基于支架工作阻力大数据的工作面区域矿压预测技术研究.pdf

万方数据 论文题目论文题目 基于支架工作阻力大数据的工作面区域基于支架工作阻力大数据的工作面区域 矿压预测技术研究矿压预测技术研究 作者姓名作者姓名王王 志志 奎奎 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师吴吴 士士 良良 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2018 年年 04 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 05 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 RESEARCH ON PREDICTION TECHNOLOGY OF MINING AREA PRESSURE BASED ON LARGE DATA OF SUPPORT WORKING RESISTANCE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by WangZhikui Supervisor ProfessorWuShiliang College of Mining and Safety Engineering May 2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 工作面顶板矿压显现规律分析与预测一直是困扰矿压研究者的一个难题，随 着支架工作阻力监测数据量的增大，基于单架工作阻力分析矿压规律的方法已经 不能够满足现场矿压分析分段来压的普遍规律，因此，本文基于工作面支架工作 阻力大数据，根据工作面顶板分区分段来压的普遍规律，充分围绕顶板来压开始 位置、顶板来压强度和来压步距这三个重要来压参数，对工作面顶板来压规律进 行区域分析和预测。 本文首先采用聚类分析对工作面支架循环进行划分，挑选出支架初撑力和支 架有效工作阻力，然后基于单架工作阻力对矿压规律进行分析；定义工作面区域 概念，划分工作面区域，求出区域矿压显现规律分析来压参数值（来压开始位置、 来压强度和来压步距等） ；根据区域矿压显现规律分析的结果（包括区域来压开始 位置、来压强度和来压步距等） ，采用机器学习语言设计了一种多元线性区域预测 模型；最后利用计算机 C语言语言，搭建 Windows.Net Framework4.0SQL Serve 2008 R2express 平台，把上述研究的区域矿压分析预测模型编制成软件。 并在大柳塔煤矿得到成功应用。实践表明，该矿压自动分析预测软件分析准 确，预测率高，具有较强的实用价值和推广价值。 关键词关键词聚类分析，工作面区域，矿压规律分析，大数据，矿压预测 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract II ABSTRACT During the advancing process of mining face, the analysis and prediction of the strata pressure behavior at the top of the working face has been a difficult problem for the researchers of mine pressure.Based on the huge data of working resistance of working face, according to the general rule of subsection pressure in the top plate section of the working face, the three important parameters, such as the starting position of the roof, the pressure strength of the roof and the step distance, are fully analyzed and predicted in this paper. The main research contents are as follows. 1. Cluster analysis is used to divide the support cycle of the working face, select the support force and the effective resistance of the support, then, based on the working resistance of single frame, the rule of mine pressure is analyzed. 2. Define the new concept of the working face area, divide the stents with the close rules to the same area, define the concept of the pressure parameters in the region, and find out the analysis of the law of the regional ore pressure the starting position of the pressure, the pressure strength, etc. to press the parameter values. 3. According to the results of the analysis of the regularity of regional mining pressure including the starting position of regional pressure, pressure strength, etc., a multi linear regional prediction model is designed by machine learning language, and the feasibility of the model is tested by using the hypothesis testing . 4. Using the computer programming C language, the Windows.Net Framework4.0SQL Server 2008 R2express plat is built, and the research model of regional ore pressure analysis and prediction is compiled into software, and it has been successfully applied in the coal mineof Da Liuta. Practice shows that the automatic analysis and prediction software of mine pressure is accurate and has high prediction rate, and has strong practical value and popularization value. Key words cluster analysis, working face area, analysis of rock pressure, huge data, the prediction of mining pressure. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 III 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................... I 目目 录录 ........................................................................................................ III 1 绪论绪论 ......................