基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦支護系統(tǒng)可靠性研究

章明旺

(大同煤礦集團 虎龍溝煤業(yè)公司，山西 大同 037026)

·試驗研究·

基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦支護系統(tǒng)可靠性研究

章明旺

(大同煤礦集團 虎龍溝煤業(yè)公司，山西 大同 037026)

結(jié)合綜采工作面支護系統(tǒng)以及液壓支架的特點，從開采參數(shù)和煤層賦存條件兩個方面分析了影響工作面支護系統(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模型的支護系統(tǒng)可靠性分析模型。選擇某礦業(yè)集團幾個工作面的實際情況作為模型樣本，通過模擬計算，得出支護強度預(yù)測數(shù)據(jù)與模型樣本的實際數(shù)據(jù)相對誤差很小?？梢姡摲治瞿Ｐ皖A(yù)測結(jié)果比較準(zhǔn)確。該人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以為綜采工作面的支護提供數(shù)據(jù)，提高支護的可靠性。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；綜采工作面；支護；可靠性

在我國，煤炭占我國能源比重的70%以上，是主要的能源。但是，隨著設(shè)備大型化、現(xiàn)代化的革新，淺表煤炭資源越來越少，深部煤層已成為主要開采對象。因此，頂板支護等安全方面的問題越來越受到重視。在綜采工作面，礦山壓力與圍巖控制伴隨著整個開采過程，也直接關(guān)系到工作面的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。生產(chǎn)實踐證明，頂板事故和支架支護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)的重要問題之一。但是由于煤炭開采的復(fù)雜性和煤層地質(zhì)情況的多樣性，工作面支架的選型、阻力的計算等方面仍然缺乏非常可靠的理論方法，主要問題就是架型不適應(yīng)、工作阻力確定存在誤差、支架事故頻發(fā)等，導(dǎo)致了工作面產(chǎn)量受到影響，綜采設(shè)備效能無法充分發(fā)揮。因此，有必要對綜采工作面支護系統(tǒng)可靠性進行研究，以提高工作面生產(chǎn)效率，確保安全生產(chǎn)。

1 綜采工作面支護系統(tǒng)概述

綜采工作面成套設(shè)備主要由以下系統(tǒng)組成：1) 采煤系統(tǒng)：主要包括工作面三機，即采煤機、刮板輸送機、液壓支架。2) 運煤系統(tǒng)：主要是運輸平巷中的轉(zhuǎn)載機、破碎機和帶式輸送機。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、信號設(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。

綜采工作面中，支護主要是利用液壓支架。液壓支架是與采煤機、刮板輸送機、乳化液泵等配套使用的一種復(fù)雜的煤礦機械設(shè)備。液壓支架是通過對頂板的有效控制和支撐，防止頂板的冒落，確保其他機械設(shè)備和礦工能夠在安全空間內(nèi)進行作業(yè)。同時，液壓支架也可以通過推溜、移架等動作完成工作面的推移。液壓支架的組成主要有4個部分：架體、工作機構(gòu)、液控系統(tǒng)和輔助構(gòu)件。其中，架體主要包括頂梁、底座、側(cè)護板以及連桿等金屬構(gòu)件；工作機構(gòu)主要包括立柱、千斤頂?shù)龋灰嚎叵到y(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。

隨著現(xiàn)代化科技的不斷進步，液壓支架也發(fā)生了很大的改進。但是，所有液壓支架的工作原理都是類似的，操作與動作往往也與其結(jié)構(gòu)等沒有太大的關(guān)聯(lián)。在綜采工作面，會同時布置多臺液壓支架，而每臺支架的動作是獨立進行的，卻又組成了復(fù)雜的系統(tǒng)，所以其工況比較復(fù)雜。

2 影響綜采工作面支護系統(tǒng)可靠性的因素

2.1 開采參數(shù)對工作面支護系統(tǒng)可靠性的影響

影響工作面支護系統(tǒng)可靠性的開采因素主要有深度、推進速度、采高和移架速度。

1) 開采深度。在地下開采中，原巖應(yīng)力的大小直接受到開采深度的影響，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，開采深度影響著礦山壓力，也會影響工作面支架的載荷情況。

2) 工作面的推進速度。工作面推進速度的快慢主要影響著頂板下沉量、煤壁前方支承壓力等。通常來說，頂板下沉量隨時間的增加而增加。如果工作面推進速度比較快，頂板下沉量就相對較小，頂板壓力也就較??；如果工作面推進速度比較慢，頂板下沉量就相對較大，頂板壓力也就較大。因此，加快工作面推進速度能夠減少頂板下沉量，緩解支架所受頂板壓力。當(dāng)然，工作面推進速度不可能無限提高，當(dāng)達到一定程度時，下沉量也趨于穩(wěn)定，不會完全停止下沉。

3) 開采高度。

采高會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重，而且會導(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、分組間隔交錯式和整體依次順序式。連續(xù)式卸載面積比較小，所以頂板下沉量小，適用于穩(wěn)定性差的頂板；而后兩種移架方式為了確保頂板狀態(tài)，同時移架數(shù)最好也不要大于3架。

