（采矿工程专业论文）基于matlabvc的回采工作面顶板管理系统研究.pdf

论文题目：基于m a t l a b v c 的回采工作面顶板管理系统研究 专业： 硕士生： 指导教o i g 采矿工程 李虎威 黄庆享 李军民 摘要 篙等( 签名) 兰塑 项板事故作为煤矿“五大自然灾害之一，对地下开采煤矿的安全生产无疑造成很 大的影响。搞好顶板事故的防治，尤其是回采工作面顶板事故的防治，就理所当然成为 煤矿生产技术管理和安全管理工作中一个十分重要的课题。 本文根据矿山压力理论，以v i s u a lc + + 为开发平台，运用s q ls e r v e r 数据库存储量 化数据，采用m a t l a b 技术进行数据分析和处理，开发出了顶板管理系统。该系统可 以确定工作面顶板上覆岩层的运动参数及合理的支护阻力，判断关键层，为顶板的管理 和支架的选型提供了依据。通过对矿压观测数据的挖掘分析，统计出最大值、最小值、 平均值、中位值、频率最高值等，可绘制出初撑力、支架工作阻力、顶底板移近量等随 工作面推进变化曲线图和相应的频率直方图。根据观测数据绘制出散点图，选择合适的 数学模型进行回归，建立支架与围岩关系的数学模型( 初撑力与循环时间加权平均阻力 或末阻力之间的关系；顶底板移近量与活柱下缩量的关系；支架阻力与顶底板移近量的 关系) 。通过对得出的数学关系进行分析，还可对支架的工作状况进行分析，评价出支 架的工作状态。该系统还对采集数据的计算机进行实时监控，实现对工作面来压的预测 预报，为管理人员提供辅助决策支持。 本系统选择科学合理的算法，借助计算机开发工具，有效的排除了顶板管理中人为 因素的干扰，实现顶板管理的科学化、信息化。将本系统运用到榆树湾煤矿2 0 2 0 2 综采 工作面，成功地实现了该工作面上覆岩层运动参数的确定，关键层的判定，合理支护阻 力的确定，并且本系统可将观测到的矿压数据以曲线图或统计表的格式输出，并对相关 变量进行回归分析，建立数学模型。实践表明，该系统对顶板管理有指导作用和决策意 义，具有较强的科学性、实用性和推广价值。 关键词：m a t l a b ；项板管理；系统设计与开发；人机界面 研究类型：应用型研究 s u b j e c t ：t h ew o r k i n g f a c er o o fm a n a g e m e n ts y s t e mr e s e a r c hb a s e d o nm a t l a b v c s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e：l ih u w e i i n s t r u c t o r ：h u a n gq i n g x i a n g l ij u n m i n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a so n eo ft h ef i v en a t u r a ld i s a s t e r si nt h ec o a la c c i d e n t s ，t h er o o fa c c i d e n t sh a v ea n i m p o r t a n te f f e c to nt h es a f ep r o d u c t i o no ft h ec o a lm i n i n g h o wt oa v o i dt h eh a p p e no ft h e r o o fa c c i d e n t s ，e s p e c i a l l yt h ea c c i d e n t sh a p p e n e do nt h ec o a lf a c e ，i sp l a c e da ni m p o r t a n t t h e m ei nt h et e c h n o l o g ym a n a g e m e n ta n dt h es a f em a n a g e m e mi nt h ep r o d u c t i o no fc o a l m i n e t h et h e m ea i m e dt od e v e l o pt h es y s t e mo ft h er o o fm a n a g e m e n t ，w h i c hi sa c c o r d i n gt o t h eu n d e r g r o u n dp r e s s u r et h e o r y v i s u a lc + + i st a k e na st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h ed a t a b a s eo fs q ls e r v e ri st a k e nt os t o r et h ed a t aa