基于支架載荷的礦壓雙周期分析預(yù)測(cè)方法

尹希文 ，徐 剛 ，劉前進(jìn)，盧振龍，于秋鴿，張 震

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

液壓支架載荷是綜采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)的直接體現(xiàn)。煤層開(kāi)采后，綜采工作面頂板發(fā)生周期性破斷，破斷巖塊相互鉸接形成暫時(shí)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，承擔(dān)部分上覆巖層載荷。當(dāng)該結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后，由于承載能力降低，導(dǎo)致液壓支架載荷迅速增加，引發(fā)上覆巖層裂隙進(jìn)一步向上方擴(kuò)展，并成為頂板水和瓦斯的涌出通道。因此，液壓支架載荷的異常變化是煤礦頂板、水以及瓦斯災(zāi)害的重要前兆信息。

隨著傳感器及電子信息的快速發(fā)展，我國(guó)大部分煤礦已經(jīng)采用綜采工作面液壓支架載荷在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，收集了海量液壓支架壓力數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析主要用于來(lái)壓步距、來(lái)壓強(qiáng)度、動(dòng)載系數(shù)等礦壓規(guī)律研究以及液壓支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)方面，但一般是事故發(fā)生后才通過(guò)礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)于海量礦壓原始數(shù)據(jù)在頂板災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方面的應(yīng)用還尚不成熟。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種準(zhǔn)確、可靠的液壓支架載荷預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)頂板來(lái)壓預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，為綜采工作面各類(lèi)災(zāi)害防治和圍巖控制提供依據(jù)，保障工作面的安全、高效回采。

近年來(lái)，煤礦智能化技術(shù)蓬勃發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)、機(jī)器自學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)的礦壓預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)如今已成為熱門(mén)的研究方向，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和科研院所對(duì)綜采工作面頂板災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了許多探索[1-9]，取得了一定成就，但是由于綜采工作面礦壓影響因素眾多，且大部分因素?zé)o法準(zhǔn)確獲取。如地質(zhì)及開(kāi)采條件復(fù)雜多變，井下煤巖體不均質(zhì)、不連續(xù)和各向異性，覆巖破壞和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，推進(jìn)速度隨裝備可靠性、管理效率等因素影響隨機(jī)性大，建立一套類(lèi)似指紋識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別模式的礦壓智能預(yù)測(cè)模型難度很大。巖層運(yùn)動(dòng)是支架載荷的力源，支架載荷與巖層運(yùn)動(dòng)存在必然的內(nèi)在聯(lián)系，探索支架載荷與巖層運(yùn)動(dòng)的相互作用關(guān)系，掌握頂板來(lái)壓機(jī)理和支架載荷變化規(guī)律，建立礦壓預(yù)測(cè)模型，是在現(xiàn)有條件下實(shí)現(xiàn)礦壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的有效途徑[10-11]。

筆者在采場(chǎng)支架?chē)鷰r相互作用關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)支架載荷推演頂板運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，通過(guò)頂板運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)支架載荷及頂板來(lái)壓的新思路。筆者基于電液控系統(tǒng)礦壓數(shù)據(jù)的采集、處理和深度挖掘，提出了一種礦壓雙周期分析預(yù)測(cè)方法，并進(jìn)行了可視化展示[12]。

