基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术.pdf

第4 5 卷第6 期 2 0 2 0 年6 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．6 J u n ．2 0 2 0 移动阅读 程敬义，万志军，P E N Gs y dS ，等．基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术[ J ] ．煤炭学报， 2 0 2 0 ，4 5 6 2 0 9 0 2 1 0 3 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．Z N 2 0 ．0 3 5 3 C H E N GJ i n g y i ，W A Nz 峋u n ，P E N GS y dS ，e ta 1 ．T e c h n o l o g ，o fi n t e l l i g e n ts e n s i n go fl o n g w a l ls h i e I ds u p p o r t ss t a t u s a n dr o o fs t r a t ab a s e do nm a s s i v es h i e l dp r e s s u r em o n i t 面n gd a t a [ J ] ．J 0 u m a l0 fc h i n ac o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 6 2 0 9 0 一2 1 0 3 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．Z N 2 0 ．0 3 5 3 基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板 状态智能感知技术 程敬义1 ”，万志军1 ”，P E N GS y dS 3 ，张洪伟4 ，邢轲轲1 ，闫万梓1 ，刘泗斐1 1 ．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；3 ．西弗吉尼 亚大学采矿工程系，西弗吉尼亚州摩根顿2 6 5 0 5 ；4 ．中国矿业大学 北京 能源与矿业学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要超前感知综采工作面顶板来压并预判冒顶事故、自主评价支护参数的适应性，是提高综采 工作面安全高效及智能化水平的基础。围绕综采工作面支架与顶板状态智能感知的核心问题，基 于综采工作面电液控制液压支架海量监测数据，开发了综采工作面支架与顸板状态智能感知系统 S S R I ；结合大数据挖掘及工作循环分析技术，提出了用于支架压力分析的多因次工作循环特征 参数；研究了安全阀开启、割煤及邻架移架、地质等多种因素影响下的单台支架承载特征及支架群 组载荷转移分布规律；在深入解读支架阻力及活柱下缩时序曲线所蕴含的支架与围岩相互作用关 系的基础上，构建了支架与顶板状态智能感知模型，实现了对顶板来压的预测、冒顶预警、支架适应 性及支护质量评价，初步建立了基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术体系。 结果表明①额定工作阻力不应作为评价支架承载能力的惟一或主要指标，初撑力、额定工作阻力 及安全阀开启特性等参数共同决定了支架的承载特性及承载能力；②充分挖掘分析海量矿压监测 数据，可以实现采场顶板灾害智能预警、支护质量评价及故障诊断等研究目标；③对海量监测数据 的深入分析与利用是实现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等智能化开 采目标的前提与基础。 关键词综采工作面；液压支架；矿压大数据；多因次工作循环特征参数；矿压智能分析；智能感知 中图分类号T D 3 2 ；T D 3 5 5 ．4文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 6 2 0 9 0 一1 4 T e c h n o l o 科o fi n t e l l i g e n ts e n s i n go fl 伽g w a l ls l l i e Ms u p p o r t ss t a t u sa n dr o o f s t r a t ab a s e do nm a s s i V es h i e l dp r e s s u r em o I l i t o r i n gd a t a C H E N GJ i n g y i l ”，W A NZ h i j u n l ”，P E N GS y dS 3 ，Z H A N GH o n g w e i 4 ，X I N GK e k e l ，Y A NW a n z i l ，L I US i f e i l I ．