支柱压力检测.doc

基于模糊分析的支架工作状态识别及应用*1，*1，*21.神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿，宁夏 灵武，751411，2.徐州博林公司摘要：在介绍放顶煤工作面支架压力监测系统的基础上，通过对支架压力监测数据进行模糊分析，得到工作面支架的工作状态，并指出支架的工作状态识别可用于顶煤破碎过程的优化及工作面各种设备的3D虚拟显示。这有利于提高放顶煤的回采率，并使调度人员能清晰了解工作面的工作情况，提高调度指挥能力。关键词：支架压力；模糊分析；放顶煤；虚拟现实Fuzzy analysis of support working status and its application*1, *1, *21. Yangchangwan coal mine of Shenhua Ningxia coal group, Ningxia Lingwu, 751411, 2. Xuzhou BolinAbstract: On the base of introduction about top-coal caving face pressure monitoring system, the fuzzy analysis of support pressure was given, and the working status of support was got. It was pointed out that the recognition of support working status could be used for optimizing the procedure of breaking top coal, and used for 3D virtual reality display of working status of various coalface equipments. It was significant to improve the percentage of recovery, to make dispatching staff to understand the coalface status clearly and to enhance the supervision ability. Keywords: support pressure; fuzzy analysis; top-coal caving; virtual reality1. 引言综采放顶煤工作面支架压力监测是现代化矿井顶板管理常采用的监测方法之一。通过支架压力监测可以掌握：工作面回采过程中来压规律，为工作面支护提供依据；采动影响时围岩变形的基本规律，为确定动压条件下回采巷道支护方法和合理支护参数提供依据；超前采动影响范围和超前支承压力高峰区域，确定工作面巷道的超前加强支护距离及对应支护技术措施。然而，除上述顶板管理应用外，实测的综放工作面支架压力监测数据蕴含的信息非常丰富，通过适当的信息处理和挖掘，这些信息还可以用作提高煤矿放顶煤开采的效率和工作面可视化监管调度等。本文通过压力监测数据的模糊分析1探讨其在放顶煤及工作面可视化中的应用。2. 工作面压力监测系统的基本组成图1 工作面压力监测系统组成1#支架测量单元2#支架测量单元n-1#支架测量单元n#支架测量单元顺槽485电缆前 后 前梁 柱 柱前 后 前梁 柱 柱压力监测主站地面监测主机工业以太网1#支架测量单元2#支架测量单元n-1#支架测量单元n#支架测量单元顺槽485电缆前 后 前梁 柱 柱前 后 前梁 柱 柱压力监测主站地面监测主机工业以太网支架压力监测系统如图1所示。地面主机通过工业以太网与工作面压力监测系统的主站相联接，主站通过485总线与各支架的压力监测单元连接。支架测量单元安装在液压支架上，对支架的前柱、后柱、前梁三个压力进行监测。图1 工作面压力监测系统组成图2是对其中某个支架立柱实时监测的压力数据曲线，支架立柱循环内阻力与时间的关系反映了其工作特性，工作面压力监测数据的分析己有许多讨论2。