汪澤洲　唐翔　楊軒　田傳耕

【摘 要】井下支護(hù)的安全預(yù)測(cè)直接關(guān)系著煤礦井下的安全生產(chǎn)，信息融合技術(shù)和井下預(yù)測(cè)模型可以預(yù)測(cè)井下支護(hù)的可靠性和使用壽命，并對(duì)井下支護(hù)安全預(yù)警；然后根據(jù)井下支護(hù)支柱分布設(shè)計(jì)出無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并借鑒支架圍巖耦合理論，分析支柱-圍巖關(guān)系建立在支柱-圍巖力學(xué)模型或井下支柱受力分布模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)所獲得的井下支護(hù)狀態(tài)信息和數(shù)值計(jì)算軟件計(jì)算出井下支護(hù)支柱的變形和受力分布以及自身承載性能和巷道圍巖應(yīng)變率，將其結(jié)果應(yīng)用于井下支護(hù)安全乃至工作面頂板災(zāi)害預(yù)警。

【關(guān)鍵字】液壓支柱；信息融合；在線診斷；災(zāi)害預(yù)警

中圖分類號(hào)：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 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(xué)研制的煤炭頂板液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了這方面的研究?；谝簤褐Ъ鼙O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井上計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。但液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取的是有線的監(jiān)測(cè)方式，有線網(wǎng)絡(luò)壓力檢測(cè)方式存在檢測(cè)點(diǎn)少且隨開采工作面的推進(jìn)、移架、升降架等操作導(dǎo)致系統(tǒng)布線復(fù)雜、系統(tǒng)布線易被扯斷等缺陷。而液壓支柱僅僅實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方式，未構(gòu)成液壓支柱的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系，基于無線液壓支柱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)還未成熟。為此，文中利用模型預(yù)測(cè)來預(yù)測(cè)井下支護(hù)的可靠性和使用壽命，以此判斷井下支護(hù)是否安全。

在實(shí)現(xiàn)井下支護(hù)狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，有效地利用監(jiān)測(cè)狀態(tài)信息，分析和預(yù)測(cè)井下工作面頂板狀態(tài)的顯現(xiàn)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)工作面頂板災(zāi)害的前兆預(yù)警，將工作面頂板的安全控制與災(zāi)害防治提升到新的層次。

1 井下液壓支柱支護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文所述的井下液壓支柱安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖，如圖1所示。井上部分主要由服務(wù)器、交換機(jī)、地面工控機(jī)和配套軟件系統(tǒng)構(gòu)成；井下部分由壓力無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)（Sink）節(jié)點(diǎn)組成，井下部分是一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.1 井下監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)思路

無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要包括壓力無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)（Sink）節(jié)點(diǎn)。其中無線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)采集前端，直接決定采集數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確性，以及采集的數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定。該節(jié)點(diǎn)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(dá)到80MPa。該傳感器前端是承壓彈片，后端為調(diào)理電路。測(cè)量時(shí)壓力計(jì)前端貼片微弱形變產(chǎn)生微小的電信號(hào)，信號(hào)通過放大電路，通過單片機(jī)處理測(cè)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(shù)據(jù)傳輸，通過使用Z-STACK協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有高效性和安全性。

（3）壓力檢測(cè)時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)液壓支柱，有一個(gè)此壓力傳感器，可以根據(jù)用戶的需要，在注液結(jié)束以后，使用設(shè)計(jì)的新型取樣口，從液壓支柱的注入管中安裝一個(gè)壓力傳感器，傳感器中有一個(gè)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(nèi)，可以有效地測(cè)量出壓力，并顯示在數(shù)字顯示屏上。根據(jù)用戶需要，可以將數(shù)字通過無線的方式傳送給發(fā)成的計(jì)算機(jī)，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2 井下液壓支柱支護(hù)系統(tǒng)安全預(yù)警體系

2.1 模型體系

多模型建模分為數(shù)據(jù)集的收集、建立子集和模型輸出數(shù)據(jù)?；诰乱簤褐е姆植?，設(shè)計(jì)了預(yù)警框架。

綜合液壓支柱壓力、壓力計(jì)的壓力傳感器和上位機(jī)收集的數(shù)據(jù)，分別得到是U1、U2和U3 ，形成3個(gè)子模型： 液壓支柱子模型、壓力計(jì)子模型和頂板層子模型[1]。

預(yù)測(cè)過程如下：首先利用聚合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法（EEMD）[2]對(duì)井下巖石監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分解然后，針對(duì)各子模型自身特點(diǎn)，模擬預(yù)測(cè)的值使用向量機(jī)（SVM），并用單整自回歸移動(dòng)平均模型（ARIMA）預(yù)測(cè)，對(duì)子模型所得的數(shù)值重新構(gòu)成模型預(yù)測(cè)值：S1，S2，S3。最終通過傳感器的數(shù)值將三個(gè)傳感器的數(shù)值進(jìn)行歸一化信息融合處理，研究液壓支柱動(dòng)態(tài)規(guī)律，分析預(yù)測(cè)數(shù)值結(jié)果，為液壓支柱安全監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

2.2 信號(hào)的EEMD分解

礦井下的信號(hào)是復(fù)雜，非線性的數(shù)據(jù)。所以通過傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行EEMD分解y（t）= cij（t）+rn（t）

通過公式Cij作為非線性信號(hào)，rn（t）作為為線性信號(hào)作為干擾。

2.3 SVM多模型輸出

預(yù)警模型中SVM法一般不能直接用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來作為預(yù)測(cè)樣本，通過累加各子模型預(yù)測(cè)結(jié)果得到的預(yù)測(cè)值。

同理得到U2和U3。

2.4 預(yù)測(cè)模型ARIMA

使用ARIMA模型預(yù)測(cè)對(duì)于非平穩(wěn)的時(shí)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(shù)，p為自回歸階數(shù)，q為移動(dòng)平均階數(shù)，和為模型待定數(shù)。經(jīng)過d階差分處理后，yi轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)、正態(tài)、0均值的平穩(wěn)序列yi。

2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了得到液壓支柱的壓力數(shù)值，從上位機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)計(jì)界面，可以實(shí)時(shí)得到各個(gè)壓力計(jì)的數(shù)值，并可以排序。經(jīng)過實(shí)地測(cè)量，可以得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)柱形圖。如圖4所示。并可以查閱歷史數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本研究通過監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)頂板安全預(yù)警，井下液壓支柱頂板狀態(tài)通過綜采工作面支柱收集實(shí)時(shí)壓力信息，巷道圍巖狀態(tài)監(jiān)測(cè)通過離層儀和超前壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。各傳感器將監(jiān)測(cè)到的各種數(shù)據(jù)，通過多模型軟件預(yù)測(cè)礦山壓力分布的情況，提高預(yù)警能力。

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