n da d o p tt h em a t l a bt oa n a l y z ea n dd e a lw i t h t h ed a t as t o r e di nt h ed a t ab a s e ，t h es y s t e mc a nc o n f i r mt h em o t i o np a r a m e t e r so ft h e o v e r l y i n gs t r a t ai nt h ec o a lf a c ea n dr a t i o n a ls u p p o r tr e s i s t a n c e ，a n dj u d g et h ek e ys t r a t u m ， w h i c ht a k ear e f e r e n c ef o rr o o fm a n a g e m e n ta n dt h es e l e c t i o no fs u p p o r tt y p e s a n a l y z i n ga n d t i d i n gu pt h ed a t ab yo b s e r v i n gt h em i n e r a lp r e s s u r e ，s t a t i s t i cm a x i m u m ，m i n i m u m ，a v e r a g e ， m e d i a n ，t h eh i g h e s tf r e q u e n c ya n ds oo n d r a w i n gt h ec u r v ed i a g r a ma n dt h eh i s t o g r a mt h a t t h ec h a n g eh a p p e n e dt h es e t t i n gl o a d ，w o r k i n gr e s i s t a n c eo fs u p p o r t ，c o n v e r g e n c eb e t w e e n r o o fa n df l o o rw h e nt h ew o r k i n gf a c ea d v a n c e d r a w i n gt h es c a t t e rd i a g r a ma c c o r d i n gt h e o b s e r v e dd a t a , a n dc h o i c et h er i g h tm a t hm o d e lt om a k er e g r e s s i v ea n a l y s i st oo b t a i nt h e m a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i po ft h ev a r i a b l e s ( t h er e l a t i o nb e t w e e nt h es e t t i n gf o r c ea n dt h e w e i g h e da v e r a g er e s i s t a n c ei nt h ec y c l et i m e t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n v e r g e n c er o o f f l o o ra n dt h ed e s c e n d i n ga m o u n to fp i s t o n t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ew o r k i n gr e s i s t a n c eo f s u p p o r ta n dt h ec o n v e r g e n c er o o f - f l o o r ) a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n so ft h ev a r i o u sv a r i a b l e s ， d i r e c tt h ep r o d u c t i o n a n a l y z i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h es u p p o r t ，a n da c c e s sw h e t h e ri ti s n o r m a l r e a l i z i n gt h er e a lt i m em o n i t o r i n go ft h ec o m p m e r sw h i c hc o l l e c td a t a , w h i c hc a n o f f e rt h el e a d e rt