尹希文 ，徐 剛 ，劉前進(jìn)，盧振龍，于秋鴿，張 震

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

液壓支架載荷是綜采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)的直接體現(xiàn)。煤層開采后，綜采工作面頂板發(fā)生周期性破斷，破斷巖塊相互鉸接形成暫時(shí)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，承擔(dān)部分上覆巖層載荷。當(dāng)該結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后，由于承載能力降低，導(dǎo)致液壓支架載荷迅速增加，引發(fā)上覆巖層裂隙進(jìn)一步向上方擴(kuò)展，并成為頂板水和瓦斯的涌出通道。因此，液壓支架載荷的異常變化是煤礦頂板、水以及瓦斯災(zāi)害的重要前兆信息。

隨著傳感器及電子信息的快速發(fā)展，我國大部分煤礦已經(jīng)采用綜采工作面液壓支架載荷在線監(jiān)測系統(tǒng)，收集了海量液壓支架壓力數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析主要用于來壓步距、來壓強(qiáng)度、動(dòng)載系數(shù)等礦壓規(guī)律研究以及液壓支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)方面，但一般是事故發(fā)生后才通過礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對于海量礦壓原始數(shù)據(jù)在頂板災(zāi)害預(yù)測預(yù)警方面的應(yīng)用還尚不成熟。因此，有必要開發(fā)一種準(zhǔn)確、可靠的液壓支架載荷預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)頂板來壓預(yù)測和預(yù)報(bào)，為綜采工作面各類災(zāi)害防治和圍巖控制提供依據(jù)，保障工作面的安全、高效回采。

近年來，煤礦智能化技術(shù)蓬勃發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)、機(jī)器自學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)的礦壓預(yù)測預(yù)警技術(shù)如今已成為熱門的研究方向，國內(nèi)外眾多學(xué)者和科研院所對綜采工作面頂板災(zāi)害預(yù)測預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了許多探索[1-9]，取得了一定成就，但是由于綜采工作面礦壓影響因素眾多，且大部分因素?zé)o法準(zhǔn)確獲取。如地質(zhì)及開采條件復(fù)雜多變，井下煤巖體不均質(zhì)、不連續(xù)和各向異性，覆巖破壞和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難以準(zhǔn)確監(jiān)測，推進(jìn)速度隨裝備可靠性、管理效率等因素影響隨機(jī)性大，建立一套類似指紋識(shí)別、語音識(shí)別模式的礦壓智能預(yù)測模型難度很大。巖層運(yùn)動(dòng)是支架載荷的力源，支架載荷與巖層運(yùn)動(dòng)存在必然的內(nèi)在聯(lián)系，探索支架載荷與巖層運(yùn)動(dòng)的相互作用關(guān)系，掌握頂板來壓機(jī)理和支架載荷變化規(guī)律，建立礦壓預(yù)測模型，是在現(xiàn)有條件下實(shí)現(xiàn)礦壓預(yù)測預(yù)報(bào)的有效途徑[10-11]。

筆者在采場支架圍巖相互作用關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，提出了通過支架載荷推演頂板運(yùn)動(dòng)趨勢，通過頂板運(yùn)動(dòng)趨勢預(yù)測支架載荷及頂板來壓的新思路。筆者基于電液控系統(tǒng)礦壓數(shù)據(jù)的采集、處理和深度挖掘，提出了一種礦壓雙周期分析預(yù)測方法，并進(jìn)行了可視化展示[12]。

1 礦壓雙周期分析預(yù)測模型

在綜采工作面不斷向前推進(jìn)的過程中，直接頂巖層及時(shí)垮落，基本頂巖層發(fā)生周期性破斷和運(yùn)動(dòng)，形成塊體鉸接結(jié)構(gòu)[13-14]，其中對采場支架與圍巖關(guān)系影響較大的是鉸接結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵塊A，如圖1所示。液壓支架工作阻力隨著結(jié)構(gòu)的周期性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，綜采工作面從進(jìn)入破斷巖塊A開始至走出后的全過程稱為一個(gè)頂板運(yùn)動(dòng)周期，將工作面每割完一刀煤，液壓支架從初撐力開始至循環(huán)末阻力結(jié)束的過程稱為采煤循環(huán)周期。頂板運(yùn)動(dòng)周期由若干個(gè)采煤循環(huán)周期組成，是支架載荷變化的“大周期”，重點(diǎn)研究支架載荷隨工作面推進(jìn)度變化(空間)的規(guī)律；采煤循環(huán)周期是支架載荷變化的“小周期”，重點(diǎn)研究支架載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律。大、小周期隨時(shí)空演化相互影響、相互作用，共同構(gòu)成支架載荷變化全過程，筆者將分析大、小周期內(nèi)支架載荷變化規(guī)律并實(shí)現(xiàn)礦壓預(yù)測的模型稱為礦壓雙周期分析預(yù)測模型[15]。

