综采工作面来压步距自动计算与预测

2020-01-09蒙昱璋

陕西煤炭 2020年1期

蒙昱璋

(神东煤炭集团信息管理中心，陕西神木 719315)

0 引言

加强对矿压的监测和分析是解决煤矿安全生产问题重要的措施之一，通过该手段能及时发现工作面支护工作中存在的问题并进行处理，同时也能得出工作面矿压活动的规律[1-3]。此外，掌握综采工作面顶板水平、垂直的移动规律和支架的相互关系，可以更好地进行顶板来压的预报，及时制定合理的顶板管理措施，为工作面的高产、高效安全生产创造良好的技术条件。

近年来，由于传感器及现代电子技术的高速发展，对井下工作环境的各项参数进行实时采集，数据采集周期达秒级，但由于井下采场条件的复杂性以及数据质量不稳定等因素，导致矿压数据分析的准确性和分析效率低下，数据不能真实地反映顶板实时安全状况，无法有的放矢地采取措施预防矿压危害[4-6]。目前，尚没有一套成熟、可靠的综采工作面来压步距自动计算与预测模型。

1 工作面信息化概况

随着煤矿生产技术信息化、自动化水平的提高，神东煤炭集团实施区域中央自动化控制系统，在大柳塔区域建设中央生产控制指挥中心。实现了五矿六井(大柳塔矿、补连塔矿、上湾矿、哈拉沟矿、石圪台矿)亿吨级集中指挥生产，最远指挥控制距离达到40 km。大量的设备实现远控，涵盖监控子系统15个，监测子系统14个，总计监测16万点以上。目前矿井有自动化控制系统、人员定位考勤系统、安全监测监控系统、视频系统、通讯系统、数据上传等17个独立系统，设备运行产生的海量数据通过中间数据库存储，这为数据分析和有效利用提供了保障。

2 矿压分析

2.1 矿压与割煤过程的联系

老顶周期来压：采煤工作面在推进过程中，当老顶悬露跨度达到一定长度时，老顶在其自重及上覆岩层载荷作用下，将沿煤壁甚至在内发生折断和垮落。随着工作面的推进，老顶的这种垮落现象将周而复始地出现，这种老顶周期性折断或垮落的矿压显现称为老顶的周期来压[7-9]。

矿压与割煤过程的联系：将采煤工作面沿倾斜方向按照(1∶2∶4∶2∶1)划分为5个区域，即：Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅴ区。由于第Ⅰ区、Ⅴ区来压极少，而第Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区来压频繁且间隔较短，对整个工作面影响较大，因此主要关注中间区域来压规律。另外，在工作面中选取1#、4#、7#、…、133#、136#、…、(3N-2)#支架右压力和采煤机位置为研究对象，每隔30 s采集一次数据。通过时间关系的对应可将矿压与割煤过程建立起联系。

2.2 工作面时间与进尺的对应关系

液压支架压力数据来源于传感器，只与时间有对应关系。通过对采煤机割煤曲线分析，去掉无效数据，识别割煤行为统计有效割煤刀数，按照0.8～0.865 m/刀动态累计工作面进尺，从而得到工作面时间与进尺的对应关系，累计进尺算法如下。

第1步：使用逐步判别法查找最大递增/减子序列，用{an}表示，n为有限正整数。

第2步：读取a1和an对应的起始时间，用t1和tn表示。

第3步：对所有的{an}序列，查找满足式(1)的序列

(1)

其中A，B，C，D为常数，通过经验配置。

第4步： ACC=ACC+序列个数×刀进尺，计算出当前时间下采煤机所在位置。

经测算，在数据上传正常的情况下，累计进尺自动计算与月度实际测量对比，准确率达到95%。

2.3 支架最大循环末阻力

最大循环末阻力计算：采煤机在经过液压支架割煤的过程中，顶板作用于支架的压力由初撑力后的稳定状态逐步增大，直到煤机离开支架向前推移，这个过程中支架承受顶板来压时的最大支撑力称为支架的工作阻力[10-12]。使用式(2)计算支架最大循环末阻力。

Fmax=max{F(t,t煤机进入

(2)

采集数据的正确率：经过连续4个月的数据对比与观察，最大工作阻力计算模块采集数据准确，采集正确率达到98.6%，对比支架工从集控平台读取数据并记录到Excel表格中，不仅很大程度提高了工作效率和准确性，而且对今后综采工作面液压支架选型提供了指导意见。

2.4 来压步距自动计算

计算方法：使用分类算法对压力进行自动划分，压力低于30 MPa认为安全矿压分为一类，每增加5 MPa为一种类别并指定一种颜色，颜色越深表示顶板压力越大，再通过计算类别之间的距离可以算出来压步距。实现综采工作面现场推进与数据模型同步演算，对工作面矿压历史数据整体分析，按照Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅴ分析区域，计算出每次来压的次序、来压时间、工作面推进度、来压持续距离、来压步距等。

计算结果：表1为工作面第Ⅲ区(45#～80#支架)近14次来压情况表。通过统计118次周期来压，加权平均周期来压步距为16.97 m，来压平均持续距离为5.72 m。

表1 工作面第Ⅲ区(45#～80#支架)近14次来压情况表

3 矿压预测方法

3.1 来压预测方法

统计分析方法：长期以来，顶板来压步距方法主要有概率统计法、模糊数学法、物理力学法和计算机智能法。但是，由于工作面赋存条件的复杂多变性，加之各矿区技术和设备条件相差较大，迄今并未建立起通用的预测模型。系统中提到的统计分析方法主要指统计学中数量关系分析方法，主要对实时矿压数据进行了均值、方差、标准差、中位数、众数、峰度、偏度、置信度等参数进行分析。采用统计分析方法，得出历史来压步距统计分析情况，见表2。

历史来压步距统计分析：由表2可知，第I区来压1次，首次来压位置14.705 m；第Ⅱ区来压70次，平均来压步距18.795 m；第Ⅲ区来压119次，平均来压步距16.857 m；第Ⅳ区来压114次，平均来压步距16.61 m；第Ⅴ区来压23次，平均来压步距20.76 m。

表2 历史来压步距统计分析情况

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

2.表格中“—”代表数据“无法获得”。

来压步距预测：图1为工作面第Ⅲ区来压步距正态分布图。利用统计学规律寻找来压步距数据之间的内在关系，根据已有的数据和技术手段采用基于概率统计分析法可较为准确的预测来压步距。经检验，来压步距预测准确率能达到77%。

图1 工作面第Ⅲ区来压步距正态分布图

3.2 矿压曲面图可视化展示

矿压监测曲面组合图：曲面组合图可以直观展示采煤机运动过程中支架压力变化情况，及时发现工作面支护工作中存在的问题，以便解决，图2为综采工作面矿压监测图。

图2 综采工作面矿压监测图

双坐标矿压曲面图：采集采煤机在工作过程中液压支架的最大工作阻力，对应割煤结束后采煤机到达机头或机尾时的推进度和时间，实现时间与进尺一一对应。通过在连续的工作面上不同的颜色及深浅显示顶板压力的大小，这样更直观地看出顶板岩层的活动和周期来压的步距，更好地掌握回采工作面上覆岩层运动规律，图3为综采工作面双坐标矿压曲面图。