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综采工作面自动化放煤控制技术研究 马英 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 ［ 摘 要］针对放顶煤过程中出现 “过放”状况和 “欠放”问题，以随机介质放矿理论为基 础，建立了基于果蝇优化算法和 RBF 混合算子的放顶煤时间预测方法。采用径向神经网络建立以顶 煤高度、煤层强度、顶煤节理裂隙、夹矸层厚度等因素作为输入变量，以散体流动参数为输出的神经 网络模型，对放顶煤时间建立预测模型，实现了放顶煤时间变化的自适应，进而实现了放顶煤过程的 自动化。 ［ 关键词］综采工作面; 自动化放煤; 控制技术; 自适应; 预测模型 ［ 中图分类号］ TD355. 4［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 2016 01- 0047- 03 Control Technology of Automated Coal Caving of Fully Mechanized Coal Face MA Ying Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China Abstract In order to solve problems of“over caving”and “insufficient caving”during top coal caving process，on the basis of sto- chastic medium caving theory，a predict of top coal caving time was conducted based on drosophila optimal algorithm and RBF hybrid operator，neural network model was built with RBF neural network，in which top coal height，coal seam strength，joint fis su res of top coal，gangue thickness were variables and granular flow parameters was output variable，a predict model of top coal ca- ving time was built to ensure top coal caving time self- adaptive，and then realized top coal caving process automation. Keywords fully mechanized coal face; automated coal caving; control technology; self- adaptive; predict model ［ 收稿日期］ 2015 －08 －27［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11 －3677/td. 2016. 01. 012 ［ 基金项目］ 国家高技术研究发展计划 863 计划 两柱式超强力放顶煤液压支架研制 2012AA06AA407 ［ 作者简介］ 马英 1982 － ，男，辽宁海城人，助理研究员，博士，现主要从事煤矿开采装备技术研究。 ［ 引用格式］ 马英 . 综采工作面自动化放煤控制技术研究 ［J］ ． 煤矿开采，2016，21 1 47 －49，27. 目前自动化放煤工作面存在最大的问题是工作 面支架全部采用统一放煤“思路”执行相同的放煤 动作，这样就必然带来机械式的前进，放煤过程不 能随着煤层变化随之同步更新调整放煤 “思路” ， 所以有必要对其改进，使其更灵活，更具实用性。 本文建立了根据顶煤赋存条件的变化实时自动调整 放煤口开闭的时间自动化放煤控制方法，试验结果 表明，该方法可以实现自动放煤。 1时序控制自动化放煤逻辑关系研究 根据综放实践经验，制定放顶煤时序控制与人 工干预协调控制的自动化放煤控制机制，由液压支 架电液控制系统实现自动化放煤。放顶煤液压支架 智能化控制研究的核心问题是如何解决放煤过程的 智能化。