黼删珂肘l ，l 鄂，伽I M ￡，n ￡卯倦l 咿∥肘m l 增口，l dT 匆c ，剃o g ‘，爿l ‘加o “ z 2 l l l 6 ，m l 舭；2 ．5 ￡口￡eK 可比6 0 m ￡o ，y 珂∞耐f 渤o “聊s 口胞№地肘m ￡凡g ，∞l M 踟妇m 蚵矿胁n i 昭口甜死如n o 嘶，x 诚甜2 2 l l l 6 ，傀i M ；3 ．脚n 砌”眦矿胁n 魄’％i M B 一昭，耽毗W 呼n 池‰洳”渺， 如r g n ，l f Ⅲn2 6 5 0 5 ，C 例；4 ． ＆ 蒯o ，砌e 呦rn 蒯胁n 打培西洒，l e 折n g ，饥讥口‰眈r s 渺矿施n 魄Ⅵ，I d 死如，l o f 0 彰 驴，l g ， 舛昭1 0 0 0 8 3 ，傩i M A b 酣r a c t I ti so fg r e a ti m p o r t a n c et os e n s et h er o “w e i g h t i n ga n dr o o fc a v i n gi na d v a n c ea n ds e l f - e v a l u a t ei n i t i a lr e - s i s t a n c ea n dw o r k i n gr e s i s t a n c ef o rp r o m o t i n gt h es 如t y ，e m c i e n c ya n di n t e l l i g e n tm i n i n gl e V e li nl o n g w a Up e n a J ．B a s e d o nt h es c i e n t i f i cp n c i p l e so fi n t e l l i g e n ts e n s i n go fs u p p o r t s r o o fs t a t u s ，t h i sp a p e ru s e dt h em a s s i v ed a t ac o l l e c t e db y t h ee l e c t r o - h y d m u l i cc o n t m l I e dt w o l e gs h i e l ds u p p o r t s ，d a t am i n i n ga n dw o r k i n gc y c l ea n a l y s i st e c h n i q u et oe x t r a c tt h e 收稿日期2 0 2 0 一0 3 2 5修回日期2 0 2 0 0 5 2 0责任编辑郭晓炜 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 2 0 1 8 Q N A 2 4 ；国家自然科学基金青年基金资助项目 5 1 6 0 4 2 6 7 ；国家重点基础研究 发展计划 9 7 3 资助项目 2 0 1 4 c B 0 4 6 3 0 0 作者简介程敬义 1 9 8 5 一 ，男，山东东平人，副教授。E m a i l 5 7 5 9 c u m t ．e d u ．c n 万方数据 第6 期程敬义等基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术 2 0 9 1 c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ．T h e nt h es u p p o r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fas i n g l es u p p o na n dt h el o a dt r a n s f o n n a t i o na n dd i s t r i b u t i o no nt h el o n g w a Ⅱp a n e lc o n s i d e r i n gs e t t i n gp r e s s u r e ，y i e l d i n g ，a n ds h e a r e r ’sc u t t i n g ，a sw e l la sn e i g h b o r i n g s h i e l d s ’a d V a n c ew e r ei n V e s t i g a t e d ．O nt h eb a s i so fi n - d e p t he x p l a n a t i o no nt h et e m p o r a l - s e q u e n c ec u n r eo fs u p p o n i n g r e s i s t a n c ea n dt h ei n d i c a t i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u p p o na n ds u r r o u n d i n gr o c k s ，t h ei n t e l l i g e n ts e n s i n gm o d e lw a s c o n s t m c t e d ．