2.2 煤層賦存條件對工作面支護系統(tǒng)可靠性的影響

1) 直接頂?shù)挠绊憽?/p>

直接頂?shù)耐暾麑ぷ髅娴纳a(chǎn)效率和安全支護都有著非常重要的影響。直接頂是否完整主要取決于巖層的力學(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。

2) 基本頂?shù)挠绊憽?/p>

基本頂?shù)倪\動和來壓強度會影響到直接頂?shù)姆€(wěn)定性，同時是決定支護強度、伸縮量的主要因素。直接頂?shù)暮穸纫矔绊懟卷攲ぷ髅骓敯宓膲毫?。直接頂越厚，基本頂破斷后重新形成平衡力學(xué)結(jié)構(gòu)的可能性越大，來壓強度也越低。

3) 煤層傾角的影響。

煤層傾角的大小會顯著影響工作面的礦壓顯現(xiàn)。煤層傾角增大，上覆巖層壓力減小而滑動力增大。煤層傾角越大，采空區(qū)矸石滑移的可能性越大，對上覆巖層的運動產(chǎn)生影響，也會導(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)，核心是利用電子或光電元件來模擬人腦工作的一種軟件仿真。它具有超強的處理能力，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)來解決問題，也可以根據(jù)不同的研究領(lǐng)域和目的，建立模型結(jié)構(gòu)，進行算法和信息處理。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常迅速，在計算能力、對連續(xù)映射的模擬、動態(tài)分析等方面都取得了巨大的成就，越來越廣泛的被應(yīng)用在一些科研項目和工程領(lǐng)域中。

通常，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) 對每個輸入樣本進行前向計算。3) 對每個樣本進行反向計算。4) 修正權(quán)值。

3.2 支護可靠性研究

1) 模型的建立。

工作面支護系統(tǒng)可靠性既與支護系統(tǒng)本身有關(guān)，也與開采參數(shù)和煤層賦存條件有很大關(guān)系。經(jīng)過分析，選擇工作面長度、工作面的推進速度、機采高度、放煤高度、采深開采參數(shù)以及直接頂?shù)膹姸?、厚度和周期來壓步距?個因素作為輸入層，將支架支護強度作為輸出層，隱含層設(shè)為1層，隱含層的個數(shù)設(shè)為4，建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦支護系統(tǒng)可靠性分析模型，即本文選擇的模型為通常所說的8-4-1模型。具體模型見圖1.

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

為了便于驗證模擬結(jié)果，選擇了某礦業(yè)集團幾個工作面的實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，見表1.

表1 樣本數(shù)據(jù)表

2) 模型的計算。

對表1樣本進行預(yù)處理后，再利用計算機模擬進行計算，取η(0)=0.01，α=0.15，經(jīng)過循環(huán)運算后，得到輸出層，即支護強度預(yù)測數(shù)據(jù)，見表2.

表2 預(yù)測值與樣本數(shù)據(jù)對比結(jié)果表

3) 結(jié)果分析。

通過對運算結(jié)果進行分析，可以得到支護強度原始數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，其相對誤差見表2，數(shù)據(jù)對比柱狀圖見圖2. 可以看出，相對誤差均很小，計算結(jié)果精度較高。

圖2 支柱強度預(yù)測結(jié)果對比柱狀圖

4 結(jié) 論

1) 結(jié)合對綜采工作面支護系統(tǒng)以及液壓支架的特點，從開采參數(shù)和煤層賦存條件兩個方面，對影響工作面支護系統(tǒng)可靠性的因素進行了分析。

2) 通過運用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立了支護系統(tǒng)可靠性分析模型，采用8-4-1模型，并根據(jù)幾個不同樣本進行計算，得到預(yù)測結(jié)果，結(jié)果表明，計算方便，精度準(zhǔn)確，可為下一步的工作提供數(shù)據(jù)。

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

[2] 陳 磊,李 京.基于線性回歸分析及預(yù)測的7 m大采高支護強度研究[J].煤礦機械,2015,36(10):243-246.

[3] 王家臣.我國綜放開采技術(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.

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Research on Reliability of Coal Mine Supporting System Based on BP Artificial Neural Network

ZHANG Mingwang

Coal spontaneous combustion in goaf threatens the safety and efficient production seriously in coal mine. Coal and loose coal pillar in goaf often remain uncollected after top-coal caving. In this paper, the problem of spontaneous combustion caused by residual coal in mined-out area No.8633 workface in Yungang coalmine is studied. By optimized designing of the borehole, the nitrogen injection system carried out both on the surface and underground. Within 30 days, the total nitrogen injection reached 984.4 t. After the unsealing work, the concentration of CO in goaf maintained at 24×10-6or below, thus, safety production and efficiency guaranteed.

Fully mechanized caving working face; Drilling hole injection; Fire prevention and control

2016-07-26

章明旺(1968—)，男，山西應(yīng)縣人，2012年畢業(yè)于山東理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦技術(shù)與管理工作

(E-mail)zaizhiyjs2016@163.com

TD355

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1672-0652(2016)09-0014-03