CN110728003B - 一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，通过对大量采集的液压支架压力数据进行分割，构建液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库；以综采工作面一个顶板周期来压过程为单元，构建以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库；通过融合液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库与顶板岩层周期来压支架支护压力拟合曲线库，实现对综采工作面液压支架的支护压力进行智能预测。本发明解决了传统预测方法预测周期短、预测准确性差、需要依赖大量类似数据进行训练等问题。

Description

一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法

技术领域

本发明属于井工煤矿开采技术领域，具体涉及一种能够实现对工作面液压支架的循环压力进行智能预测的方法，为综采工作面顶板灾害的预测、预警提供基础。

背景技术

液压支架是井工煤矿综采工作面支护顶板、维护工作面安全作业空间的主要支护装备，液压支架对顶板岩层支护压力的变化反应了顶板岩层的断裂运动规律，是判断顶板岩层初次来压、周期来压、预测顶板动力灾害事故的关键指标。

液压支架主要采用循环自移的推进方式，即采煤机每截割一刀煤，液压支架进行一次降架、移架、升架、支护的循环过程，在这个循环过程中，液压支架的压力主要经历主动增压、被动承压、波动调整的过程；当液压支架循环推移一定距离时，即液压支架发生多次循环支护之后，顶板岩层发生周期性断裂，由于液压支架的每个推移循环均处于顶板岩层运动的不同阶段，所以液压支架每个循环推移过程的压力值变化规律呈现一定的差异性，尤其是在来压之前的一段时间，液压支架的循环压力值会迅速增大。虽然每个顶板来压周期内液压支架的循环压力变化过程存在差异，但液压支架的循环压力变化仍然存在一定规律。

目前，液压支架的压力数据一般采用矿山压力监测软件进行监测，但现有矿压监测软件的数据处理能力均较弱，一般均需要人工进行数据分析与处理，数据处理量大、准确率低，且利用率低，难以实现对液压支架的压力数据进行超前智能预测。申请号为201910020536.2的专利公开了一种液压支架载荷分段预测方法，通过对每一采煤循环的支架载荷与时间关系进行分析，拟合每一采煤循环的初撑力与循环末阻力，通过建立拟合窗口来进行液压支架载荷的预测，但由于顶板岩层条件一般均是复杂未知的，这种方法需要大量类似条件的支架压力数据进行训练，并且通过单一曲线的拟合进行预测难以保证预测的精准性，而且难以反应支架循环压力与顶板循环来压的位置关系。申请号为201910020537.7的专利公开了一种适用于综采工作面的液压支架循环末阻力预测方法，通过绘制每一循环末阻力及对应的工作面推进步距关系曲线，进行支架循环末阻力的预测，这种方法主要是从顶板周期来压步距的角度进行分析，没有考虑液压支架在每个支护循环过程中的载荷变化规律，仍然很难对支架的全过程曲线进行预测。申请号为201910020524.X的专利公开了一种综采工作面采煤循环内液压支架载荷的动态预测方法，通过监测一段时间内支架载荷变化与时间的关系，以每隔5-8个数据为滑动拟合窗口，预测后续1-5个数据的步长，这种方法的超前预测量很小，而且需要大量的前期类似数据进行训练，否则很难保证预测的准确性，也很难进行预测预警。申请号为201811382926.6的专利公开了一种矿压预测预报方法及其系统，主要通过计算压力的均值与方差，利用偏差值拟合实现矿山压力的趋势分析，但是没有考虑液压支架循环移动与矿山压力循环变化的关系。

发明内容

针对现有井工煤矿综采工作面液压支架压力难以实现智能超前预测的问题，本发明以液压支架完成一次降架、移架、升架、支护为一个循环支护过程单元，构建液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库，在此基础上，以顶板岩层的周期性断裂为单元，构建每个周期来压期间的液压支架支护压力拟合曲线库，并通过融合两个数据库，实现对液压支架压力的智能预测，解决了现有技术预测周期短、预测准确性差、需要依赖大量类似数据进行训练等问题。

本发明提供一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，包括：

大量采集井工煤矿综采工作面液压支架的压力数据，并以液压支架的一个降架、移架、升架、支护过程为单元，对采集的液压支架压力数据进行分割，得到液压支架支护循环过程的典型压力拟合曲线，构建液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库；

以综采工作面一个顶板周期来压过程为单元，重新对采集的液压支架压力数据进行分割，对分割的顶板岩层周期来压数据进行分类，构建以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库；