T h es t u d yc o n c l u d e st h a tQ - t h er a t e dw o “ i n gp r e s s u r es h o u l dn o tb ee m p l o y e da st h em a i ni n d i c a t o rf b r e V a l u a t i n gt h el o a d i n gc a p a c i t yo fh y d r a u l i cs u p p o n ．P a r a m e t e r s ，s u c ha si n i t i a ls u p p o np r e s s u r e ，r a t e dw o r k i n gr e s i s t a n c ea n ds a f b t yV a l V eo p e n i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，w o u l dc o d e t e n _ I l i n et h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dc a p a c i t yo fh y d r a u l i c s u p p o r t ．②B ya n a l y z i n gt h em a s s i v ed a t ao fs u p p o r tp r e s s u r e ，t h eg o a l so fi n t e U i g e n tr o o fd i s a s t e rw a m i n g ，s u p p o r t q u a l i t ye v a l u a t i o na n df a u l td i a g n o s i sc a nb ea c h i e v e d ．③T h ei n d e p t ha n a l y s i sa n du t i l i z a t i o no fm a s s i v em o n i t o r e d p r e s s u r ed a t ai st h ef o u n d a t i o nt or e a l i z ei n t e l l i g e n tm i n i n gg o a l ss u c ha st h es e n c o n t m lo fh y d r a u l i cs u p p o np r e s s u r e a n da d a p t i V ea d j u s t m e n to fs u p p o r tp a r a m e t e r s ． K e yw o r d S l o n g w a l lf a c e ；l o n g w a Us h i e l ds u p p o I t s ；m a s s i v ed a t ao fs h i e l dp r e s s u r e ；c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fm u l t i d i m e n s i o n a lw o r k i n gc y c l e ；i n t e l l i g e n ta n a l y s i so fm i n ep r e s s u r e ；i n t e l l i g e n ts e n s i n g 提高采掘装备的自动化和智能化水平，逐步实现 智能化开采是煤炭综采技术发展的重要趋势u j 。智 能化综采工作面的重要特征是综采工作面装备了具 有全面感知、自学习和决策、自动执行功能的成套综 采装备忙J 。实现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㈣3 。 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，7 。9 。。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⋯。因此，若能掌握各因素对支架承载特征及载 荷在支架群组之间转移分布规律的具体影响，充分解 读支架阻力时序曲线所蕴含的支架与围岩相互作用 关系，即可通过识别支架承载及支架群组载荷转移分 布特征来反演支架与顶板状态，进而实现支架与顶板 状态的智能感知。 国内外研究机构运用计算机技术，在支架适应性 评价、支架支护质量监测、矿压数据三维成像、顶板来 压预报等方面开展了大量研究。