采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)

陳濤

摘 ? 要：煤礦采掘工作危險(xiǎn)性較高，尤其是工作面頂板災(zāi)害嚴(yán)重威脅到工作人員的生命健康。頂板災(zāi)害具有不可逆性，且波及范圍較大，應(yīng)采取相應(yīng)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)，保障工作人員的安全。本文論述了區(qū)域支架聯(lián)合分析技術(shù)及預(yù)測(cè)波形自修正技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的狀態(tài)研究，還可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)支架壓力情況做精確分析，達(dá)到預(yù)測(cè)周期性壓力波的目的。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂板災(zāi)害，可在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)報(bào)警，將頂板災(zāi)害損失降至最低限度。

關(guān)鍵詞：采煤工作面 ?頂板災(zāi)害 ?監(jiān)測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD327.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（a）-0059-02

我國的采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作主要依靠人工采集數(shù)據(jù)及核實(shí)，準(zhǔn)確性及效率難以得到保證。隨著科技的快速發(fā)展，頂板監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但由于頂板監(jiān)測(cè)具有較大的不確定因素，故仍舊不能滿足采煤作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。應(yīng)在全面分析工作面情況后，采用頂板監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)源提前發(fā)出預(yù)警信息，才能切實(shí)避免頂板災(zāi)害。在經(jīng)典礦山理論的指導(dǎo)下，運(yùn)用區(qū)域鏈和支架法對(duì)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律做全面分析，并在此基礎(chǔ)上采取預(yù)測(cè)波形自修正技術(shù)提升采煤工作面頂板監(jiān)測(cè)能力，促進(jìn)計(jì)算機(jī)智能分析技術(shù)的全面進(jìn)步。

1 ?采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)理論及分析

1.1 采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)理論

頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要依賴于礦山壓力與巖層控制理論，是頂板災(zāi)害預(yù)警的基礎(chǔ)性知識(shí)。礦山壓力與巖層控制理論指出，只有掌握好頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，才能切實(shí)預(yù)防采煤工作面頂板災(zāi)害問題。頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律又取決于煤層的集中應(yīng)力、支架受力情況、巖層性質(zhì)等。應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)定頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采取合理的頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)，避免產(chǎn)生類似安全事故。通過大量的理論實(shí)踐可知，在采煤工作面逐步推進(jìn)時(shí)，直接頂?shù)拿娣e不斷增大，并在其達(dá)到極限跨距時(shí)脫落。在老頂自身強(qiáng)度較大的情況下，隨著采煤工作面推進(jìn)到老頂極限跨距后，極易產(chǎn)生斷裂事故。另外斷裂的巖層在不斷變化的壓力下，可產(chǎn)生明顯的周期性來壓。因頂板運(yùn)動(dòng)具有如上特點(diǎn)，可推斷出下次頂板災(zāi)害的發(fā)生時(shí)間及強(qiáng)度，及時(shí)作出災(zāi)害預(yù)警，有效降低災(zāi)害所造成的損失。

1.2 采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)分析理論

采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)基于分析頂板運(yùn)動(dòng)周期規(guī)律，可提升頂板災(zāi)害的預(yù)警能力。要分析頂板運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，需收集到大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)資料。我們可采用KJ693 頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)智能采集功能，準(zhǔn)確獲知關(guān)鍵性數(shù)據(jù)資料。經(jīng)測(cè)試及理論研究可見，頂板主要包括梁、拱、拱梁三種形式，每種形式又分為上下端及中間部分。每部分運(yùn)動(dòng)規(guī)律有一定差別，如僅采用2個(gè)壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果，無法從全局分析頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律。應(yīng)全面了解到各個(gè)支架的情況，才能得出準(zhǔn)確結(jié)論。

1.2.1 工作面頂板運(yùn)動(dòng)周期性規(guī)律分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先設(shè)置一條曲線代表液壓支架分析系統(tǒng)的循環(huán)工作阻力，可用F（xn）表示。按照工作面板運(yùn)動(dòng)周期性規(guī)律來壓依據(jù)，確定循環(huán)工作阻力與來壓條件的關(guān)系。如二者形成統(tǒng)一，則進(jìn)入?yún)^(qū)域數(shù)據(jù)庫中待用;如二者無顯著關(guān)系，則進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)周期。當(dāng)超過半數(shù)的支架符合來壓判據(jù)時(shí)才可稱其為工作面來壓。只有改善此類問題，才能準(zhǔn)確判斷工作面壓力規(guī)律，使分析判斷結(jié)論更為可靠。

1.2.2 工作面頂板運(yùn)動(dòng)周期性規(guī)律分析系統(tǒng)算法

支架平均循環(huán)阻力與標(biāo)準(zhǔn)差相加即得頂板來壓數(shù)據(jù)，平均循環(huán)工作阻力標(biāo)準(zhǔn)差可用如下公式表示：