1 礦壓雙周期分析預(yù)測(cè)模型

在綜采工作面不斷向前推進(jìn)的過(guò)程中，直接頂巖層及時(shí)垮落，基本頂巖層發(fā)生周期性破斷和運(yùn)動(dòng)，形成塊體鉸接結(jié)構(gòu)[13-14]，其中對(duì)采場(chǎng)支架與圍巖關(guān)系影響較大的是鉸接結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵塊A，如圖1所示。液壓支架工作阻力隨著結(jié)構(gòu)的周期性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，綜采工作面從進(jìn)入破斷巖塊A開(kāi)始至走出后的全過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)頂板運(yùn)動(dòng)周期，將工作面每割完一刀煤，液壓支架從初撐力開(kāi)始至循環(huán)末阻力結(jié)束的過(guò)程稱(chēng)為采煤循環(huán)周期。頂板運(yùn)動(dòng)周期由若干個(gè)采煤循環(huán)周期組成，是支架載荷變化的“大周期”，重點(diǎn)研究支架載荷隨工作面推進(jìn)度變化(空間)的規(guī)律；采煤循環(huán)周期是支架載荷變化的“小周期”，重點(diǎn)研究支架載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律。大、小周期隨時(shí)空演化相互影響、相互作用，共同構(gòu)成支架載荷變化全過(guò)程，筆者將分析大、小周期內(nèi)支架載荷變化規(guī)律并實(shí)現(xiàn)礦壓預(yù)測(cè)的模型稱(chēng)為礦壓雙周期分析預(yù)測(cè)模型[15]。

圖1 覆巖典型鉸接結(jié)構(gòu)模型(“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型)Fig.1 Typical overburden hinged structure (voussoir beam structure)

根據(jù)基本頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定條件，關(guān)鍵塊A的運(yùn)動(dòng)主要呈回轉(zhuǎn)和滑移2種運(yùn)動(dòng)形式，具有給定變形和給定載荷2種運(yùn)動(dòng)特征[16]。當(dāng)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著塊體間擠壓力的增加，可能重新找到新的平衡狀態(tài)，在此過(guò)程中施加至液壓支架的變形量相對(duì)固定，稱(chēng)之為給定變形增阻階段；當(dāng)產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)鍵塊A沿破斷面滑移并對(duì)液壓支架施加載荷，在此過(guò)程中覆巖施加至液壓支架的載荷相對(duì)固定，稱(chēng)之為給定載荷增阻階段。

以上灣煤礦12401工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析覆巖回轉(zhuǎn)和滑移運(yùn)動(dòng)特征。當(dāng)推進(jìn)至距開(kāi)切眼1 842 m時(shí)，從超前工作面8 m處的地表向煤層頂板鉆孔，終孔位置距工作面頂板26 m，采用鉆孔位移計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)覆巖動(dòng)態(tài)下沉量，在鉆孔中安裝9只位移計(jì)，安裝高度分別距工作面頂板26,34,43,53,71,88,99,110,126 m。實(shí)測(cè)曲線(xiàn)如圖2所示，覆巖在工作面后方11.0 m位置產(chǎn)生整體剪切破斷，在工作面后方20.5,33.5,43.0 m處產(chǎn)生回轉(zhuǎn)和滑移運(yùn)動(dòng)，由此判斷，破斷后的塊體并沒(méi)有直接接觸矸石，而是相互夾持并形成鉸接結(jié)構(gòu)，呈滑移和回轉(zhuǎn)復(fù)合交替運(yùn)動(dòng)特征。

圖2 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.2 Monitoring curves of overburden movement state

文獻(xiàn)[15]對(duì)采煤循環(huán)內(nèi)2種頂板運(yùn)動(dòng)形式與支架工作阻力的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，得出液壓支架時(shí)序增阻函數(shù)主要有如下3種類(lèi)型，分別為對(duì)數(shù)、指數(shù)和線(xiàn)性，如圖3所示，其增阻函數(shù)關(guān)系式[17-18]分別為

圖3 12401工作面液壓支架6月10日實(shí)測(cè)載荷曲線(xiàn)Fig.3 Load curve of hydraulic support in No.12401 working face measured on June 10th

Pz=Kkzlnt+C1，t>0

(1)

(2)

Pz=C1t+C2，t>0

(3)

式中，Pz為液壓支架載荷，N；K為覆巖給定下沉量，為常數(shù)，m；kz為液壓支架剛度，N/m；Mm為頂板運(yùn)動(dòng)作用在液壓支架上載荷對(duì)應(yīng)的質(zhì)量當(dāng)量，kg；t為時(shí)間，s；C1，C2，C3為積分常數(shù)。