h es u g g e s t i o n s t h i ss y s t e mc h o i c e ss c i e n t i f i cm e t h o d sw i t hc o m p u t e rd e v e l o p m e n tt o o l ，a n dg e t s r i d f r o m t h ed i s t u r b a n c eo fm a n m a d ef a c t o r s ，w h i c hm a k e st h er o o fm a n a g e m e n ts c i e n t i f i ca n d i n f o r m a t i o n t u r nt h es y s t e mi n t ot h e2 0 2 0 2f u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c eo fy u s h u w a n w h i c hc a nc o n f i r mt h em o t i o np a r a m e t e r so ft h eo v e r l y i n gs t r a t ai nt h ec o a lf a c ea n dr a t i o n a l s u p p o r tr e s i s t a n c es u c c e s s f u l l y , a n dt h i ss y s t e mc a no u t p u tt h ed a t ao ft h ep r e s s u r eo b s e r v e di n d i a g r a mo rs t a t i s t i c a lt a b l e ，a tt h es a m et i m ei td o e sr e g r e s s i v ea n a l y s i st ov a r i o u sv a r i a b l e s ， a n db u i l dm o d e l s t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h es y s t e mp l a y sa g u i d a n c ea n dd e c i s i o n - m a k i n g r o l et ot h er o o fm a n a g e m e n t i th a si n d i c a t e dt h a tt h i ss y s t e mi s h i g h l ya c c u r a t e ，w h i c hh a s h i g hs c i e n t i f i cv a l u ea n dp o s s e s sah i 曲l yp o p u l a rv a l u e k e yw o r d s ：m a t l a br o o fm a n a g e m e n t s y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n m a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：唾庑成日期：枷哆f7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章- 律注明作者单位为西安科技大学。 指导教师箍名：；之阿 参1 年f 冉f 日 1 绪论 1 1 研究背景及意义 l 绪论 近年来，尽管出现了兖州、神华等安全、生产居世界一流的现代化矿区和大型矿井， 虽关闭了数以万计的乡镇煤矿，我国煤矿伤亡事故严重的局面仍然没有得到有效的控 制。而在煤矿五大自然灾害中，无论发生次数还是死亡人数，顶板灾害事故占的比重都 是最大的。尽管随着煤炭工业科学技术的发展，液压支架的使用，机械化程度的不断提 高，顶板事故所占比例正在大幅度下降，但由于目前我国煤矿总体技术装备水平还不高， 特别是某些地方煤矿、乡镇煤矿和个体煤矿的开采方式还很原始，生产技术管理工作相 当落后，导致顶板事故的频率仍然居高不下，据统计煤矿顶板、瓦斯、机电、运输、爆 破、水灾、火灾及其他等八类事故中。顶板事故死亡人数占总死亡人数的比例平均为 3 6 4 2 ；瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的比例平均为3 0 5 8 f 啦】。其具体情况如表1 1 所示： 表1 1 煤矿事故死亡人数统计 注：1 9 8 9 年死亡2 4 5 1 人，原始资料未分类，未“合计”在各类事故中；1 9 9 0 1 9 9 2 年基建未分 类，未在统计在内 从上述数据可以看出，顶板事故发生的概率比较大。