本文主要介绍如何对这样的压力数据进行信息模糊分析，以及对分析结果的应用。一般支架压力监测数据均具有类似图2的周期性特征，因此，后面的分析同样适用于其他的支架压力监测系统。图2 支架立柱工作特性3. 支架工作状态的模糊分析3.1 支架工作状态分析为了便于分析，将图2所示的压力曲线重新画于图3，图3(a)所示的某支架24小时全压力变化曲线，图中的虚线是支架的缷压保护值。图3(b)是压力曲线的微分，反映状态的变化。显然，技术人员可以较完整地分析出支架在任一时刻的工作状态，主要分析如下：1) 在24小时内支架经历了9个循环，即一天割了9刀煤，图中可得出每刀切割所用的时间。2) 如果以周期6为例，完整的循环工作周期经历初撑、增阻(压力逐步增大)、缷压(顶部锯齿状部分)、降架(压力突然下降)、移架几个过程，这就是支架的几个工作状态。3) 第1、2、3、7、8几个周期没有明显的缷压过程，说明增阻压力还没达到设定的缷压保护值。图3 工作面压力与工作状态关系分析(a) 工作面支柱全压力曲线(b) 全压力曲线的微分4) 这几个周期在降压移架前均有一个明显的压力突然上升的尖峰。这是由于采煤机在该支架附近采动切割煤及随后的放顶煤过程造成压力变化。而有缷压的周期，由于缷压的作用，这个尖峰不明显。5) 周期4、5、6明显存在缷压保护过程，显然这是由于这几个周期初撑力均较大。6) 从图中还看出周期8，远远没达到支架的最佳工作压力。初撑力不足对有效支护是不利的，应加强顶板管理。7) 由于放顶煤生产时，顶煤破碎程度与放煤量紧密相关，破碎不足会造成放煤不充分。而顶煤的破碎主要靠支架与顶煤之间压力的作用，周期8显然存在压力不足的现象，不能很好的实现顶煤破碎，会严重影响放顶煤效率。其原因显然是初撑力不足造成的。8) 第9个周期时间较长，有明显的初撑、增阻及缷压过程，但没有降架移架过程，表明在约21点左右，工作面进入检修时间，没有再向前推进。9) 图3(b)是对图3(a)全压力曲线的微分，其中较大的负值代表降架过程，较大的正值代表升架过程，即初撑过程。相邻正负值之间的时间间隔即为移架时间。从微分图上还可计算出增阻速度。以上这些分析对于人来说比较容易，如何让计算机进行自动分析，得出支架在任一时刻的工作状态信息是非常有用的。3.2 支架工作状态模糊分析器支架工作状态模糊分析器可以是一个纯软件系统，其输入为压力监测数据P及其微分DP，其输出为支架的工作状态，为了分析的需要，同时将时间T作为一个输入参量。模糊分析器的输出是支架的工作状态，分别为PD代表降架，PU代表升架，MS表示移架，PR表示增阻，PH代表缷压保持状态。压力数据PDP模糊化模糊集合模糊推理模糊规则去模糊状态输出辅助输出=PRYN图4 模糊分析器构成TPRTYN3.3 P和DP的隶属函数图5 P和DP的隶属函数5101520-20-15-10-50PSPMPLPVLNSNMNLNVL0SPMPLPVLNMNLNVL25507510012515025kNPDP根据图3，我们可以选择P和DP的隶属函数如图5所示。压力P的隶属函数为简单的正三角形函数。比较压力曲线和其微分曲线，较大的负和正的DP信号分别代表着降架与初撑的过程。小的正DP代表着增阻过程，正负变化的DP代表着缷压过程，等等。考虑DP信号反映压力的变化，为了提高对小的DP信号的权重系统，DP隶属函数选择了不对称三角形。然而，DP的变化不是独立的，应该与压力信号进行联合分析。3.4 模糊推理规则作为模糊推理的例子，我们列出一些推理规则如下。所有的推理规则具有ifand if then else 的形式，输入变量为P和DP。If P is PL and DP is NVL or DP is NL then the support is PD;If P is PM and DP is PL or DP is PVL then the support is PU;If P is PVL and DP is NM then the support is PH;If P is PL and DP is PS then the support is PR;.uPNVLNLNMSPMPLPVLDPNVLPDPDPDPDPDNLPDPDPDPDPDNMNSMSMSPHPHPSMSMSPRPRPHPHPMPRPRPLPUPUPUPUPUPVLPUPUPUPUPU3.5 状态输出与辅助输出如前所述，模糊分析器的状态输出分别是PD代表降架，PU代表升架，MS表示移架，PR表示增阻，PH代表缷压保持。