在确定适合放煤工艺的前提下，充分考虑 实际放煤过程，规划出一套完整的自动化放煤程序 逻辑关系 图 1 ，设定好有关参数，由支架控制 器按程序发出控制指令实现放煤过程的自动化。 2基于随机介质放矿理论的放顶煤时间方程描述 以随机介质放矿理论为基础，建立顶煤冒落时 图 1智能放煤逻辑关系 间智能控制模型，由随机介质放矿理论可知，斜壁 边界散体颗粒的移动概率密度函数为 74 第 21 卷 第 1 期 总第 128 期 2016 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 1 Series No. 128 February2016 P x， y， z 1 πβz αexp － x2 y2 βz α z ≤ zL 1 πββ 槡 1A1zw1 exp－ y2 βz α － x － g 2 β1zα [] 1 zL＜ z ≤ zJ 1 πββ 槡 2A2zw2 exp－ y2 βz α － x － u 2 β2zα [] 2 z ＞ z        J 1 式中，A1，A2为斜壁余切函数; ω1 α α1/ 2，ω2 α α2 /2;α，β，α1 ，β 1，α2 ，β 2由 破碎散体流动参数实验测得，根据斜壁面对散体顶 煤移动速度分布曲线的交割程度可划分为 3 个区 域，即无影区、过渡区与斜壁控制区。由于 3 个划 分区域在每一空间内散体流动条件存在差异，其参 数值也互不相同，故采用 3 种标识加以区分。 将破碎的顶煤视为连续流动的随机介质，其下 降速度 Vz与散体煤块移动密度函数 P x， y， z 间的 关系为 Vz － qP x， y， z 2 式中， q 为放煤口单位时间放煤量。 公式 2表明煤块的下降速度曲线形式与概 率密度函数的曲线形式相似。液压支架放煤时，破 碎的煤块会沿着其运动曲线向放煤口移动，将其沿 煤块移动轨迹线积分，便可得到放出量与煤块位置 变换关系 Qf －∫ z z0 1 P x， y， z dz y z z 0 α 2 y0， x x0∫ z z0 Ωxd        z 3 式中，Qf为放出量，Qf qt，t 为放出时间; x0 ， y0， z0为散体顶煤原始位置坐标; x ， y ， z 为散体顶 煤移动后新位置坐标。 随着放出量增大，散体顶煤向放煤口不断移动 靠近，当 P0 x0，y0，z0 点达到放煤口时的放 煤量为 Q0 －∫ 0 z0 1 P x， y， z dz y z z 0 α 2 y0， x x0∫ z z0 Ωxd        z 4 3放煤口对散体移动概率影响的数学描述 液压支架放煤口为矩形，在放煤口建立直角坐 标系，如图 2 所示。 采用 u，v坐标方式，将放煤口平面划分 成无数微小方格，将其中的每一个微小方格视为一 个放出点源，设方格中心距为 Δu，当从方格中均 图 2放煤口坐标系 匀放出顶煤散体颗粒时，根据散体介质移动概率叠 加原理，平面问题应有 P x， z 1 N∑ N－1 n 0 1 πβz 槡 αexp－ x N 1 2 － n 2 βz [] α 5 式中，N 为放矿口数，N LH/Δu;n 为散体黏结 性实验常数。 考虑从整个放煤口平面的每一方格均匀放出顶 煤散体介质时，由其对称性可直接写出该空间问题 的顶煤散体移动概率密度数学表达式 P x， y， z 1 S 1 πβz α∫ H/2 －H/2 ∫ L/2 －L/2 exp－ x － u 2 y － v 2 βz {} α dudv6 式中，S 为放煤口流动面积。 如果放煤口平面小方格之间顶煤放出量存在差 异，服从某种分布关系，根据顶煤散体移动概率的 加权平均原理，此时顶煤散体移动区域内任一位置 散体介质移动概率可写为 P x， y， z  D f u， v e －φ dudv πβz α D f u， v dudv 7 式中， f u， v 为放煤口平面内散体顶煤放出速度分 布 函 数;D为 放 煤 口 放 出 范 围; φ x0－ zcotθ g β1zα 槡 1 ， θ 为斜壁与水平之间的夹角，g 为 重力常数。 放煤口有效面积对散体顶煤形成的放出漏斗影 响较大，即与放出漏斗的相对位置有关，也与放出 漏斗形成体积大小有关。此外，还与散体顶煤流动 性质和出口速度分布有关;随着放煤过程的进行， 原来位移 x0， y0， z0 点颗粒不断下移，最终到达放 煤口水平位置 xD， yD， 0 点，并同时到达放煤漏斗 口的水平位置，该散体介质转化为放出体。