時間窗設(shè)置對綜采工作面礦壓預(yù)測精度的影響研究

（山西汾西礦業(yè)集團基建處 山西 032000）

通過對綜采工作面礦壓顯現(xiàn)情況分析、預(yù)測，可以及時排除安全隱患，確保煤礦安全生產(chǎn)的效率。經(jīng)對綜采工作面礦壓顯現(xiàn)觀測預(yù)測發(fā)現(xiàn)，我國該項工作為初始階段，經(jīng)LSTM深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對綜采工作面礦壓預(yù)測，對LSTM網(wǎng)絡(luò)性能加以深入分析，可合理使用坐標(biāo)延遲發(fā)構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)集、輸出數(shù)據(jù)，然后對時間窗設(shè)置對于綜采工作面礦壓預(yù)測精度構(gòu)成的影響，以此尋求最佳歷史數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)預(yù)測長度，通過相應(yīng)的綜采工作面礦壓防治對策完善工作，進(jìn)而確保綜采工作面礦壓預(yù)測結(jié)果的可信度、提高綜采工作面作業(yè)效率[1]。

1.時間窗設(shè)置對綜采工作面礦壓預(yù)測精度影響分析

通過對時間窗設(shè)置，對綜采工作面礦壓預(yù)測精度的影響情況分析發(fā)現(xiàn)，會對LSTM預(yù)測模型樣本集構(gòu)造、預(yù)測精度歷史數(shù)據(jù)長度，以及允許誤差范圍預(yù)測數(shù)據(jù)長度、最佳時間窗大采高工作面礦壓預(yù)測等方面構(gòu)成影響。

(1)對LSTM預(yù)測模型樣本集構(gòu)造方面構(gòu)成的影響

數(shù)據(jù)預(yù)處理，作為LSTM預(yù)測模型的主要部分，通過標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化方式對數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化情況預(yù)測，序列α為α1～αn，通過標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化處理后結(jié)果為αi。構(gòu)造數(shù)據(jù)集指的是重構(gòu)原始時間序列數(shù)，確保特征向量、可直接反映出相空間狀態(tài)，這時應(yīng)使用坐標(biāo)延遲法構(gòu)建時間序列相空間。通過不同的預(yù)測方法對時間序列進(jìn)行預(yù)測，如果時間序列為α1～αn、歷史數(shù)據(jù)長度以m表示，窗口移動步長為s，這時預(yù)測數(shù)據(jù)的長度可通過f代表。第t個輸入樣本為α1，重構(gòu)時間序列相空間表達(dá)方式為αt-1+s、αt+s+m、αt-2+s+m+f=α1，第t各輸出樣本t1、重構(gòu)時間序列相空間表達(dá)形式發(fā)生轉(zhuǎn)變，能夠構(gòu)造s=1時輸入、輸出訓(xùn)練集及測試集。

(2)對最佳歷史數(shù)據(jù)長度確定方面構(gòu)成的影響

因為坐標(biāo)延遲法原理、LSTM原理所影響，歷史數(shù)據(jù)長度m會對模型預(yù)測結(jié)果的精度造成直接的影響，選擇最佳歷史數(shù)據(jù)長度，在確保模型預(yù)測精度方面的優(yōu)勢突出[2]。針對于此，建議選擇最佳歷史數(shù)據(jù)長度，并對數(shù)個樣本進(jìn)行測試，以此形成測試集選出最佳的預(yù)測數(shù)據(jù)長度。預(yù)測數(shù)據(jù)長度為f=1時，訓(xùn)練數(shù)量占比、訓(xùn)練集數(shù)量占比，以及訓(xùn)練集樣本數(shù)量分別為：train-p=0.7、test-p=0.3、train-n=train-p*（N-w-f+1）、test-n=test-p*（N-w-f+1）。此時設(shè)置窗口移動步長為s=1，預(yù)測數(shù)據(jù)長度為f=1，歷史數(shù)據(jù)長度發(fā)生改變，顯示為（w1，2w，…，N-2f）=w。結(jié)合各個歷史數(shù)據(jù)長度w發(fā)現(xiàn)，loss更小、模型精度則會更小，loss最小歷史數(shù)據(jù)長度顯示為最佳歷史數(shù)據(jù)長度w0，搜索最佳歷史數(shù)據(jù)長度實行預(yù)測。輸入綜采工作面礦壓數(shù)據(jù)，輸出最佳歷史數(shù)據(jù)長度，首先要求輸入的為礦壓數(shù)據(jù)（α1，α2，…，αn）=α；然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化方法標(biāo)注化α；改變歷史數(shù)據(jù)長度w后確定預(yù)測數(shù)據(jù)長度f=1，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)長度、預(yù)測數(shù)據(jù)長度，使用坐標(biāo)延遲方法構(gòu)建時間序列相空間。構(gòu)造輸入和輸出數(shù)據(jù)集；其次訓(xùn)練LSTM網(wǎng)絡(luò)，及時將測試集輸入到完成訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行預(yù)測，準(zhǔn)確計算loss。

(3)對精度允許范圍內(nèi)最長預(yù)測長度方面構(gòu)成的影響

選擇歷史長度數(shù)據(jù)w0，需要注意的是模型預(yù)測數(shù)據(jù)長度比較有限，所以應(yīng)該對模型可預(yù)測數(shù)據(jù)長度加以研究，訓(xùn)練集數(shù)量占比為train-p=0.7、test-p=0.3，其中訓(xùn)練集樣本數(shù)量、測試集樣本數(shù)量分別采用train-n表示、test-n表示。測試集誤差計算函數(shù)以loss的形式展示，歷史數(shù)據(jù)長度w=w0，創(chuàng)口移動步長、預(yù)測數(shù)據(jù)長度及改變預(yù)測數(shù)據(jù)長度分別通過s=1、f=1、f=1，2，…，15進(jìn)行表達(dá)。各預(yù)測數(shù)據(jù)長度f、loss更小模型預(yù)測精度則會呈相反的狀態(tài)改變，如此能夠有效確定數(shù)據(jù)的長度[3]。模型預(yù)測數(shù)據(jù)長度的范圍比較有限，因而通過對LETM模型可預(yù)測數(shù)據(jù)長度分析確定。