美国国家职业安全 和健康研究所 N 1 0 s H 开发了液压支架监测与评估 系统 s H I E L D 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1 1 ；澳大利 亚S A N D F O R D 和C O N O V E R 开发了G e o G u a r d T M 系 统，用以预测上覆2 4m 厚硬砂岩顶板条件下的长壁 工作面顶板来压2 | ；美国阿拉巴马大学开发了综采 工作面岩层控制与监测系统 L o S C o M s ，可实现综采 工作面支架阻力的实时监测，通过统计分析采集的数 据，预测工作面周期来压并分析地质异常带的矿压显 现规律3 | ；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㈨；澳大利亚T R U E M A N 等‘挎‘1 7 ] 开发了长壁视觉分析系统 L V A ，提取了时间加权 工作阻力、初撑力、安全阀开启次数等参数，研究了埋 深及工作面宽度等因素对支架与围岩作用关系的影 响。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c A T 原 D B T 的V S h i e l dT r e n d ，M a r c o 的x M D A 矿压分析模 块等。 在矿压数据的分析方面，现有研究仍与传统分析 方法类似，主要集中在支架初撑力、末阻力、时间加权 工作阻力等支架承载特征数据的统计分析和来压步 距、动载系数等顶板来压规律或支架适应性评价的研 究上，并未对支架在不同支撑阶段的承载特征进行深 入研究。 总的来说，目前关于采场矿压智能监测与分析技 术方面的研究还存在以下问题 1 工作循环特征参数提取的种类偏少，时间加 权工作阻力、初撑力、末阻力、安全阀开启次数等参数 不足以充分解读支架压力数据中所蕴藏的复杂支架 与围岩相互作用关系； 2 矿压监测与分析仍基于传统的测站／线式理 念，未充分考虑载荷在支架群组之间的分布特征及转 移规律； 3 对支架立柱安全阀开启特征的研究仅限于 统计开启次数，对安全阀开启过程中的具体特征缺乏 深入研究； 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 4 地质、回采工艺、支架工作特性等因素对支 架承载特征影响的研究不够深人； 5 顶板来压智能预报、局部冒顶智能预警、支 护质量及支护参数适应性智能评价等方面的研究不 够深入，缺乏可在现场有效应用的软件系统。 笔者结合大数据挖掘及工作循环分析技术，提出 了综采工作面海量矿压监测数据智能分析方法，建立 了多因次工作循环特征参数指标体系，初步形成了基 于海量监测数据智能分析的支架与顶板状态智能感 知技术。 1 数据处理与参数提取 1 ．1 数据的采集与处理 电液控制液压支架装有压力、位移、红外定位等 传感器，数据采集频率从1s 至数分钟不等，工作面 每日可采集到各类型海量监测数据。为解决海量监 测数据的高效、准确分析问题，采用数据挖掘及工作 i 瓣莱秉⋯⋯⋯⋯。j 电 液 控 制 系 统 压力数据 面循环分析技术，开发了综采工作面支架与顶板状态 智能感知系统 S t a t u so fS h i e l da n dR o o fI n t e l l i S e n s e s y s t e m ，S S R I ‘1 8 。19 I 。 S S R I 系统结构如图1 所示，系统由数据采集、 分发、工作循环识别、多因次工作循环特征参数计 算集群、可视化及监测调度等模块组成。首先，通 过O P C 协议实时导人支架电液控制系统及自主研 发的支架立柱位移监测仪采集的数据旧0 | 。然后 使用S V M 算法将数据分发到多个工作循环识别 节点同时进行识别，识别出的单个工作循环全部 数据标记为一个数据集，同时将各个数据集保存 到内存数据库中。随后，将数据以数据集为单位 从存数据库中调取，并利用N a i v eB a y e s 、聚类、分 类、相关性等多种算法进行多因次工作循环特征 参数提取计算，并将计算结果保存到H D F S 分布 式文件系统。最后，将计算结果推送至客户端进 行可视化查询、分析与展示。 监测与调度 机位置信息『『_ ■ⅪL 位移数据H _ 叫数据分发 循环II 循环| | 循环l ⋯l 循环 识别I | 识别| | 识别ll 识别 循环识别 i 多因次工作循环i 特征计算集群i ；副特征绷| | i 诫⋯⋯⋯一 l 咂皇匝引卫i i ⋯ ．i ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ；日_ 一特征参数”l { ⋯⋯⋯⋯⋯。I j 穗了i ⋯ 存数据库广] H D F s 图ls s R I 系统结构框 F i g ．1 S t m c t u r eo ft h eS S R Is y s t e m 1 ．2 多因次工作循环特征参数提取 支架工作循环是指支架从初撑到卸载、移架的阻 力变化过程。不考虑安全阀开启时的典型支架阻力 时序曲线如图2 所示，支架工作循环按增阻特征可简 化为3 个阶段，即初撑增阻阶段 I 、相对稳定承载阶 段 I I 、割煤及邻架移架影响承载阶段 I I I 。图2 中，p 。为初撑力；p 。