基于模糊判定理論的煤礦工作面頂板狀態(tài)災(zāi)變預(yù)警的研究

岳支俊

（山西朔州茂華萬通源煤業(yè)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(tài)災(zāi)變預(yù)警的研究

岳支俊

（山西朔州茂華萬通源煤業(yè)有限公司，山西朔州 036800）

針對反應(yīng)煤礦工作面頂板安全狀態(tài)的各因素的變化，以及其各個因素之間的關(guān)系，采用模糊判定理論，構(gòu)建工作面頂板、巷道圍巖安全狀態(tài)、各影響因素之間的隸屬度函數(shù)關(guān)系，進而建立頂板安全狀態(tài)與影響因素間的數(shù)學(xué)模型，分析判定頂板安全狀態(tài)和預(yù)警級別[1]。幫助技術(shù)人員及時了解頂板狀態(tài)和采取有效措施，降低礦井頂板事故的發(fā)生。

礦井頂板；巷道圍巖；模糊理論；災(zāi)害預(yù)警

煤礦開采中的頂板安全問題對礦井的安全生產(chǎn)、建設(shè)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(zāi)害和巷道圍巖災(zāi)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(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)的必要前提。

1 工作面頂板安全狀態(tài)因素分析

從煤礦回采工作面的作業(yè)區(qū)域來說，工作面頂板安全狀態(tài)影響因素為支架載荷(頂板壓力）、支架可縮量(頂?shù)装逡平浚㈨敯鍘r層結(jié)構(gòu)狀態(tài)和采場風(fēng)流負壓(壓強）等。巷道圍巖安全狀態(tài)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(fā)射信號等[3]。經(jīng)對這些影響因素的實時檢測，根據(jù)其數(shù)值的大小和變化趨勢的分析，判斷某一因素對應(yīng)的頂板安全狀態(tài)。最后通過構(gòu)建多參量災(zāi)害預(yù)警綜合數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對礦井頂板狀態(tài)的安全、災(zāi)變等狀態(tài)的綜合評判預(yù)警。

2 頂板監(jiān)測因素參數(shù)的變化規(guī)律分析

2.1 工作面頂板安全狀態(tài)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(tài)安全即可。工作面安全狀態(tài)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?shù)滓平浚┳鳛楣ぷ髅骓敯鍫顟B(tài)的直接參考指標，頂板巖層結(jié)構(gòu)狀態(tài)和采場風(fēng)流壓力（壓強）參數(shù)作為工作面頂板狀態(tài)的間接參考指標。四項影響因素分別有對應(yīng)的傳感器監(jiān)測其參數(shù)，支架立柱腔的壓力傳感器監(jiān)測支架載荷參數(shù)，支架位移傳感器監(jiān)測支架伸縮量參數(shù)，地質(zhì)雷達的監(jiān)測信號反應(yīng)頂板巖層結(jié)構(gòu)狀態(tài)，工作面空間風(fēng)流靜壓信號反應(yīng)采場風(fēng)流負壓。工作面頂板狀態(tài)多因素監(jiān)測預(yù)警流程，見圖1。

圖1 工作面頂板狀態(tài)多因素監(jiān)測預(yù)警流程

根據(jù)回采工作面的特點，四項影響因素的不同監(jiān)測信號均對應(yīng)不同的頂板預(yù)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(zāi)害預(yù)警。支架載荷數(shù)據(jù)分為檢測數(shù)據(jù)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(zāi)害預(yù)警。頂板巖層結(jié)構(gòu)狀態(tài)分為分層厚度變小、層間離層和復(fù)合頂板巖層，三者中任何一種情況出現(xiàn)就表明工作面頂板預(yù)警。工作面風(fēng)流負壓壓強增大和變化較快時，表明頂板災(zāi)害預(yù)警。以上四種影響因素存在一般對應(yīng)關(guān)系，任何一因素的改變其他因素參數(shù)就會相應(yīng)變化。

2.2 巷道圍巖監(jiān)測指標的分析

巷道圍巖安全狀態(tài)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(shù)信息反應(yīng)不同圍巖安全狀態(tài)，巷道圍巖穩(wěn)定性多因素監(jiān)測預(yù)警流程，見圖2。

圖2 巷道圍巖穩(wěn)定性多因素監(jiān)測預(yù)警流程

3 礦井頂板影響因素的模糊分布函數(shù)

由于煤礦回采工作面的特殊性，頂板安全狀態(tài)影響因素和各級預(yù)警臨界值是不同的，判定頂板預(yù)警臨界值是困難的；為此借助模糊判定理論對頂板狀態(tài)進行綜合判斷，即構(gòu)建各影響因素的模糊分布（隸屬）函數(shù)。根據(jù)模糊理論概念和定義，影響頂板狀態(tài)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(yīng)的實數(shù)μA（u）∈[0，1]，有序?qū)蟵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(shù)。依次根據(jù)各影響因素的特點得出各因素模糊分布（隸屬）函數(shù)，進而進一步得出個因素對頂板災(zāi)害影響的隸屬程度。

4 頂板災(zāi)害影響因素的綜合預(yù)警數(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)，風(fēng)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(yīng)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(yù)警級別。根據(jù)需要編寫頂板預(yù)警程序，對應(yīng)的頂板狀態(tài)預(yù)警程序和流程，見圖3[4]。

圖3 頂板狀態(tài)預(yù)警程序和流程框圖

5 結(jié)論

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

[1]連清望，宋選民，顧鐵鳳.礦井頂板失穩(wěn)及來壓預(yù)警的數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)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(guān)鍵塊穩(wěn)定性分析[J].煤炭學(xué)報，2009（8）：1026-1030．

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

[4]侯波，宋建成，鄭麗君.礦井頂板狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].儀表技術(shù)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(xué)本科，工程師，從事煤炭開采技術(shù)工作。