郝宏宇

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.大同煤礦集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司)

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基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支護(hù)強(qiáng)度的分析

郝宏宇1,2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.大同煤礦集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司)

我國(guó)煤炭主要是井工開采，礦山壓力與圍巖控制、頂板支護(hù)等是礦山開采的重要內(nèi)容。通過分析綜采工作面支護(hù)系統(tǒng)及液壓支架的特點(diǎn)，從開采參數(shù)和煤層賦存條件兩個(gè)方面，總結(jié)了影響工作面支護(hù)系統(tǒng)可靠性的因素，并利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立了基于8-4-1的支護(hù)系統(tǒng)可靠性分析模型，通過對(duì)不同樣本的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果比較精確，為下一步支護(hù)提供了數(shù)據(jù)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 綜采 支護(hù) 可靠性

煤炭占我國(guó)能源比重的70%以上，隨著開采的持續(xù)，淺表煤炭資源越來越少，深部煤層已成為主要開采對(duì)象，因此，頂板支護(hù)等安全方面的問題越來越受到重視[1]。在綜采工作面，礦山壓力與圍巖控制伴隨著整個(gè)開采過程，也直接關(guān)系到工作面的安全生產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，綜采工作面頂板事故和支架支護(hù)事故在綜采工作面事故中占有非常大的比重，成為影響煤炭安全高效生產(chǎn)的重要因素。由于煤礦的復(fù)雜性和煤層地質(zhì)情況的多樣性，工作面支架選型、阻力計(jì)算等仍然缺乏非常可靠的理論方法，存在架型不適應(yīng)、工作阻力確定有誤差、支架事故頻發(fā)等問題，導(dǎo)致綜采設(shè)備效能無法完全發(fā)揮，產(chǎn)量受到影響。因此，研究綜采工作面支護(hù)系統(tǒng)的可靠性，提高工作面生產(chǎn)效率，確保安全生產(chǎn)，是非常有必要的。

1 綜采工作面支護(hù)系統(tǒng)概述

完整的綜采工作面設(shè)備配套主要有：①采煤系統(tǒng),包括工作面三機(jī)，即采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架；②運(yùn)煤系統(tǒng),主要是運(yùn)輸平巷中的轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和帶式輸送機(jī)；③液壓系統(tǒng),主要是乳化液泵站、乳化液泵箱以及相配套的管路系統(tǒng)；④指揮系統(tǒng),主要是控制臺(tái)、信號(hào)設(shè)備、電話等；⑤供水、供電系統(tǒng),主要有噴霧泵、冷卻水、變壓器、隔爆開關(guān)、各種水管、電纜等；⑥輔助系統(tǒng),主要包括照明、絞車、單軌吊等附屬設(shè)備。

綜采工作面支護(hù)主要是液壓支架。液壓支架通過對(duì)頂板的有效控制和支撐，防止頂板冒落，確保礦工和機(jī)械設(shè)備能夠在安全空間內(nèi)作業(yè)，液壓支架可以通過推溜、移架等動(dòng)作完成工作面的推移。液壓支架的主要組成有：架體、工作機(jī)構(gòu)、液控系統(tǒng)和輔助構(gòu)件。架體主要包括頂梁、底座、側(cè)護(hù)板以及連桿等金屬構(gòu)件；工作機(jī)構(gòu)主要包括立柱、千斤頂?shù)?；液控系統(tǒng)主要包括各類閥門和管路；輔助構(gòu)件則主要包括防倒防滑裝置等，根據(jù)不同的開采條件可選擇不同的輔助構(gòu)件[2-3]。

在綜采工作面同時(shí)布置多臺(tái)液壓支架，每臺(tái)支架的動(dòng)作是獨(dú)立進(jìn)行的，但又組成了復(fù)雜的系統(tǒng)。

2 影響綜采工作面支護(hù)系統(tǒng)可靠性的因素

2.1 開采參數(shù)對(duì)工作面支護(hù)系統(tǒng)的影響

(1)開采深度。在地下開采中，原巖應(yīng)力的大小直接與開采深度有關(guān)，開采后的巷道或圍巖支承壓力也受到開采深度的影響。因此，開采深度影響礦山壓力，也決定工作面支架的載荷大小。

(2)工作面推進(jìn)速度。工作面推進(jìn)速度主要影響頂板下沉量、煤壁前方支承壓力等。通常來說，頂板下沉量隨時(shí)間的增加而增加，如果工作面推進(jìn)速度比較快，頂板下沉量就相對(duì)較小，頂板壓力也就較??；如果工作面推進(jìn)速度比較慢，頂板下沉量就相對(duì)較大，頂板壓力也就較大。因此，加快工作面推進(jìn)速度能夠減少頂板下沉量，緩解支架所受頂板壓力。當(dāng)然，工作面推進(jìn)速度不可能無限增加，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，下沉量也趨于穩(wěn)定，不會(huì)完全停止下沉。

(3)開采高度。采高會(huì)影響上覆巖層被破壞的情況，采高越大上覆圍巖破壞就越嚴(yán)重，而且會(huì)導(dǎo)致煤壁不穩(wěn)定，造成片幫。所以，采高越大礦壓顯現(xiàn)也越嚴(yán)重。

(4)移架方式。目前，煤礦中比較常見的移架方式主要有連續(xù)式、分組間隔交錯(cuò)式和整體依次順序式。連續(xù)式卸載面積比較小，頂板下沉量小，適用于穩(wěn)定性差的頂板，后兩種移架方式為了確保頂板狀態(tài)，同時(shí)移架數(shù)最好也不要大于3架。

