CN112528229A - 基于控制图分析的工作面液压支架支护质量评价方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及煤矿工作面智能开采技术领域,尤其涉及一种基于控制图分析的工作面液压支架支护质量评价方法。
背景技术
综采工作面支架围岩耦合自适应控制、支护参数自适应调整、顶板来压超前预报、冒顶/压架事故超前预警及支架群组自组织协调控制是提高综采工作面智能化开采水平的重要基础,而解决此类问题的前提是实现支架与顶板状态的智能感知。综采工作面电液控制系统采集的海量矿压监测数据为实现支架与顶板状态智能感知提供了重要契机。支架承载特征及支架群组载荷分布转移规律是覆岩运移、支架工况、回采工艺等多种因素共同作用的结果,深刻反映了支架与围岩相互作用特征,支架支护质量表征了支架这一特性。
国内外研究机构运用计算机技术,在支架支护质量监测等方面开展了大量研究。美国国家职业安全和健康研究所(NIOSH)开发了液压支架监测与评估系统(SHIELD系统),用以评估立柱漏液、初撑力过低、立柱受力不均等支架支护质量问题;美国西弗吉尼亚大学利用开发的支架阻力数据分析软件分析了初撑力与末阻力的关系及周期来压的时间效应;此外,部分电液控制系统生产厂商为实现支架阻力数据的查询与展示,在综采工作面自动化控制系统中嵌入了一些简单的矿压分析模块,如CAT(原DBT)的VShield Trend,Marco的XMDA矿压分析模块等。
液压支架是综采工作面的支护设备,工作面一般由150-200台共同组成液压支架群组,其主要作用是支护采场顶板,维护安全作业空间。目前,智能化工作面沿面长方向所有液压支架均装备支架立柱压力传感器,用于监测液压支架顶板矿压。液压支架初撑力是液压支架提供给顶板的主动支护力,液压支架群组支护质量可由矿压数据中提取的初撑力表征,理想情况下要求每台液压支架初撑力均要达到一定数值要求,但由于液压支架群组随工作面不断循环动作推进,要求每台支架初撑力达标可能会增加支架支护顶板动作时间延长,降低液压支架群组整体推进速度或跟机速度,影响生产任务。为此,有必要提供一种更加合理的工作面液压支架支护质量评价方法。
发明内容
为解决传统评价方法容易影响液压支架跟机速度的技术问题,本发明提供一种基于控制图分析的工作面液压支架支护质量评价方法。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种基于控制图分析的工作面液压支架支护质量评价方法,其包括如下步骤:
S1,按照液压支架循环过程采集多次液压支架循环过程的工作面矿压数据,并识别每次液压支架循环过程的工作面矿压数据中的初撑力数据,将每次识别得到的初撑力数据作为一个初撑力子组样本,计算每个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差;
S2,将一个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差通过预先制作好的参考休哈特控制图进行监控,以判断该初撑力子组样本的子组均值和子组标准差是否处于受控状态;或者,将连续多个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差通过预先制作好的参考休哈特控制图进行监控,以判断该连续多个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差是否处于受控状态;其中,参考休哈特控制图包括控制图和S控制图;
S3,根据步骤S2的判定结果确定液压支架循环过程的液压支架支护质量是否达标。
可选地,所述步骤S2之前还包括制作参考休哈特控制图的步骤S4,其中,制作参考休哈特控制图的步骤S4包括如下步骤:
S41,在液压支架支护质量达标前提下,采集工作面正常生产时m次液压支架循环过程的工作面矿压数据;
S42,根据液压支架支撑顶板时的支架阻力特性,从工作面矿压数据中识别液压支架达到相对平衡状态时液压支架提供给顶板的实际初撑力,形成支护质量达标的液压支架初撑力总体样本;