當(dāng)液壓支架處于給定變形增阻狀態(tài)時(shí)，支架載荷與時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，此時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)下沉加速度小于0，即降速下沉；當(dāng)液壓支架處于給定載荷增阻狀態(tài)時(shí)，支架載荷與時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，此時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)下沉加速度大于0，即加速下沉；當(dāng)液壓支架支撐力與基本頂結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)載荷呈臨界平衡狀態(tài)時(shí)，覆巖將產(chǎn)生勻速下沉運(yùn)動(dòng)，支架載荷與時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系，即勻速下沉。由于在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，覆巖破斷塊體呈滑移和回轉(zhuǎn)復(fù)合交替運(yùn)動(dòng)方式，采煤循環(huán)內(nèi)液壓支架增阻過(guò)程可能由以上多個(gè)函數(shù)復(fù)合而成[19]。

以12401工作面2018-06-10 T 04:00—21:00期間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，繪制液壓支架載荷與時(shí)間關(guān)系變化曲線(xiàn)，如圖3所示。從圖3提取初撐力和循環(huán)末阻力特征點(diǎn)，并對(duì)初撐力至循環(huán)末阻力之間的曲線(xiàn)進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖4及表1～3所示。支架載荷時(shí)序曲線(xiàn)可分為4種類(lèi)型，即：?jiǎn)渭冎笖?shù)(S1)、單純對(duì)數(shù)(S2)、對(duì)數(shù)+線(xiàn)性(S3)、對(duì)數(shù)+指數(shù)(S4)。

表1 曲線(xiàn)S1和S2擬合分析參數(shù)

圖4 12401工作面液壓支架實(shí)測(cè)載荷擬合曲線(xiàn)Fig.4 Measured load fitting curves of hydraulic support in No.12401 working face

2 礦壓雙周期預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 采煤循環(huán)周期內(nèi)液壓支架載荷實(shí)時(shí)擬合預(yù)測(cè)技術(shù)

鑒于12401工作面液壓支架載荷與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)主要包括3種基本函數(shù)和4種曲線(xiàn)類(lèi)型，據(jù)此提出液壓支架載荷擬合預(yù)測(cè)模型，其主要預(yù)測(cè)思路為：根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)測(cè)載荷建立滑動(dòng)窗口，首先采用對(duì)數(shù)或者指數(shù)函數(shù)分別擬合窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)，以擬合效果最高的函數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變導(dǎo)致液壓支架增阻函數(shù)改變后，自特征點(diǎn)開(kāi)始重新采用線(xiàn)性、對(duì)數(shù)和指數(shù)3種函數(shù)分別擬合，以擬合效果最好的函數(shù)重新進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。擬合預(yù)測(cè)流程如圖5所示。

圖5 液壓支架載荷擬合預(yù)測(cè)流程Fig.5 Prediction progress of hydraulic support load

表2 曲線(xiàn)S3擬合分析參數(shù)

表3 曲線(xiàn)S4擬合分析參數(shù)

其中Pi,Pi-1表示當(dāng)前和上一個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，ki,ki-1表示當(dāng)前和上一個(gè)滑動(dòng)窗口線(xiàn)性擬合的斜率?？紤]以下2個(gè)干擾因素：① 系統(tǒng)本身或者采煤機(jī)等重型裝備的頻繁啟動(dòng)易對(duì)傳感器造成干擾，產(chǎn)生0或者60 MPa的滿(mǎn)量程數(shù)據(jù)；② 支架呈現(xiàn)跑、冒、滴、漏等不良狀態(tài)時(shí)，初撐力分析結(jié)果不能反應(yīng)頂板實(shí)際受力情況。因此在采集和分析數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置了Δ1,Δ2,Δ3三個(gè)閾值，分別表示數(shù)據(jù)變化最小存儲(chǔ)閾值、初撐力判斷閾值、數(shù)據(jù)變化最大異常閾值。

