CN109798138B - 一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，包括：采集液压支架的工作参数，工作参数包括测量时刻以及与测量时刻对应的液压支架载荷；根据工作参数绘制液压支架载荷与时间的关系曲线，并分析每一采煤循环所对应的循环末阻力；根据每一循环末阻力以及对应的工作推进步距，绘制循环末阻力随推进度周期性变化曲线，分析两个循环末阻力之间的周期长度；根据每一周期长度的变化特征进行聚类，建立同一类别曲线的模板曲线；将已监测数据与模板曲线进行匹配，采用匹配度最高的模板曲线预测循环末阻力。本发明能实现矿压中长期预测和预报，为综采工作面各类灾害防治和围岩控制提供依据。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法。
背景技术
液压支架载荷是综采工作面覆岩运动的直接体现，循环末阻力是每个采煤循环中的支架载荷峰值，是判断顶板来压，开展煤矿顶板、水、火灾害预警的关键指标。煤层开采后，综采工作面顶板发生周期性破断，破断岩块相互铰接形成暂时稳定的结构，承担部分上覆岩层载荷。当该结构失稳后，由于承载能力降低，导致液压支架载荷迅速增加，引发上覆岩层裂隙进一步向上方扩展，并成为顶板水和瓦斯的涌出通道。因此，循环末阻力异常变化是煤矿顶板、水以及瓦斯灾害的重要前兆信息。
随着传感器及电子信息的快速发展，我国大部分煤矿已经采用综采工作面液压支架载荷在线监测系统，收集了海量液压支架载荷数据。但由于尚缺乏有效的液压支架循环末阻力预测方法，现有的矿压数据主要发挥的是“事后诸葛亮作用”。
因此，有必要开发一种准确、可靠的液压支架循环末阻力预测方法，实现矿压中长期预测和预报，为综采工作面各类灾害防治和围岩控制提供依据，保障工作面的安全、高效回采。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，包括：
采集液压支架的工作参数，工作参数包括测量时刻以及与测量时刻对应的液压支架载荷；
根据工作参数绘制液压支架载荷与时间的关系曲线，并分析每一采煤循环所对应的循环末阻力；
根据每一循环末阻力以及对应的工作推进步距，绘制循环末阻力随推进度周期性变化曲线，分析两个循环末阻力之间的周期长度；
根据每一周期长度的变化特征进行聚类，建立同一类别曲线的模板曲线；
将已监测数据与模板曲线进行匹配，采用匹配度最高的模板曲线预测循环末阻力。
本发明提供的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，通过采集液压支架的工作参数，工作参数包括测量时刻以及与测量时刻对应的液压支架载荷；根据工作参数绘制液压支架载荷与时间的关系曲线，并分析每一采煤循环所对应的循环末阻力；根据每一循环末阻力以及对应的工作推进步距，绘制循环末阻力随推进度周期性变化曲线，分析两个循环末阻力之间的周期长度；根据每一周期长度的变化特征进行聚类，建立同一类别曲线的模板曲线；将已监测数据与模板曲线进行匹配，采用匹配度最高的模板曲线预测循环末阻力。本发明不但能进行可靠的液压支架循环末阻力预测，而且还能实现矿压中长期预测和预报，为综采工作面各类灾害防治和围岩控制提供依据，保障工作面的安全、高效回采。
附图说明
图1为本发明示例性实施例的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法的流程示意图；
图2为本发明示例性实施例的液压支架载荷与时间的关系曲线图；
图3为本发明示例性实施例的另一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法的流程示意图；
图4为本发明示例性实施例的循环末阻力分析示意图；
图5为本发明示例性实施例的循环末阻力随推进度周期性变化曲线图；
图6为本发明示例性实施例的再一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法的流程示意图；
图7为本发明示例性实施例的循环末阻力的模板曲线图；
图8为本发明示例性实施例的又一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法的流程示意图；
图9为本发明示例性实施例的三条模板曲线与实时数据匹配示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，包括：
S100、采集液压支架的工作参数，工作参数包括测量时刻以及与测量时刻对应的液压支架载荷。
S200、根据工作参数绘制液压支架载荷与时间的关系曲线，并分析每一采煤循环所对应的循环末阻力，其中，此关系曲线如图2所示。
其中，如图3所示，在根据工作参数绘制液压支架载荷与时间的关系曲线，并分析每一采煤循环所对应的循环末阻力时，包括：
S201、设任意测量时刻t的支架载荷为Pt，计算Pt曲线的一阶差分值ΔP＝Ptt1-Pt；
S202、当某一测量时刻tq的ΔP大于待预测循环末阻力的矿井的特征载荷(Ps)时，将t-tq时间范围内的支架载荷的最大值作为循环末阻力，即循环末阻力Pm为Pm＝Max(Pt、Pt-1、Pt-2...Pt-ts)，图4为循环末阻力分析的示意图。