，为初撑力修正值；p ，为末阻力。 基于支架在不同阶段的承载特征，s s R I 系统可从每 个工作循环中提取2 7 种特征参数 图3 ，解决了传 统矿压分析中提取特征参数过少的问题。部分代表 性特征参数简介如下。 1 ．2 ．1 初撑力修正值 初撑力是液压支架提供给顶板的主动支护 力 图2 中p 。点 。现有研究忽略了一个普遍存在的 现象，即支架阻力达到初撑力后的短时间内 1 3m i n 通常会迅速下降，降幅大多在0 ．5 5M P a ，随 后再缓慢增长或保持相对稳定。以布尔台煤矿 2 2 3 0 4 工作面及美国E m e r a l d 煤矿矾2 3 工作面为 例，如图4 所示，支架初撑后分别有4 8 ．5 ％，7 1 ．9 ％ 的工作循环降阻量超过lM P a ，存在初撑降阻现象的 万方数据 第6 期 程敬义等基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术 图2 支架阻力时序曲线 F i g ．2 V a r i a t i o no fs h i e l dr e s i s t a n c ea n dl o a d i n gr a t ei n at y p i c a ls h i e l ds u p p o r t i n gc y c l ew i t h o u ty i e l d i n g 工作循环中降阻持续时间1m i n 以内的比例分别达 7 0 ．3 ％，9 6 ％。 支架初撑降阻现象的主要原因是顶底板岩层不 平整，或在支架顶梁与顶板之间、支架底座与底板之 间存在浮煤或矸石碎屑，当支架达到初撑力、油缸进 液阀关闭后，矸石碎屑或浮煤在支架支撑压力下压缩 破坏变形，立柱压力则随着支架支撑高度的小幅升高 而相应下降，直至达到新的相对平衡。因此，支架达 到相对平衡状态时的立柱压力才是支架提供给顶板 的实际初撑力，故将之定义为初撑力修正值 图2 中 p ⋯点 。 1 ．2 ．2 各个承载阶段增阻速率 初始增压阶段增阻速率是支架在初撑后快速增 图3 多因次工作循环特征参数 F i g ．3 C h a r a c t e r i s “cp a r a m e 【e r so fm u l t i d i m e n s i o n a lw o r k i n gc y c l e 支架初撑降阻量／M P a a 初撑降阻量 支架初撑降阻持续时问／s b 初撑降阻持续时问 图4 支架初撑降阻量及降阻持续时间频率分布 F i g ．4F r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no fp r e s s u r ed e c r e a s ea n dd u r a t i o no fd e c r e a s ea f t e rs h i e l ds e t t i n g 万方数据 2 0 9 4 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 阻阶段 图2 中阶段I 的增阻速率，是衡量顶板活 动剧烈程度的重要指标。相对稳定承载阶段 图2 中阶段Ⅱ 处于初撑增阻与移架前增阻阶段之间，此 时采煤机割煤已经远离支架，顶板活动趋于稳定，支 架增阻速率总体维持在较低水平。移架前增阻阶 段 图2 中阶段Ⅲ 是指受采煤机割煤后新暴露的顶 板载荷及相邻支架移架时转移的载荷影响，支架在移 架前短时间内快速增阻的阶段。 1 ．2 ．3 安全阀开启相关特征参数 在强烈来压、长时间停产或支架额定阻力不足等 情况下，工作面液压支架可能存在频繁的安全阀开启 现象。立柱安全阀开启与关闭的整个过程可定义为 一个屈服循环 或安全阀开启一次 。图5 为存在安 全阀频繁开启现象的支架阻力与立柱下缩量时序曲 线，安全阀开启相关特征参数可分别定义为安全阀 开启压力 p w 点 、安全阀关闭压力 p ⋯点 、安全阀 开启期间降阻量 △p 。 及开启状态持续时间 ￡。 、安 全阀关闭状态增阻量 △p 。 及增阻持续时间 ￡。 等。 对于存在安全阀频繁开启现象的工作面，分析安全阀 开启特征有助于掌握支架承载及顶板活动的真实情 况。通过提取安全阀开启相关特征参数，s s R I 系统 支架编号 a 安全阀开启次数 1 7 1 5 1 3 1 1 骊 。盏 隶 7 5 3 1 可分析综采工作面一定时期内所有工作循环的安全 阀开启特征。以补连塔矿2 23 0 6 工作面为例，如图6 所示，在全部5 30 2 9 个工作循环中，共有44 0 7 个工 作循环存在安全阀开启现象，其中安全阀累计开启次 数1 ～1 8 次、平均3 ．0 6 次 图6 a 。安全阀开启压 力4 4 ．1 ～6M P a 、平均4 6 ．3 7M P a 图6 b 。安全 阀开启降阻量0 ．9 ～7 ．8M P a 、平均2 ．1 7M P a 图 6 c 。 图5 安全阀开启工作循环支架阻力时序曲线 F i g ．