(1)分析一段時(shí)間內(nèi)的支架載荷隨時(shí)間變化曲線(xiàn)特征。設(shè)每個(gè)液壓支架實(shí)測(cè)載荷為Pi，以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，以Pi為縱坐標(biāo)，繪制一段時(shí)間內(nèi)的支架載荷隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，分析數(shù)據(jù)采集頻率，判別初撐力、循環(huán)末阻力和采煤循環(huán)，如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)支架載荷與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relation curve of measured support load and time

(2)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集到的支架載荷，通過(guò)以下方法進(jìn)行預(yù)處理，刪除超過(guò)額定值50%的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(額定值根據(jù)不同液壓支架型號(hào)確定)，刪除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為0的數(shù)據(jù)。

(3)對(duì)滑動(dòng)窗口內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，計(jì)算擬合優(yōu)度。針對(duì)處理后的支架載荷，從初撐力開(kāi)始，每隔N個(gè)數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)據(jù)擬合窗口，以S為窗口移動(dòng)步長(zhǎng)，逐次沿時(shí)間軸向后滑動(dòng)。針對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)，分別采用對(duì)數(shù)、指數(shù)以及線(xiàn)性3種函數(shù)進(jìn)行擬合分析，并計(jì)算擬合優(yōu)度R2。如果移動(dòng)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)量N太少，不僅不易區(qū)別各函數(shù)的擬合優(yōu)度，也不便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)曲線(xiàn)變化的關(guān)鍵點(diǎn)。窗口內(nèi)數(shù)據(jù)越多，預(yù)測(cè)時(shí)間越晚。步長(zhǎng)代表預(yù)測(cè)的頻度，最高預(yù)測(cè)頻度即為每實(shí)測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次預(yù)測(cè)。綜合考慮特征點(diǎn)的搜索、預(yù)測(cè)時(shí)間和預(yù)測(cè)頻度，確定以5個(gè)數(shù)據(jù)為移動(dòng)擬合窗口，1個(gè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)窗口移動(dòng)步長(zhǎng)。擬合示意如圖7所示，擬合函數(shù)公式如式(4)～(12)所示。

圖7 滑動(dòng)窗口變化及載荷預(yù)測(cè)示意Fig.7 Schematic diagram of sliding window variation and load prediction

對(duì)數(shù)擬合公式：

f1(t)=a1+b1lnt

(4)

(5)

(6)

線(xiàn)性擬合公式：

f2(t)=a2+b2t

(7)

(8)

(9)

指數(shù)擬合公式：

f3(t)=a3+b3ect

(10)

(11)

(12)

(5)當(dāng)一個(gè)采煤循環(huán)結(jié)束，判別到下一次采煤循環(huán)開(kāi)始后，開(kāi)始下一次預(yù)測(cè)工作。

2.2 頂板運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)循環(huán)末阻力動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)

隨著工作面的不斷推進(jìn)，液壓支架循環(huán)末阻力隨著基本頂結(jié)構(gòu)的周期性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生周期性變化。循環(huán)末阻力影響因素眾多，主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

(1)煤巖層的厚度、裂隙發(fā)育程度、力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、富水性等地質(zhì)條件差異較大；

(2)推進(jìn)速度和采高等開(kāi)采條件變化不一，液壓支架工況有好有壞；

(3)大部分循環(huán)末阻力不能準(zhǔn)確測(cè)量和獲?。?/p>

(4)特定工作面能夠采集的綜采工作面循環(huán)末阻力數(shù)據(jù)量有限，能夠采集到的影響因素?cái)?shù)據(jù)量也有限，數(shù)據(jù)量級(jí)與深度學(xué)習(xí)所需的海量圖片及語(yǔ)音數(shù)據(jù)相比相差甚遠(yuǎn)。