2.2 煤層賦存條件對(duì)工作面支護(hù)系統(tǒng)的影響

(1)直接頂?shù)挠绊憽Ｖ苯禹數(shù)耐暾詫?duì)工作面的生產(chǎn)效率和安全支護(hù)都有著非常重要的影響。直接頂?shù)耐暾饕Q于巖層的力學(xué)性質(zhì)和層理裂隙發(fā)育情況，層理、裂隙等的存在是影響直接頂穩(wěn)定性的主要原因[4]。

(2)老頂影響。老頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)和來壓強(qiáng)度會(huì)影響到直接頂?shù)姆€(wěn)定性，同時(shí)是決定支護(hù)強(qiáng)度、伸縮量的主要因素。直接頂?shù)暮穸纫矔?huì)影響老頂對(duì)工作面頂板的壓力，直接頂越厚，老頂破斷后重新形成平衡力學(xué)結(jié)構(gòu)的可能性越大，來壓強(qiáng)度也越低。

(3)煤層傾角的影響。煤層傾角增大，上覆巖層壓力減小而滑動(dòng)力增大。煤層傾角越大，采空區(qū)矸石滑移的可能性越大，對(duì)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致工作面支架受力不均衡。

3 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的支護(hù)可靠性研究

3.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networks)系統(tǒng)是利用電子或光電元件來模擬人腦工作的一種軟件仿真，具有超強(qiáng)的處理能力，可以并行分布式處理數(shù)據(jù)，還可以通過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)解決問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)越來越廣泛的被應(yīng)用在科研和工程領(lǐng)域中，在計(jì)算能力、對(duì)連續(xù)映射的模擬、動(dòng)態(tài)分析等方面都取得了巨大的成就[5]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要步驟為：①設(shè)置初始化因素矩陣，設(shè)定學(xué)習(xí)因子和參數(shù)；②對(duì)每個(gè)輸入樣本進(jìn)行前向計(jì)算；③對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行反向計(jì)算，輸入單元反向計(jì)算；④修正權(quán)值。

3.2 模型建立

經(jīng)過分析，選擇工作面長(zhǎng)度、工作面推進(jìn)速度、機(jī)采高度、放煤高度、采深開采參數(shù)，以及直接頂?shù)膹?qiáng)度、厚度和周期來壓步距等8個(gè)因素作為輸入層，將支架支護(hù)強(qiáng)度作為輸出層，隱含層的個(gè)數(shù)設(shè)為4，建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦支護(hù)系統(tǒng)可靠性分析模型，即8-4-1模型,如圖1所示。

為了便于驗(yàn)證模擬結(jié)果，選擇了某礦業(yè)集團(tuán)幾個(gè)工作面的實(shí)際情況作為模型樣本，按照模型建立的輸入層與輸出層建立樣本表格，如表1所示。

圖1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦支護(hù)系統(tǒng)可靠性分析模型

輸出層支護(hù)強(qiáng)度/(kN/m2)輸入層開采參數(shù)工作面長(zhǎng)度/m推進(jìn)速度/(m/d)機(jī)采高度/m放煤高度/m采深/m煤層地質(zhì)因素直接頂強(qiáng)度/MPa頂板厚度/m周期來壓步距/m18712042．86．6723466．41722010042．812800484．284201503．22．86．480048102053017032．84800497．5185001503．22．59．5600402．5152601503．22．82．5750426．816

3.3 模型計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)表1樣本進(jìn)行預(yù)處理后，再利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，取η(0)=0.01，α=0.15，經(jīng)過循環(huán)運(yùn)算后，得到輸出層，即支護(hù)強(qiáng)度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 預(yù)測(cè)值與樣本數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

從表2可以看出，相對(duì)誤差均很小，計(jì)算結(jié)果精度較高。

4 結(jié) 論

(1)從開采參數(shù)和煤層賦存條件兩個(gè)方面，對(duì)綜采工作面支護(hù)系統(tǒng)以及液壓支架的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)影響工作面支護(hù)系統(tǒng)可靠性的因素進(jìn)行了總結(jié)。

(2)通過運(yùn)用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立了支護(hù)系統(tǒng)可靠性分析的8-4-1模型，并根據(jù)幾個(gè)不同樣本進(jìn)行計(jì)算，得到預(yù)測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算方便，精度較高，可為下一步支護(hù)工作提供數(shù)據(jù)。

[1] 王家臣.我國(guó)綜放開采技術(shù)及其深層次發(fā)展問題的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005,33(1):14-17.

[2] 干云洪，孔玉全.液壓支架合理選型及支架解體創(chuàng)新[J].采礦技術(shù)，2011(1):47-48.

[3] 周雁冰，王高利.工作面液壓支架的合理選型[J].能源技術(shù)與管理，2008(1):51-55.

[4] 陳 磊,李 京.基于線性回歸分析及預(yù)測(cè)的7m大采高支護(hù)強(qiáng)度研究[J].煤礦機(jī)械,2015,36(10):243-246.

[5] 謝廣祥，曹伍富，王德潤(rùn),等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),1999,24(6):599-600.

2016-09-19)

郝宏宇(1989—)，男，助理工程師,碩士研究生，030024 山西省太原市迎澤西大街79號(hào)。