S300、根据每一循环末阻力以及对应的工作推进步距，绘制循环末阻力随推进度周期性变化曲线，分析两个循环末阻力之间的周期长度。
如图5所示，以工作面推进步距为横坐标，以循环末阻力为纵坐标，绘制循环末阻力与推进度周期性变化曲线。
其中，如图6所示，在根据每一循环末阻力以及对应的工作推进步距，绘制循环末阻力随推进度周期性变化曲线，分析两个循环末阻力之间的周期长度时，包括：
S301、对循环末阻力随推进度周期性变化曲线进行分析，获得此变化曲线上的每一段周期上的最大支架载荷值，并将此支架载荷值作为周期峰值；
S302、通过对相邻两个周期峰值之间的推进间距进行计算，获得两个循环末阻力之间的周期长度。
例如，将
设为第i个周期峰值，相邻两个峰值
和
的推进间距为Si。如5图所示，为i＝6时循环末阻力随推进度周期性变化曲线，其中S1＝11.2m，S2＝8.8m，S3＝11.2m，S4＝9.6m，S5＝9.6m，S6＝8.8m。
S400、根据每一周期长度的变化特征进行聚类，建立同一类别曲线的模板曲线。
其中，在根据每一周期长度的变化特征进行聚类，建立同一类别曲线的模板曲线时，包括：
将具有相同周期长度所对应的曲线进行聚类后，将同一类别曲线的横坐标的起点初始化为0；
将起点初始化为0处理后的同一类别曲线的横坐标在同一数值所对应的循环末阻力进行平均值计算；
将同一类别曲线的横坐标上的数值、以及与此数值所对应的循环末阻力平均值作为数据点，绘制与此类别曲线对应的模板曲线。
具体来说，如图7是根据周期长度Si的不同对曲线进行分类，所建立的模板曲线Lj，根据周期长度Si的不同，将i个具有不同周期长度的周期性曲线分为j类，取同类曲线的各数据点(循环末阻力)的算术平均值作为模板曲线Lj，其中，在模板曲线绘制时需将每个周期的起点初始化为0。
如图5，将上述6条周期性曲线分为3类：L1、L2和L3，每类模板曲线的周期长度分别为8.8m，9.6m，11.2m，模板曲线中的每个数据点为同一位置各个数据点的算术平均值。
S500、将已监测数据与模板曲线进行匹配，采用匹配度最高的模板曲线预测循环末阻力。
作为一优选实施方式，如图8所示，在将已监测数据与模板曲线进行匹配，采用匹配度最高的模板曲线预测循环末阻力时，包括：
S501、将已监测数据绘制成待预测的循环末阻力随推进度周期性变化曲线，并将待预测曲线的横坐标的起点初始化为0；
S502、以前K个实测载荷及对应的时刻建立起始匹配窗口，将模板曲线与实测数据进行初始匹配，以匹配度最高的模板曲线开展循环末阻力的首次预测。具体包括设待预测曲线上的前k个数据所对应的数据点为
起始匹配窗口内的模板曲线Lj中前k个数据所对应的数据点为
则每条模板曲线匹配度αj计算公式如下：
S503、当实测数据每增加n个时，延伸一次匹配窗口，并将模板曲线与窗口内数据进行再次匹配，以匹配度最高的模板曲线再次预测循环末阻力。上述k为3-6，n为2-4。
另外，本发明在根据前k个数据建立初始起始匹配窗口，并在每增加n个数据时，在起始匹配窗口之后延伸一次匹配窗口时，还包括：
当数据到达k+n次时，进行第一次匹配窗口延伸和预测，当数据达到k+2n时，进行第二次匹配窗口延伸和预测，实现周期内循环末阻力的实时预测和动态修正。
图9为图7中的3条模板曲线与实测循环末阻力匹配结果，其匹配步骤如下：
(1)取前5个数据点为初始窗口，分别计算起始窗口内L1、L2和L3三条模板曲线与实测数据的匹配度分别为α1、α2、α3；
(2)α1最大，取模板曲线L1进行初始预测；
(3)取延伸窗口为2个数据点，当数据量达到7个数据点时再次计算αj，取匹配度最高的曲线再次进行预测；
(4)循环以上步骤，开展周期内循环末阻力的实时预测。
基于上述如图1、3、6、8所示方法，相应的，本发明实施例还提供了一种存储设备，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述如图1、3、6、8所示的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法。
基于上述如图1、3、6、8所示方法，为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，该实体装置包括存储设备和处理器；存储设备，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述如图1、3、6、8所示的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法。
