采煤工作面顶板灾害监测技术

陈涛

摘   要：煤矿采掘工作危险性较高，尤其是工作面顶板灾害严重威胁到工作人员的生命健康。顶板灾害具有不可逆性，且波及范围较大，应采取相应的灾害监测技术，保障工作人员的安全。本文论述了区域支架联合分析技术及预测波形自修正技术，不仅可以实现对液压支架的状态研究，还可以应用计算机技术对支架压力情况做精确分析，达到预测周期性压力波的目的。通过实时监测顶板灾害，可在发生危险时及时报警，将顶板灾害损失降至最低限度。

关键词：采煤工作面  顶板灾害  监测技术

中图分类号：TD327.2                             文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（a）-0059-02

我国的采煤工作面顶板灾害监测工作主要依靠人工采集数据及核实，准确性及效率难以得到保证。随着科技的快速发展，顶板监测技术取得了长足进步，但由于顶板监测具有较大的不确定因素，故仍旧不能满足采煤作业现场的需求。应在全面分析工作面情况后，采用顶板监测技术，对潜在风险源提前发出预警信息，才能切实避免顶板灾害。在经典矿山理论的指导下，运用区域链和支架法对顶板运动规律做全面分析，并在此基础上采取预测波形自修正技术提升采煤工作面顶板监测能力，促进计算机智能分析技术的全面进步。

1  采煤工作面顶板灾害监测技术基础理论及分析

1.1 采煤工作面顶板灾害监测技术基础理論

顶板灾害监测主要依赖于矿山压力与岩层控制理论，是顶板灾害预警的基础性知识。矿山压力与岩层控制理论指出，只有掌握好顶板运动规律，才能切实预防采煤工作面顶板灾害问题。顶板运动规律又取决于煤层的集中应力、支架受力情况、岩层性质等。应准确测定顶板运动规律，采取合理的顶板灾害监测技术，避免产生类似安全事故。通过大量的理论实践可知，在采煤工作面逐步推进时，直接顶的面积不断增大，并在其达到极限跨距时脱落。在老顶自身强度较大的情况下，随着采煤工作面推进到老顶极限跨距后，极易产生断裂事故。另外断裂的岩层在不断变化的压力下，可产生明显的周期性来压。因顶板运动具有如上特点，可推断出下次顶板灾害的发生时间及强度，及时作出灾害预警，有效降低灾害所造成的损失。

1.2 采煤工作面顶板灾害监测技术分析理论

采煤工作面顶板灾害监测基于分析顶板运动周期规律，可提升顶板灾害的预警能力。要分析顶板运动的规律性，需收集到大量详实的数据资料。我们可采用KJ693 顶板动态监测系统，通过此系统的数据智能采集功能，准确获知关键性数据资料。经测试及理论研究可见，顶板主要包括梁、拱、拱梁三种形式，每种形式又分为上下端及中间部分。每部分运动规律有一定差别，如仅采用2个压力监测结果，无法从全局分析顶板运动规律。应全面了解到各个支架的情况，才能得出准确结论。

1.2.1 工作面顶板运动周期性规律分析系统结构

首先设置一条曲线代表液压支架分析系统的循环工作阻力，可用F（xn）表示。按照工作面板运动周期性规律来压依据，确定循环工作阻力与来压条件的关系。如二者形成统一，则进入区域数据库中待用;如二者无显著关系，则进入到下一个循环周期。当超过半数的支架符合来压判据时才可称其为工作面来压。只有改善此类问题，才能准确判断工作面压力规律，使分析判断结论更为可靠。

1.2.2 工作面顶板运动周期性规律分析系统算法

支架平均循环阻力与标准差相加即得顶板来压数据，平均循环工作阻力标准差可用如下公式表示：

（1）

（2）

经本式计算得知符合来压判据则进入到下个阶段，如出现差异则返回原曲线。在半数曲线均能符合此来压判据，应将其整合为一条完整曲线。在此基础上，符合判据则可认定为来压，不符合即可将其放弃。

（3）

整合判据：

（4）

P't：来压判据;：循环末阻力平均值的均方差;n：实测循环数;Pit：各循环的实测循环末阻力;：循环末

阻力的平均值;F（Xk）：单支架压力拟合函数;F（Y）：多支架拟合压力函数;Ptn：拟合来压判据。

2  采煤工作面顶板灾害监测技术

采煤工作面顶板灾害监测应从来压强度、时间及步距作为切入点，密切监测来压强度，在数值超出安全线后及时发出报警。常用的监测方法包括老顶结构平衡关系估算法、威尔逊算法等。采煤过程中的不确定因素造成工程客体具有较大的特异性，且在不同地质条件中的表现不尽相同，故采用经典力学法测定矿压法有着一定局限性，不能完整反映出矿压情况，造成实际操作中出现不可预估的表现。预测波形自修正技术是一门新兴技术，除可以分析采煤工作面顶板的运动规律，还能通过人工智能技术对来压状况作出综合性判断，无需人工干预即可实现对采煤工作面顶板灾害的实时监测。其对顶板灾害具有较强的客观性判断，故从根本上杜绝了人工监测分析所带来的主观性风险。

采煤工作面顶板灾害监测系统中的顶板规律计算功能，能够对监测数据进行分析，得出规律波形，并据此推测出预测波形。此预测波形可以实时结合监测数据进行校正，其误差率极低。

在此系统中，可用网络输入节点P（1）...P（n）表示N次来压值，在第N+1次来压值时可转换为网络输出点表达。1...N的数值可于计算机系统自动获取，保障结果的准确性。

3  采煤工作面顶板灾害监测技术应用实例分析

我们以某采煤场支架数据进一步说明监测技术的应用。首先收集现场各支架循环工作阻力数据，将其整合为一条曲线。严密关注来压情况，一旦在4h内出现2台及以上的支架达到来压判据标准，即可将此时的循环阻力曲线进行整合，据此判断来压情况。还应将一定时间段的来压曲线做综合分析，如符合来压判据，系统即可自动记录并保存此部分数据，通过来压时间等计算出来压时的步距、强度等关键性数值;如经判断不能符合来压判据，则系统会自动运行，直到符合为止。系统会将各项分析数值描绘成曲线图，借助于记录中的数据资料推断出下次来压情况，对较为严重的来压做出预警。此系统可以在累积数据时不断修正预警数据，获得精确结果。来压数据是判定顶板安全的重要因素，能够提升采煤工作面顶板灾害监测能力。通过上述分析可见，此系统的自动化程度较高，有效避免了人工测定的误差，促进了测量数据的进一步精确。

4  结语

煤矿采掘过程中会出现较多难以预知的危险，其中以顶板事故最为严重。为保障井下作业人员的生命安全，应从支架维护入手，通过运用经典矿压理论，预测并总结出顶板周期性来压规律，采用采煤工作面顶板灾害监测技术准确预警周期来压的时间及其强度。在此理论基础上，我们创新了预测波形自修正技术，通过此项新型技术，可大幅降低传统方法所造成的误差，提升顶板灾害的预警能力。

参考文献

[1] 陈玉祥.采煤工作面顶板灾害监测技术[J].黑龙江科技信息，2016（6）：120.

[2] 陈峰.矿井顶板灾害预警系统的应用及优化研究[J].山东煤炭科技，2018（6）：81-83.

[3] 毛德兵，尹希文，张会军.我国煤矿顶板灾害防治与监测监控技术[J].煤炭科学技术，2013，41（9）：105-108，121.