5 V a r i a t i o no fs h i e l dr e s i s t a n c ea n dl e gc l o s u r ei na t y p i c a ls h i e l ds u p p o n i n gc y c l ew i t hc o n t i n u o u sy i e l d i n g 5 0 4 9 4 8 商 乱 毒 R 4 7 出 但 隶 4 6 4 5 4 4 支架编号 c 开启降阻量 图6 补连塔矿2 2 3 0 6 工作面部分安全阀开启特征参数 F i g ．6 E V o l u t i o no fs h i e l dy i e l dV a l V eo p e nc h a r a c t e r i s t j c si np a n e lL W 2 2 3 0 6o fB u l i a n t an l i n e 1 ．2 ．4 支架活柱下缩相关特征参数 相互作用关系。 支架承载过程中，因高压乳化液弹性压缩、安全 阀开启脉动卸载、立柱油缸漏液等原因，支架立柱支 撑高度会随时间产生不同程度的下缩。如图5 所示， 支架立柱在各承载阶段体现了不同的活柱下缩特征。 因此，对支架承载过程中的变形数据进行监测并提取 活柱下缩相关特征参数，有助于深入分析支架与围岩 2 不同因素影响下支架与支架群组承载特征 2 ．1 初撑力对支架承载特征的影响 研究认为㈦屯3 | ，较高的初撑力可以减少顶板离 层、提高顶板岩层的稳定性，并可降低工作面端面破碎 度及煤壁片帮，初撑力与额定工作阻力的比值取O ．6 ～ 蛊善蚓四遵迥士f 4 3 2 ， O 万方数据 第6 期程敬义等基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术 2 0 9 5 0 ．9 或0 ．6 ～0 ．8 为宜。然而，上述取值范围是在早期 液压支架额定工作阻力普遍较低的情况下得出的。对 国内外1 0 个综采工作面的实测数据统计分析 表1 表明，目前国内外综采工作面初撑力平均值在2 0 ．1 8 ～ 2 5 ．8 2M P a ，实测初撑力均值与额定工作阻力的比值 0 ．4 7 ～0 ．5 6 ，远低于上述取值范围 如0 ．6 0 ．9 。各 工作面的初撑支护强度频率分布统计结果 图7 表 明，多数工作面的大部分工作循环初撑支护强度已高 于0 ．6M P a ，工作面顶板实际控制效果也表明现有初 撑支护强度已基本可以保持顶板稳定。 表1 各工作面实测初撑力均值 T a b l e1 A V e r a g e dV a l u e so fs e t t i n gp r e s s u r eo ft h es t u d yl o n g w a l Ip a n e l s 摹 得 嚣 图7 各工作面实测初撑支护强度频率分布 F i g ．7 S h i e l ds u p p o r 【d e n s i t yd i s t r i b u t i o nf o rr e s e a r c hs i t e s 2 ．2 安全阀开启对支架承载特征的影响 当顶板强烈来压或支架额定工作阻力不足时，采 场顶板处于给定变形条件，支架提供的支护力不足以 有效控制上覆岩层回转失稳，当支架消耗完增阻阶 段 安全阀开启前 所能提供的变形量后，必然会进 入恒阻 安全阀开启 阶段。支架增阻及恒阻阶段的 支架增阻量与活柱下缩量关系如图8 所示，结果表明 增阻阶段所提供的下沉量有限 图8 中小 于1 0m m ，且恒阻阶段支架刚度远小于增阻阶 段 图8 中增阻阶段的支架刚度是恒阻阶段的2 ．8 倍 ，而安全阀频繁开启时的支架恒阻阶段累积活柱 下缩量则是增阻阶段的数十倍甚至更高。因此，若无 法避免安全阀连续开启现象，确保良好的安全阀开启 状态可以降低支架被压死的风险。 图8支架增阻及恒阻阶段的支架增阻量与活柱下缩量关系 F i g ．8L e gp r e s s u r ei n c r e l n e n tv e r s u sl e gc l o s u r ed u r i n ga n d b e f o r ey i e l d i n g 2 ．3割煤及邻架移架对支架及支架群组承载特征的 影响 在采煤机割煤及相邻支架移架前后，受采煤机割 煤后新暴露的顶板载荷及相邻支架移架时转移的载 荷影响，支架阻力在移架前与初撑后的短时间内快速 增长。实测数据表明，支架一般在初撑后2 0m i n 、移 架前1 0m i n 内增阻明显，增阻速率 0 ．2 ～ 3M P a ／m i n 通常是相对稳定承载期间 一般小于 0 ．1M P a ／m i n 的数倍或数十倍。 研究表明8 。1 9 ‘2 4 1 ，如图9 所示，在割煤及移架共 同的影响下，支架移架前短时间内的增阻量△P 。与 采煤机前滚筒的距离D 呈二次函数关系 △P R ⅡD 2 6 D c 1 ￡至≥一，鲤辩躐口一踩世散垦剞悄 万方数据 2 0 9 6 煤关 学旋 2 0 2 0 年第4 5 卷 式中，口，6 ，c 均为常数。 