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究意义 .............................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状.......................................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容及方法 .................................................................................................................. 7 1.4 技术路线 ..................................................................................................................................... 7 2 基于支架工作阻力大数据的工作面区域矿压分析技术研究基于支架工作阻力大数据的工作面区域矿压分析技术研究 ............ 9 2.1 工作面区域矿压分析技术基本框架 .......................................................................................... 9 2.2 工作面支架工作循环分析 .......................................................................................................... 11 2.3 工作面区域新概念.................................................................................................................... 17 2.4 工作面区域矿压分析技术研究 ................................................................................................ 22 2.5 小结 ........................................................................................................................................... 29 3 基于支架工作阻力大数据的工作面区域矿压预测技术研究基于支架工作阻力大数据的工作面区域矿压预测技术研究 .......... 36 3.1 基于大数据的矿压预测物理模型 ............................................................................................ 36 3.2 基于大数据的预测算法概述 .................................................................................................... 37 3.3 基于大数据的矿压预测数据模型 ............................................................................................ 41 3.4 预测准确率的确定.................................................................................................................... 48 3.5 小结 ........................................................................................................................................... 48 4 工程实例工程实例 ............................................................................................... 49 4.1 工作面概况 ............................................................................................................................... 49 4.2 工作面区域矿压分析 ................................................................................................................ 50 4.3 工作面区域矿压预测 ................................................................................................................ 57 4.4 小结 ........................................................................................................................................... 59 5 主要结论与展望主要结论与展望 ................................................................................... 60 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 5.1 主要结论 ................................................................................................................................... 60 5.2 展望 ........................................................................................................................................... 60 参考文献参考文献 ..................................................................................................... 62 致谢致谢 ............................................................................................................. 66 攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果 ......................................................................... 67 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents V Contents Abstract ...................................................................................................... ⅡⅡ Contents ...................................................................................................... ⅤⅤ 1 Introduction ........................................................................................... 