針對(duì)以上特點(diǎn)，采用深度學(xué)習(xí)等工智能方法建立一套普遍適用的循環(huán)末阻力智能預(yù)測(cè)模型難度較大。筆者基于循環(huán)末阻力空間序列變化特點(diǎn)構(gòu)建板曲線(xiàn)，建立有限數(shù)據(jù)條件下礦壓匹配預(yù)測(cè)模型，主要思路：在假設(shè)歷史數(shù)據(jù)可以重新出現(xiàn)的前提下，首先分析循環(huán)末阻力歷史數(shù)據(jù)隨推進(jìn)度變化特征，并將其劃分為若干個(gè)周期性曲線(xiàn)，采用數(shù)據(jù)挖掘建立周期性變化的模板曲線(xiàn)，采用匹配算法將模板曲線(xiàn)與歷史數(shù)據(jù)匹配，采用匹配度最高的模板曲線(xiàn)預(yù)測(cè)循環(huán)末阻力和來(lái)壓步距。其預(yù)測(cè)流程如圖8所示。

圖8 循環(huán)末阻力及來(lái)壓步距預(yù)測(cè)流程Fig.8 Prediction progress of resistance at the end of a single cycle and pressure step

2.2.1頂板周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，每一個(gè)采煤循環(huán)均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)支架初撐力和循環(huán)末阻力，液壓支架初撐力為新的移架動(dòng)作產(chǎn)生后，乳化液停止向立柱下腔供應(yīng)時(shí)的液壓支架載荷，循環(huán)末阻力為移架前最后一個(gè)液壓支架載荷，循環(huán)末阻力一般代表該采煤循環(huán)內(nèi)頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)支架的最大載荷。移架前后液壓支架工作阻力變化特征為：移架前，支架載荷自上一采煤循環(huán)的末阻力開(kāi)始顯著降低，快速移架至新的位置后，支架載荷又快速增加至初撐力。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)變化特征開(kāi)發(fā)了液壓支架初撐力和循環(huán)末阻力實(shí)時(shí)分析算法，分析支架循環(huán)末阻力在工作面推進(jìn)過(guò)程中的變化規(guī)律，研究采場(chǎng)頂板周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

以上灣煤礦12401工作面70號(hào)支架推進(jìn)300～620 m時(shí)的403條循環(huán)末阻力數(shù)據(jù)為對(duì)象進(jìn)行分析，繪制循環(huán)末阻力隨推進(jìn)度變化曲線(xiàn)，如圖9所示，以循環(huán)末阻力平均值(20 290 kN)與1倍均方差(3 740 kN)之和為周期劃分判據(jù)上限值(24 030 kN)，以循環(huán)末阻力平均值與0.5倍均方差之和為判據(jù)下限值(22 160 kN)，取相鄰2個(gè)高于上限值的循環(huán)末阻力曲線(xiàn)為1個(gè)變化周期，如相鄰2個(gè)峰值之間的距離大于30 m，就近取高于下限值的峰值作為周期劃分點(diǎn)，共劃分為25條周期性曲線(xiàn)，曲線(xiàn)名稱(chēng)分別為L(zhǎng)1～L25。

圖9 液壓支架循環(huán)末阻力周期性變化曲線(xiàn)Fig.9 Periodic curve of cyclic end resistance of hydraulic support

2.2.2循環(huán)末阻力周期性變化曲線(xiàn)聚類(lèi)分析

首先采用系統(tǒng)聚類(lèi)和K-means聚類(lèi)相結(jié)合的方法，對(duì)支架循環(huán)末阻力周期性曲線(xiàn)進(jìn)行分類(lèi)。綜合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，采用SPSS數(shù)據(jù)挖掘軟件進(jìn)行聚類(lèi)分析，首先通過(guò)系統(tǒng)聚類(lèi)法初步判定已有的循環(huán)末阻力曲線(xiàn)可能劃分的合理類(lèi)數(shù)，再將初步判定的類(lèi)數(shù)輸入K-means聚類(lèi)法中，將2種方法聚類(lèi)結(jié)果相互驗(yàn)證，綜合分析確定最終循環(huán)末阻力類(lèi)數(shù)和每一類(lèi)的組成曲線(xiàn)，構(gòu)建每個(gè)類(lèi)別的模板曲線(xiàn)。