另外，我们比较关心的是增阻时间，当增阻时间过长时(TPRT)，就产生一个辅助输出信号。后面可以看到，这个辅助输出信号可用于实现顶煤破碎的辅助控制。4 支架工作状态模糊识别的应用4.1 辅助顶煤破碎为了理解模糊分析器在放顶煤过程中作用，简单介绍一下放顶煤开采。在放顶煤开采中，采煤机只切割煤层的部分高度，然后在顶板与支架压力的共同作用下，将顶煤压碎成相对比较小的尺寸，当放顶煤支架的放煤口打开时，顶煤才能从放煤口放出。显然，当顶煤破碎不足时，放煤口会被较大的煤块阻塞，顶煤放不下，造成回采率下降3。对于顶煤破碎过程来说，所施加的压力应该持续一段时间和连续几个周期。另外在一个压力变化的周期中，增阻过程对顶煤破碎的作用是有限的，因此，应适当控制增阻时间，在必要时，通过辅助控制的方法，提高支架压力，增大顶煤破碎时间。根据支架压力曲线分析，顶煤破碎时间可控制在周期的1/41/3，从模糊信号处理中得到了支架工作状态的信息，然后将时间T作为模糊分析器的参变量，进一步加入到分析器中去，来实现较好的顶煤破碎效果。例如在图3中的周期8，较低的压力持续了大约160分钟，这表明增阻过程PR太长，因为一个完整的循环周期持续大约也就在23个小时，其中压力较低的增阻过程应该持续100分钟左右，否则破碎顶煤的时间和压力就会远远不足，即PH过程不足或没有PH时间。显然这是不利于顶煤破碎的，应采取措施避免出现这种工作周期以实现较好的顶煤破碎。为此，可根据工作周期情况，增加一个PR时间阈值，即当PU状态过后，进入模糊信息处理过程，同时加入时间计数器来计时，当PR状态时间超过设定的时间阈值，而PR状态仍未结束时，模糊控制器介入控制，适当增加支架压力，帮助支架提早进入PH状态。图6是利用原监测数据进行模糊分析并加入辅助控制后得到的支架压力变化数据仿真结果。与图3(a)比较可看出，辅助控制只是在需要的时刻才参与控制，而在支架的正常工作周期是不参与控制的。图6 增加辅助控制后的压力变化曲线目前支架的控制仍是以人工控制为主，初撑力的不足，绝大部分是由于支架工的不规范操作产生的。顶煤破碎模糊分析不是取代人对支架各个工作过程的控制，而是对支架工作状态进行模糊判决，在需要干预时，才参与控制。因此，顶煤破碎模糊控制器是一种辅助性的控制器。4.2 工作面设备的3D联动煤矿调度指挥人员总是希望能直接看到工作面设备运行的实际场景，但多年来的事实证明，工作面视频监测有很大的局限性，并不能真正起到实际场景的监视作用。于是人们又寄希望于利用3D虚拟技术来显示工作面的实况4。然而，要实时控制图7所示工作面设备的实时三维虚拟显示，需要解决对工作面各种设备实时工作状况预判的问题。也就是要提取工作面生产过程中各种设备的工作状态特征，根据这些状态特征，驱动3D虚拟显示，真实反映工作面设备工作状态5。图7 工作面3D虚拟现实与支架状态联动显示利用支架工作状态模糊分析器的状态输出来控制支架的3D虚拟显示，再根据工作面设备间的逻辑关系，可进一步得出工作面其他设备的3D虚拟现实显示的联动关系。如各支架的工作过程：包括初撑、增阻、缷压、降架、移架等；采机机的基本位置和行走速度；放顶煤的过程；运输机的开停等等。利用这些特征信息实现工作面各种设备3D虚拟显示与实际工作面工况的联动，使调度人员清晰了解工作面的工作情况，提高调度指挥能力。5结论通过对煤矿工作面压力实时监测数据的模糊分析，识别出支架的各种工作状态，可用于顶煤破碎的优化辅助控制和工作面3D虚拟现实显示。有助于提高放顶煤工作面的回采率，方便调度人员及时了解工作面的工作情况，提高调度指挥能力。这些分析目前还处于仿真研究阶段，需要做进一步实用化工作。参考文献1 Shen Zhang, Yanfen Wang, Fuzzy Signal Processing of Support Pressure in Full-mechanized Sub-level Cav