蒙昱璋

(神東煤炭集團(tuán)信息管理中心，陜西 神木 719315)

0 引言

加強(qiáng)對礦壓的監(jiān)測和分析是解決煤礦安全生產(chǎn)問題重要的措施之一，通過該手段能及時發(fā)現(xiàn)工作面支護(hù)工作中存在的問題并進(jìn)行處理，同時也能得出工作面礦壓活動的規(guī)律[1-3]。此外，掌握綜采工作面頂板水平、垂直的移動規(guī)律和支架的相互關(guān)系，可以更好地進(jìn)行頂板來壓的預(yù)報，及時制定合理的頂板管理措施，為工作面的高產(chǎn)、高效安全生產(chǎn)創(chuàng)造良好的技術(shù)條件。

近年來，由于傳感器及現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，對井下工作環(huán)境的各項參數(shù)進(jìn)行實時采集，數(shù)據(jù)采集周期達(dá)秒級，但由于井下采場條件的復(fù)雜性以及數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定等因素，導(dǎo)致礦壓數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和分析效率低下，數(shù)據(jù)不能真實地反映頂板實時安全狀況，無法有的放矢地采取措施預(yù)防礦壓危害[4-6]。目前，尚沒有一套成熟、可靠的綜采工作面來壓步距自動計算與預(yù)測模型。

1 工作面信息化概況

隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)信息化、自動化水平的提高，神東煤炭集團(tuán)實施區(qū)域中央自動化控制系統(tǒng)，在大柳塔區(qū)域建設(shè)中央生產(chǎn)控制指揮中心。實現(xiàn)了五礦六井(大柳塔礦、補(bǔ)連塔礦、上灣礦、哈拉溝礦、石圪臺礦)億噸級集中指揮生產(chǎn)，最遠(yuǎn)指揮控制距離達(dá)到40 km。大量的設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)控，涵蓋監(jiān)控子系統(tǒng)15個，監(jiān)測子系統(tǒng)14個，總計監(jiān)測16萬點以上。目前礦井有自動化控制系統(tǒng)、人員定位考勤系統(tǒng)、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳等17個獨立系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)通過中間數(shù)據(jù)庫存儲，這為數(shù)據(jù)分析和有效利用提供了保障。

2 礦壓分析

2.1 礦壓與割煤過程的聯(lián)系

老頂周期來壓：采煤工作面在推進(jìn)過程中，當(dāng)老頂懸露跨度達(dá)到一定長度時，老頂在其自重及上覆巖層載荷作用下，將沿煤壁甚至在內(nèi)發(fā)生折斷和垮落。隨著工作面的推進(jìn)，老頂?shù)倪@種垮落現(xiàn)象將周而復(fù)始地出現(xiàn)，這種老頂周期性折斷或垮落的礦壓顯現(xiàn)稱為老頂?shù)闹芷趤韷篬7-9]。

礦壓與割煤過程的聯(lián)系：將采煤工作面沿傾斜方向按照(1∶2∶4∶2∶1)劃分為5個區(qū)域，即：Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)。由于第Ⅰ區(qū)、Ⅴ區(qū)來壓極少，而第Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)來壓頻繁且間隔較短，對整個工作面影響較大，因此主要關(guān)注中間區(qū)域來壓規(guī)律。另外，在工作面中選取1#、4#、7#、…、133#、136#、…、(3N-2)#支架右壓力和采煤機(jī)位置為研究對象，每隔30 s采集一次數(shù)據(jù)。通過時間關(guān)系的對應(yīng)可將礦壓與割煤過程建立起聯(lián)系。

2.2 工作面時間與進(jìn)尺的對應(yīng)關(guān)系

液壓支架壓力數(shù)據(jù)來源于傳感器，只與時間有對應(yīng)關(guān)系。通過對采煤機(jī)割煤曲線分析，去掉無效數(shù)據(jù)，識別割煤行為統(tǒng)計有效割煤刀數(shù)，按照0.8～0.865 m/刀動態(tài)累計工作面進(jìn)尺，從而得到工作面時間與進(jìn)尺的對應(yīng)關(guān)系，累計進(jìn)尺算法如下。

第1步：使用逐步判別法查找最大遞增/減子序列，用{an}表示，n為有限正整數(shù)。

第2步：讀取a1和an對應(yīng)的起始時間，用t1和tn表示。

第3步：對所有的{an}序列，查找滿足式(1)的序列

(1)

其中A，B，C，D為常數(shù)，通過經(jīng)驗配置。

第4步： ACC=ACC+序列個數(shù)×刀進(jìn)尺，計算出當(dāng)前時間下采煤機(jī)所在位置。

經(jīng)測算，在數(shù)據(jù)上傳正常的情況下，累計進(jìn)尺自動計算與月度實際測量對比，準(zhǔn)確率達(dá)到95%。

2.3 支架最大循環(huán)末阻力

最大循環(huán)末阻力計算：采煤機(jī)在經(jīng)過液壓支架割煤的過程中，頂板作用于支架的壓力由初撐力后的穩(wěn)定狀態(tài)逐步增大，直到煤機(jī)離開支架向前推移，這個過程中支架承受頂板來壓時的最大支撐力稱為支架的工作阻力[10-12]。使用式(2)計算支架最大循環(huán)末阻力。

Fmax=max{F(t,t煤機(jī)進(jìn)入

(2)

采集數(shù)據(jù)的正確率：經(jīng)過連續(xù)4個月的數(shù)據(jù)對比與觀察，最大工作阻力計算模塊采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，采集正確率達(dá)到98.6%，對比支架工從集控平臺讀取數(shù)據(jù)并記錄到Excel表格中，不僅很大程度提高了工作效率和準(zhǔn)確性，而且對今后綜采工作面液壓支架選型提供了指導(dǎo)意見。