在系統(tǒng)聚類(lèi)分析法中，采用歐氏距離度量不同類(lèi)型之間的距離，采用5種不同的類(lèi)別間距離定義方法，分別為組間平均連接法、組內(nèi)平均連接法、最鄰近元素法、最遠(yuǎn)鄰元素法以及質(zhì)心聚類(lèi)。采用以上5種方法所得到的結(jié)果如表4及圖10所示。采用質(zhì)心分類(lèi)法可為4類(lèi)，采用組間平均連接法、組內(nèi)平均連接法、最遠(yuǎn)鄰元素法可分為5類(lèi)，采用最近鄰元素法可分為7類(lèi)。組間平均連接法與其余4類(lèi)系統(tǒng)聚類(lèi)法的分類(lèi)結(jié)果相似度較高，與最遠(yuǎn)鄰元素法的第1類(lèi)、第3類(lèi)和第4類(lèi)所包括的曲線(xiàn)完全一致，和質(zhì)心分類(lèi)法的第2類(lèi)、第3類(lèi)、第4類(lèi)所包括的曲線(xiàn)基本一致，與組內(nèi)平均連接法除第2類(lèi)、第3類(lèi)外完全一致，與最鄰近元素法的第2類(lèi)完全一致，初步判定采用組間平均連接法將其分為5類(lèi)。

表4 頂板運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)循環(huán)末阻力不同算法聚類(lèi)結(jié)果

采用K-means分類(lèi)法對(duì)25條曲線(xiàn)分為5類(lèi)，各個(gè)類(lèi)型包括的曲線(xiàn)見(jiàn)表4，除L16和L23兩條曲線(xiàn)分類(lèi)結(jié)果外，其余分類(lèi)結(jié)果完全相同。綜合分析認(rèn)為分為5類(lèi)較為合理，每一類(lèi)包括的曲線(xiàn)如下：

第1類(lèi)包括曲線(xiàn)：L6,L7,L8,L9,L12,L14,L23；

第2類(lèi)包括曲線(xiàn)：L3,L5,L10,L13,L16,L19,

L23,L25；

第3類(lèi)包括曲線(xiàn)：L4,L17；

第4類(lèi)包括曲線(xiàn)：L22,L24；

第5類(lèi)包括曲線(xiàn)：L1,L2,L11,L15,L18,L20,

L21。

2.2.3模板曲線(xiàn)構(gòu)建及匹配預(yù)測(cè)

由于工作面開(kāi)采和地質(zhì)條件和復(fù)雜性，無(wú)法預(yù)測(cè)歷史數(shù)據(jù)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的出現(xiàn)概率，因此考慮歷史數(shù)據(jù)在未來(lái)出現(xiàn)的概率是均等的。以上面聚類(lèi)得到的每一類(lèi)別數(shù)據(jù)的幾何平均值作為模板值，以推進(jìn)距離為橫坐標(biāo)，以每一類(lèi)別載荷和模板值為縱坐標(biāo)，繪制循環(huán)末阻力散點(diǎn)圖及模板曲線(xiàn)，如圖11所示。

圖11 模板曲線(xiàn)構(gòu)建示意Fig.11 Diagram of template curves construction

構(gòu)建數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)延伸窗口，將模板曲線(xiàn)與窗口內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，以相似程度最高的模板曲線(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)示意如圖12所示。延伸窗口的起點(diǎn)為實(shí)測(cè)最新一個(gè)循環(huán)末阻力峰值點(diǎn)，終點(diǎn)為當(dāng)前數(shù)據(jù)，延伸步距為1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直至該周期結(jié)束。以匹配度αj作為相似程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式為

圖12 匹配預(yù)測(cè)示意Fig.12 Matching and prediction

(13)