S43,将每次液压支架循环过程识别得到的实际初撑力划分为一个初撑力子组样本,容量大小为工作面液压支架数量n,则液压支架初撑力总体样本可划分为m个大小为n的初撑力子组样本;
采煤机每次割完一刀煤,液压支架群组会移动向前推进一次,循环形成对顶板的支撑,设工作面液压支架数量为n,以每次循环的全部液压支架初撑力值,共n个,作为参考休哈特控制图的一个统计子组,设Xi为第i号液压支架的初撑力值,则X1,X2,…,Xn是一个初撑力子组样本,其子组均值为子组标准差为则根据中心极限定理,子组均值符合正态分其中,m为液压支架初撑力总体样本拥有的子组数量,通过如下公式分别计算参考休哈特控制图中控制图和S控制图的控制限:
S控制图:
可选地,所述步骤S3,根据步骤S2的判定结果确定液压支架循环过程的液压支架支护质量是否达标包括:
如果参考休哈特控制图中的s控制图判定当前过程失控,则确定初撑力标准差失控,判定液压支架支护质量未达标一级报警;
如果参考休哈特控制图判定初撑力均值和初撑力标准差均失控,则判定液压支架支护质量未达标二级报警。
如果一个初撑力子组样本的子组标准差超出参考休哈特控制图中S控制图的控制上限或低于参考休哈特控制图中S控制图的控制下限,则确定该初撑力子组样本的初撑力标准差失控;
如果连续九个初撑力子组样本的子组标准差落在参考休哈特控制图中S控制图的中心线上侧或落在参考休哈特控制图中S控制图的中心线下侧,则确定该连续九个初撑力子组样本的初撑力标准差失控;
如果连续六个初撑力子组样本的子组均值递增或递减,则确定该连续六个初撑力子组样本的初撑力均值失控;
如果连续六个初撑力子组样本的子组标准差递增或递减,则确定该连续六个初撑力子组样本的初撑力标准差失控。
本发明的有益效果是:
通过预先制作参考休哈特控制图,并基于制作好的参考休哈特控制图对液压支架循环过程采集并识别的工作面矿压数据进行识别和监控,提出了一种基于控制图理论的工作面液压支架支护质量评价方法,该方法通过对现有智能化工作面建设产生的海量矿压数据进行统计过程分析,科学地判断采煤工作面液压支架群组对顶板的支护质量是否达标,不仅解决了因保证每台支架初撑力达标传统方法造成的支架跟机速度问题,同时保证了工作面支护质量,是智能化工作面数据挖掘技术的一种有效实用方法。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明制作参考休哈特控制图的流程图。
图3是本发明判断液压支架支护质量是否达标的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。
液压支架群组支护质量是对工作面全长顶板支护效果的整体评价,出现单台支架初撑力不达标未必影响整体支护效果,因此,本发明实施例拟采用统计方法对液压支架群组整体初撑力进行分析和评价,保证工作面全长整体支护质量。
本发明实施例拟采用Shewhart控制图(休哈特控制图)对工作面矿压数据进行智能监测与分析,通过对液压支架群组整体初撑力的统计过程分析,进而评价液压支架群组支护质量是否达标。Shewhart控制图是一种将显著性统计原理应用于指标监控过程的图形方法。Shewhart控制图理论认为指标变化过程存在两种变异,第一种变异为由“偶然原因”造成的随机变异,变异量称为固有变差,如液压支架群组支护质量达标时矿压监测数据的随机波动,该波动可能由于传感器误差、通讯系统误差、少部分初撑力未达标引起。第二种变异为“可查明原因”造成的过程实际变异,变异量称为特殊变差,如液压支架群组支护质量未达标的异常波动,该波动可能由于乳化液泵站供液系统压力不足、大部分初撑力未达标引起。Shewhart控制图通过图形方法,利用从可重复过程所得到的数据,给出表征过程当前状态的样本序列的信息,并将这些信息与考虑了过程固有变差后所建立的控制限进行对比,可检测出实际发生的特殊变差。因此,本发明实施例采用Shewhart控制图监控工作面全部液压支架的初撑力指标,以实现工作面液压支架支护质量的达标评价。本发明实施例的具体方案如下:
如图1所示,本发明实施例中的基于控制图分析的工作面液压支架支护质量评价方法,包括如下步骤:
S1,按照液压支架循环过程采集多次液压支架循环过程的工作面矿压数据,并识别每次液压支架循环过程的工作面矿压数据中的初撑力数据,将每次识别得到的初撑力数据作为一个初撑力子组样本,计算每个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差。
S2,将一个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差通过预先制作好的参考休哈特控制图进行监控,以判断该初撑力子组样本的子组均值和子组标准差是否处于受控状态;或者,将连续多个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差通过预先制作好的参考休哈特控制图进行监控,以判断该连续多个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差是否处于受控状态;其中,参考休哈特控制图包括控制图和S控制图。
S3,根据步骤S2的判定结果确定液压支架循环过程的液压支架支护质量是否达标。
可选地,所述步骤S2之前还包括制作参考休哈特控制图的步骤S4。由于不同矿井工作面地质条件的差别,因此满足支护质量的初撑力要求各不相同,可利用实际矿井矿压数据制定相应的休哈特控制图。如图2所示,具体制作参考休哈特控制图的步骤S4包括如下步骤:
S41,在液压支架支护质量达标前提下,采集工作面正常生产时m次液压支架循环过程的工作面矿压数据,用于参考休哈特控制图统计参数的计算和控制限的确定。
S42,根据液压支架支撑顶板时的支架阻力特性,从工作面矿压数据中识别液压支架达到相对平衡状态时液压支架提供给顶板的实际初撑力,形成支护质量达标的液压支架初撑力总体样本。
其中,从工作面矿压数据中识别液压支架达到相对平衡状态时液压支架提供给顶板的实际初撑力的具体实现方式,可以采用相关技术中的识别或提取方式,本发明实施例对此不作详细介绍。
S43,将每次液压支架循环过程识别得到的实际初撑力划分为一个初撑力子组样本,容量大小为工作面液压支架数量n,则液压支架初撑力总体样本可划分为m个大小为n的初撑力子组样本。
采煤机每次割完一刀煤,液压支架群组会移动向前推进一次,循环形成对顶板的支撑,设工作面液压支架数量为n,以每次循环的全部液压支架初撑力值,共n个,作为参考休哈特控制图的一个统计子组,设Xi为第i号液压支架的初撑力值,则X1,X2,…,Xn是一个初撑力子组样本,其子组均值为子组标准差为则根据中心极限定理,子组均值符合正态分其中,m为液压支架初撑力总体样本拥有的子组数量,通过如下公式分别计算参考休哈特控制图中控制图和S控制图的控制限:
S控制图:
根据n值查计量控制图计算控制线的系数表(见国标GB-T4091-2001中表2)计算c4后,根据公式(1)和公式(2)分别计算参考休哈特控制图中控制图和s控制图的控制限CL、UCL和LCL,得到参考休哈特控制图。
进一步地,如图3所示,所述步骤S3,根据步骤S2的判定结果确定液压支架循环过程的液压支架支护质量是否达标包括如下三种情况:
其中,当前过程是指该判定时使用的一个初撑力子组样本或连续多个初撑力子组样本对应的液压支架循环过程。
第二种情况:如果参考休哈特控制图中的s控制图判定当前过程失控,则确定初撑力标准差失控,判定液压支架支护质量未达标一级报警。
第三种情况:如果参考休哈特控制图判定初撑力均值和初撑力标准差均失控,则判定液压支架支护质量未达标二级报警。
可选地,在判断初撑力子组样本的初撑力均值是否失控时,有如下三种方式:
第三种方式:如果连续六个初撑力子组样本的子组均值递增或递减,则确定该连续六个初撑力子组样本的初撑力均值失控。
如果某次判定过程满足上述三种方式中的任一种,则可以确定初撑力均值失控。
可选地,在判断初撑力子组样本的初撑力标准差是否失控时,有如下三种方式:
第1种方式:如果一个初撑力子组样本的子组标准差超出参考休哈特控制图中S控制图的控制上限或低于参考休哈特控制图中S控制图的控制下限,则确定该初撑力子组样本的初撑力标准差失控。