(4)對最佳時間窗礦壓預(yù)測方面構(gòu)成的影響

通過結(jié)合重構(gòu)造訓(xùn)練集、測試集訓(xùn)練預(yù)測模型的方式對礦壓數(shù)據(jù)值預(yù)測，以便保證模型預(yù)測誤差MSE的準(zhǔn)確性。使用最佳時間窗礦壓預(yù)測方法處理，輸入大采高工作面礦壓數(shù)據(jù)、最佳歷史數(shù)據(jù)長度，確定預(yù)測數(shù)據(jù)的長度f=（1，2，…，m）。輸出大采高工作面礦壓預(yù)測值，輸入礦壓數(shù)據(jù)、最佳歷史數(shù)據(jù)場地，對數(shù)據(jù)長度進(jìn)行預(yù)測處理，這時可使用標(biāo)準(zhǔn)化方法標(biāo)準(zhǔn)化α，考慮到歷史數(shù)據(jù)長度、預(yù)測數(shù)據(jù)長度，通過坐標(biāo)延遲方法重構(gòu)時間序列相空間，構(gòu)造輸入及輸出數(shù)據(jù)集合，在此之后設(shè)置訓(xùn)練集樣本數(shù)量和測試集樣本數(shù)量，對LSTM網(wǎng)絡(luò)加以訓(xùn)練，合理計算預(yù)測誤差MSE、確定輸出預(yù)測結(jié)合[4]。

2.綜采工作面礦壓防治對策芻議

圖1 綜采工作面礦壓預(yù)測觀測

其一，因管路損失和流速、管長因素有關(guān)，和管徑無直接聯(lián)系，泵站型號確定后流速和管徑確定，這時可從管長出發(fā)液壓泵站距離工作面45m左右為最佳，工作面推進(jìn)速度非常快，如此會延長生產(chǎn)時間，建議將泵置于軌道以便于及時作以相應(yīng)的調(diào)整工作，防止對運輸線路、行人構(gòu)成不利的影響。除此之外，應(yīng)該對注液槍支管、供液干管加以完善，因支管、干管設(shè)計會對主管分液體構(gòu)成一定阻滯，主要表現(xiàn)在不能使分液體進(jìn)到支管方面，因此需降低泵站、工作面距離，以此提高泵站的壓力。

其二，巷道為梯形結(jié)構(gòu)，工作人員注液的時候如果沒有做好控制角度工作，發(fā)生支柱傾斜、無法提高初撐力的概率則會加大，要求定期組織工作人員接受相關(guān)培訓(xùn)學(xué)習(xí)，了解支柱、和支撐力較低情況下構(gòu)成的不良影響，從而使工作人員的操作更加規(guī)范[5-6]。

其三，工作面底板軟底、底板留浮煤，支柱插底特別為上端頭、下端頭問題比較顯著，因而建議在打支柱前及時將浮煤清除，在此之后進(jìn)行打支柱作業(yè)，在上下順槽應(yīng)用注液槍的時候，提前明確使用的順序、避免發(fā)生多槍在相同時間應(yīng)用的問題。

其四，工作面斷層、局部頂板破碎帶條件下，應(yīng)在這一地段提前做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，如果存在支架瞬間負(fù)荷過大問題，可通過提高液壓支架初撐力的方式處理，如此能加強乳化泵壓力并防止支架發(fā)生泄漏的現(xiàn)象，按要求規(guī)范操作支架。升柱后禁止在第一時間將升柱手柄歸零，建議在接近額定初撐力后歸零，工作面和周期來壓強度接近后調(diào)整安全閥參數(shù)。

其五，工作面破碎易冒直接頂板的時候通過超前移架的方式，確保支架頂梁前梁頂住煤，這時在割煤時割底煤，支架頂梁養(yǎng)護(hù)若是存在粘頂煤，移架的過程中可應(yīng)用支架前梁處理，借助快速帶壓移架的作用有效防范破碎頂板垮落情況的發(fā)生。挑順山梁階段先使用采煤機割煤，充分顯露出頂板、支架卸載前移期間發(fā)生冒落的現(xiàn)象，需使用挑順山梁方法進(jìn)行有效處理。

其六，為加速工作面進(jìn)程、降低頂板破碎發(fā)生率，應(yīng)該明確綜采工作面推進(jìn)速度直接關(guān)系到頂板破碎程度，表示推進(jìn)速度更快、煤壁暴露時間更短，這時片幫的深度則會比較小，頂板發(fā)生破損情況的概率就會更低[7]。破碎頂板狀態(tài)下，操作液壓支架擦頂帶壓移架、降柱、升柱符合，禁止使用其他用液，從而防止對拉架力、拉架的速度構(gòu)成不利的影響。

圖2 綜采工作面礦壓預(yù)測觀測

3.結(jié)語

綜采工作面礦壓預(yù)測，需合理設(shè)置時間窗，然后對礦壓預(yù)測精度構(gòu)成影響加以分析，旨在不斷完善時間窗設(shè)置，確保綜采工作面礦壓預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。除此之外，應(yīng)該及時采取對應(yīng)措施處理綜采工作面礦壓中存在問題。