井下液壓支柱支護系統設計

汪澤洲　唐翔　楊軒　田傳耕

【摘 要】井下支護的安全預測直接關系著煤礦井下的安全生產，信息融合技術和井下預測模型可以預測井下支護的可靠性和使用壽命，并對井下支護安全預警；然后根據井下支護支柱分布設計出無線網絡拓撲結構，并借鑒支架圍巖耦合理論，分析支柱-圍巖關系建立在支柱-圍巖力學模型或井下支柱受力分布模型的基礎上，結合無線傳感網絡所獲得的井下支護狀態信息和數值計算軟件計算出井下支護支柱的變形和受力分布以及自身承載性能和巷道圍巖應變率，將其結果應用于井下支護安全乃至工作面頂板災害預警。

【關鍵字】液壓支柱；信息融合；在線診斷；災害預警

中圖分類號：TD82 文獻標志碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0223-002

Design of underground hydraulic support system

WANG Ze-zhou TANG Xiang YANG Xuan TIAN Chuan-geng

（1.Anhui University Of Science & Technology Electrical engineering college，Huainan Anhui，232000，China；

2.Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou Jiangsu，221000，China）

【Abstract】The safety of the underground in-situ to predict the coal mine safety in production， has a close relationship with information fusion technology and downhole prediction model can predict the reliability of the underground in-situ and service life， and a warning for the safety of underground in-situ， Then designed according to the underground supporting pillar distributed wireless network topology， and support surrounding rock coupling theory， the analysis of pillar - relationship built on pillars - mechanical model of surrounding rock pillar or underground stress distribution model on the basis of the combination of wireless sensor network of underground in-situ state information and numerical calculation software to calculate the downhole supporting pillar deformation and stress distribution and its bearing performance and the surrounding rock strain rate， the result was applied to underground in-situ safety disaster warning and working face roof.y

【Key words】Hydraulic prop； Information fusion； Online diagnosis； Disaster warning

0 引言

目前，山東科技大學研制的煤炭頂板液壓支架壓力監測系統進行了這方面的研究。基于液壓支架監測系統，實現了井上計算機實時監測功能。但液壓支架監測系統采取的是有線的監測方式，有線網絡壓力檢測方式存在檢測點少且隨開采工作面的推進、移架、升降架等操作導致系統布線復雜、系統布線易被扯斷等缺陷。而液壓支柱僅僅實現了現場監測方式，未構成液壓支柱的動態監測體系，基于無線液壓支柱監測系統技術還未成熟。為此，文中利用模型預測來預測井下支護的可靠性和使用壽命，以此判斷井下支護是否安全。

在實現井下支護狀態連續監測基礎上，有效地利用監測狀態信息，分析和預測井下工作面頂板狀態的顯現規律，實現工作面頂板災害的前兆預警，將工作面頂板的安全控制與災害防治提升到新的層次。

1 井下液壓支柱支護系統的網絡結構

本文所述的井下液壓支柱安全監測系統框圖，如圖1所示。井上部分主要由服務器、交換機、地面工控機和配套軟件系統構成；井下部分由壓力無線監測節點、路由節點、網關（Sink）節點組成，井下部分是一個典型的無線傳感器網絡。

2.1 井下監測節點設計思路

無線監測節點主要包括壓力無線監測節點、路由節點、網關（Sink）節點。其中無線檢測節點是系統采集前端，直接決定采集數據是否準確性，以及采集的數據是否穩定。該節點組成部分有新型壓力傳感器，本安電池，CC2530通信芯片等。

（1）壓力傳感器采用新型定制壓力傳感器，最大承壓達到80MPa。該傳感器前端是承壓彈片，后端為調理電路。測量時壓力計前端貼片微弱形變產生微小的電信號，信號通過放大電路，通過單片機處理測量。

（2）無線通信芯片采用CC2530芯片，CC2530芯片是由TI公司制造的，芯片支持ZigBee數據傳輸，通過使用Z-STACK協議棧進行數據傳輸，具有高效性和安全性。

（3）壓力檢測時，對應每一個液壓支柱，有一個此壓力傳感器，可以根據用戶的需要，在注液結束以后，使用設計的新型取樣口，從液壓支柱的注入管中安裝一個壓力傳感器，傳感器中有一個頂針可以有效地頂開三用閥中的頂針，使液壓支柱里的液體可以流入到腔內，可以有效地測量出壓力，并顯示在數字顯示屏上。根據用戶需要，可以將數字通過無線的方式傳送給發成的計算機，得到實時數據。

2 井下液壓支柱支護系統安全預警體系

2.1 模型體系

多模型建模分為數據集的收集、建立子集和模型輸出數據。基于井下液壓支柱的分布，設計了預警框架。

綜合液壓支柱壓力、壓力計的壓力傳感器和上位機收集的數據，分別得到是U1、U2和U3 ，形成3個子模型： 液壓支柱子模型、壓力計子模型和頂板層子模型[1]。

預測過程如下：首先利用聚合經驗模態分解方法（EEMD）[2]對井下巖石監測數據進行模態分解然后，針對各子模型自身特點，模擬預測的值使用向量機（SVM），并用單整自回歸移動平均模型（ARIMA）預測，對子模型所得的數值重新構成模型預測值：S1，S2，S3。最終通過傳感器的數值將三個傳感器的數值進行歸一化信息融合處理，研究液壓支柱動態規律，分析預測數值結果，為液壓支柱安全監控系統提供數據。

2.2 信號的EEMD分解

礦井下的信號是復雜，非線性的數據。所以通過傳感器得到的數據進行EEMD分解y（t）= cij（t）+rn（t）

通過公式Cij作為非線性信號，rn（t）作為為線性信號作為干擾。

2.3 SVM多模型輸出

預警模型中SVM法一般不能直接用監測數據來作為預測樣本，通過累加各子模型預測結果得到的預測值。

同理得到U2和U3。

2.4 預測模型ARIMA

使用ARIMA模型預測對于非平穩的時間序列， ARIMA（p，d，q）模型形式是：f（x）= （a -a ）K（x，x ）+b

式中：d為差分階數，p為自回歸階數，q為移動平均階數，和為模型待定數。經過d階差分處理后，yi轉化為平穩、正態、0均值的平穩序列yi。

2.5 實時監測結果

為了得到液壓支柱的壓力數值，從上位機設計了一個統計界面，可以實時得到各個壓力計的數值，并可以排序。經過實地測量，可以得到實時數據柱形圖。如圖4所示。并可以查閱歷史數據

3 結論

本研究通過監測實現頂板安全預警，井下液壓支柱頂板狀態通過綜采工作面支柱收集實時壓力信息，巷道圍巖狀態監測通過離層儀和超前壓力傳感器實現對頂板狀態的監測。各傳感器將監測到的各種數據，通過多模型軟件預測礦山壓力分布的情況，提高預警能力。

【參考文獻】

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