汪澤洲　唐翔　楊軒　田傳耕

【摘 要】井下支護的安全預測直接關系著煤礦井下的安全生產(chǎn)，信息融合技術和井下預測模型可以預測井下支護的可靠性和使用壽命，并對井下支護安全預警；然后根據(jù)井下支護支柱分布設計出無線網(wǎng)絡拓撲結構，并借鑒支架圍巖耦合理論，分析支柱-圍巖關系建立在支柱-圍巖力學模型或井下支柱受力分布模型的基礎上，結合無線傳感網(wǎng)絡所獲得的井下支護狀態(tài)信息和數(shù)值計算軟件計算出井下支護支柱的變形和受力分布以及自身承載性能和巷道圍巖應變率，將其結果應用于井下支護安全乃至工作面頂板災害預警。

【關鍵字】液壓支柱；信息融合；在線診斷；災害預警

中圖分類號：TD82 文獻標志碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0223-002

Design of underground hydraulic support system

WANG Ze-zhou TANG Xiang YANG Xuan TIAN Chuan-geng

（1.Anhui University Of Science & Technology Electrical engineering college，Huainan Anhui，232000，China；

2.Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou Jiangsu，221000，China）

【Abstract】The safety of the underground in-situ to predict the coal mine safety in production， has a close relationship with information fusion technology and downhole prediction model can predict the reliability of the underground in-situ and service life， and a warning for the safety of underground in-situ， Then designed according to the underground supporting pillar distributed wireless network topology， and support surrounding rock coupling theory， the analysis of pillar - relationship built on pillars - mechanical model of surrounding rock pillar or underground stress distribution model on the basis of the combination of wireless sensor network of underground in-situ state information and numerical calculation software to calculate the downhole supporting pillar deformation and stress distribution and its bearing performance and the surrounding rock strain rate， the result was applied to underground in-situ safety disaster warning and working face roof.y

【Key words】Hydraulic prop； Information fusion； Online diagnosis； Disaster warning

0 引言

目前，山東科技大學研制的煤炭頂板液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)進行了這方面的研究。基于液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了井上計算機實時監(jiān)測功能。但液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)采取的是有線的監(jiān)測方式，有線網(wǎng)絡壓力檢測方式存在檢測點少且隨開采工作面的推進、移架、升降架等操作導致系統(tǒng)布線復雜、系統(tǒng)布線易被扯斷等缺陷。而液壓支柱僅僅實現(xiàn)了現(xiàn)場監(jiān)測方式，未構成液壓支柱的動態(tài)監(jiān)測體系，基于無線液壓支柱監(jiān)測系統(tǒng)技術還未成熟。為此，文中利用模型預測來預測井下支護的可靠性和使用壽命，以此判斷井下支護是否安全。

在實現(xiàn)井下支護狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測基礎上，有效地利用監(jiān)測狀態(tài)信息，分析和預測井下工作面頂板狀態(tài)的顯現(xiàn)規(guī)律，實現(xiàn)工作面頂板災害的前兆預警，將工作面頂板的安全控制與災害防治提升到新的層次。

1 井下液壓支柱支護系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構

本文所述的井下液壓支柱安全監(jiān)測系統(tǒng)框圖，如圖1所示。井上部分主要由服務器、交換機、地面工控機和配套軟件系統(tǒng)構成；井下部分由壓力無線監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點、網(wǎng)關（Sink）節(jié)點組成，井下部分是一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡。

2.1 井下監(jiān)測節(jié)點設計思路

無線監(jiān)測節(jié)點主要包括壓力無線監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點、網(wǎng)關（Sink）節(jié)點。其中無線檢測節(jié)點是系統(tǒng)采集前端，直接決定采集數(shù)據(jù)是否準確性，以及采集的數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定。該節(jié)點組成部分有新型壓力傳感器，本安電池，CC2530通信芯片等。

