，多种异构网络与通信技术并存。各种通信技术在容量、传输速率、传输距离等方面存在较大差异，目前还没有统一的网络架构和通信协议能够满足所有要求。因此，实现规范、可靠、有效的异构传感设备统一交互，是巷道围岩结构监测信息化亟需解决的问题。

4.3 时延敏感网络数据传输问题

面向巷道围岩结构监测的多个系统在井下布设时用以满足多种目标监测需求，通过井下工业以太环网有效集成，实现各层级之间信息沟通，实现围岩监测数据综合分析及其结构状态实时评估。鉴于巷道围岩结构变形破坏引起的各类煤矿安全事故的突发性与危险性，巷道围岩结构监测信息化对数据传输实时性要求较高。同时，考虑到采用多监测系统数据融合分析围岩结构，从单个传感节点到各监测系统需要保持时钟同步。但现有工业以太网非同步工作方式造成数据传输时间既不精准也不确定，尤其在传输大规模数据时，会因网络负载的增加导致通信延迟甚至瘫痪。因此，可引入时延敏感网络，为非确定性的工业以太网建立通用时间敏感机制，以确保网络数据传输时间的确定性，获得较低的数据传输时延，并保证较好的QoS时钟同步。

5 结语

深部地下开采环境复杂多变，巷道围岩极易发生结构失稳，岩爆、冲击地压等煤岩动力灾害发生概率很高，因此，对深部地下巷道围岩结构状态的有效监测至关重要。在对深部地下巷道围岩监测理论和技术现状分析的基础上，提出了构建多源、多场的深部地下巷道围岩结构监测体系的设想，从数据感知、采集、传输、分析等方面阐述了深部地下巷道围岩结构监测信息化研究重点和关键技术，并讨论了深部地下巷道围岩结构监测信息化中物理实体与信息系统融合所面临的科学性或技术性挑战。

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