基于模糊判定理論的煤礦工作面頂板狀態災變預警的研究

岳支俊

（山西朔州茂華萬通源煤業有限公司，山西朔州 036800）

基于模糊判定理論的煤礦工作面頂板狀態災變預警的研究

岳支俊

（山西朔州茂華萬通源煤業有限公司，山西朔州 036800）

針對反應煤礦工作面頂板安全狀態的各因素的變化，以及其各個因素之間的關系，采用模糊判定理論，構建工作面頂板、巷道圍巖安全狀態、各影響因素之間的隸屬度函數關系，進而建立頂板安全狀態與影響因素間的數學模型，分析判定頂板安全狀態和預警級別[1]。幫助技術人員及時了解頂板狀態和采取有效措施，降低礦井頂板事故的發生。

礦井頂板；巷道圍巖；模糊理論；災害預警

煤礦開采中的頂板安全問題對礦井的安全生產、建設危害性很大[2]。隨著開采強度的增強，開采深度的增加，頂板安全問題也隨之凸顯。礦井頂板事故中，工作面頂板災害和巷道圍巖災害所占比例最高，達到80%以上。因此，建立準確、及時的煤礦工作面頂板和巷道圍巖災害預警系統是礦井安全生產的必要前提。

1 工作面頂板安全狀態因素分析

從煤礦回采工作面的作業區域來說，工作面頂板安全狀態影響因素為支架載荷(頂板壓力）、支架可縮量(頂底板移近量）、頂板巖層結構狀態和采場風流負壓(壓強）等。巷道圍巖安全狀態影響因素為巷道圍巖位移、銷桿支護載荷以及圍巖破裂的聲發射信號等[3]。經對這些影響因素的實時檢測，根據其數值的大小和變化趨勢的分析，判斷某一因素對應的頂板安全狀態。最后通過構建多參量災害預警綜合數學模型，實現對礦井頂板狀態的安全、災變等狀態的綜合評判預警。

2 頂板監測因素參數的變化規律分析

2.1 工作面頂板安全狀態指標的分析

由于回采工作面的特性知，只要保證工作面回采期間頂板和圍巖狀態安全即可。工作面安全狀態分為直接、間接影響因素，其中支架載荷(頂板壓力）、支架可縮量（頂底移近量）作為工作面頂板狀態的直接參考指標，頂板巖層結構狀態和采場風流壓力（壓強）參數作為工作面頂板狀態的間接參考指標。四項影響因素分別有對應的傳感器監測其參數，支架立柱腔的壓力傳感器監測支架載荷參數，支架位移傳感器監測支架伸縮量參數，地質雷達的監測信號反應頂板巖層結構狀態，工作面空間風流靜壓信號反應采場風流負壓。工作面頂板狀態多因素監測預警流程，見圖1。

圖1 工作面頂板狀態多因素監測預警流程

根據回采工作面的特點，四項影響因素的不同監測信號均對應不同的頂板預警級別。其中支架可縮量信息分為可縮量值小于安全值、大于安全值、可縮量值變化大三種情況，前者頂板安全，后兩者頂板災害預警。支架載荷數據分為檢測數據小于安全工作阻力和大于安全工作阻力，前者表明工作面頂板安全，后者工作面頂板災害預警。頂板巖層結構狀態分為分層厚度變小、層間離層和復合頂板巖層，三者中任何一種情況出現就表明工作面頂板預警。工作面風流負壓壓強增大和變化較快時，表明頂板災害預警。以上四種影響因素存在一般對應關系，任何一因素的改變其他因素參數就會相應變化。

2.2 巷道圍巖監測指標的分析

巷道圍巖安全狀態的影響因素，主要包括巷道圍巖位移、錨桿載荷以及圍巖破裂聲音信號等，并且不同的參數信息反應不同圍巖安全狀態，巷道圍巖穩定性多因素監測預警流程，見圖2。

圖2 巷道圍巖穩定性多因素監測預警流程

3 礦井頂板影響因素的模糊分布函數

由于煤礦回采工作面的特殊性，頂板安全狀態影響因素和各級預警臨界值是不同的，判定頂板預警臨界值是困難的；為此借助模糊判定理論對頂板狀態進行綜合判斷，即構建各影響因素的模糊分布（隸屬）函數。根據模糊理論概念和定義，影響頂板狀態的七種因素看作一個模糊集，記作U；其中某一因素視作一個模糊子集，記作A；若對任意給出u∈U，都有唯一對應的實數μA（u）∈[0，1]，有序對集合{u，μ（Au）|任給u∈U}均可以視作U上的模糊集，μA（u）表示u對A的隸屬程度。映射μA（u）→[0，1]；u→μA（u）.

稱為模糊集A的模糊隸屬函數。依次根據各影響因素的特點得出各因素模糊分布（隸屬）函數，進而進一步得出個因素對頂板災害影響的隸屬程度。

4 頂板災害影響因素的綜合預警數學模型

影響煤礦工作面頂板及巷道圍巖的7個因素的集合為：U={Rp，Pa，p，S，P，pc（orv24），N（orE）}={頂板結構，風流負壓，支架載荷，頂板可縮量，錨桿載荷，圍巖位移，圍巖爆破聲}.

選擇相應的模糊判定準則及模糊貼近度識別理論，判斷煤礦工作頂板預警級別。根據需要編寫頂板預警程序，對應的頂板狀態預警程序和流程，見圖3[4]。

圖3 頂板狀態預警程序和流程框圖

5 結論

本文從工作面頂板和巷道圍巖兩個方面分析其對應的影響因素，并根據各影響因素的變化特點，分析了各個影響因素與頂板災害的關系，并建立了對應的模糊隸屬函數，給出綜合預警模糊量。使用模糊貼近度判定理論對頂板預警級別進行模糊識別，并編寫預警軟件；從實驗結果來看，達到了預期目的和良好效果。

[1]連清望，宋選民，顧鐵鳳.礦井頂板失穩及來壓預警的數學模型及應用[J].采礦與安全工程學報，2011，12（4）：517-523.

[2]付玉平，宋選民，邢平偉，等.大采高采場頂板斷裂關鍵塊穩定性分析[J].煤炭學報，2009（8）：1026-1030．

[3]楊治林.淺埋煤層長壁開采頂板巖層的不穩定性態[J].煤炭學報，2008，33（12）：1341-1345．

[4]侯波，宋建成，鄭麗君.礦井頂板狀態監測系統的研究[J].儀表技術與傳感器，2009（1）：53-55．

Disaster Warning of Roof on Working Face Based on Fuzzy Theory

YUE Zhijun
(Maohua Wantongyuan Coal Co.,Ltd.,Shuozhou 036800,China)

To find out the variation and relationship of factors of roof safety on working face,fuzzy judgment theory was used to establish a membership function and a mathematical model between the safety and the influential factors for the roof and surrounding rock in roadways in order to judge the safety situation and alarm level.The study could help that technical staffs know the roof situation and take measures in time,which could effectively reduce the roof accident rate in mines.

roof in mine;surrounding rock of roadways;fuzzy theory;disaster warning

TD322+.1

A

1672-5050（2015）03-0006-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.003

（編輯：劉新光）

2015-01-28

岳支俊（1968-），男，山西定襄人，大學本科，工程師，從事煤炭開采技術工作。