基于控制图的煤矿冲击地压电磁辐射预测_李忠辉.pdf

第 37卷第 6期煤 炭 科 学 技 术 Vol137 No16 2009年6月 Coal Science and Technology Jun . 2009 基于控制图的煤矿冲击地压电磁辐射预测 李忠辉 1 , 2, 王恩元 1 , 2, 宋晓艳1 , 2, 刘晓斐1 , 2, 邓洪波 1 , 2 11中国矿业大学 安全工程学院, 江苏 徐州 221116;21中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 江苏 徐州 221008 摘 要 为了预测煤矿冲击地压的危险,利用控制图分析煤矿冲击地压电磁辐射数据和工作面煤体 电磁辐射随时间的动态变化趋势及规律,并且根据数据点的落点区域分布及点的序列状态来预测未 来发生冲击地压灾害的可能性。研究表明, 当不少于 6个连续数据点呈连续增长或降低趋势时或者 电磁辐射数据点连续落在控制图中线下侧时,都可能在未来发生煤岩的剧烈破坏或能量释放。 关键词 控制图; 电磁辐射; 冲击地压;预测 中图分类号TD324 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2009 06- 0046- 03 Prediction on Electromagnetic Radiation ofM ine Pressure Bumping Based on ControlM ap LI Zhong -hui 1, 2, WANG En -yuan1, 2, SONG Xiao-yan1, 2, LIU Xiao-fei1, 2, DENGH ong-bo1 , 2 1 . School of Safety Engineering, China University of M ining and Technology, Xuzhou 221116 , China; 2. StateKey Lab of Coal Resources and Safety M ining, China University of M ining and Technology, Xuzhou 221008 , China Abstract In order to predict themine pressure bumping dangers ,the controlmapwas applied to analyze the electromagnetic radiation da - ta of the m ine pressure bumping and the dyna m ic variation tendency and law of the coalmass electro magnetic radiation in the coalmining facew ith the ti me and to predict the possibility of the pressure bumping disaster occurred in the feature base on the placement area distr- i bution of the data pointand the series status. The research showed thatwhen not less than 6 continued data pointswere continuously in in - creasing or in deceasing tendency or the electro magnetic radiation data pointswere continuously lo wer in the do wn side of the central line of the controlmap ,serious failure or energy releasing would be occurred in the coal and rock. K ey words controlmap;electro magnetic radiation; pressure bumping ; prediction 基金项目国家重点基础研究发展计划 973计划 资助项目 2005cb221505; 国家高技术研究发展计划 863计划 资助项目 2006AA06Z119;/ 十 一 五 0 国 家科 技 支 撑 计划 资 助 项 目 2006BAK03B02- 04 ,2007BAK29B01; 教育部新世纪优秀人才支 持计划资助项目 NCET - 06- 0477; 中国矿业大学青年科研基 金资助项目 2007A002 近年来随着煤矿开采深度和强度的加大,煤岩 动力灾害的发生明显加剧。对煤岩动力灾害的预测 预报有多种方法, 常用的有钻孔指标法。同时, 还 有一些新兴起来的地球物理方法, 如声发射、电磁 辐射、微震、红外等, 其中,电磁辐射法是一种很 有前途的非接触式监测方法。煤岩电磁辐射是煤岩 体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现 象, 与煤岩体的变形破裂过程密切相关 [ 1- 3]。电磁 辐射信息综合反映了冲击地压等煤岩动力现象的主 要影响因素。目前,用电磁辐射法进行冲击地压监 测预报已经得到了一定的推广应用 [ 4- 6]。 为了深入研究煤岩电磁辐射数据, 并用于冲击 地压危险预测分析,该研究引入了质量管理领域及 伤亡事故统计分析中常用的控制图方法。控制图可 以直观反映电磁辐射数据的波动性及其合理性, 如 果数据点落在控制线以外, 该数据即可疑数据。利 用控制图对每个班次 天 的电磁辐射数据进行 动态趋势分析,根据数据点在控制图上的分布状态 可以对冲击地压灾害危险性做出判断和预测。 1 煤岩电磁辐射控制图的绘制 111 控制图概述 控制图的作用是从动态上反映过程是否处于正 常稳定的状态,并且为保证过程在预期的时间内始 终处于正常稳定状态而进行统计控制 [ 7- 9]。图 1中 的中心线、上控制限和下控制限是根据 3R原理得 来的。