1 1.1 Proposed and research significance of the subject ....................................................................... 1 1.2 Research status ............................................................................................................................. 2 1.3 Main contents and s.......................................................................................................... 7 1.4 Technology routes ........................................................................................................................ 7 2 Research on mine area pressure analysis technology based on huge data of support working resistance ........................................................... 9 2.1 Basic framework of regional ore pressure analysis in working face ............................................ 9 2.2 Working cycle analysis of scaffold ............................................................................................ 11 2.3 New concept of working face area ............................................................................................. 17 2.4 Study on strata analysis technology in working face area ......................................................... 22 2.5 Summary .................................................................................................................................... 29 3 Research on prediction technology of mining area pressure based on huge data of support working resistance ........................................... 36 3.1 Physical model of strata prediction based on huge data............................................................. 36 3.2 An overview of prediction algorithms based on huge data ........................................................ 37 3.3 Mine pressure prediction data model based on huge data .......................................................... 41 3.4 Determination of prediction accuracy ........................................................................................ 48 3.5 Summary .................................................................................................................................... 48 4 Engineering example ........................................................................... 49 4.1Working face .................................................................................................................................. 49 4.2 Analysis of in the area of working face ...................................................................................... 50 4.3 Analysis of strata in the area of working face ............................................................................ 57 4.4 Summary .................................................................................................................................... 59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents VI 5 Main conclusions and Prospects ........................................................ 60 5.1 Main conclusions ....................................................................................................................... 60 5.2 Prospects .................................................................................................................................... 60 References .................................................................................................. 62 Thanks ........................................................................................................ 