则根据 上述公式可得 Qf － S 1 － θ 2 ∫ z z0 βz α  D f u， v e －φ dudv dz 8 q － VzS D f u， v e －φ dudv 9 t Qf/q 10 84 总第 128 期煤矿开采2016 年第 1 期 4影响放煤过程的因素分析 散体流动参数 α， β， α1 ， β 1 ， α 2 ， β 2是影响顶煤移 动概率密度的主要因素，所以其值的大小直接决定 着放煤时间。根据放顶煤工艺及其相关的理论研究 可知，影响放顶煤过程的影响因素主要有 顶煤高 度、煤层强度、顶煤节理裂隙、夹矸层的厚度和放 煤口面积等因素。而散体流动参数 α， β， α1 ， β 1 ， α 2， β2与放煤条件有关，主要受煤层节理发育、夹矸 层变化 以最主要的两层夹矸厚度考虑 、煤层强 度等因素影响。 为了研究不同因素对散体流动参数的影响程 度，对层节理发育进行等级分类，共分为五级，分 别为很发育、发育、中等发育、一般发育和不发 育，其对应的量化数值为 1，2，3，4，5。 根据实验测试和现场试验应用，得到煤层物理 特性下散体流动参数 α， β ，见表 1。 表 1散体流动参数样本 煤层强 度/MPa 顶煤节 理发育 夹矸层 厚度/m 顶煤高 度/m 放煤口 面积/m2 αβ 1. 010. 2252. 21. 56500. 2843 1. 210. 2252. 21. 51300. 3672 1. 510. 2252. 21. 46800. 4562 2. 010. 2252. 21. 36700. 4925 1. 020. 2252. 21. 24500. 5781 1. 030. 2252. 21. 03200. 5987 1. 010. 1252. 21. 64700. 3105 1. 010. 3252. 21. 47250. 4562 1. 010. 4252. 21. 32400. 5251 1. 010. 5252. 21. 20300. 6242 1. 010. 2202. 21. 61450. 5782 1. 010. 2222. 21. 45320. 6258 1. 010. 2282. 21. 21600. 7122 1. 010. 2322. 21. 02800. 8978 1. 010. 2251. 61. 43250. 4375 1. 010. 2252. 01. 32860. 5764 1. 010. 2252. 51. 19840. 7218 1. 010. 2252. 81. 02980. 8992 以上样本中数量级不同，为了便于样本的统一 分析，需对数据进行归一化处理。 5果蝇优化算法与 RBF 混合算子的放煤时间预测 针对放煤过程中出现 “过放”状况和 “欠放” 问题，提出了基于果蝇优化算法和随机介质放矿理 论联合的放顶煤时间预测方法。当工作面上方顶煤 赋存条件连续多个放煤口同时发生变化时，系统将 记忆变化的参数同时进行自动调整，通过果蝇算法 优化后，获得最佳 Spread 为 0. 2199 ，将该值赋予 RBF 神经网络，再将表2 中的预测样本代入，得到 的预测值如表 2、表 3 所示。 表 2预测用参数样本 煤层强 度/MPa 顶煤节 理发育 夹矸层 厚度/m 顶煤 高度/m 放煤口 面积/m2 1. 010. 3252. 5 1. 210. 2202. 0 1. 520. 1252. 2 1. 010. 1262. 2 1. 210. 2202. 0 表 3α，β 预测值与实验值对比 α 预测值实验值 β 预测值实验值 1. 38151. 41230. 50480. 4738 1. 29931. 28450. 64940. 6360 1. 34161. 39710. 57510. 5422 1. 34311. 38500. 57250. 5564 1. 29931. 28750. 64940. 6228 图 3 为 FOR － RBF 神经网络预测与实验结果 对比图，从对比图可知预测结果与实验结果接 近，其中 α 值最大误差为 0. 0555， β 值最大误差为 0. 0329，预测精度在一定程度上能够满足要求。 图3FOA － RBF 预测结果与实验结果对比 将预测值 α， β 及放煤口尺寸 S、放煤高度 Z 等 代入公式 8 ， 9 ， 10 ，通过 Matlab 编写程 序后可得不同条件下的放煤时间，如图 4 所示。 