煤矿综采工作面支架支护区域划分及精准支护方法与流程

1.本发明属于煤矿工作面自动化监测与数据挖掘分析技术领域，具体涉及一种煤矿综采工作面支架支护区域划分及精准支护方法。


背景技术：

2.综采工作面围岩稳定支护是煤矿井下安全生产首要条件，液压支架是完成上述任务的主要支护系统。
3.普通综采工作面在正常开采的过程中顶板在采空区进行垮落，存在单峰值、周期性矿压显现规律，而350m以上的超长工作面的液压支架数量大幅增加，且围岩分区破断、压力迁移、冲击等动态特性越加明显。因此，在上述围岩破断特征影响下综采工作面液压支架群组并非等强支护，液压支架所表现出的支护状态也不尽相同。一般情况下，综采工作面中部峰值压力处的支架承受动载冲击概率大、处于增阻阶段及安全阀开启的比例高，顶板下沉量大；综采工作面两端支架基本处于初撑力阶段、承受偏载力，顶板下沉量小。综采工作面所有支架参数相同将导致支架受力不均、工作面支护效果难以达到最佳。
4.针对目前综采工作面无区域划分或区域划分不合理而导致的支架支护效果欠佳的问题，是煤矿安全生产亟需解决的问题之一。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提供一种煤矿综采工作面支架支护区域划分及精准支护方法，可以改善目前综采工作面无区域划分或区域划分不合理而导致的支架支护效果欠佳的问题，从而提高综采工作面支架差异化精准支护的可实施性。
6.为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种煤矿综采工作面支架支护区域划分方法，包括以下步骤：
8.步骤s10、实时监测综采工作面液压支架的立柱压力数据；
9.步骤s20、采集多组液压支架的立柱压力历史数据，并进行时间戳和支架号的对应处理，得到多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据；
10.步骤s30、选取步骤s20中的所述液压支架的立柱压力数据和支架号作为聚类分析算法的输入参量，进行聚类分析，得到聚类结果；其中，聚类结果中包括聚类类别和各类别的聚类中心；
11.步骤s40、将步骤s30所得到的聚类结果的每个聚类类别分别作为工作面支架的一种支护区域，得到与所述聚类类别的个数相同的初始支护区域种类；所述初始支护区域种类中存在争议待定支护区域的支架；
12.步骤s50：根据步骤s40所得到的初始支护区域种类，对所述争议待定支护区域的支架进行最终区域确认，更新所述初始支护区域种类，得到最终支护区域种类。
13.可选地，在步骤s50之后，所述方法还包括：步骤s60：根据步骤s30所得到的各个类别的聚类中心，计算实时采集的各支架的新的立柱压力数据到各个类别中心的空间距离；
14.根据计算得到各支架的新的立柱压力数据到各个类别中心的空间距离，实时确定支架所属的支护区域，并动态更新支架所属的支护区域划分结果。
15.可选地，所述液压支架包括两柱式和/或四柱式液压支架；
16.当所述液压支架为两柱式液压支架时，所述步骤s10及步骤s60中需要实时监测所述液压支架的立柱压力数据为左立柱或右立柱压力数据；
17.步骤s20中所述的多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据为一个二维向量，包括左立柱或右立柱压力数据和对应的支架号；
18.当所述液压支架为四柱式液压支架时，步骤s10及步骤s60中需要实时监测所述液压支架的立柱压力数据为左前立柱、右后立柱或右前立柱、左后立柱数据；
19.步骤s20中所述的多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据为一个三维向量，包括左前立柱、右后立柱或右前立柱、左后立柱数据和对应的支架号
20.当所述液压支架包括两柱式液压支架和四柱式液压支架时，则分别根据上述两柱式液压支架和四柱式液压支架两种情况中步骤s10及步骤s60中需要实时监测的数据相应监测；
21.步骤s20中所述的多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据包括上述的二维向量和三维向量。