圖1 覆巖典型鉸接結(jié)構(gòu)模型(“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型)Fig.1 Typical overburden hinged structure (voussoir beam structure)

根據(jù)基本頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定條件，關(guān)鍵塊A的運(yùn)動(dòng)主要呈回轉(zhuǎn)和滑移2種運(yùn)動(dòng)形式，具有給定變形和給定載荷2種運(yùn)動(dòng)特征[16]。當(dāng)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著塊體間擠壓力的增加，可能重新找到新的平衡狀態(tài)，在此過程中施加至液壓支架的變形量相對固定，稱之為給定變形增阻階段；當(dāng)產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)鍵塊A沿破斷面滑移并對液壓支架施加載荷，在此過程中覆巖施加至液壓支架的載荷相對固定，稱之為給定載荷增阻階段。

以上灣煤礦12401工作面實(shí)測數(shù)據(jù)為例，分析覆巖回轉(zhuǎn)和滑移運(yùn)動(dòng)特征。當(dāng)推進(jìn)至距開切眼1 842 m時(shí)，從超前工作面8 m處的地表向煤層頂板鉆孔，終孔位置距工作面頂板26 m，采用鉆孔位移計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測覆巖動(dòng)態(tài)下沉量，在鉆孔中安裝9只位移計(jì)，安裝高度分別距工作面頂板26,34,43,53,71,88,99,110,126 m。實(shí)測曲線如圖2所示，覆巖在工作面后方11.0 m位置產(chǎn)生整體剪切破斷，在工作面后方20.5,33.5,43.0 m處產(chǎn)生回轉(zhuǎn)和滑移運(yùn)動(dòng)，由此判斷，破斷后的塊體并沒有直接接觸矸石，而是相互夾持并形成鉸接結(jié)構(gòu)，呈滑移和回轉(zhuǎn)復(fù)合交替運(yùn)動(dòng)特征。

圖2 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測曲線Fig.2 Monitoring curves of overburden movement state

文獻(xiàn)[15]對采煤循環(huán)內(nèi)2種頂板運(yùn)動(dòng)形式與支架工作阻力的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，得出液壓支架時(shí)序增阻函數(shù)主要有如下3種類型，分別為對數(shù)、指數(shù)和線性，如圖3所示，其增阻函數(shù)關(guān)系式[17-18]分別為

圖3 12401工作面液壓支架6月10日實(shí)測載荷曲線Fig.3 Load curve of hydraulic support in No.12401 working face measured on June 10th

Pz=Kkzlnt+C1，t>0

(1)

(2)

Pz=C1t+C2，t>0

(3)

式中，Pz為液壓支架載荷，N；K為覆巖給定下沉量，為常數(shù)，m；kz為液壓支架剛度，N/m；Mm為頂板運(yùn)動(dòng)作用在液壓支架上載荷對應(yīng)的質(zhì)量當(dāng)量，kg；t為時(shí)間，s；C1，C2，C3為積分常數(shù)。

當(dāng)液壓支架處于給定變形增阻狀態(tài)時(shí)，支架載荷與時(shí)間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，此時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)下沉加速度小于0，即降速下沉；當(dāng)液壓支架處于給定載荷增阻狀態(tài)時(shí)，支架載荷與時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，此時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)下沉加速度大于0，即加速下沉；當(dāng)液壓支架支撐力與基本頂結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)載荷呈臨界平衡狀態(tài)時(shí)，覆巖將產(chǎn)生勻速下沉運(yùn)動(dòng)，支架載荷與時(shí)間呈線性關(guān)系，即勻速下沉。由于在實(shí)際開采過程中，覆巖破斷塊體呈滑移和回轉(zhuǎn)復(fù)合交替運(yùn)動(dòng)方式，采煤循環(huán)內(nèi)液壓支架增阻過程可能由以上多個(gè)函數(shù)復(fù)合而成[19]。