之所以会出现这种情况，是由 于顶板的控制设计与管理一直靠经验来进行，没有什么理论依据，以及由于开采设计和 实施管理决策理论的不完善，特别是缺少可靠的信息基础，只是靠简单的统计经验条例 西安科技大学硕士学位论文 来管理生产。虽然经验在一定程度上具有一定的可借鉴性甚至可提高效率，但是完全依 靠经验来指导生产难免存在一定的局限性和盲目性，以此很难做到安全的控制顶板，从 而出现项板事故频繁发生，支护效率低，经济效益差的局面。从长远的发展来看，随着 环境不断的变化，单靠经验对顶板控制进行设计，必将影响技术装备的更新。另外由于 开采设计决策和实施管理决策理论的不完善，特别是缺少可靠的信息基础，靠简单的统 计经验决策条例来管理生产必定存在一定的误差，从而增加了事故发生的概率。因此， 从这方面讲，我们需要进一步完善采矿工程理论，特别是重大事故预测和控制的理论， 深入研究引起相关事故发生的矿山压力和岩层运动规律等动力信息基础。把煤矿安全高 效开采决策和实施管理推进到针对具体煤层条件和开采技术条件科学决策发展阶段进 而实现顶板控制的信息化、智能化和可视化，也是从根本上解决我国矿山安全现状的急 迫任务。 顶板控制设计与分析系统的研究是一件非常复杂的技术难题，然而根据传递岩梁矿 压理论分析可知，影响矿压显现的上覆岩层运动的范围是有限的，参与矿压运动的顶板 岩层厚度也是有限的。由于研究的岩层范围大大缩小，因此能够有目的地进行基础工作 研究，大体包括：矿区主采煤层、具体工作面煤层及顶底板岩层柱状，其中包括岩层 的岩性和物理力学特性、岩层分层厚度和节理裂隙间距及它们的变化范围，底板类别及 其破坏特征。矿区主采煤层顶板运动及矿压显现规律。掌握本矿区工作面支护质量 状况。通过上述理论的研究，顶板控制也是有规律可循的，因此研究一套系统的顶板控 制设计方法，以掌握影响采场矿压显现的覆岩范围及其活动规律，进而针对该范围岩层 活动规律对支架一围岩间关系进行定量设计。另外，多年来，我国大部分矿区都进行过 顶板压力动态的研究工作，积累了丰富的资料数据，但由于技术手段等原因，这些数据 资料是分散的、无序的，尚不能充分发挥它们对日常矿压治理工作的指导作用。因此如 何将这些耗费了大量人力、物力和财力取得的宝贵资料汇集起来，并根据矿压研究的需 要，可对数据进行处理，将数据处理的结果以图形或汇总的格式统计输出，以便于更好 的总结规律，得出变化趋势。提高现有资料对日常矿压研究工作起到应有的参考和指导 作用是一个急需解决的问题1 3 4 j 。 总之，在煤矿生产中，因顶板管理不善而造成的人身伤亡事故占相当大的比例。顶板 事故作为煤矿“五大自然灾害”之一，对地下开采煤矿的安全生产无疑造成很大的影响。 因此搞好顶板管理，就理所当然成为煤矿生产技术管理和安全管理工作中一个十分重要 的课题。 2 l 绪论 1 2 国内外研究动态 1 2 1 矿山压力与岩层控制理论的研究现状 从二十世纪6 0 年代至今，我国矿山压力与岩层控制理论得到了长足的发展。对回 采工作面、各种巷道进行了大量的观测，对工作面以及采前、采后支撑压力显现规律有 了一定的了解，完善和发展了实验室研究方法和手段，提出了各种矿山压力理论，为支 架参数确定、工艺选择、巷道布置、煤柱尺寸确定、都起到了良好的作用。近几年来， 采场矿山压力理论的发展主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 关于关键层理论的研究【5 】 随着开采对上覆岩层内地下水、岩体内赋存气体分布的改变以及地表塌陷规律的影 响，必然导致关键层理论的深入研究。通过开展岩层控制中的关键层理论的深入研究， 采场覆岩中关键层的破断规律研究，采场覆岩中关键层上载荷的变化规律及采场覆岩裂 隙分布的“0 形圈特征研究等，钱鸣高院士提出了岩层控制的关键层理论。该理论的 研究实质是进一步研究硬岩层所受的载荷及其变形规律，进而了解影响工作面及地表沉 陷的主要岩层及其变形形态。该理论是顶板岩层控制理论的一大发展，由此可以大大简 化研究对象，抓住问题的实质。关键层理论的创立为岩层水的控制，煤与瓦斯共采，岩 层移动与地表控制等奠定了理论基础，从而开辟了矿山压力研究的新领域。 ( 2 ) 砌体梁结构的“s i r ，稳定【6 】 采动后岩体内形成的砌体梁模型是一个大结构，而此大结构中影响采场顶板控制的 因素主要是岩层移动中形成的离层区的几个岩块。显然，关键块的平衡与否直接影响采 场项板的稳定性及支架承受力的大小。我国工程院院士钱鸣高教授7 0 年代末在研究断 裂岩块间力学关系及总结铰接岩块理论和预成裂隙梁理论、以及在大量现场观察与实测 的基础上，提出了采场裂隙带岩体砌体梁结构理论模型，提出了砌体梁关键块的滑落与 转动变形失稳条件。 滑落稳定条件( s 条件) ： ，r 1 办+ 啊i = l ( 留+ - s i n 0 1 ) 2 ( 1 1 ) j u 。p 。g t 式中：h 为承载层厚度；铂为承载层所负载岩层的厚度；吒为承载层的抗压强度； p g 为岩体的体积力；岛为砌体梁中岩块断裂后的回转角；t a n # 为岩块间的摩擦系数。 