图 4不同条件下放顶煤时间 由图3 和图4 可知， 不同参数α， β的大小对 下转 27 页 94 第 21 卷 第 1 期 总第 128 期 2016 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 1 Series No. 128 February2016 图6接收排列 89 ～100m，激发深度 94m 处原始记录 为 72m; 基岩厚度约 17m，基岩上部岩层受采动影 响较为松动，裂隙发育; 下部冒落带深度范围约为 96 ～100m。根据成果图中的速度值和覆岩结构类 型，结合图 4 中完整岩层的速度值和钻孔资料，将 速度大于 2400m/s 的覆岩确定为较完整层状结构， 速度为 2200 ～ 2400m/s 的覆岩确定为块裂层状结 构，速度为 1800 ～ 2200m/s 的覆岩确定为碎裂结 构，速度小于 1800m/s 的岩体确定为散体结构。 图 7 3 号 ～8 号钻孔 CT 成像成果 建议对块裂层状结构、碎裂结构和散体结构的 岩体进行重点加固治理。 4结论 1通过工程实例的应用，说明利用井间地 震并结合钻探可以确定采空区的大小、形态及空间 分布，并且可以较好地确定采空区覆岩结构类型， 从而为拟建场地稳定性评价和采空区治理设计提供 基础资料和依据。 2在城市或工业广场区域，井间地震受干 扰的因素与电 磁法相比相对较少，受干扰程 度也相对较小，因此保证其有更高的分辨率，能更 好地结合钻孔进行定量解释，特别是对于地下的采 空区空洞有更好的辨别能力。 3井间地震的施工成本相对较高，因此需 进一步研究减少其成本。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 郭广礼，邓喀中，汪汉玉，等 . 采空区上方地基失稳机理和 处理措施研究 ［J］ ． 矿山压力与顶板管理，2000 3 39 － 42. ［ 2］ 王立会，潘冬明，张兴岩 . 三种探测煤层采空区的方法 ［J］． 物探与化探，2008，32 3 291 －294. ［ 3］ 李天祺，彭涛，郭印 . 井间地震层析成像技术在岩溶勘 察中的应用 ［ J］． 水文地质工程地质，2009，36 6 127 － 130. ［ 4］ 陈世军，刘洪，周建宇，等 . 井间地震技术的现状与展望 ［ J］ ． 地球物理学进展，2003，18 3 524 －529. ［ 5］ 严建文，方伍宝，曹辉，等 . 井间地震数据的波动方程偏 移成像 ［J］． 地球物理学报，2008，51 3 908 －914. ［ 6］ 隋淑玲 . 井间地震资料的属性分析及应用 ［J］． 石油勘探与 开发，2005，32 3 77 －78. ［ 7］ 裴正林，牟永光 . 复杂介质小波多尺度井间地震层析成像方 法研究 ［J］． 地球物理学报，2003，46 1 113 －117. ［责任编辑 施红霞 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ］ 上接 49 页 放顶煤时间影响很大，且放顶煤时间与参数 α 的变 化趋势较为相似。由此说明参数 α， β 的预测精度直 接决定着放顶煤时间的控制精度。 6结论 针对放煤过程中出现 “过放”状况和 “欠放” 问题，以随机介质放矿理论为基础，提出了基于果 蝇优化算法和 RBF 混合算子的放顶煤时间预测方 法。采用径向神经网络建立以放顶煤高度、煤层强 度、顶煤节理裂隙、夹矸层厚度等因素作为输入， 以散体流动参数 α， β， α1 ， β 1 ， α 2 ， β 2作为输出的神经 网络模型，为提高神经网络的预测精度，采用果蝇 优化算法对网络中的 Spread 进行优化;通过斜壁 边界散体移动概率密度方程，建立以神经网络预测 输出的散体流动参数为变量的放顶煤时间预测模 型。该算法能够实现放顶煤时间变化的自适应和放 顶煤过程的自动化。 参考文献 ［ 1］ 王国法 . 液压支架三维建模及其运动仿真 ［J］ . 煤炭科学技 术，2003，31 1 42 －45. ［ 2］ 史元伟 . 回采工作面支承力原理和岩层控制 ［J］ . 煤炭科学 技术，1997，25 25 44 －48. ［ 3］李荣福 . 连续介质放矿理论的检验 ［J］ . 金属矿山，2006， 22 6 47 －48. ［ 4］张开智，姜福兴 . 放顶煤开采适用条件定量评价方法 ［J］ . 山东科技大学学报，1999，3 26 36 －39. ［ 5］ 常建兵 . 综采工作面顶煤冒放性理论研究及其应用 ［J］ . 科 技情报开发与经济，2005 18 198 －199. ［责任编辑 徐亚军］ 72 甘志超等 井间地震层析成像技术在采空区及其覆岩结构探测中的应用2016 年第 1 期