66 Main achievements during the period of study for a masters degree . 67 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究课题的提出及研究意义意义 采场工作面推进过程中，工作面顶板矿压显现规律分析与预测一直是困扰 矿压研究者的一个难题[1]，矿压研究的最终目的是对工作面顶板进行矿压显现 规律的预测预报，指导工作面现场安全高效成产，而矿压分析是预测预报的基 础，要想对工作面顶板矿压显现规律进行精准预测必须要对工作面顶板矿压显 现规律进行精准分析[2-4]。 在过去，受工作面现场的复杂条件以及科研经费的限制，矿压工作者在研 究矿压的实践过程中，由于现场设备简陋，并不能保证在每台液压支架上都安 装顶板压力监测设备，无法获取所有支架的工作阻力，只能获取部分支架的工 作阻力，所以，在对矿压规律进行分析时，传统的矿压分析方法是，用单架的 支架工作阻力数据来代表一整片区域支架的工作阻力数据分析工作面顶板的矿 压显现规律，进而总结出整个工作面的矿压规律[5-8]，比如说用 80支架的数据 来代表中部区域 7090的所有支架的数据，通过对这一台支架（80支架）工 作阻力进行分析得出的矿压规律就推断得出整个中部区域（7090支架）的矿 压规律，可想而知，这种以用单架来代表区域的矿压分析方法是不严谨的，在 运算过程中必然存在误差（除此之外当工作面顶板来压不均衡或是液压支架监 测分站本身的误差） ，这就会导致单架分析不准确，单架分析不准确就不能保证 对工作面矿压规律进行有效预测，更谈不上精准预测了。 而现在， 随着科学技术的发展与先进矿山设备的研发， 在矿山开采过程中， 综采工作面机械化程度越来越高，通过电液控设备记录支架工作阻力的时间间 隔越来越短， 与之相对应监测到的矿压显现数据量则越来越庞大[9-12]。 以神东神 华布尔台煤矿 MP3 电液控制系统布尔台煤矿为例，总结了电液控支架工作阻力 大数据特点 1）数据量浩大海量数据（Volume） 。布尔台煤矿 42106 工作面，支架立 柱工作阻力采集间隔约为 6s， 每天单架取数 14400 个， 工作面液压支架 153 台， 每天数据 2203200 个，每月产生数据 66096000 个。 2）数据生成速度快（Velocity） 。工作面推进全过程中，每天都有 200 万以 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 上的海量数据产生。 3）价值巨大但价值密度低（Value） 。以每天割煤 20 刀，推进步距 16m 计 算，单架共需选取约 40 个矿压数据（20 个初撑力，20 个循环末阻力） ，称为少 量关键数据，工作面其余近 99.7以上的实时矿压数据则属于无效数据。 4）数据种类多（Variety） 。除了支架工作阻力外还有煤壁片帮、顶板下沉 与安全阀开启等矿压类型。这些参数储存数据类型也是有差别的。 面对如此庞大的数据量，传统的人工分析和半人工分析已经不能够解决， 必须采用大数据手段对其分析处理，相比于之前的矿压数据分析数量，现在支 架工作阻力数据的数量完全满足矿压精准化分析要求，当现在能取得所有支架 工作阻力数据的时候，面对如此浩大而又杂乱的数据量，为了满足现场矿压精 准化要求，更是基于工作面现场分区分段来压的客观性和普遍性，就必须首先 对数据进行区域分析处理，去伪存真，去粕取精，首先从支架工作阻力大数据 中提取出对矿压规律分析有用的数据， 然后进行工作面区域矿压显现规律分析、 利用机器语言建立大数据预测模型，进行精准的矿压分析与预测，以满足现场 实用要求。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 基于基于支架工作阻力的支架工作阻力的矿压规律研究现状矿压规律研究现状 山东科技大学吴士良团队提出的矿压分析基础是将支架工作阻力时间压力 关系转换为步距压力关系，根据支架围岩关系模型，将支架的最大末阻力约等 于顶板来压强度，将支架移架循环、采煤循环、工作面顶板周期断裂步距建立 矿压分析模型， 从而得出周压步距与最大来压强度， 有效的指导矿山生产[2,6,13]。 该团队根据支架工作状态的不同，可以把支架工作循环可分为增阻型、恒 阻型、增阻-恒阻型和降阻型 4 种模式。但支架在实际工作过程中的主要作用就 是支撑顶板压力，将支架打压到初撑力，升架到完全接触顶板，无论中间过程 多么反复曲折，最终的过程都是初始增压、恒载承压、降架泄压。所以将支架 工作阶段简化为如下图 1.1 所示。 在支架循环结束阶段到支架循环开始阶段的交界处，根据支架工作阻力变 化率在短时间内呈现负、正相关交替变化，且降架卸压时支架工作阻力值会降 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 到特别低的水平。采用“负正相关变化识别”和“最小阀值”[14]两种办法，挑 出所有移架动架对应时刻的数据。每一个标准的割煤（采煤）循环都对应着一 个标准的支架工作循环，在支架工作循环中，每一个取数时刻都对应着一个支 架工作阻力。且单架的有效工作阻力以循环末阻力来表示。一台支架的正常工 作循环包括注液升架、支架稳定、卸液降架的过程，把卸液降架前大最大工作 阻力来代表支架的有效工作阻力，称其为最大末阻力[15-17]。 图图 1.1 支架工作循环状态图支架工作循环状态图 Figure 1.1 The stents working cycle state diagram 对于获取得到支架工作阻力数据较好的工作面，单架分析所得工作面顶板 矿压显现规律较大，但对于工作面支架工作阻力不好时或者是相邻支架间数据 分析的来压规律差异较大时，再利用基于单架工作阻力分析工作面顶板矿压显 现规律显然是不合理的，此时就需要寻找其他解决的方法。本文提出了区域分 析的概念，下面就现有区域矿压分析的研究现状简单阐述。 1.2.2 区域区域分析研究现状分析研究现状 区域划分是矿压大数据区域预测技术的基石，把具有相同矿压特征支架的 支架放在一个区域里面才能对矿压大数据进行有效的分析，针对煤矿生产工作 面区域划分的方法和原则， 在现有矿压分析领域内， 研究学者中还未明确定义， 姜福兴教授在他的只是大致的对工作面顶板进行划分为“机头区域” 、 “中间区 域”和“机尾区域” ，但是对区域的概念以及中间区域的细化分，各领域国内外 专家学者都有不同的定义。在其他领域努力寻找区域划分的依据以及原理，找 出彼此之间的联系，为在工作面矿压研究领域做铺垫。 （1）多尺度空间单元区域划分[18] 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 关于区域划分的方法我国学者早在 02 年就有研究， 其中以中国科学技术大 学骆剑承、周成虎教授为代表的多尺度空间单元区域划分方法在社科方面已得 到成功应用，其提出的空间区域划分新方法，在尺度空间理论的基础上，基于 原有的每个独立的空间单元个体属性基本信息，增加了空间单元的纽带联系， 在空间尺度宽度从小到大的变化过程中，把空间上具有紧密联系的单元相互融 合为一个大区域，得到不同空间尺度下的区域划分。用此区域划分方法，以江 苏省从 1978 年到 1995 年的 18 年的社会经济发展数据为基础， 通过区域划分对 江苏省的 GDP 进行分析， 得出其分析结果与当时经济发展水平分布情况相适应。 （2）多个不同质的区域划分 上海交通大学的杨莉、 杨新早在 04 年就提出了不同质的区域之间划分方法 [19]，其方法是将图像域划分为若干个子区域，使图像域的曲线演化问题转变为 各个不同子区域之间的曲线演化问题，在各个不同的子区域之间建立相应的数 学模型，就可以把整个区域分割成不同的目标区域。 15 年辽宁工程技术大学的赵泉华、高郡、李玉等学者在此基础上提出可多 特征纹理图像区域划分方法[20]。在多特征纹理图像划分时提出了区域划分的概 念，基于纹理图像复杂而多样，其课题组首先依据素灰度的空间相关性，对多 个纹理特征事先定义，利用区域划分先将图像划分成不同的子区域，再将相同 性质的子区域拟合成一个大区域，命名为同质区域，最后根据相关函数和概率 分布公式建立纹理分割模型，从而获得最优图像分割结果。此方法着重于图像 的分割与重组，找出个子区域之间的共同点建立联系，从而对整个纹理图像性 质相同的部分进行整合。 针