回转变形稳定条件( r 条件) ： 办+ 啊业( f 2 一s i n o l + i 1s i n 2 儡) ( 1 2 ) p g 3 上 式中：i 为岩块的厚长比 3 西安科技大学硕士学位论文 砌体梁关键块的分析为采场直接顶的上部作用力与位移提供了边界条件，从而为分 析直接顶的稳定性奠定了基础。 黄庆享教授以采场砌体梁理论及其层状岩体关键层理论为研究的理论基础，结合浅 埋特点，得出了对浅埋煤层高产高效工作面顶板来压特征和不同推进速度的矿压显现规 律。应用浅埋煤层老项“台阶岩梁 理论定量化分析，揭示了快速推进时周期来压步距 增大而压力减缓的机理。计算得出的工作面的合理支护阻力与实际情况相符【7 】。黄庆享、 钱鸣高、石平五在“浅埋煤层采场基本顶周期来压的结构分析”中建立了浅埋煤层采场 基本顶周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型，分析了顶板结构稳定性，揭 示了工作面来压和项板台阶下沉的机理是顶板结构滑落失稳，给出了维持顶板稳定性的 支护力计算公式，为浅埋煤层顶板控制定量化分析提供了理论依据。黄庆享还在“浅埋 煤层的矿压特征与浅埋煤层定义 中根据3 个不同条件的浅埋煤层工作面矿压实测，得 出了浅埋煤层顶板破断规律与普通采场的不同，并提出了以关键层、基载比和埋深为指 标的浅埋煤层定义，为正确建立顶板结构模型和进行顶板控制奠定了基础；在“浅埋煤 层长壁开采顶板结构理论与支护阻力确定 中根据建立的浅埋煤层初次来压的“非对称 三绞拱和周期来压的“台阶岩梁 结构模型，提出了支架的“给定失稳载荷工作状 态和载荷传递因子，由此确定了合理的支护阻力计算方法瞵，j 。 ( 3 ) 传递岩梁理论l i u ，j 宋振骐院士在大量现场实测的基础上，建立并逐步完善了以岩层运动为中心，预测 预报、控制设计和控制效果判断三位一体的“传递岩梁 理论体系。揭示了岩层运动与 采动支撑压力的关系，明确提出了内外应力场的观点，并以此为基础，提出了系统的采 场来压预报理论和技术；提出了“限定变形和“给定变形”为基础的位态方程。 ( 4 ) 拱梁结构理论【l 副 在“砌体梁”和“传递岩梁”理论的基础上，通过大量现场观测、实验室和理论研 究，基于“岩层质量的量变引起老顶结构形式质变”的观点，姜福兴提出了老顶存在类 拱、拱梁和梁式3 种基本结构形式的拱梁结构理论。拱梁结构的下限，老顶质变为“类 拱结构 ，其上限则变为“梁式结构”。每种结构代表着不同的老顶组成和运动规律。 ( 5 ) 支架与围岩相互作用关系【1 3 , 1 4 , 1 5 j 采场支架与围岩相互作用关系表明了顶板运动与支护之间的相互影响规律，涉及到 支架性能，工作状况以及采场上覆岩层活动规律对支架的影响，国内外学者一直注重这 方面的研究。钱鸣高院士认为支架工作状态影响支护效果，李鸿副1 6 j 教授于2 0 世纪6 0 年代首次在实验室发现了支架工作阻力与顶板下沉量呈双曲线关系的规律，并在现场实 测中得到验证，从而为揭示支架与围岩的相互作用奠定了基础。史元伟【l7 j 教授分析了采 动裂隙直接顶条件下支架的支护作用及合理支护阻力作用确定，又通过实测和统计方法 证实了控顶区顶板下沉量与支护阻力间呈近似双曲线关系：认为给定变形条件下，随来 4 l 绪论 压步距增大，顶板下沉及支架载荷减少，而在给定载荷条件下，随来压步距增大，载荷 明显增大。宋振琪院士认为i 8 j ：采场支架可以改变老顶的活动状态，即存在支架对老顶 的“限定变形 ，在“限定变形 状态下，增阻阶段支架的受力大小完全由采场顶板下 沉量决定，恒阻阶段支架的受力大小与采场顶板下沉量无直接关系。石平_ 五 s s , 1 9 1 教授运 用能量原理分析了矿山压力中的有关问题，认为采场只是不断推进的开挖空间中的一个 极小部分，整个开挖空间岩层移动范围很大，但处于其边缘的采场上方岩层活动范围却 是有限的，支架的作用就在于维护这个有限范围的顶板连续性，从而形成支架直接顶共 同承载结构。在采场支架与围岩关系中，老顶的变形一般为给定变形，老顶回转作用于 直接顶形成的“给定变形压力取决于直接顶的整体力学性质和支架的让压程度；回采 工作面顶板的下沉量是由老顶、直接顶及支架耦合作用的结果，支架的工作载荷主要与 直接顶( 包括顶煤) 的整体力学性质( 刚度) 有关，在直接顶具有一定刚度，可变形介质条 件下，支架能否对基本顶的位态起到限制作用，随着基本顶回转变形程度的增大，支架 是否一直受到基本顶回转变形的影响，则取决于直接顶介质的整体力学特性和变形破坏 状态【2 0 。2 3 1 。 上述采场矿山压力研究的新进展，为采场矿山压力的进一步研究奠定基础，指明了 方向，尤其是在采场支架与围岩关系方面，为进一步完善采场整体力学模型和在研究直 接顶稳定性基础上建立各项参数的关系奠定基础，并由此为实现顶板控制设计与来压预 测预报及监控等提供了可能。 