以12401工作面2018-06-10 T 04:00—21:00期間實(shí)測數(shù)據(jù)為例，繪制液壓支架載荷與時(shí)間關(guān)系變化曲線，如圖3所示。從圖3提取初撐力和循環(huán)末阻力特征點(diǎn)，并對初撐力至循環(huán)末阻力之間的曲線進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖4及表1～3所示。支架載荷時(shí)序曲線可分為4種類型，即：單純指數(shù)(S1)、單純對數(shù)(S2)、對數(shù)+線性(S3)、對數(shù)+指數(shù)(S4)。

表1 曲線S1和S2擬合分析參數(shù)

圖4 12401工作面液壓支架實(shí)測載荷擬合曲線Fig.4 Measured load fitting curves of hydraulic support in No.12401 working face

2 礦壓雙周期預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)

2.1 采煤循環(huán)周期內(nèi)液壓支架載荷實(shí)時(shí)擬合預(yù)測技術(shù)

鑒于12401工作面液壓支架載荷與時(shí)間關(guān)系曲線主要包括3種基本函數(shù)和4種曲線類型，據(jù)此提出液壓支架載荷擬合預(yù)測模型，其主要預(yù)測思路為：根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)測載荷建立滑動(dòng)窗口，首先采用對數(shù)或者指數(shù)函數(shù)分別擬合窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)，以擬合效果最高的函數(shù)進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變導(dǎo)致液壓支架增阻函數(shù)改變后，自特征點(diǎn)開始重新采用線性、對數(shù)和指數(shù)3種函數(shù)分別擬合，以擬合效果最好的函數(shù)重新進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測。擬合預(yù)測流程如圖5所示。

圖5 液壓支架載荷擬合預(yù)測流程Fig.5 Prediction progress of hydraulic support load

表2 曲線S3擬合分析參數(shù)

表3 曲線S4擬合分析參數(shù)

其中Pi,Pi-1表示當(dāng)前和上一個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)，ki,ki-1表示當(dāng)前和上一個(gè)滑動(dòng)窗口線性擬合的斜率。考慮以下2個(gè)干擾因素：① 系統(tǒng)本身或者采煤機(jī)等重型裝備的頻繁啟動(dòng)易對傳感器造成干擾，產(chǎn)生0或者60 MPa的滿量程數(shù)據(jù)；② 支架呈現(xiàn)跑、冒、滴、漏等不良狀態(tài)時(shí)，初撐力分析結(jié)果不能反應(yīng)頂板實(shí)際受力情況。因此在采集和分析數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置了Δ1,Δ2,Δ3三個(gè)閾值，分別表示數(shù)據(jù)變化最小存儲(chǔ)閾值、初撐力判斷閾值、數(shù)據(jù)變化最大異常閾值。

(1)分析一段時(shí)間內(nèi)的支架載荷隨時(shí)間變化曲線特征。設(shè)每個(gè)液壓支架實(shí)測載荷為Pi，以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，以Pi為縱坐標(biāo)，繪制一段時(shí)間內(nèi)的支架載荷隨時(shí)間變化曲線，分析數(shù)據(jù)采集頻率，判別初撐力、循環(huán)末阻力和采煤循環(huán)，如圖6所示。

圖6 實(shí)測支架載荷與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve of measured support load and time

(2)對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集到的支架載荷，通過以下方法進(jìn)行預(yù)處理，刪除超過額定值50%的實(shí)測數(shù)據(jù)(額定值根據(jù)不同液壓支架型號(hào)確定)，刪除實(shí)測數(shù)據(jù)為0的數(shù)據(jù)。

(3)對滑動(dòng)窗口內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，計(jì)算擬合優(yōu)度。針對處理后的支架載荷，從初撐力開始，每隔N個(gè)數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)據(jù)擬合窗口，以S為窗口移動(dòng)步長，逐次沿時(shí)間軸向后滑動(dòng)。針對窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)，分別采用對數(shù)、指數(shù)以及線性3種函數(shù)進(jìn)行擬合分析，并計(jì)算擬合優(yōu)度R2。如果移動(dòng)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)量N太少，不僅不易區(qū)別各函數(shù)的擬合優(yōu)度，也不便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)曲線變化的關(guān)鍵點(diǎn)。窗口內(nèi)數(shù)據(jù)越多，預(yù)測時(shí)間越晚。步長代表預(yù)測的頻度，最高預(yù)測頻度即為每實(shí)測一個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次預(yù)測。綜合考慮特征點(diǎn)的搜索、預(yù)測時(shí)間和預(yù)測頻度，確定以5個(gè)數(shù)據(jù)為移動(dòng)擬合窗口，1個(gè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)窗口移動(dòng)步長。擬合示意如圖7所示，擬合函數(shù)公式如式(4)～(12)所示。