本发明提供的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，通过采集液压支架的工作参数，工作参数包括测量时刻以及与测量时刻对应的液压支架载荷；根据工作参数绘制液压支架载荷与时间的关系曲线，并分析每一采煤循环所对应的循环末阻力；根据每一循环末阻力以及对应的工作推进步距，绘制循环末阻力随推进度周期性变化曲线，分析两个循环末阻力之间的周期长度；根据每一周期长度的变化特征进行聚类，建立同一类别曲线的模板曲线；将已监测数据与模板曲线进行匹配，采用匹配度最高的模板曲线预测循环末阻力。总之，本发明能够将综采工作面液压支架载荷在线监测系统收集的海量液压支架载荷数据，进行数据整理和分析，获得模板曲线，将待预测的循环末阻力随推进度周期性变化曲线与每一模板曲线进行匹配，并通过匹配度最高的模板曲线预测循环末阻力，因此，本发明不但是一种准确、可靠的液压支架循环末阻力预测方法，而且还能实现矿压中长期预测和预报，为综采工作面各类灾害防治和围岩控制提供依据，保障工作面的安全、高效回采。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，其特征在于，包括：
采集液压支架的工作参数，工作参数包括测量时刻以及与测量时刻对应的液压支架载荷；
根据工作参数绘制液压支架载荷与时间的关系曲线，并分析每一采煤循环所对应的循环末阻力；
根据每一循环末阻力以及对应的工作推进步距，绘制循环末阻力随推进度周期性变化曲线，分析两个循环末阻力之间的周期长度；
根据每一周期长度的变化特征进行聚类，建立同一类别曲线的模板曲线；
将已监测数据与模板曲线进行匹配，采用匹配度最高的模板曲线预测循环末阻力。
2.根据权利要求1所述的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，其特征在于，在根据工作参数绘制液压支架载荷与时间的关系曲线，并分析每一采煤循环所对应的循环末阻力时，包括：
设任意测量时刻t的支架载荷为Pt，计算Pt曲线的一阶差分值ΔP＝Pt+1-Pt；
当某一测量时刻tq的ΔP大于待预测循环末阻力的矿井的特征载荷时，将t-tq时间范围内的支架载荷的最大值作为循环末阻力。
3.根据权利要求1所述的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，其特征在于，所述根据每一循环末阻力以及对应的工作推进步距，绘制循环末阻力随推进度周期性变化曲线，分析两个循环末阻力之间的周期长度时，包括：
对循环末阻力随推进度周期性变化曲线进行分析，获得此变化曲线上的每一段周期上的最大支架载荷值，并将此支架载荷值作为周期峰值；
通过对相邻两个周期峰值之间的推进间距进行计算，获得两个循环末阻力之间的周期长度。
4.根据权利要求1所述的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，其特征在于，所述根据每一周期长度的变化特征进行聚类，建立同一类别曲线的模板曲线时，包括：
将具有相同周期长度所对应的曲线进行聚类后，将同一类别曲线的横坐标的起点初始化为0；
将起点初始化为0处理后的同一类别曲线的横坐标在同一数值所对应的循环末阻力进行平均值计算；
将同一类别曲线的横坐标上的数值、以及与此数值所对应的循环末阻力平均值作为数据点，绘制与此类别曲线对应的模板曲线。
5.根据权利要求1所述的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，其特征在于，在将已监测数据与模板曲线进行匹配，采用匹配度最高的模板曲线预测循环末阻力时，包括：
将已监测数据绘制成待预测的循环末阻力随推进度周期性变化曲线，并将待预测曲线的横坐标的起点初始化为0；
以前k个实测载荷及对应的时刻建立起始匹配窗口，将模板曲线与实测数据进行初始匹配，以匹配度最高的模板曲线开展循环末阻力的首次预测；
当实测数据每增加n个时，延伸一次匹配窗口，并将模板曲线与窗口内数据进行再次匹配，以匹配度最高的模板曲线再次预测循环末阻力；所述k为3-6，n为2-4。
6.根据权利要求5所述的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，其特征在于，所述以前k个实测载荷及对应的时刻建立起始匹配窗口，将模板曲线与实测数据进行初始匹配，以匹配度最高的模板曲线开展循环末阻力的首次预测，包括：
设待预测曲线上的前k个数据所对应的数据点为
起始匹配窗口内的模板曲线Lj中前k个数据所对应的数据点为
则每条模板曲线匹配度αj计算公式如下：
7.根据权利要求6所述的一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，其特征在于，在根据前k个数据建立初始起始匹配窗口，并在每增加n个数据时，在起始匹配窗口之后延伸一次匹配窗口时，包括：
当数据到达k+n次时，进行第一次匹配窗口延伸和预测，当数据达到k+2n时，进行第二次匹配窗口延伸和预测，实现周期内循环末阻力的实时预测和动态修正。
8.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法。
9.一种适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至7任一项所述的适用于综采工作面的液压支架的循环末阻力预测方法。
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