1 2 2 煤矿顶板管理系统研究现状 5 0 6 0 年代，我国煤矿主要采用木支护，此期间工作面大面积冒顶的重大伤亡事故 比较频繁。通过十几年的努力，6 0 - - - 8 0 年代，一些矿区研究和使用了各种老顶来压预测 预报方法。使我国煤矿对顶板活动进入了科学监测的阶段。同时，根据矿山压力显现与 顶板控制的研究成果和大量实践，对直接顶进行了分类，对老顶进行了分级，并以此作 为支架选型及一些基本参数确定的依据。8 0 年代以来，采场来压时发生的大面积压垮型 事故已得到明显的控制。然而，推垮型大面积冒顶事故仍时有发生，为此，又集中精力 对这类工作面的上覆岩层结构进行了研究，揭示了“复合顶板”的运动规律，采取一系 列措施来预防推垮型冒顶的发生，取得很好的效果。回采工作面局部冒顶规律的研究， 人们借助统计分析从大量的客观现象中找出冒顶的某些规律，发现了岩体中各种弱面对 局部冒顶的影响，从而对局部冒顶多发区域采取了一系列有针对性的措施。在岩层运动 发展规律研究方面，在揭示采场矿压及其显现与上覆岩层运动间的关系方面，在采场矿 压控制设计理论方法方面都取得了进展。以岩层运动为中心的预测预报、整制设计、控 制效果判断一体化的采场矿压理论逐步得到实际应用。现场矿山压力和顶板控制设计从 过去主要依靠统计、经验决策，开始推进到针对具体煤层条件和开采条件定量分析决策 5 西安科技大学硕士学位论文 的发展阶段l 2 4 , 2 5 j 。 根据不同的煤层条件和开采条件来对回采工作面顶板控制设计的主要内容包括：选 择采场支护形式、选择采空区顶板的处理办法、决定控顶距离、选择支护形式、制定工 作面日常顶板管理方案等。这些顶板管理的方法在实践中得到了充分的验证。并且从实 践中得到了许多宝贵的经验。目前主要通过对采场需控制岩层范围的研究来控制与预防 顶板事故的发生。采场需控制的岩层范围是指上覆岩层中运动对采场产生明显影响的那 部分岩层，包括直接顶与老顶。从矿压控制的要求出发，直接顶是指在采空区已经冒落， 在工作面推进方向上失去了传递力联系的那部分岩层；老顶则是由运动对采场产生明显 影响的岩梁组成，每一岩梁由同时运动或近乎同时运动的一层或数层岩层组成，尽管岩 梁会发生断裂，但其在工作面推进方向上始终能保持传递力的联系( 包括规则垮落) 。确 定采场需要控制的岩层范围是顶板控制设计的首要问题，其中包括各部分岩层的厚度和 运动步距的确定。我国在围岩控制技术的研究方面也取得了一系列卓有成效的研究成 果，如支护形式的选择、支架选型设计、高档普采工作面围岩关系、支护设计、特殊支 护、支护质量与项板动态监测等 2 6 , 2 7 j 。 回采工作面顶板事故是煤矿多发性事故。据统计顶板事故占所有事故的3 0 - 4 0 ， 这给煤炭生产带来了重大的人身伤亡和巨大的经济损失。因此，回采工作面项板事故的 预防对保障职工的生命安全，维持j 下常的生产秩序，提高企业的经济效益具有重大的意 义。学者们也为此做了一些研究：2 0 世纪8 0 年代初期山东科技大学以姜福兴教授为主 的课题组最初开始研究顶板控制设计专家系统，分单体版、综采版和综放版，该系统可 根据具体工作面的生产地质条件，按照“以岩层运动为中心的矿压理论”体系的相关模 型，计算出工作面直接顶的厚度、初次垮落步距、老顶厚度、初次来压步距与周期来压 步距等运动参数，进而确立出该工作面可行的支护形式和支护参数。贵州工业大学开发 的液压支架选型专家系统，该系统能根据工作面围岩特性和不同支架的支护性能，结合 经济成本和其它相关因素，确定合适的支架架型。如冯圣洪、牟永敏、黄元平 2 8 1 在其 1 9 9 7 发表的论文煤矿顶板事故隐患危险性智能评价系统中为顶板事故的预防提供了 一套科学的安全管理途径，智能评价方法起到了对顶板日常管理规范化、标准化的一个 监督改进的作用；沈红、向阳【2 9 j 在其1 9 9 9 年发表的论文回采工作面顶板事故预测模 型设计中给导致顶板事故发生的因素进行评判，并给予了不同的权重，建立了顶板事 故预测模型，在实际的应用中取得了良好的效果。王春秋【3 0 1 2 0 0 5 年发表的博士论文综 放采场顶板事故及沉陷灾害预测与控制研究中针对济宁三号煤矿具体情况深入的研究 了随回采工作面推进，综放采场顶板事故发生的原因和条件及其有效控制的方法，完善 了相关事故控制决策模型；并以采场推进支承压力分布计算的结构力学和数学模型为基 础，辅以三维相拟材料模型研究和通过数值计算，比较系统地研究和揭示了开采深度、 采高、煤层厚度和工作面长度等采动条件对3 号煤层开采支承压力大小、分布( 包括影 6 1 绪论 响范围、高峰位置及“内应力场 宽度) 的影响。为控制顶板事故的发生起到了一定的 借鉴作用。王广鸿j ( 2 0 0 6 ) 发表的硕士论文基于c s 模式的顶板控制专家系统中 根据离柳焦煤集团各矿区的具体情况通过对该系统的使用可以掌握不同开采条件下回 采工作面老顶来压显现规律、来压步距和来压强度，分析回采空间支架与围岩相互作用 关系，确定工作面采动影响范围及支承压力分布变化规律，为合理地进行采区设计、巷 道布置、选择采煤参数、设备选型、工序安排、支护方式及顶板管理方法提供科学依据。 