基于模糊判定理论的煤矿工作面顶板状态灾变预警的研究

岳支俊

（山西朔州茂华万通源煤业有限公司，山西朔州 036800）

基于模糊判定理论的煤矿工作面顶板状态灾变预警的研究

岳支俊

（山西朔州茂华万通源煤业有限公司，山西朔州 036800）

针对反应煤矿工作面顶板安全状态的各因素的变化，以及其各个因素之间的关系，采用模糊判定理论，构建工作面顶板、巷道围岩安全状态、各影响因素之间的隶属度函数关系，进而建立顶板安全状态与影响因素间的数学模型，分析判定顶板安全状态和预警级别[1]。帮助技术人员及时了解顶板状态和采取有效措施，降低矿井顶板事故的发生。

矿井顶板；巷道围岩；模糊理论；灾害预警

煤矿开采中的顶板安全问题对矿井的安全生产、建设危害性很大[2]。随着开采强度的增强，开采深度的增加，顶板安全问题也随之凸显。矿井顶板事故中，工作面顶板灾害和巷道围岩灾害所占比例最高，达到80%以上。因此，建立准确、及时的煤矿工作面顶板和巷道围岩灾害预警系统是矿井安全生产的必要前提。

1 工作面顶板安全状态因素分析

从煤矿回采工作面的作业区域来说，工作面顶板安全状态影响因素为支架载荷(顶板压力）、支架可缩量(顶底板移近量）、顶板岩层结构状态和采场风流负压(压强）等。巷道围岩安全状态影响因素为巷道围岩位移、销杆支护载荷以及围岩破裂的声发射信号等[3]。经对这些影响因素的实时检测，根据其数值的大小和变化趋势的分析，判断某一因素对应的顶板安全状态。最后通过构建多参量灾害预警综合数学模型，实现对矿井顶板状态的安全、灾变等状态的综合评判预警。

2 顶板监测因素参数的变化规律分析

2.1 工作面顶板安全状态指标的分析

由于回采工作面的特性知，只要保证工作面回采期间顶板和围岩状态安全即可。工作面安全状态分为直接、间接影响因素，其中支架载荷(顶板压力）、支架可缩量（顶底移近量）作为工作面顶板状态的直接参考指标，顶板岩层结构状态和采场风流压力（压强）参数作为工作面顶板状态的间接参考指标。四项影响因素分别有对应的传感器监测其参数，支架立柱腔的压力传感器监测支架载荷参数，支架位移传感器监测支架伸缩量参数，地质雷达的监测信号反应顶板岩层结构状态，工作面空间风流静压信号反应采场风流负压。工作面顶板状态多因素监测预警流程，见图1。

图1 工作面顶板状态多因素监测预警流程

根据回采工作面的特点，四项影响因素的不同监测信号均对应不同的顶板预警级别。其中支架可缩量信息分为可缩量值小于安全值、大于安全值、可缩量值变化大三种情况，前者顶板安全，后两者顶板灾害预警。支架载荷数据分为检测数据小于安全工作阻力和大于安全工作阻力，前者表明工作面顶板安全，后者工作面顶板灾害预警。顶板岩层结构状态分为分层厚度变小、层间离层和复合顶板岩层，三者中任何一种情况出现就表明工作面顶板预警。工作面风流负压压强增大和变化较快时，表明顶板灾害预警。以上四种影响因素存在一般对应关系，任何一因素的改变其他因素参数就会相应变化。

2.2 巷道围岩监测指标的分析

巷道围岩安全状态的影响因素，主要包括巷道围岩位移、锚杆载荷以及围岩破裂声音信号等，并且不同的参数信息反应不同围岩安全状态，巷道围岩稳定性多因素监测预警流程，见图2。

图2 巷道围岩稳定性多因素监测预警流程

3 矿井顶板影响因素的模糊分布函数

由于煤矿回采工作面的特殊性，顶板安全状态影响因素和各级预警临界值是不同的，判定顶板预警临界值是困难的；为此借助模糊判定理论对顶板状态进行综合判断，即构建各影响因素的模糊分布（隶属）函数。根据模糊理论概念和定义，影响顶板状态的七种因素看作一个模糊集，记作U；其中某一因素视作一个模糊子集，记作A；若对任意给出u∈U，都有唯一对应的实数μA（u）∈[0，1]，有序对集合{u，μ（Au）|任给u∈U}均可以视作U上的模糊集，μA（u）表示u对A的隶属程度。映射μA（u）→[0，1]；u→μA（u）.

称为模糊集A的模糊隶属函数。依次根据各影响因素的特点得出各因素模糊分布（隶属）函数，进而进一步得出个因素对顶板灾害影响的隶属程度。

4 顶板灾害影响因素的综合预警数学模型

影响煤矿工作面顶板及巷道围岩的7个因素的集合为：U={Rp，Pa，p，S，P，pc（orv24），N（orE）}={顶板结构，风流负压，支架载荷，顶板可缩量，锚杆载荷，围岩位移，围岩爆破声}.

选择相应的模糊判定准则及模糊贴近度识别理论，判断煤矿工作顶板预警级别。根据需要编写顶板预警程序，对应的顶板状态预警程序和流程，见图3[4]。

图3 顶板状态预警程序和流程框图

5 结论

本文从工作面顶板和巷道围岩两个方面分析其对应的影响因素，并根据各影响因素的变化特点，分析了各个影响因素与顶板灾害的关系，并建立了对应的模糊隶属函数，给出综合预警模糊量。使用模糊贴近度判定理论对顶板预警级别进行模糊识别，并编写预警软件；从实验结果来看，达到了预期目的和良好效果。

[1]连清望，宋选民，顾铁凤.矿井顶板失稳及来压预警的数学模型及应用[J].采矿与安全工程学报，2011，12（4）：517-523.

[2]付玉平，宋选民，邢平伟，等.大采高采场顶板断裂关键块稳定性分析[J].煤炭学报，2009（8）：1026-1030．

[3]杨治林.浅埋煤层长壁开采顶板岩层的不稳定性态[J].煤炭学报，2008，33（12）：1341-1345．

[4]侯波，宋建成，郑丽君.矿井顶板状态监测系统的研究[J].仪表技术与传感器，2009（1）：53-55．

Disaster Warning of Roof on Working Face Based on Fuzzy Theory

YUE Zhijun
(Maohua Wantongyuan Coal Co.,Ltd.,Shuozhou 036800,China)

To find out the variation and relationship of factors of roof safety on working face,fuzzy judgment theory was used to establish a membership function and a mathematical model between the safety and the influential factors for the roof and surrounding rock in roadways in order to judge the safety situation and alarm level.The study could help that technical staffs know the roof situation and take measures in time,which could effectively reduce the roof accident rate in mines.

roof in mine;surrounding rock of roadways;fuzzy theory;disaster warning

TD322+.1

A

1672-5050（2015）03-0006-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.003

（编辑：刘新光）

2015-01-28

岳支俊（1968-），男，山西定襄人，大学本科，工程师，从事煤炭开采技术工作。