基于上述液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库与顶板岩层周期来压支架支护压力拟合曲线库，对将要开采的综采工作面液压支架压力进行智能预测。

进一步的，在大量采集井工煤矿综采工作面液压支架的压力数据时，可按等时间间隔采集，也可以按压力突变采集，但是液压支架的压力数据必须按工作面的推进过程进行顺序存储。

更进一步的，对采集的液压支架压力数据进行分割时，需要设置液压支架每个支护循环过程的初始值、初撑力值、循环结束卸压值，将同时按顺序存在初始值、初撑力值、循环结束卸压值的一个支架压力数据区间，视为液压支架的一个降架、移架、升架、支护工作循环。

再进一步的，构建液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库时，需要采用图像识别技术或对比拟合曲线参数的方法，将获取的支架支护循环过程拟合曲线进行分类，每一个分类代表一种典型的液压支架降架、移架、升架、支护过程，并将每一个类别的多个液压支架循环支护数据进行归类训练，从而获得一条典型的液压支架循环支护压力曲线。

再进一步的，重新对采集的液压支架压力数据进行分割时，以液压支架的安全阀开启压力为标志值，以第一次达到安全阀开启压力的数据点为起始点，并以至少5个不相邻的安全阀开启压力数据点为判断条件，当再次达到液压支架安全阀开启压力值时，则视为一个顶板来压周期，并以此进行液压支架压力数据分割。

再进一步的，构建的以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库，是液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中不同压力拟合曲线的排列组合，并且其排列组合顺序跟顶板岩层周期来压过程密切相关。

再进一步的，对将要开采的综采工作面液压支架支护压力进行智能预测，其预测流程如下：

S101,根据液压支架的支护参数，设置液压支架每个支护循环过程的初始值、初撑力值、循环结束卸压值，实时采集液压支架的压力数据，将顺序存在一个初始值、初撑力值、循环结束卸压值的数据集记为一个液压支架的支护循环，通过数据拟合获得第一条液压支架循环支护压力曲线；

S102,遍历液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库，将获得的第一条液压支架循环支护压力曲线与拟合曲线库中的拟合曲线进行对比；

S1031,若存在与实测曲线接近的典型拟合曲线，则遍历顶板岩层周期来压支架支护压力拟合曲线库，得到包含该实测数据拟合曲线的所有顶板岩层周期来压过程的支架压力曲线；

S1032,通过概率计算方法，确定与上述实测数据拟合曲线相连的机率最高的液压支架压力典型拟合曲线，并将该拟合曲线确定为液压支架下一个支护循环的压力预测值；

S1033,继续实时采集液压支架的压力数据，并将采集值与预测值对比，若与预测值相同，继续采集数据，并进行预测；

S1034,若与预测值不同，则遍历通过概率计算方法得到的概率较小的液压支架压力典型拟合曲线，找到类似的压力曲线，并进行预测；

S1035,若所有检索的一个顶板来压周期内的液压支架压力典型拟合曲线均与实测值不符合，则从液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中进行检索，并将该液压支架压力曲线存入以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库中，更新以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库；

S1041,若在液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中未能检索到第一条液压支架循环支护压力曲线，则以第一条液压支架循环支护压力曲线进行后续的曲线预测；

S1042,将该支架循环支护压力曲线保存至液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中，更新液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库；

S1043,保存该条实测曲线所在的整个顶板周期来压期间的所有液压支架典型拟合曲线及曲线之间的连接关系，更新以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库。

附图说明

图1为本发明一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法的流程示意图；

图2为一种典型的液压支架降架、移架、升架、支护过程的拟合曲线；

图3为一个顶板周期来压过程的液压支架压力变化的拟合曲线；

图4为以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库构建原理示意图；

图5为液压支架压力智能预测流程示意图。

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、完整地阐述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明的保护范围。

本实施例提供一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，其流程见图1所示，包括：

大量采集井工煤矿综采工作面液压支架的压力数据，其中，数据采集可按等时间间隔采集，也可以按压力突变采集（只有当支架压力发生变化时才采集数据，否则不采集数据），将液压支架的压力数据按工作面的推进过程（采集时间）进行顺序存储。

根据工作面液压支架的支护参数及实际运行情况，设置液压支架每个支护循环过程的初始值（A₀）、初撑力值（A₁）、循环结束卸压值（A₃），编写程序遍历存储的液压支架压力数据，以连续同时存在初始值（A₀）、初撑力值（A₁）、循环结束卸压值（A₃）视为液压支架的一个降架、移架、升架、支护工作循环，对存储的数据进行分割。