该专家系统有利于指导离柳焦煤集团各矿井安全生产，实现各矿井安全质量标准化计算 机管理。孙远平j ( 2 0 0 6 ) 在其硕士论文采煤工作面顶板安全管理的应用研究中首次 提出用计算机辅助人工建立事故树，改变单纯由人工编制和数据处理的困难并有效避免 人工建树遗漏危险因素现象，在计算机辅助下作者编制了顶板冒落事故树，并对事故树 进行了分析，给出了各事故树的最小割集、最小径集和事故树的结构重要度。经过实证 研究提高了矿山企业的安全管理水平。孙天佑( 3 3 】( 2 0 0 6 ) 在其硕士论文基于以太网的 煤矿顶板动态监测系统研究中将以太网技术引入了煤矿安全监控系统，利用以太网的 高度灵活性以及强大的通讯功能将井下的监测仪表的数据上传至井上远端的计算机，可 以实现对井下各种参数的全面、实时、动态的监控。为煤矿企业现代化安全生产做出了 贡献。李世杰p 4 j ( 2 0 0 6 ) 在其硕士论文面向对象的回采工作面顶板动态预测专家系统 中采用知识工程理论和方法，对领域专家的知识与经验进行分析和总结，应用专家系统 构造技术，借助j a v a 开发工具设计建立相应的知识库、推理机与友好的人机交互界面， 实现对回采过程中工作面顶板动态进行科学预测，并可以对工作面顶板的支护质量进行 评价。系统还实现了对各种矿压观测指标的数据处理功能，可以将观测参数的处理结果 以图形或汇总表的格式输出并实现打印。陈苏阳在2 0 0 7 年发表的论文项板动态监测 在陈四楼煤矿生产中的应用中介绍了顶板动态监测在陈四楼煤矿安全生产过程中的应 用，通过对所有掘进巷道的顶板进行动态监测，根据检测结果及时采取有效措施加强巷 道顶板支护，有效控制了顶板离层和冒顶现象的发生，保证了煤矿的安全生产。李建辉、 李日荣、李斌等【3 5 j 在2 0 0 7 年发表的论文顶板监控系统在煤矿的运用中通过对顶板 离层报警计算机监测系统的运行原理、安装、测试的分析，演示说明了系统具有完善的 故障自诊断能力和远程维护功能( 接入i n t e n e t ) ；系统支持多条巷道、多采区，最大可设 置2 5 6 个测点；支持多种通讯接口和协议，兼容其他监控系统，各采掘工作面实现2 4h 全天候，无间断自动化监控顶板离层变化情况；传感器离层值一但超过临界值，立即报 警，有关人员可及时采取有效措施进行处理；可随时从计算机内存调出任一测点的日、 月、年的离层值信息进行比较；王子君1 3 6 1 2 0 0 7 年发表的论文基于c s 模式的煤矿顶 板管理与控制专家系统中使用多属性效用分析法，以回采工作面和巷道围岩矿压观测 为基础，借助专家系统思想，分析矿压显现规律，最终确定回采工作面和巷道的支护方 式及相应的支护参数。改变了以设计人员主观经验为依据的传统设计思想【3 7 挪】。 7 西安科技大学硕士学位论文 根据上述总结，顶板管理系统仍然存在一定的问题。如下： ( 1 ) 很少有对顶板各关键参数相互关系方面的研究，例如：推进速度与周期来压的 关系、支架阻力与顶板移近量的关系、顶底板移近量与活柱下缩量的关系等。 ( 2 ) 缺少对矿压数据的挖掘分析，从大量的数据中挖掘出有效的、新颖的、有用的 知识以便于总结规律，得出变化趋势。提高现有资料对日常矿压研究工作起到应有的参 考和指导作用是一个急需解决的问题。 ( 3 ) 这些系统难以适应现场各种突发性事件和不断变化的条件，不能实时处理各种 信息，难以对实际情况中各种因素进行整合。 ( 4 ) 由于综采工作面生产系统是一个复杂多变的随机服务系统，受地质条件、管理 水平和开采技术条件等诸多因素的影响，使取得的研究成果有很大的局限性，难以适合 各矿区、各矿井，甚至同一矿井、同一采区在某一个工作面的研究结论也可能不适用于 另一工作面。 1 3 论文内容 1 3 1 系统描述 本课题的主要任务是完成顶板管理系统的分析与设计。该系统运用的方法是根据矿 山压力理论，以v i s u a lc + + 为开发平台，运用s q ls e r v e r 数据库存储量化数据，采用 m a t l a b 技术进行数据分析和处理。完成的目标是通过对该系统的应用，能够较好的 指导煤矿的安全生产。其研究的思路： ( 1 ) 通过学习目前国内外在顶板管理系统中己有的研究成果，发现存在的问题，针 对存在的问题，提出改进意见。 ( 2 ) 抓住采场围岩运动和应力场变化规律这个核心来设计。分析总结出采场覆岩运 动规律和支撑压力分布变化规律。 ( 3 ) 用m a t l a b 对数据进行处理，完成相关变量的线性回归及非线性回归，对结 果进行分析。调整相关变量，使其处于安全生产允许的范围内。 ( 4 ) 通过对矿压观测数据的整理和分析，实现了对数据的统计分析，统计出最大值、 最小值、平均值、中位值、频率最高值等；绘制出初撑力、支架工作阻力、顶底板移近 量等随工作面推进变化曲线图和相应的频率直方图。