采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)

陳濤

摘 ? 要：煤礦采掘工作危險性較高，尤其是工作面頂板災(zāi)害嚴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)測波形自修正技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)對液壓支架的狀態(tài)研究，還可以應(yīng)用計算機技術(shù)對支架壓力情況做精確分析，達到預(yù)測周期性壓力波的目的。通過實時監(jiān)測頂板災(zāi)害，可在發(fā)生危險時及時報警，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)測技術(shù)

中圖分類號：TD327.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0059-02

我國的采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測工作主要依靠人工采集數(shù)據(jù)及核實，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)測技術(shù)取得了長足進步，但由于頂板監(jiān)測具有較大的不確定因素，故仍舊不能滿足采煤作業(yè)現(xiàn)場的需求。應(yīng)在全面分析工作面情況后，采用頂板監(jiān)測技術(shù)，對潛在風(fēng)險源提前發(fā)出預(yù)警信息，才能切實避免頂板災(zāi)害。在經(jīng)典礦山理論的指導(dǎo)下，運用區(qū)域鏈和支架法對頂板運動規(guī)律做全面分析，并在此基礎(chǔ)上采取預(yù)測波形自修正技術(shù)提升采煤工作面頂板監(jiān)測能力，促進計算機智能分析技術(shù)的全面進步。

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

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

頂板災(zāi)害監(jiān)測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。礦山壓力與巖層控制理論指出，只有掌握好頂板運動規(guī)律，才能切實預(yù)防采煤工作面頂板災(zāi)害問題。頂板運動規(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)確測定頂板運動規(guī)律，采取合理的頂板災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)，避免產(chǎn)生類似安全事故。通過大量的理論實踐可知，在采煤工作面逐步推進時，直接頂?shù)拿娣e不斷增大，并在其達到極限跨距時脫落。在老頂自身強度較大的情況下，隨著采煤工作面推進到老頂極限跨距后，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。因頂板運動具有如上特點，可推斷出下次頂板災(zāi)害的發(fā)生時間及強度，及時作出災(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)測技術(shù)分析理論

采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測基于分析頂板運動周期規(guī)律，可提升頂板災(zāi)害的預(yù)警能力。要分析頂板運動的規(guī)律性，需收集到大量詳實的數(shù)據(jù)資料。我們可采用KJ693 頂板動態(tài)監(jiān)測系統(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。每部分運動規(guī)律有一定差別，如僅采用2個壓力監(jiān)測結(jié)果，無法從全局分析頂板運動規(guī)律。應(yīng)全面了解到各個支架的情況，才能得出準(zhǔn)確結(jié)論。

1.2.1 工作面頂板運動周期性規(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。按照工作面板運動周期性規(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，則進入?yún)^(qū)域數(shù)據(jù)庫中待用;如二者無顯著關(guān)系，則進入到下一個循環(huán)周期。當(dāng)超過半數(shù)的支架符合來壓判據(jù)時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 工作面頂板運動周期性規(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)本式計算得知符合來壓判據(jù)則進入到下個階段，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：實測循環(huán)數(shù);Pit：各循環(huán)的實測循環(huán)末阻力;：循環(huán)末

阻力的平均值;F（Xk）：單支架壓力擬合函數(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)測技術(shù)

采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)從來壓強度、時間及步距作為切入點，密切監(jiān)測來壓強度，在數(shù)值超出安全線后及時發(fā)出報警。常用的監(jiān)測方法包括老頂結(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，造成實際操作中出現(xiàn)不可預(yù)估的表現(xiàn)。預(yù)測波形自修正技術(shù)是一門新興技術(shù)，除可以分析采煤工作面頂板的運動規(guī)律，還能通過人工智能技術(shù)對來壓狀況作出綜合性判斷，無需人工干預(yù)即可實現(xiàn)對采煤工作面頂板災(zāi)害的實時監(jiān)測。其對頂板災(zāi)害具有較強的客觀性判斷，故從根本上杜絕了人工監(jiān)測分析所帶來的主觀性風(fēng)險。

采煤工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中的頂板規(guī)律計算功能，能夠?qū)ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得出規(guī)律波形，并據(jù)此推測出預(yù)測波形。此預(yù)測波形可以實時結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進行校正，其誤差率極低。

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

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

我們以某采煤場支架數(shù)據(jù)進一步說明監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用。首先收集現(xiàn)場各支架循環(huán)工作阻力數(shù)據(jù)，將其整合為一條曲線。嚴密關(guān)注來壓情況，一旦在4h內(nèi)出現(xiàn)2臺及以上的支架達到來壓判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，即可將此時的循環(huán)阻力曲線進行整合，據(jù)此判斷來壓情況。還應(yīng)將一定時間段的來壓曲線做綜合分析，如符合來壓判據(jù)，系統(tǒng)即可自動記錄并保存此部分數(shù)據(jù)，通過來壓時間等計算出來壓時的步距、強度等關(guān)鍵性數(shù)值;如經(jīng)判斷不能符合來壓判據(jù)，則系統(tǒng)會自動運行，直到符合為止。系統(tǒng)會將各項分析數(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，對較為嚴重的來壓做出預(yù)警。此系統(tǒng)可以在累積數(shù)據(jù)時不斷修正預(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)測能力。通過上述分析可見，此系統(tǒng)的自動化程度較高，有效避免了人工測定的誤差，促進了測量數(shù)據(jù)的進一步精確。

4 ?結(jié)語

煤礦采掘過程中會出現(xiàn)較多難以預(yù)知的危險，其中以頂板事故最為嚴重。為保障井下作業(yè)人員的生命安全，應(yīng)從支架維護入手，通過運用經(jīng)典礦壓理論，預(yù)測并總結(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)測技術(shù)準(zhǔn)確預(yù)警周期來壓的時間及其強度。在此理論基礎(chǔ)上，我們創(chuàng)新了預(yù)測波形自修正技術(shù)，通過此項新型技術(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

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