圖7 滑動(dòng)窗口變化及載荷預(yù)測示意Fig.7 Schematic diagram of sliding window variation and load prediction

對數(shù)擬合公式：

f1(t)=a1+b1lnt

(4)

(5)

(6)

線性擬合公式：

f2(t)=a2+b2t

(7)

(8)

(9)

指數(shù)擬合公式：

f3(t)=a3+b3ect

(10)

(11)

(12)

(5)當(dāng)一個(gè)采煤循環(huán)結(jié)束，判別到下一次采煤循環(huán)開始后，開始下一次預(yù)測工作。

2.2 頂板運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)循環(huán)末阻力動(dòng)態(tài)預(yù)測技術(shù)

隨著工作面的不斷推進(jìn)，液壓支架循環(huán)末阻力隨著基本頂結(jié)構(gòu)的周期性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生周期性變化。循環(huán)末阻力影響因素眾多，主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

(1)煤巖層的厚度、裂隙發(fā)育程度、力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、富水性等地質(zhì)條件差異較大；

(2)推進(jìn)速度和采高等開采條件變化不一，液壓支架工況有好有壞；

(3)大部分循環(huán)末阻力不能準(zhǔn)確測量和獲?。?/p>

(4)特定工作面能夠采集的綜采工作面循環(huán)末阻力數(shù)據(jù)量有限，能夠采集到的影響因素?cái)?shù)據(jù)量也有限，數(shù)據(jù)量級(jí)與深度學(xué)習(xí)所需的海量圖片及語音數(shù)據(jù)相比相差甚遠(yuǎn)。

針對以上特點(diǎn)，采用深度學(xué)習(xí)等工智能方法建立一套普遍適用的循環(huán)末阻力智能預(yù)測模型難度較大。筆者基于循環(huán)末阻力空間序列變化特點(diǎn)構(gòu)建板曲線，建立有限數(shù)據(jù)條件下礦壓匹配預(yù)測模型，主要思路：在假設(shè)歷史數(shù)據(jù)可以重新出現(xiàn)的前提下，首先分析循環(huán)末阻力歷史數(shù)據(jù)隨推進(jìn)度變化特征，并將其劃分為若干個(gè)周期性曲線，采用數(shù)據(jù)挖掘建立周期性變化的模板曲線，采用匹配算法將模板曲線與歷史數(shù)據(jù)匹配，采用匹配度最高的模板曲線預(yù)測循環(huán)末阻力和來壓步距。其預(yù)測流程如圖8所示。

圖8 循環(huán)末阻力及來壓步距預(yù)測流程Fig.8 Prediction progress of resistance at the end of a single cycle and pressure step

2.2.1頂板周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

在工作面推進(jìn)過程中，每一個(gè)采煤循環(huán)均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)支架初撐力和循環(huán)末阻力，液壓支架初撐力為新的移架動(dòng)作產(chǎn)生后，乳化液停止向立柱下腔供應(yīng)時(shí)的液壓支架載荷，循環(huán)末阻力為移架前最后一個(gè)液壓支架載荷，循環(huán)末阻力一般代表該采煤循環(huán)內(nèi)頂板運(yùn)動(dòng)對支架的最大載荷。移架前后液壓支架工作阻力變化特征為：移架前，支架載荷自上一采煤循環(huán)的末阻力開始顯著降低，快速移架至新的位置后，支架載荷又快速增加至初撐力。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)變化特征開發(fā)了液壓支架初撐力和循環(huán)末阻力實(shí)時(shí)分析算法，分析支架循環(huán)末阻力在工作面推進(jìn)過程中的變化規(guī)律，研究采場頂板周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