22.可选地，当所述液压支架为两柱式液压支架时，步骤s30中所述的聚类分析算法为二维数据聚类法；
23.当所述液压支架为四柱式液压支架时，步骤s30中所述的聚类分析算法为三维数据聚类法。
24.可选地，所述步骤s50中，对所述争议待定支护区域的支架进行最终区域确认，更新所述初始支护区域种类，得到最终支护区域种类包括：根据争议待定支护区域的支架所处于某个支护区域的数据量确定该支架所属的最终支护区域。
25.可选地，所述根据争议待定支护区域的支架所处于某个支护区域的数据量确定该支架所属的最终支护区域包括：计算该争议待定支护区域的支架在不同支护区域下的数据占比；
26.比较得到的多个数据占比，将最大数据占比对应的支护区域确定为该支架的最终支护区域。
27.可选地，所述步骤s60中，所述计算实时采集的各支架的新的立柱压力数据到各个类别中心的空间距离包括：计算各支架新的立柱压力数据坐标到各个聚类中心坐标的欧氏距离；
28.所述根据计算得到各支架的新的立柱压力数据到各个类别中心的空间距离，实时确定支架所属的支护区域包括：根据计算得到的欧氏距离相互比较，将比较得到的最小欧氏距离对应的聚类类别确定为支架新的立柱压力数据所属的支护区域，即支架的新支护区域。
29.可选地，所述支架的立柱压力数据为两次周期来压之间采集的一段时间内的支架的立柱压力数据。
30.第二方面，本发明还实施例提供一种煤矿综采工作面支架精准支护方法，包括：步骤s100、实时监测综采工作面液压支架的立柱压力数据；
31.步骤s200、采集多组液压支架的立柱压力历史数据，并进行时间戳和支架号的对应处理，得到多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据；
32.步骤s300、选取步骤s200中的所述液压支架的立柱压力数据和支架号作为聚类分析算法的输入参量，进行聚类分析，得到聚类结果；其中，聚类结果中包括聚类类别和各类别的聚类中心；
33.步骤s400、将步骤s300所得到的聚类结果的每个聚类类别分别作为工作面支架的一种支护区域，得到与所述聚类类别的个数相同的初始支护区域种类；所述初始支护区域种类中存在争议待定支护区域的支架；
34.步骤s500：根据步骤s400所得到的初始支护区域种类，对所述争议待定支护区域的支架进行最终区域确认，更新所述初始支护区域种类，得到最终支护区域种类；
35.步骤s600：根据得到的最终支护区域种类进行差异化支护调整，分别采取不同支护策略，从而实现工作面各区域支架精准支护。
36.本发明实施例提供的煤矿综采工作面支架支护区域划分及精准支护方法，在煤矿综采工作面，尤其是超长工作面开采的过程中，通过采集并利用支架所承受的实际载荷强度历史变化情况和支架位置数据，即液压支架立柱压力历史数据和对应的支架号，基于数据聚类分析确定出综采工作面支架最终支护区域，将综采工作面支架支护区域划分为不同种类的支护区域，可以大大改善目前综采工作面液压支架因支护参数统一而在部分区域支护效果欠佳的问题，进而基于该划分的支护区域便于实现对工作面实施更为针对性和精细化的支护，提高综采工作面支架差异化精准支护的可实施性，从而可以提高综采工作面支架整体支护效果。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
38.图1a是本发明煤矿综采工作面支架支护区域划分方法一实施例流程示意图；
39.图1b是本发明煤矿综采工作面支架支护区域划分方法另一实施例流程示意图；
40.图2是本发明一实施例中三维聚类结果示意图；
41.图3是本发明一实施例中三维聚类结果示意图的x-z视图；
42.图4是本发明一实施例中三维聚类结果示意图的y-z视图
43.图5是本发明煤矿综采工作面支架精准支护方法一实施例流程示意图。
具体实施方式
44.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
45.应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
46.图1a是本发明煤矿综采工作面支架支护区域划分方法一实施例流程示意图；参看
图1a所示，本发明实施例提供的煤矿综采工作面支架支护区域划分方法的整体技术构思流程为：