3 礦壓雙周期分析預(yù)測(cè)實(shí)踐

綜合以上提出的液壓支架載荷擬合預(yù)測(cè)模型和循環(huán)末阻力匹配預(yù)測(cè)模型，以上灣礦12401工作面電液控制系統(tǒng)中的壓力數(shù)據(jù)為例，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集和分析算法，設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)流程和預(yù)測(cè)步驟，開(kāi)發(fā)可視化界面并進(jìn)行初步應(yīng)用。

(1)液壓支架載荷擬合預(yù)測(cè)實(shí)例。以12401工作面2018-06-03 T 19:06:26—20:15:27的采煤循環(huán)為例，采用液壓支架載荷擬合預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，第1階段采用對(duì)數(shù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率為0.97，第2階段采用指數(shù)函數(shù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率為0.95。采煤循環(huán)內(nèi)支架載荷預(yù)測(cè)效果如圖13所示。

圖13 采煤循環(huán)內(nèi)支架載荷預(yù)測(cè)效果Fig.13 Prediction results of support during mining

(2)循環(huán)末阻力匹配預(yù)測(cè)實(shí)例。以工作面從7月1日至10月28日之間產(chǎn)生的1 160個(gè)循環(huán)末阻力為例，分析循環(huán)末阻力隨循環(huán)數(shù)量的變化曲線(xiàn)，提取周期性變化特征并構(gòu)建模板曲線(xiàn)，對(duì)10月28日至11月28日期間產(chǎn)生的21個(gè)頂板運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行匹配預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為86%～95%，平均91%，分析預(yù)測(cè)結(jié)果如圖14所示，圖中實(shí)線(xiàn)表明實(shí)測(cè)載荷，虛線(xiàn)表示預(yù)測(cè)載荷。

圖14 上灣煤礦12401工作面循環(huán)末阻力預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.14 Prediction results of pressure on No.12401 working face in Shangwan Coal Mine

綜上所述，筆者將覆巖運(yùn)動(dòng)物理模型與支架載荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模型相結(jié)合，從液壓支架載荷在時(shí)間和空間方面的周期性變化規(guī)律入手，研究提出了采煤循環(huán)內(nèi)支架載荷擬合預(yù)測(cè)方法和循環(huán)末阻力回歸預(yù)測(cè)方法，建立了礦壓雙周期分析預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)上灣礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，實(shí)出了支架載荷和循環(huán)末阻力的有效預(yù)測(cè)，最短預(yù)測(cè)周期可達(dá)秒級(jí)。國(guó)內(nèi)外目前尚沒(méi)有成熟的礦壓預(yù)測(cè)軟件，礦壓雙周期預(yù)測(cè)模型為綜采工作面頂板管理和圍巖控制對(duì)策的超前制定提供了新方法，為智能化工作面圍巖自適應(yīng)協(xié)同控制提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)為解決礦壓實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)問(wèn)題，將覆巖運(yùn)動(dòng)模型和支架載荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，綜合時(shí)間和空間2個(gè)維度，提出了礦壓雙周期分析預(yù)測(cè)方法。

(2)從時(shí)間角度，通過(guò)覆巖結(jié)構(gòu)理論推導(dǎo)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到了采煤循環(huán)內(nèi)液壓支架與時(shí)間的3種基礎(chǔ)增阻函數(shù)和4種曲線(xiàn)類(lèi)型，采用滑動(dòng)窗口動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法和最大擬合優(yōu)度的準(zhǔn)則，建立了采煤循環(huán)內(nèi)液壓支架載荷擬合預(yù)測(cè)模型，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，支架載荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)95%。

(3)從空間角度，基于系統(tǒng)聚類(lèi)和K-means聚類(lèi)對(duì)液壓支架循環(huán)末阻力曲線(xiàn)進(jìn)行分類(lèi)，并構(gòu)建模板曲線(xiàn)，采用延伸窗口動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法和最大匹配度準(zhǔn)則、構(gòu)建了循環(huán)末阻力模板曲線(xiàn)實(shí)時(shí)匹配預(yù)測(cè)模型，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，循環(huán)末阻力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)86%。