采煤工作面頂板災害監測技術

陳濤

摘 ? 要：煤礦采掘工作危險性較高，尤其是工作面頂板災害嚴重威脅到工作人員的生命健康。頂板災害具有不可逆性，且波及范圍較大，應采取相應的災害監測技術，保障工作人員的安全。本文論述了區域支架聯合分析技術及預測波形自修正技術，不僅可以實現對液壓支架的狀態研究，還可以應用計算機技術對支架壓力情況做精確分析，達到預測周期性壓力波的目的。通過實時監測頂板災害，可在發生危險時及時報警，將頂板災害損失降至最低限度。

關鍵詞：采煤工作面 ?頂板災害 ?監測技術

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

我國的采煤工作面頂板災害監測工作主要依靠人工采集數據及核實，準確性及效率難以得到保證。隨著科技的快速發展，頂板監測技術取得了長足進步，但由于頂板監測具有較大的不確定因素，故仍舊不能滿足采煤作業現場的需求。應在全面分析工作面情況后，采用頂板監測技術，對潛在風險源提前發出預警信息，才能切實避免頂板災害。在經典礦山理論的指導下，運用區域鏈和支架法對頂板運動規律做全面分析，并在此基礎上采取預測波形自修正技術提升采煤工作面頂板監測能力，促進計算機智能分析技術的全面進步。

1 ?采煤工作面頂板災害監測技術基礎理論及分析

1.1 采煤工作面頂板災害監測技術基礎理論

頂板災害監測主要依賴于礦山壓力與巖層控制理論，是頂板災害預警的基礎性知識。礦山壓力與巖層控制理論指出，只有掌握好頂板運動規律，才能切實預防采煤工作面頂板災害問題。頂板運動規律又取決于煤層的集中應力、支架受力情況、巖層性質等。應準確測定頂板運動規律，采取合理的頂板災害監測技術，避免產生類似安全事故。通過大量的理論實踐可知，在采煤工作面逐步推進時，直接頂的面積不斷增大，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，極易產生斷裂事故。另外斷裂的巖層在不斷變化的壓力下，可產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害的發生時間及強度，及時作出災害預警，有效降低災害所造成的損失。

1.2 采煤工作面頂板災害監測技術分析理論

采煤工作面頂板災害監測基于分析頂板運動周期規律，可提升頂板災害的預警能力。要分析頂板運動的規律性，需收集到大量詳實的數據資料。我們可采用KJ693 頂板動態監測系統，通過此系統的數據智能采集功能，準確獲知關鍵性數據資料。經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。每部分運動規律有一定差別，如僅采用2個壓力監測結果，無法從全局分析頂板運動規律。應全面了解到各個支架的情況，才能得出準確結論。

1.2.1 工作面頂板運動周期性規律分析系統結構

首先設置一條曲線代表液壓支架分析系統的循環工作阻力，可用F（xn）表示。按照工作面板運動周期性規律來壓依據，確定循環工作阻力與來壓條件的關系。如二者形成統一，則進入區域數據庫中待用;如二者無顯著關系，則進入到下一個循環周期。當超過半數的支架符合來壓判據時才可稱其為工作面來壓。只有改善此類問題，才能準確判斷工作面壓力規律，使分析判斷結論更為可靠。

1.2.2 工作面頂板運動周期性規律分析系統算法

支架平均循環阻力與標準差相加即得頂板來壓數據，平均循環工作阻力標準差可用如下公式表示：

（1）

（2）

經本式計算得知符合來壓判據則進入到下個階段，如出現差異則返回原曲線。在半數曲線均能符合此來壓判據，應將其整合為一條完整曲線。在此基礎上，符合判據則可認定為來壓，不符合即可將其放棄。

（3）

整合判據：

（4）

P't：來壓判據;：循環末阻力平均值的均方差;n：實測循環數;Pit：各循環的實測循環末阻力;：循環末

阻力的平均值;F（Xk）：單支架壓力擬合函數;F（Y）：多支架擬合壓力函數;Ptn：擬合來壓判據。

2 ?采煤工作面頂板災害監測技術

采煤工作面頂板災害監測應從來壓強度、時間及步距作為切入點，密切監測來壓強度，在數值超出安全線后及時發出報警。常用的監測方法包括老頂結構平衡關系估算法、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，且在不同地質條件中的表現不盡相同，故采用經典力學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不可預估的表現。預測波形自修正技術是一門新興技術，除可以分析采煤工作面頂板的運動規律，還能通過人工智能技術對來壓狀況作出綜合性判斷，無需人工干預即可實現對采煤工作面頂板災害的實時監測。其對頂板災害具有較強的客觀性判斷，故從根本上杜絕了人工監測分析所帶來的主觀性風險。

采煤工作面頂板災害監測系統中的頂板規律計算功能，能夠對監測數據進行分析，得出規律波形，并據此推測出預測波形。此預測波形可以實時結合監測數據進行校正，其誤差率極低。

在此系統中，可用網絡輸入節點P（1）...P（n）表示N次來壓值，在第N+1次來壓值時可轉換為網絡輸出點表達。1...N的數值可于計算機系統自動獲取，保障結果的準確性。

3 ?采煤工作面頂板災害監測技術應用實例分析

我們以某采煤場支架數據進一步說明監測技術的應用。首先收集現場各支架循環工作阻力數據，將其整合為一條曲線。嚴密關注來壓情況，一旦在4h內出現2臺及以上的支架達到來壓判據標準，即可將此時的循環阻力曲線進行整合，據此判斷來壓情況。還應將一定時間段的來壓曲線做綜合分析，如符合來壓判據，系統即可自動記錄并保存此部分數據，通過來壓時間等計算出來壓時的步距、強度等關鍵性數值;如經判斷不能符合來壓判據，則系統會自動運行，直到符合為止。系統會將各項分析數值描繪成曲線圖，借助于記錄中的數據資料推斷出下次來壓情況，對較為嚴重的來壓做出預警。此系統可以在累積數據時不斷修正預警數據，獲得精確結果。來壓數據是判定頂板安全的重要因素，能夠提升采煤工作面頂板災害監測能力。通過上述分析可見，此系統的自動化程度較高，有效避免了人工測定的誤差，促進了測量數據的進一步精確。

4 ?結語

煤礦采掘過程中會出現較多難以預知的危險，其中以頂板事故最為嚴重。為保障井下作業人員的生命安全，應從支架維護入手，通過運用經典礦壓理論，預測并總結出頂板周期性來壓規律，采用采煤工作面頂板災害監測技術準確預警周期來壓的時間及其強度。在此理論基礎上，我們創新了預測波形自修正技術，通過此項新型技術，可大幅降低傳統方法所造成的誤差，提升頂板災害的預警能力。

參考文獻

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