以上灣煤礦12401工作面70號(hào)支架推進(jìn)300～620 m時(shí)的403條循環(huán)末阻力數(shù)據(jù)為對象進(jìn)行分析，繪制循環(huán)末阻力隨推進(jìn)度變化曲線，如圖9所示，以循環(huán)末阻力平均值(20 290 kN)與1倍均方差(3 740 kN)之和為周期劃分判據(jù)上限值(24 030 kN)，以循環(huán)末阻力平均值與0.5倍均方差之和為判據(jù)下限值(22 160 kN)，取相鄰2個(gè)高于上限值的循環(huán)末阻力曲線為1個(gè)變化周期，如相鄰2個(gè)峰值之間的距離大于30 m，就近取高于下限值的峰值作為周期劃分點(diǎn)，共劃分為25條周期性曲線，曲線名稱分別為L1～L25。

圖9 液壓支架循環(huán)末阻力周期性變化曲線Fig.9 Periodic curve of cyclic end resistance of hydraulic support

2.2.2循環(huán)末阻力周期性變化曲線聚類分析

首先采用系統(tǒng)聚類和K-means聚類相結(jié)合的方法，對支架循環(huán)末阻力周期性曲線進(jìn)行分類。綜合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，采用SPSS數(shù)據(jù)挖掘軟件進(jìn)行聚類分析，首先通過系統(tǒng)聚類法初步判定已有的循環(huán)末阻力曲線可能劃分的合理類數(shù)，再將初步判定的類數(shù)輸入K-means聚類法中，將2種方法聚類結(jié)果相互驗(yàn)證，綜合分析確定最終循環(huán)末阻力類數(shù)和每一類的組成曲線，構(gòu)建每個(gè)類別的模板曲線。

在系統(tǒng)聚類分析法中，采用歐氏距離度量不同類型之間的距離，采用5種不同的類別間距離定義方法，分別為組間平均連接法、組內(nèi)平均連接法、最鄰近元素法、最遠(yuǎn)鄰元素法以及質(zhì)心聚類。采用以上5種方法所得到的結(jié)果如表4及圖10所示。采用質(zhì)心分類法可為4類，采用組間平均連接法、組內(nèi)平均連接法、最遠(yuǎn)鄰元素法可分為5類，采用最近鄰元素法可分為7類。組間平均連接法與其余4類系統(tǒng)聚類法的分類結(jié)果相似度較高，與最遠(yuǎn)鄰元素法的第1類、第3類和第4類所包括的曲線完全一致，和質(zhì)心分類法的第2類、第3類、第4類所包括的曲線基本一致，與組內(nèi)平均連接法除第2類、第3類外完全一致，與最鄰近元素法的第2類完全一致，初步判定采用組間平均連接法將其分為5類。

表4 頂板運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)循環(huán)末阻力不同算法聚類結(jié)果

采用K-means分類法對25條曲線分為5類，各個(gè)類型包括的曲線見表4，除L16和L23兩條曲線分類結(jié)果外，其余分類結(jié)果完全相同。綜合分析認(rèn)為分為5類較為合理，每一類包括的曲線如下：

第1類包括曲線：L6,L7,L8,L9,L12,L14,L23；

第2類包括曲線：L3,L5,L10,L13,L16,L19,

L23,L25；

第3類包括曲線：L4,L17；

第4類包括曲線：L22,L24；

第5類包括曲線：L1,L2,L11,L15,L18,L20,

L21。

2.2.3模板曲線構(gòu)建及匹配預(yù)測

由于工作面開采和地質(zhì)條件和復(fù)雜性，無法預(yù)測歷史數(shù)據(jù)在未來一段時(shí)間內(nèi)的出現(xiàn)概率，因此考慮歷史數(shù)據(jù)在未來出現(xiàn)的概率是均等的。以上面聚類得到的每一類別數(shù)據(jù)的幾何平均值作為模板值，以推進(jìn)距離為橫坐標(biāo)，以每一類別載荷和模板值為縱坐標(biāo)，繪制循環(huán)末阻力散點(diǎn)圖及模板曲線，如圖11所示。

圖11 模板曲線構(gòu)建示意Fig.11 Diagram of template curves construction

構(gòu)建數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)延伸窗口，將模板曲線與窗口內(nèi)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，以相似程度最高的模板曲線進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測示意如圖12所示。延伸窗口的起點(diǎn)為實(shí)測最新一個(gè)循環(huán)末阻力峰值點(diǎn)，終點(diǎn)為當(dāng)前數(shù)據(jù)，延伸步距為1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直至該周期結(jié)束。以匹配度αj作為相似程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式為