（1）壓力傳感器采用新型定制壓力傳感器，最大承壓達到80MPa。該傳感器前端是承壓彈片，后端為調理電路。測量時壓力計前端貼片微弱形變產(chǎn)生微小的電信號，信號通過放大電路，通過單片機處理測量。

（2）無線通信芯片采用CC2530芯片，CC2530芯片是由TI公司制造的，芯片支持ZigBee數(shù)據(jù)傳輸，通過使用Z-STACK協(xié)議棧進行數(shù)據(jù)傳輸，具有高效性和安全性。

（3）壓力檢測時，對應每一個液壓支柱，有一個此壓力傳感器，可以根據(jù)用戶的需要，在注液結束以后，使用設計的新型取樣口，從液壓支柱的注入管中安裝一個壓力傳感器，傳感器中有一個頂針可以有效地頂開三用閥中的頂針，使液壓支柱里的液體可以流入到腔內(nèi)，可以有效地測量出壓力，并顯示在數(shù)字顯示屏上。根據(jù)用戶需要，可以將數(shù)字通過無線的方式傳送給發(fā)成的計算機，得到實時數(shù)據(jù)。

2 井下液壓支柱支護系統(tǒng)安全預警體系

2.1 模型體系

多模型建模分為數(shù)據(jù)集的收集、建立子集和模型輸出數(shù)據(jù)?；诰乱簤褐е姆植迹O計了預警框架。

綜合液壓支柱壓力、壓力計的壓力傳感器和上位機收集的數(shù)據(jù)，分別得到是U1、U2和U3 ，形成3個子模型： 液壓支柱子模型、壓力計子模型和頂板層子模型[1]。

預測過程如下：首先利用聚合經(jīng)驗模態(tài)分解方法（EEMD）[2]對井下巖石監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模態(tài)分解然后，針對各子模型自身特點，模擬預測的值使用向量機（SVM），并用單整自回歸移動平均模型（ARIMA）預測，對子模型所得的數(shù)值重新構成模型預測值：S1，S2，S3。最終通過傳感器的數(shù)值將三個傳感器的數(shù)值進行歸一化信息融合處理，研究液壓支柱動態(tài)規(guī)律，分析預測數(shù)值結果，為液壓支柱安全監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

2.2 信號的EEMD分解

礦井下的信號是復雜，非線性的數(shù)據(jù)。所以通過傳感器得到的數(shù)據(jù)進行EEMD分解y（t）= cij（t）+rn（t）

通過公式Cij作為非線性信號，rn（t）作為為線性信號作為干擾。

2.3 SVM多模型輸出

預警模型中SVM法一般不能直接用監(jiān)測數(shù)據(jù)來作為預測樣本，通過累加各子模型預測結果得到的預測值。

同理得到U2和U3。

2.4 預測模型ARIMA

使用ARIMA模型預測對于非平穩(wěn)的時間序列， ARIMA（p，d，q）模型形式是：f（x）= （a -a ）K（x，x ）+b

式中：d為差分階數(shù)，p為自回歸階數(shù)，q為移動平均階數(shù)，和為模型待定數(shù)。經(jīng)過d階差分處理后，yi轉化為平穩(wěn)、正態(tài)、0均值的平穩(wěn)序列yi。

2.5 實時監(jiān)測結果

為了得到液壓支柱的壓力數(shù)值，從上位機設計了一個統(tǒng)計界面，可以實時得到各個壓力計的數(shù)值，并可以排序。經(jīng)過實地測量，可以得到實時數(shù)據(jù)柱形圖。如圖4所示。并可以查閱歷史數(shù)據(jù)

3 結論

本研究通過監(jiān)測實現(xiàn)頂板安全預警，井下液壓支柱頂板狀態(tài)通過綜采工作面支柱收集實時壓力信息，巷道圍巖狀態(tài)監(jiān)測通過離層儀和超前壓力傳感器實現(xiàn)對頂板狀態(tài)的監(jiān)測。各傳感器將監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù)，通過多模型軟件預測礦山壓力分布的情況，提高預警能力。

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