（1）

（2）

經(jīng)本式計(jì)算得知符合來壓判據(jù)則進(jìn)入到下個(gè)階段，如出現(xiàn)差異則返回原曲線。在半數(shù)曲線均能符合此來壓判據(jù)，應(yīng)將其整合為一條完整曲線。在此基礎(chǔ)上，符合判據(jù)則可認(rèn)定為來壓，不符合即可將其放棄。

（3）

整合判據(jù)：

（4）

P't：來壓判據(jù);：循環(huán)末阻力平均值的均方差;n：實(shí)測(cè)循環(huán)數(shù);Pit：各循環(huán)的實(shí)測(cè)循環(huán)末阻力;：循環(huán)末

阻力的平均值;F（Xk）：?jiǎn)沃Ъ軌毫M合函數(shù);F（Y）：多支架擬合壓力函數(shù);Ptn：擬合來壓判據(jù)。

2 ?采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)

采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)從來壓強(qiáng)度、時(shí)間及步距作為切入點(diǎn)，密切監(jiān)測(cè)來壓強(qiáng)度，在數(shù)值超出安全線后及時(shí)發(fā)出報(bào)警。常用的監(jiān)測(cè)方法包括老頂結(jié)構(gòu)平衡關(guān)系估算法、威爾遜算法等。采煤過程中的不確定因素造成工程客體具有較大的特異性，且在不同地質(zhì)條件中的表現(xiàn)不盡相同，故采用經(jīng)典力學(xué)法測(cè)定礦壓法有著一定局限性，不能完整反映出礦壓情況，造成實(shí)際操作中出現(xiàn)不可預(yù)估的表現(xiàn)。預(yù)測(cè)波形自修正技術(shù)是一門新興技術(shù)，除可以分析采煤工作面頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還能通過人工智能技術(shù)對(duì)來壓狀況作出綜合性判斷，無需人工干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面頂板災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其對(duì)頂板災(zāi)害具有較強(qiáng)的客觀性判斷，故從根本上杜絕了人工監(jiān)測(cè)分析所帶來的主觀性風(fēng)險(xiǎn)。

采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的頂板規(guī)律計(jì)算功能，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出規(guī)律波形，并據(jù)此推測(cè)出預(yù)測(cè)波形。此預(yù)測(cè)波形可以實(shí)時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，其誤差率極低。

在此系統(tǒng)中，可用網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點(diǎn)P（1）...P（n）表示N次來壓值，在第N+1次來壓值時(shí)可轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)輸出點(diǎn)表達(dá)。1...N的數(shù)值可于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)獲取，保障結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 ?采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

我們以某采煤場(chǎng)支架數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。首先收集現(xiàn)場(chǎng)各支架循環(huán)工作阻力數(shù)據(jù)，將其整合為一條曲線。嚴(yán)密關(guān)注來壓情況，一旦在4h內(nèi)出現(xiàn)2臺(tái)及以上的支架達(dá)到來壓判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，即可將此時(shí)的循環(huán)阻力曲線進(jìn)行整合，據(jù)此判斷來壓情況。還應(yīng)將一定時(shí)間段的來壓曲線做綜合分析，如符合來壓判據(jù)，系統(tǒng)即可自動(dòng)記錄并保存此部分?jǐn)?shù)據(jù)，通過來壓時(shí)間等計(jì)算出來壓時(shí)的步距、強(qiáng)度等關(guān)鍵性數(shù)值;如經(jīng)判斷不能符合來壓判據(jù)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，直到符合為止。系統(tǒng)會(huì)將各項(xiàng)分析數(shù)值描繪成曲線圖，借助于記錄中的數(shù)據(jù)資料推斷出下次來壓情況，對(duì)較為嚴(yán)重的來壓做出預(yù)警。此系統(tǒng)可以在累積數(shù)據(jù)時(shí)不斷修正預(yù)警數(shù)據(jù)，獲得精確結(jié)果。來壓數(shù)據(jù)是判定頂板安全的重要因素，能夠提升采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力。通過上述分析可見，此系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高，有效避免了人工測(cè)定的誤差，促進(jìn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的進(jìn)一步精確。

4 ?結(jié)語

煤礦采掘過程中會(huì)出現(xiàn)較多難以預(yù)知的危險(xiǎn)，其中以頂板事故最為嚴(yán)重。為保障井下作業(yè)人員的生命安全，應(yīng)從支架維護(hù)入手，通過運(yùn)用經(jīng)典礦壓理論，預(yù)測(cè)并總結(jié)出頂板周期性來壓規(guī)律，采用采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確預(yù)警周期來壓的時(shí)間及其強(qiáng)度。在此理論基礎(chǔ)上，我們創(chuàng)新了預(yù)測(cè)波形自修正技術(shù)，通過此項(xiàng)新型技術(shù)，可大幅降低傳統(tǒng)方法所造成的誤差，提升頂板災(zāi)害的預(yù)警能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳玉祥.采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].黑龍江科技信息，2016（6）：120.

[2] 陳峰.礦井頂板災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)化研究[J].山東煤炭科技，2018（6）：81-83.

[3] 毛德兵，尹希文，張會(huì)軍.我國煤礦頂板災(zāi)害防治與監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（9）：105-108，121.