圖12 匹配預(yù)測示意Fig.12 Matching and prediction

(13)

3 礦壓雙周期分析預(yù)測實(shí)踐

綜合以上提出的液壓支架載荷擬合預(yù)測模型和循環(huán)末阻力匹配預(yù)測模型，以上灣礦12401工作面電液控制系統(tǒng)中的壓力數(shù)據(jù)為例，開發(fā)數(shù)據(jù)采集和分析算法，設(shè)計(jì)預(yù)測流程和預(yù)測步驟，開發(fā)可視化界面并進(jìn)行初步應(yīng)用。

(1)液壓支架載荷擬合預(yù)測實(shí)例。以12401工作面2018-06-03 T 19:06:26—20:15:27的采煤循環(huán)為例，采用液壓支架載荷擬合預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測，第1階段采用對數(shù)預(yù)測的準(zhǔn)確率為0.97，第2階段采用指數(shù)函數(shù)預(yù)測的準(zhǔn)確率為0.95。采煤循環(huán)內(nèi)支架載荷預(yù)測效果如圖13所示。

圖13 采煤循環(huán)內(nèi)支架載荷預(yù)測效果Fig.13 Prediction results of support during mining

(2)循環(huán)末阻力匹配預(yù)測實(shí)例。以工作面從7月1日至10月28日之間產(chǎn)生的1 160個(gè)循環(huán)末阻力為例，分析循環(huán)末阻力隨循環(huán)數(shù)量的變化曲線，提取周期性變化特征并構(gòu)建模板曲線，對10月28日至11月28日期間產(chǎn)生的21個(gè)頂板運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行匹配預(yù)測，預(yù)測準(zhǔn)確率為86%～95%，平均91%，分析預(yù)測結(jié)果如圖14所示，圖中實(shí)線表明實(shí)測載荷，虛線表示預(yù)測載荷。

圖14 上灣煤礦12401工作面循環(huán)末阻力預(yù)測結(jié)果Fig.14 Prediction results of pressure on No.12401 working face in Shangwan Coal Mine

綜上所述，筆者將覆巖運(yùn)動(dòng)物理模型與支架載荷實(shí)測數(shù)據(jù)模型相結(jié)合，從液壓支架載荷在時(shí)間和空間方面的周期性變化規(guī)律入手，研究提出了采煤循環(huán)內(nèi)支架載荷擬合預(yù)測方法和循環(huán)末阻力回歸預(yù)測方法，建立了礦壓雙周期分析預(yù)測模型，并通過上灣礦實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，實(shí)出了支架載荷和循環(huán)末阻力的有效預(yù)測，最短預(yù)測周期可達(dá)秒級(jí)。國內(nèi)外目前尚沒有成熟的礦壓預(yù)測軟件，礦壓雙周期預(yù)測模型為綜采工作面頂板管理和圍巖控制對策的超前制定提供了新方法，為智能化工作面圍巖自適應(yīng)協(xié)同控制提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)為解決礦壓實(shí)時(shí)預(yù)測問題，將覆巖運(yùn)動(dòng)模型和支架載荷實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，綜合時(shí)間和空間2個(gè)維度，提出了礦壓雙周期分析預(yù)測方法。

(2)從時(shí)間角度，通過覆巖結(jié)構(gòu)理論推導(dǎo)和實(shí)測數(shù)據(jù)分析，得到了采煤循環(huán)內(nèi)液壓支架與時(shí)間的3種基礎(chǔ)增阻函數(shù)和4種曲線類型，采用滑動(dòng)窗口動(dòng)態(tài)預(yù)測方法和最大擬合優(yōu)度的準(zhǔn)則，建立了采煤循環(huán)內(nèi)液壓支架載荷擬合預(yù)測模型，通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，支架載荷預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)95%。

(3)從空間角度，基于系統(tǒng)聚類和K-means聚類對液壓支架循環(huán)末阻力曲線進(jìn)行分類，并構(gòu)建模板曲線，采用延伸窗口動(dòng)態(tài)預(yù)測方法和最大匹配度準(zhǔn)則、構(gòu)建了循環(huán)末阻力模板曲線實(shí)時(shí)匹配預(yù)測模型，通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，循環(huán)末阻力預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)86%。