以一个具体的实施例进行说明，根据液压支架支护参数及实际运行情况，设置支护循环过程的初始值为3MPa，初撑力值为31.5MPa，循环结束卸压值为3MPa，则对存储的液压支架压力数据进行遍历分割；首先判断是否满足初始值条件，若遍历的支架压力数据大于3MPa，则继续遍历后续数据；若遍历的支架压力数据小于3MPa，则以该数据为一个液压支架支护循环过程的起始值；继续遍历后续数据，当遍历的支架压力数据大于初撑力值31.5MPa时，则此时判断液压支架已经完成了主动支护；继续遍历后续数据，当遍历的支架压力数据再次小于3MPa（卸压值）时，则认为液压支架完成一个支护循环，将初始值与卸压值之间的数据另行存储为一个数据单元；基于上述原则，遍历采集的所有液压支架压力数据，将存储的支架压力数据分为多个数据单元，此时，完成液压支架压力数据的分割。

编写程序，绘制所有分割的数据单元的散点图，并进行非线性拟合，获取采集数据的每一个液压支架支护循环过程的拟合曲线，见图2所示，采用图像识别技术或拟合曲线的参数对比方法，将获取的支架支护循环过程拟合曲线进行分类，每一个分类代表一种典型的液压支架降架、移架、升架、支护过程，并将每一个类别的多个液压支架循环支护数据进行归类训练，得到液压支架支护循环过程的典型压力拟合曲线，构建液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库；

具体的，可采用Matlab或Python等软件编写程序，分别绘制上述分割的液压支架循环支护数据单元的散点图，并进行曲线拟合，拟合曲线一般为：y=a₀+a₁x+a₂x²+……+a_nxⁿ，式中，y为存储的液压支架压力数据，x为压力数据对应的时间或数据点标号，a₀、a₁、a₂、……、a_n为曲线拟合参数；完成所有数据拟合后，可采用拟合参数对比方法，即对比不同拟合曲线的拟合参数，如果拟合参数相差不大，则认为两条拟合曲线为近似曲线，两条拟合曲线对应的液压支架循环支护过程为同类，即可以通过拟合曲线参数对比方法，对所有液压支架的循环支护过程进行分类；同样，可以采用图像识别技术，通过编程遍历所有拟合曲线，并进行拟合曲线的两两对比，将相似的拟合曲线归为一类，即认为拟合曲线相似的液压支架循环支护过程类似，从而完成液压支架循环支护压力数据的分类；将同一类的液压支架支护压力数据再放到一起，进行数据的训练，从而得到适应性更强的典型液压支架循环支护压力曲线，这样就从海量的液压支架压力数据中得出了液压支架完成一个支护循环过程的典型压力拟合曲线，拟合的所有典型液压支架压力曲线则形成了液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库。

基于训练好的典型液压支架循环支护压力拟合曲线，对综采工作面液压支架的原始循环支护压力数据进行处理，将原始循环支护压力数据分别与训练好的典型拟合曲线进行对应比照，得到以不同种类典型拟合曲线排序形成的综采工作面液压支架压力曲线，见图3所示；

编写程序，以液压支架的安全阀开启压力值为标志值，对综采工作面液压支架压力曲线的每个液压支架循环支护压力的峰值进行遍历，以一个顶板岩层周期来压为分割单元，进行综采工作面一个顶板周期来压过程的液压支架压力变化过程的数据分割。

具体的，上述训练好的液压支架循环支护压力典型拟合曲线是液压支架完成一次降架、移架、升架、支护循环过程的支架压力变化曲线，当液压支架经过多次循环移架过程后，顶板岩层发生周期性断裂，即形成周期性来压，每个来压周期就是由多个不同的液压支架循环压力典型拟合曲线按一定顺序排列组成；由于每个顶板岩层发生周期来压的过程比较类似，所以需要对综采工作面液压支架的压力数据再次进行分割，此次分割以顶板岩层发生周期性来压的特征点为分割点；