第2种方式:如果连续九个初撑力子组样本的子组标准差落在参考休哈特控制图中S控制图的中心线上侧或落在参考休哈特控制图中S控制图的中心线下侧,则确定该连续九个初撑力子组样本的初撑力标准差失控。
第3种方式:如果连续六个初撑力子组样本的子组标准差递增或递减,则确定该连续六个初撑力子组样本的初撑力标准差失控。
如果某次判定过程满足上述三种方式中的任一种,则可以确定初撑力标准差失控。
本发明实施例通过对现有智能化工作面建设产生的海量矿压数据进行统计过程分析,科学地判断采煤工作面液压支架群组对顶板的支护质量是否达标,不仅解决了因保证每台支架初撑力达标传统方法造成的支架跟机速度问题,同时保证了工作面支护质量,是智能化工作面数据挖掘技术的一种有效实用方法。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于控制图分析的工作面液压支架支护质量评价方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1,按照液压支架循环过程采集多次液压支架循环过程的工作面矿压数据,并识别每次液压支架循环过程的工作面矿压数据中的初撑力数据,将每次识别得到的初撑力数据作为一个初撑力子组样本,计算每个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差;
S2,将一个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差通过预先制作好的参考休哈特控制图进行监控,以判断该初撑力子组样本的子组均值和子组标准差是否处于受控状态;或者,将连续多个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差通过预先制作好的参考休哈特控制图进行监控,以判断该连续多个初撑力子组样本的子组均值和子组标准差是否处于受控状态;其中,参考休哈特控制图包括控制图和S控制图;
S3,根据步骤S2的判定结果确定液压支架循环过程的液压支架支护质量是否达标。
2.根据权利要求1所述的基于控制图分析的工作面液压支架支护质量评价方法,其特征在于,所述步骤S2之前还包括制作参考休哈特控制图的步骤S4,其中,制作参考休哈特控制图的步骤S4包括如下步骤:
S41,在液压支架支护质量达标前提下,采集工作面正常生产时m次液压支架循环过程的工作面矿压数据;
S42,根据液压支架支撑顶板时的支架阻力特性,从工作面矿压数据中识别液压支架达到相对平衡状态时液压支架提供给顶板的实际初撑力,形成支护质量达标的液压支架初撑力总体样本;
S43,将每次液压支架循环过程识别得到的实际初撑力划分为一个初撑力子组样本,容量大小为工作面液压支架数量n,则液压支架初撑力总体样本可划分为m个大小为n的初撑力子组样本;
采煤机每次割完一刀煤,液压支架群组会移动向前推进一次,循环形成对顶板的支撑,设工作面液压支架数量为n,以每次循环的全部液压支架初撑力值,共n个,作为参考休哈特控制图的一个统计子组,设Xi为第i号液压支架的初撑力值,则X1,X2,…,Xn是一个初撑力子组样本,其子组均值为子组标准差为则根据中心极限定理,子组均值符合正态分其中,m为液压支架初撑力总体样本拥有的子组数量,通过如下公式分别计算参考休哈特控制图中控制图和S控制图的控制限:
S控制图:
5.根据权利要求4所述的基于控制图分析的工作面液压支架支护质量评价方法,其特征在于,
如果一个初撑力子组样本的子组标准差超出参考休哈特控制图中S控制图的控制上限或低于参考休哈特控制图中S控制图的控制下限,则确定该初撑力子组样本的初撑力标准差失控;
如果连续九个初撑力子组样本的子组标准差落在参考休哈特控制图中S控制图的中心线上侧或落在参考休哈特控制图中S控制图的中心线下侧,则确定该连续九个初撑力子组样本的初撑力标准差失控;
如果连续六个初撑力子组样本的子组均值递增或递减,则确定该连续六个初撑力子组样本的初撑力均值失控;
如果连续六个初撑力子组样本的子组标准差递增或递减,则确定该连续六个初撑力子组样本的初撑力标准差失控。
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