通常为了控制图使用方便, 在上控制限与下 控制限之间划分 6个区域,每个区域宽为 R, 这 6 46 李忠辉等 基于控制图的煤矿冲击地压电磁辐射预测2009年第 6期 个区域的标号分别为 A,B,C,C,B,A,2个 A 区、B区及 C区均关于中心线对称 [ 7]。 图 1 电磁辐射控制图模式 在控制图上将提取的样本统计量数值进行描 点, 当过程处于控制状态时,数据点是随机分布在 中心线 CL两侧附近的,且靠近上下控制限的点数 不多。当点的排列出现如下情况时,则表示测试到 的电磁辐射数据处于不稳定状态即工作面前方 煤体处于异常破坏过程,且可能有危险 [ 7 , 10- 11]。 1 类型一数据点接近控制限。连续 3个点 中有 2个点出现在 A区或出现在 A区以外; 连续 7 个点中至少有 3个点出现在 A 区或出现在 A区以 外; 连续 10个点中至少有 4个点出现在 A区或出 现在 A区以外。需要注意的是必须是连续出现 的点,出现上述情况才会判异。 2 类型二链。连续 7个点以上出现在中心 线一侧; 连续 5点中有 4点落在中心线同一侧的 C 区以外。 3 类型三间断链是指连续出现的点构成的 链中个别点跳到链的另一侧。连续 11点中至少有 10点在同侧;连续 14点中至少有 12点在同侧; 连续 16点中至少有 14点在同侧; 连续 8点落在中 心线两侧且无一在 C区内。 4 类型四偏离, 连续 6个点递增或递减。 112 控制图的绘制 根据控制图的使用对象不同,该研究选用 x - R 控制图进行分析。x - R 控制图包含平均值控制图 x图 和极差控制图R 图 2部分。平均值控 制图是以测试时间 t为横坐标, 电磁辐射值为纵坐 标的二维控制图, 取 n次测试结果的平均值 x 作为 数据值, 一般 n 3 5 。极差控制图是以测试时间 t为横坐标,电磁辐射值的极差为纵坐标绘制而 成, 控制图的模式如图 1所示。 2 冲击地压的电磁辐射控制图预测研究 利用煤矿现场测试的电磁辐射数据,用 SPSS 软件做出了电磁辐射控制图,对照矿井冲击地压现 象显现进行了研究分析。电磁辐射平均值控制图表 明了电磁辐射的强度水平及其整体走势,极差控制 图表明了电磁辐射数据的离散程度及其变化幅度。 在实际分析中,电磁辐射平均值控制图更为直观地 表现出数据的变化趋势。 图 2 237工作面电磁辐射强度均值 x 和 R 控制 图 2为鹤岗南山矿 237工作面电磁辐射强度均 值控制图,图 2a为从 2005年 12月 24日到 2006 年 1月 7日的电磁辐射数据, 一直比较平稳,但是 从 2005年 12月 30日到 2006年 1月 7日连续有 9 个数据点落在中心线 CL的同侧 B区及 C区,根据 控制图的异常判断原则,该图出现了链形分布, 数 据表现异常,表明工作面前方煤体变形破裂强度 小, 能量没有释放出来,处于煤体内部能量积累的 过程,此时应该及时采取措施避免煤体能量的积 聚。图 2a为在没有采取措施的情况下,从 2006年 1月 7日开始电磁辐射值连续升高并跨越中心线逐 渐上升, 在 2 d后的 1月 10日数据点落在了上控 制限 A 区以外,这又是发生冲击的预兆。同时, 图 2b是在 1月 10日和 11日测试的电磁辐射极差 数据点落在 A区以外,表明这 2 d数据波动较大。 最终在未采取措施的情况下该工作面于 1月 12日 上午 11时发生微型冲击,造成运输巷和工作面下 部发生轻微变形。利用控制图可以较早发现工作面 电磁辐射数据中存在的异常,通过对这些异常的判 断和识别及时采取措施,就可以对冲击地压危险进 行预测预报。 47 2009年第 6期煤 炭 科 学 技 术第 37卷 图 3为南山矿 / 12 120 冲击现象的电磁辐 射强度 x - R 控制图,由图 3a可以看出,从 2005 年 12月 5日下午到 2005年 12月 7日下午几个班 次的电磁辐射数据点都落在 B区和 C区,数据整 体比较稳定; 之后 2005年 12月 8日上午的数据点 落在电磁辐射强度平均值控制图 A区的下限线上, 同时,对应的极差值变化较大,如图 3b所示, 数 据点落入了 R 图的 A区以外,说明在该次测试中 各测点的电磁辐射值离散度较大;2005年 12月 9 日上午的数据点落在 A 区并接近上控制限,预示 着电磁辐射变化显现出异常行为, 此时就应该加以 重视并采取措施。从 2005年 12月 9日下午到 2005 年 12月 10日下午 3个班次的测试值突然降低并趋 于稳定, 煤体电磁辐射能量向外耗散减少, 这表明 煤岩体的变形破裂过程也突然降低或趋于停止, 煤 岩体处于积聚能量阶段,之后可能表现为剧烈冲击 或能量的突然释放。最终于 2005年 12月 12日凌 晨 3时发生冲击,冲击后当天上午班测试电磁辐射 强度很低并接近下控制限, 煤体能量得到释放。可 见利用电磁辐射控制图可以对冲击地压的发生进行 预测和分析。 图 3 / 12 120 冲击现象的电磁辐射强度 x 和 R 控制 3 结 语 1 利用控制图对煤岩电磁辐射数据的处理可 以了解电磁辐射随时间的动态变化情况。掌握电磁 辐射随采动影响的变化规律及趋势,并且根据数据 点的落点区域分布及数据点的序列状态来预测预报 未来发生冲击地压灾害的可能性。 2 对电磁辐射控制图的分析和研究发现, 当 数据点落在平均值控制图的 A 区及 A 区以外时可 能预示着未来有危险, 需要及时采取措施; 同时当 数据点呈连续增长或降低趋势时也预示着未来可能 有危险, 电磁辐射的连续增长表明了煤岩受载破裂 过程逐渐加剧。 3 有时电磁辐射数据点连续落在控制图的中 线下侧, 表观上看电磁辐射强度较低, 不会有发生 冲击地压的危险。但电磁辐射水平低, 同时也说明 了煤体发生变形破裂的强度小, 煤体内部的能量不 能释放出来, 煤岩体处于积聚能量阶段,未来也可 能表现为剧烈破坏或能量的突然释放, 此时也应引 起注意并采取适当措施。 4 控制图法具有直观、动态和预先判断的特 性, 用电磁辐射控制图预测分析冲击地压危险具有 较高的应用价值。 参考文献 [ 1] 范维唐, 卢鉴章, 申宝宏, 等 1煤矿灾害防治的技术与对策 [M ]. 徐州 中国矿业大学出版社, 2007 . 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