由于每个顶板周期来压过程液压支架均需要经历多次循环移架，因此，包含了多条训练好的液压支架循环支护压力典型拟合曲线，以液压支架的安全阀开启压力为标志值，对综采工作面液压支架的压力曲线的支护压力峰值进行遍历，以第一次达到安全阀开启压力的数据点为起始点，并以至少5个不相邻的安全阀开启压力数据点为判断条件（由于顶板来压会持续一定时间，因此，相邻的两个安全阀开启压力值视为同一次来压，只有当第一次安全阀开启压力值与第二次安全阀开启压力值之间间隔了5次以上安全阀没有开启的情况，才视为新的一次顶板来压），当再次达到液压支架安全阀开启压力值时，则视为一个顶板来压周期，将这组数据归为一个数据集，编写程序，按上述要求对采集的所有液压支架压力数据再次进行遍历分割，从而实现以顶板周期来压为单元的液压支架压力数据的分割，为液压支架压力数据预测提供基础。

根据每个顶板岩层周期来压过程包含的液压支架循环支护压力典型拟合曲线的种类、数量及排序，对分割的顶板岩层周期来压数据进行分类，形成以顶板岩层周期来压为单元的多种典型的顶板岩层周期来压数据类集，构建以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库，建库原理见图4所示。

具体的，将上述得到的不同种类的液压支架循环支护压力典型拟合曲线进行汇总，构建液压支架循环支护压力典型拟合曲线库；由于每个顶板来压周期内均包含多条液压支架循环支护压力典型拟合曲线，相当于从液压支架循环支护压力典型拟合曲线库中取出不同类型的典型拟合曲线，再进行排列组合，即构成了每一个顶板岩层周期来压数据单元，所有的顶板周期来压数据单元则形成了顶板岩层周期来压支架支护压力拟合曲线库。

基于上述液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库与顶板岩层周期来压支架支护压力拟合曲线库，对将要开采的综采工作面液压支架支护压力进行智能预测，预测流程见图5所示，具体如下：

S101,根据液压支架的支护参数，设置液压支架每个支护循环过程的初始值（A₀）、初撑力值（A₁）、循环结束卸压值（A₃），实时采集液压支架的压力数据，将顺序存在一个初始值（A₀）、初撑力值（A₁）、循环结束卸压值（A₃）的数据集记为一个液压支架降架、移架、升架、支护循环过程，并对该数据集进行曲线拟合，获得第一条液压支架循环支护压力曲线；

具体的，由于刚开始采集的液压支架压力数据不一定是从支架循环初始值开始，因此，需要从支架循环初始值开采采集数据，得到一个完整的液压支架循环支护周期的压力值曲线，该条曲线作为后续液压支架压力值预测的基础。

S102,遍历上述液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库，将上述获得的第一条液压支架循环支护压力曲线与支架循环支护压力典型拟合曲线库中的典型拟合曲线进行对比；

S1031,若在液压支架循环支护压力典型拟合曲线库中找到了与实测曲线接近的典型拟合曲线，则基于该典型拟合曲线遍历顶板岩层周期来压支架压力数据类库，得到包含该典型拟合曲线的所有顶板岩层周期来压支架压力曲线；

S1032,通过概率计算方法，确定在一个顶板周期来压期间，与上述典型拟合曲线相连的机率最高的液压支架压力典型拟合曲线，并将该拟合曲线值确定为液压支架下一个支护循环的压力预测值；

S1033,继续实时采集液压支架的压力数据，并将采集值与预测值对比，若与预测值相同，继续采集数据，并进行预测；

S1034,若与预测值不同，则与通过概率计算方法计算的概率较小值的液压支架压力典型拟合曲线进行对比，找到类似的压力曲线，并进行预测；

S1035,若所有检索到的一个顶板来压周期内的液压支架压力典型拟合曲线均与实测值不符合，则从液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库进行检索，并将该种顶板周期来压过程的液压支架压力曲线存入以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库中，作为一种新的压力曲线；

S1041,若在液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中未能检索到第一条液压支架循环支护压力曲线，则以第一条液压支架循环支护压力曲线进行后续的曲线预测；

S1042,将该支架循环支护压力曲线保存至液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中，更新液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库；

S1043,保存该条实测曲线所在的整个顶板周期来压期间的所有液压支架典型拟合曲线及曲线之间的连接关系，更新以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库。

本发明提出的一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，通过构建液压支架完成一次降架、移架、升架、支护过程的典型压力拟合曲线库，及以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库，通过对采集的数据进行类比分析，实现液压支架压力智能预测，并根据支架压力曲线库的检索结果，进行液压支架压力曲线库的更新，实现自学习、自训练的功能，更加完善液压支架压力曲线库，并且可以实现一个顶板岩层来压周期的预测，解决了传统预测方法预测周期短、预测准确性差、需要依赖大量类似数据进行训练等问题。

