在貴州深邃復(fù)雜的礦井地層之下，一張由萬米光纜織就的“全光感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”正晝夜不息地運行。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，在煤與瓦斯突出等災(zāi)害發(fā)生前搶出寶貴的“生命時間”。
12月16日，記者走進貴州省煤礦設(shè)計研究院有限公司，探訪貴州省能源智能開發(fā)與高效利用實驗室（以下簡稱貴州能源實驗室）。這里自主研發(fā)的“全光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)”實現(xiàn)了煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)的根本性突破——其監(jiān)測靈敏度相比傳統(tǒng)電學(xué)設(shè)備提升10倍以上，不僅榮獲中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎一等獎，更為我國復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤礦安全生產(chǎn)裝上了一道“國產(chǎn)光纖防線”。
從“模糊聽診”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)測設(shè)備像是在聽診，而我們的系統(tǒng)則是在進行高精度的CT掃描?！痹趯嶒炇依铮敝魅卫钋嗨山榻B。
該系統(tǒng)由微震監(jiān)測主機、光纖加速度傳感器和微震分析平臺三部分組成。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反推外界振動。
“靈敏度提升10倍以上，在工程上是一個巨大的跨越?！崩钋嗨烧f，“這套設(shè)備的靈敏度達(dá)到了0.1μg@1KHz——在1000赫茲的振動頻率下，哪怕加速度的變化僅有重力加速度的千萬分之一，傳感器也能精準(zhǔn)識別。”
此外，該技術(shù)不僅“聽”得清，而且“聽”得寬。其頻率測量范圍覆蓋0.5至1200Hz，既能監(jiān)測到低頻的巖體蠕變，也能捕捉到高頻的煤巖斷裂，解決了傳統(tǒng)設(shè)備“漏聽”極小能量微震事件的難題，真正實現(xiàn)了對災(zāi)害前兆的“明察秋毫”。
破除“黑盒”困局，萬米光纜鋪就自主可控的“礦山波形指紋庫”
“過去，我們曾引進國外的微震監(jiān)測系統(tǒng)，但數(shù)據(jù)格式封閉、接口協(xié)議不開源、核心定位算法不透明，就像一個‘黑盒子’?！辟F州省煤礦設(shè)計研究院有限公司瓦斯分院院長衡獻偉指出：“這導(dǎo)致我們不僅維護成本高昂，更無法根據(jù)貴州特有的地質(zhì)條件進行算法優(yōu)化?！?/span>
為打破這一技術(shù)壁壘，實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控，研發(fā)團隊選擇了最艱難的攻堅之路。
攻關(guān)期間，團隊將實驗室“搬”到了煤礦生產(chǎn)一線。為獲取真實數(shù)據(jù)，李青松和團隊深入義忠、林華等煤礦，在巷道中鋪設(shè)超萬米光纜，連續(xù)駐守井下三個月。我們面對的是井下鉆機轟鳴、皮帶運輸、爆破震動等數(shù)千倍于有效信號的強噪音環(huán)境。
“我們要做的，是在海量噪音中‘淘’出真正的危機信號。”衡獻偉介紹。團隊采集了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)，逐一甄別機械振動、電磁干擾與巖石破裂信號，構(gòu)建起屬于中國礦山的“典型波形指紋庫”。
正是基于這些帶泥土味、煤灰味的實戰(zhàn)數(shù)據(jù)，團隊成功研發(fā)出微震監(jiān)測系統(tǒng)的“信號處理－事件解析－定位反演－機制分析－預(yù)警決策”技術(shù)體系，徹底擺脫了對國外算法的依賴。
從“被動防災(zāi)”到“秒級預(yù)警”，預(yù)警準(zhǔn)確率超91%守護生命防線
“過去瓦斯監(jiān)測主要靠濃度閾值報警，往往是指標(biāo)紅了，危險已經(jīng)逼近了，存在明顯的滯后性?！闭驹趯嶒炇艺故緟^(qū)，瓦斯分院產(chǎn)品研發(fā)部部長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，這個技術(shù)能捕捉煤與瓦斯突出前的“微破裂”前兆，通過分析微震事件的時空演化規(guī)律，實時將工作面劃分為正常、威脅、危險三個等級，實現(xiàn)了對危險源“時-空-強”多維度的快速辨識與秒級響應(yīng)。
目前，該技術(shù)已在貴州能源集團下屬多個礦井成功應(yīng)用，預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)到91%。在一個真實案例中，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▌印＝?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，未來的傳感器將不再局限于微震監(jiān)測，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，提高對災(zāi)變信號的智能篩選與自動解譯技術(shù)。
作為省級實驗室創(chuàng)新平臺，這里正成為技術(shù)輻射的策源地。依托“富礦精開”戰(zhàn)略，該項技術(shù)正走出煤礦，向頁巖氣壓裂監(jiān)測、隧道巖爆預(yù)警、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測等領(lǐng)域延伸，致力于解決更多重大基礎(chǔ)設(shè)施的安全痛點。
“我們不僅要解決當(dāng)下的安全問題，更要帶動上下游產(chǎn)業(yè)集聚?！弊蠼鸱急硎?，通過技術(shù)孵化，將吸引傳感器制造、軟件開發(fā)等企業(yè)落地，形成區(qū)域性全光纖監(jiān)測產(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。（貴州日報天眼新聞記者 張凌）
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