2.4 來壓步距自動計算

計算方法：使用分類算法對壓力進(jìn)行自動劃分，壓力低于30 MPa認(rèn)為安全礦壓分為一類，每增加5 MPa為一種類別并指定一種顏色，顏色越深表示頂板壓力越大，再通過計算類別之間的距離可以算出來壓步距。實現(xiàn)綜采工作面現(xiàn)場推進(jìn)與數(shù)據(jù)模型同步演算，對工作面礦壓歷史數(shù)據(jù)整體分析，按照Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅴ分析區(qū)域，計算出每次來壓的次序、來壓時間、工作面推進(jìn)度、來壓持續(xù)距離、來壓步距等。

計算結(jié)果：表1為工作面第Ⅲ區(qū)(45#～80#支架)近14次來壓情況表。通過統(tǒng)計118次周期來壓，加權(quán)平均周期來壓步距為16.97 m，來壓平均持續(xù)距離為5.72 m。

表1 工作面第Ⅲ區(qū)(45#～80#支架)近14次來壓情況表

3 礦壓預(yù)測方法

3.1 來壓預(yù)測方法

統(tǒng)計分析方法：長期以來，頂板來壓步距方法主要有概率統(tǒng)計法、模糊數(shù)學(xué)法、物理力學(xué)法和計算機(jī)智能法。但是，由于工作面賦存條件的復(fù)雜多變性，加之各礦區(qū)技術(shù)和設(shè)備條件相差較大，迄今并未建立起通用的預(yù)測模型。系統(tǒng)中提到的統(tǒng)計分析方法主要指統(tǒng)計學(xué)中數(shù)量關(guān)系分析方法，主要對實時礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)、眾數(shù)、峰度、偏度、置信度等參數(shù)進(jìn)行分析。采用統(tǒng)計分析方法，得出歷史來壓步距統(tǒng)計分析情況，見表2。

歷史來壓步距統(tǒng)計分析：由表2可知，第I區(qū)來壓1次，首次來壓位置14.705 m；第Ⅱ區(qū)來壓70次，平均來壓步距18.795 m；第Ⅲ區(qū)來壓119次，平均來壓步距16.857 m；第Ⅳ區(qū)來壓114次，平均來壓步距16.61 m；第Ⅴ區(qū)來壓23次，平均來壓步距20.76 m。

表2 歷史來壓步距統(tǒng)計分析情況

注：1.Ⅰ區(qū)：1#～20#支架；Ⅱ區(qū)：21#～45#支架；Ⅲ區(qū)：46#～80#支架；Ⅳ區(qū)：80#～105#支架；Ⅴ區(qū)：106#～130#支架;

2.表格中“—”代表數(shù)據(jù)“無法獲得”。

來壓步距預(yù)測：圖1為工作面第Ⅲ區(qū)來壓步距正態(tài)分布圖。利用統(tǒng)計學(xué)規(guī)律尋找來壓步距數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)系，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)和技術(shù)手段采用基于概率統(tǒng)計分析法可較為準(zhǔn)確的預(yù)測來壓步距。經(jīng)檢驗，來壓步距預(yù)測準(zhǔn)確率能達(dá)到77%。

圖1 工作面第Ⅲ區(qū)來壓步距正態(tài)分布圖

3.2 礦壓曲面圖可視化展示

礦壓監(jiān)測曲面組合圖：曲面組合圖可以直觀展示采煤機(jī)運(yùn)動過程中支架壓力變化情況，及時發(fā)現(xiàn)工作面支護(hù)工作中存在的問題，以便解決，圖2為綜采工作面礦壓監(jiān)測圖。

圖2 綜采工作面礦壓監(jiān)測圖

雙坐標(biāo)礦壓曲面圖：采集采煤機(jī)在工作過程中液壓支架的最大工作阻力，對應(yīng)割煤結(jié)束后采煤機(jī)到達(dá)機(jī)頭或機(jī)尾時的推進(jìn)度和時間，實現(xiàn)時間與進(jìn)尺一一對應(yīng)。通過在連續(xù)的工作面上不同的顏色及深淺顯示頂板壓力的大小，這樣更直觀地看出頂板巖層的活動和周期來壓的步距，更好地掌握回采工作面上覆巖層運(yùn)動規(guī)律，圖3為綜采工作面雙坐標(biāo)礦壓曲面圖。

圖3 綜采工作面雙坐標(biāo)礦壓曲面圖

企業(yè)微信推送：企業(yè)微信是目前國內(nèi)使用最廣、效率最高的企業(yè)內(nèi)部管理、溝通與服務(wù)工具。神東自從企業(yè)微信上線以來接入用戶數(shù)22 516人，活躍用戶15 576人，有效使用率高達(dá)69.18%，在企業(yè)微信中可以免費(fèi)添加企業(yè)公眾應(yīng)用，利用公眾應(yīng)用在企業(yè)微信中發(fā)布消息，可以達(dá)到精準(zhǔn)推送、及時查閱的目的。

4 結(jié)語

通過對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，利用綜采工作面海量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，初步解決了目前煤炭企業(yè)亟需解決的礦壓規(guī)律分析與預(yù)測的問題。隨著計算機(jī)信息化在各個領(lǐng)域的發(fā)展，礦壓分析來壓步距預(yù)測系統(tǒng)在煤礦行業(yè)的應(yīng)用必將給煤礦的安全生產(chǎn)帶來大的變革，也必然會提升煤炭生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。