6r o 割煤及邻架移架共同影响 2 0l OO 1 0 2 0 3 04 05 06 07 0 支架至采煤机前滚筒距离／m 图9 割煤及邻架移架影响下支架增阻量与距采煤机前 滚筒距离的关系。1 ””o F i g ．9R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e gp r e s s u r ei n c r e m e n ta n dt h e d i s t a n c eb e f w e e ns h i e l da n df - o n td n l mo fs h e a r e ru n d e rf h e i n d e p e n d e n ti n n u e n c eo fd n l mc u t t i n g ，a n dt h ec o m b i n e d i n f l u e n c eo fs h e a r e r ’sc u t t i n ga n dn e i g h b o r i n g s h i e l d s ’a d v a n c e [ 1 8 1 9 而只受割煤单因素影响时，支架增阻量△尸。与 采煤机前滚筒距离D 则呈以下函数关系 r △P 。 兰≮ 2 一 1 △印e ⋯“9 式中，△L 为支架增阻量达到稳定的值；p ，q 均为常 数。 此外，采场地质条件、支架承载能力等因素对割 煤及移架期间的支架增阻特征也有较大影响。具体 表现在①对于动载现象明显的坚硬顶板工作面，顶 板岩层破断阶段直接影响支架在割煤及移架期间的 增阻特征。如图1 0 a 所示，基本顶岩层未破断时， 支架在初撑后及移架前增阻均不明显 图1 0 a 中阶 段a ；随着工作面向前推进，基本顶岩层悬臂长度持 续增加，割煤打破了顶板所处的平衡状态，先是表现 为支架移架前的快速增阻 图1 0 a 中阶段b ，随后 因基本顶岩层破断回转，支架初撑后及移架前增阻速 率均大幅增长 图1 0 a 中阶段c ，直至安全阀频繁 开启。②对于非坚硬顶板、支架额定阻力足够的工 作面 图1 0 b ，支架在初撑后与移架前均增阻明 显 图1 0 b 中增阻2 ～1 0M P a ，并且支架初撑后与 移架前增阻速率处于同一水平。③对于支架额定工 作阻力不足的工作面，割煤及邻架移架的影响则表现 为安全阀更加频繁的开启 图1 0 c ，相较于增阻 量或增值速率等压力相关参数，通过分析支架活柱下 缩监测数据可以更明显发现这种差异，如图1 0 c 所 示，支架移架前的短时间内活柱快速下缩，活柱下缩 速率普遍比相对稳定承载阶段高一个数量级 普遍 超过1m r n ／m i n 。 时间／m i n a 坚硬顶板、工作阻力足够 ￡ ≤ R 四 球 似 g 要 ； 骠 k 坦 妊 时间／m i n b 非坚硬顶板、工作阻力足够 f 量 ￡ ● 高 山 茎 ≤ 讲 删 圈 霉 时间／m i n c 额定工作阻力不足 图1 0 不同条件下的支架初撑后及移架前增阻特征 F i g ．1 0 S h i e l dp r e s s u r ea n dl o a d i n gr a f eo fd i f k r e n tc o n d i 【i o n s 2 ．4 地质因素对支架承载特征的影响 煤岩层地质赋存特征是影响综采工作面支架 承载特征的重要因素之一。由于大部分综采工作 面不具备详细的地质勘探资料，导致难以通过分 析实测数据来定量研究地质因素对支架承载特征 的影响。 下文以美国c u m b e r l a n d 煤矿L w 6 3 综采工作面 上覆坚硬岩层对支架承载特征的影响为例，介绍S S R I 系统在该领域的应用。L W 6 3 工作面开采P i t t s b u 蜡h 煤层，采高2 ．1m ，煤层上覆一层赋存不稳定的 坚硬石灰岩岩层，对工作面矿压显现影响较为明显。 如图1 l 所示，工作面范围内布置的地质勘探钻孔表 万方数据 第6 期程敬义等基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术 2 0 9 7 明，石灰岩岩层沿工作面推进方向总体上先变薄、再 变厚、最后逐渐尖灭，厚度范围0 ．3 ～6 ．1m ；石灰岩 与煤层的间距3 ．7 ～9 ．8m ，呈逐渐扩大趋势。回采 期间，受石灰岩岩层厚度、距煤层间距变化的影响，工 作面支架的时问加权支护强度 T w A D ，即支架每平 方米顶梁所提供给顶板的支护力 逐渐减小。 图1 2 为L W 6 3 工作面不同位置石灰岩岩层厚 度危．、距煤层间距d l 与T w A D 平均值T w A D 之间的 关系曲线。工作面由c R l 4 2 5 钻孑L 推进至c R l 2 3 3 钻 孔的过程中，石灰岩岩层厚度由6 ．1m 降至3 ．9m ， 距煤层距离由3 ．6m 增至4 ．9m ，而钻孑L 所在区域的 T w A D 均值由0 ．5 3 5M P a 降至0 ．4 8 5M P a ；随着石灰 岩岩层变薄、距煤层间距增大，T w A D 均值最终降至 约o ．4 6M P a ；通过拟合处理，可确定石灰岩岩层厚 度 ．、距煤层距离