Claims (6)

1.一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，其特征在于，包括：

大量采集井工煤矿综采工作面液压支架的压力数据，并以液压支架的一个降架、移架、升架、支护过程为单元，对采集的液压支架压力数据进行分割，得到液压支架支护循环过程的典型压力拟合曲线，构建液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库；

以综采工作面一个顶板周期来压过程为单元，重新对采集的液压支架压力数据进行分割，对分割的顶板岩层周期来压数据进行分类，构建以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库；

基于上述液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库与顶板岩层周期来压支架支护压力拟合曲线库，对将要开采的综采工作面液压支架压力进行智能预测；

对将要开采的综采工作面液压支架支护压力进行智能预测，其预测流程如下：

S101，根据液压支架的支护参数，设置液压支架每个支护循环过程的初始值、初撑力值、循环结束卸压值，实时采集液压支架的压力数据，将顺序存在一个初始值、初撑力值、循环结束卸压值的数据集记为一个液压支架的支护循环，通过数据拟合获得第一条液压支架循环支护压力曲线；

S102，遍历液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库，将获得的第一条液压支架循环支护压力曲线与拟合曲线库中的拟合曲线进行对比；

S1031，若存在与实测曲线接近的典型拟合曲线，则遍历顶板岩层周期来压支架支护压力拟合曲线库，得到包含实测曲线的所有顶板岩层周期来压过程支架压力曲线；

S1032，通过概率计算方法，确定与上述实测数据拟合曲线相连的机率最高的液压支架压力典型拟合曲线，并将该拟合曲线确定为液压支架下一个支护循环的压力预测值；

S1033，继续实时采集液压支架的压力数据，并将采集值与预测值对比，若与预测值相同，继续采集数据，并进行预测；

S1034，若与预测值不同，则遍历通过概率计算方法得到的概率较小的液压支架压力典型拟合曲线，找到类似的压力曲线，并进行预测；

S1035，若所有检索的一个顶板来压周期内的液压支架压力典型拟合曲线均与实测值不符合，则从液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中进行检索，并将该液压支架压力曲线存入以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库中，更新以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库；

S1041，若在液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中未能检索到第一条液压支架循环支护压力曲线，则以第一条液压支架循环支护压力曲线为基础，进行后续的曲线预测；

S1042，将该支架循环支护压力曲线保存至液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中，更新液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库；

S1043，保存该条实测曲线所在的整个顶板周期来压期间的所有液压支架典型拟合曲线及曲线之间的连接顺序，更新以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库。

2.根据权利要求1所述的一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，其特征在于，在大量采集井工煤矿综采工作面液压支架的压力数据时，可按等时间间隔采集，也可以按压力突变采集，但是液压支架的压力数据必须按工作面的推进过程进行顺序存储。

3.根据权利要求1所述的一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，其特征在于，对采集的液压支架压力数据进行分割时，需要设置液压支架每个支护循环过程的初始值、初撑力值、循环结束卸压值，将同时按顺序存在初始值、初撑力值、循环结束卸压值的一个支架压力数据区间，视为液压支架的一个降架、移架、升架、支护工作循环。

4.根据权利要求1所述的一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，其特征在于，构建液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库时，采用图像识别技术或对比拟合曲线参数的方法，将获取的支架支护循环过程拟合曲线进行分类，每一个分类代表一种典型的液压支架降架、移架、升架、支护过程，并将每一个类别的多个液压支架循环支护数据进行归类训练，从而获得一条典型的液压支架循环支护压力曲线。

5.根据权利要求1所述的一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，其特征在于，重新对采集的液压支架压力数据进行分割时，以液压支架的安全阀开启压力为标志值，以第一次达到安全阀开启压力的数据点为起始点，并以至少5个不相邻的安全阀开启压力数据点为判断条件，当再次达到液压支架安全阀开启压力值时，则视为一个顶板来压周期，并以此进行液压支架压力数据分割。

6.根据权利要求1所述的一种井工煤矿工作面液压支架压力智能预测方法，其特征在于，构建的以顶板岩层周期来压为单元的液压支架支护压力拟合曲线库，是液压支架支护循环过程典型压力拟合曲线库中不同压力拟合曲线的排列组合，并且其排列组合顺序跟顶板岩层周期来压过程密切相关。

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