实现工作面来压的预测预报，为顶 板管理提供科学依据。 8 1 绪论 1 3 2 技术路线 1 3 3 采用的方法 本文主要采用了理论与实证相结合的分析方法，将理论应用于实践。很好的将采矿 理论与计算机技术结合，实现了学科间的融合。 ( 1 ) 本论文将v c + + 和m a t l a b 结合起来使用各取优点，避免了m a t l a b 在单独 使用过程中可移植性差、实时性差、用户界面不友好、不易读取以及v c + + 在单独使用 过程中，对数据处理方面以及可视化方面的缺点。 ( 2 ) 由于在以往的生产过程中，都是凭经验来控制变量，没有什么具体的依据，本 文采用回归分析建立数学模型，找出变量间的数学关系。 ( 3 ) 本文采用局域网监控技术，实现了对采集数据的计算机进行监控。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 基于v c + + 6 0 的工作面顶板控制理论的知识表示 2 1 上覆岩层运动参数的确定 2 1 1 岩层稳定性的定量表达方法 根据经验总结，影响单一岩层运动的因素有：厚度、强度、分层厚度、节理裂隙间 距、组分的均匀性、水的作用程度等。而岩石的强度、分层厚度和节理裂隙间距在其运 动的过程中起着主要的作用，习惯上将其称为三因子【3 9 】。 由三因子决定的岩层综合强度即岩层的质量，可用其定量表达岩层的稳定性，其基 本的表达式如2 1 2 4 式： u r = 0 3 1 2 ( 1 0 0 , ) o 2 6 9 1 ( 2 1 ) 鳓= 3 7 4 5 7 e 一1 4 5 8 7 ，( 删一1 ( 2 2 ) f = 3 7 4 5 7 e 一1 4 5 8 7 ( f + n 一1 ( 2 3 ) ( x ) ：丝笔贮丝 ( 2 4 ) ) 式中：, u r 、, u d 、, u f 一单轴抗压强度、分层厚度、裂隙间距对岩层质量的隶属度。 、d 、厂一单轴抗压强度( m p a ) 、分层厚度( m ) 和节理裂隙间距( m ) 。 ( x ) 一岩层的质量指数，一般在 o ，1 】间取值。 2 1 2 直接顶运动参数的确定 ( 1 ) 直接顶厚度的确定 本论文采用专家系统法【1 2 】来确定直接顶厚度参数。用其推断某一岩层是否垮落成 直接顶时的主要步骤为：读取该岩层的质量指数即反应岩层运动的三因子，并判断它 属于哪一个等级。计算采空区自由空间的高度，并与岩层厚度相对照，检验岩层是全 厚度垮、部分垮还是不垮而成为铰接结构。在判断的过程中，需要经过大量试算和检验 来确定判断因子的临界值( 阈值) 。但是其厚度还应遵循一定的原则3 6 1 ，其判定流程图 如图2 1 所示： 1 0 2 基于v c 州0 的工作面顶板控制理论 图2 1 直接项厚度判断流程图 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 直接顶分类的确定 原煤炭部颁发的缓倾斜采煤工作面顶板分类试行方案即认为岩层抗压强度c r c 、 分层厚度d 及节理裂隙间距f 是影响直接项的三个主要因素，其计算公式如下： 弘= c fcdoc 式中：c f 一节理裂隙影响系数；c d 一分层厚度影响系数； 仃c 一岩石的单轴抗压强度，堙c m 2 。 c ，、c d 分别由表2 1 确定，直接顶的分类如表2 2 。 表2 1 c f 、cd 的确定 ( 2 5 ) u _ 3 0 3 0 u _ 7 0 7 0 q j ( i = 2 ，3 ，4 n ) ( 2 8 ) 根据第1 1 + 1 层的变形小于第n 层的变形特征可知，第n 十l 层以上已不再需要其下部 岩层去承担它所承受的任何载荷，则必定有 g ll 。“ q li 。 e lh l3 ( 7 ，h ，+ q 川) e ，h 3 ( 2 9 ) 在式2 9 中，若n + l - - m ，则，吼+ 1 = y m + g ；若n + l l ，? y y n n 重新计算第 3 层硬岩破 断距，载取 q 3 + q 4 ，若计 算结果 l 3 l 4 ，则取 l 3 = l 4 y 一、，】l - - - - - - 一 第1 ，2 层为亚夫键层，第 3 层为主关键层，第3 ，4 层同步破断 n n 重新计算第2 层 硬岩破断距，载 荷取q 2 + q 3 ，若 计算结果l 2 l 3 ， 则取l 2 = l 3 重新计算第三层硬岩 破断距，载荷取 q 2 + q 3 + q 4 ，若汁算结 果l s l 17 弋 n第一层硬岩为 土关键层，第 l ，2 ，3 ，4 层 同步破断 重新计算第l 层硬岩破断 距，载荷取q l + q 2 ，若计算 结果l i l l ? 弋。 、 ln 第1 ，2 层为亚关键层，第4 层为主 关键层，第2 ，3 层同步破断 n 第1 , 2 ，3 层为亚 关键层，第4 层为主关键层 重新计算第l 层 硬岩破断距，载 荷取q l + q 2 ，若 计算结果l l l 2