47.步骤s10、实时监测综采工作面液压支架的立柱压力数据；
48.步骤s20、采集多组液压支架的立柱压力历史数据，并进行时间戳和支架号的对应处理，得到多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据；
49.步骤s30、选取步骤s20中的所述液压支架的立柱压力数据和支架号作为聚类分析算法的输入参量，进行聚类分析，得到聚类结果；其中，聚类结果中包括聚类类别和各类别的聚类中心；
50.步骤s40、将步骤s30所得到的聚类结果的每个聚类类别分别作为工作面支架的一种支护区域，得到与所述聚类类别的个数相同的初始支护区域种类；所述初始支护区域种类中存在争议待定支护区域的支架；
51.步骤s50：根据步骤s40所得到的初始支护区域种类，对所述争议待定支护区域的支架进行最终区域确认，更新所述初始支护区域种类，得到最终支护区域种类。
52.本发明实施例提供的煤矿综采工作面支架支护区域划分及精准支护方法，在煤矿综采工作面，尤其是超长工作面开采的过程中，通过采集并利用支架所承受的实际载荷强度历史变化情况和支架位置数据，即液压支架立柱压力历史数据和对应的支架号，基于数据聚类分析确定出综采工作面支架最终支护区域，将综采工作面支架支护区域划分为不同种类的支护区域，可以大大改善目前综采工作面液压支架因支护参数统一而在部分区域支护效果欠佳的问题，进而基于该划分的支护区域便于实现对工作面实施更为针对性和精细化的支护，提高综采工作面支架差异化精准支护的可实施性，从而可以提高综采工作面支架整体支护效果。
53.参看图1b所示，在一些实施方式中，在步骤s50之后，所述方法还包括：步骤s60：根据步骤s30所得到的各个类别的聚类中心，计算实时采集的各支架的新的立柱压力数据到各个类别中心的空间距离；根据计算得到的各支架的新的立柱压力数据到各个类别中心的空间距离，实时确定支架所属的支护区域，并动态更新支架所属的支护区域划分结果。
54.继续参看图1b所示，所示方法还包括：步骤s70、重复步骤s60，实时动态更新支架在载荷强度变化情况下的支护区域，直至下一次周期来压。
55.本实施例中，通过两次来压周期间实时动态更新支架在载荷强度变化情况下的支护区域，根据该动态更新的支护区域划分实施精准支架支护，可以有效提高下一次周期来压前的综采工作面整体支架支护效果。
56.可以理解的是，目前综采工作面的液压支架架型根据立柱个数可具体分为两柱式和四柱式2种类型；因此，作为一可选实施例，所述液压支架包括两柱式和/或四柱式液压支架。
57.当所述液压支架为两柱式液压支架时，所述步骤s10及步骤s60中需要实时监测所述液压支架的立柱压力数据为左立柱或右立柱压力数据；
58.步骤s20中所述的多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据为一个二维向量，包括左立柱或右立柱压力数据和对应的支架号。
59.当所述液压支架为四柱式液压支架时，步骤s10及步骤s60中需要实时监测所述液压支架的立柱压力数据为左前立柱、右后立柱或右前立柱、左后立柱数据；
60.步骤s20中所述的多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据为一个三维向量，包括左前立柱、右后立柱或右前立柱、左后立柱数据和对应的支架号。
61.当所述液压支架包括两柱式液压支架和四柱式液压支架时，则分别根据上述两柱式液压支架和四柱式液压支架两种情况中步骤s10及步骤s60中需要实时监测的数据相应监测；
62.步骤s20中所述的多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据包括上述的二维向量和三维向量。
63.根据液压支架的种类不同，前述的聚类分析算法也有所不同，具体的，当所述液压支架为两柱式液压支架时，步骤s30中所述的聚类分析算法为二维数据聚类法；
64.当所述液压支架为四柱式液压支架时，步骤s30中所述的聚类分析算法为三维数据聚类法。
65.其中，聚类分析算法可以为k-means算法等。
66.由于在根据步骤s30所得到的聚类结果确定初始支护区域种类后，某些液压支架可能前期处于某一种支护区域，后期变为另外一种支护区域，该类液压支架即为前文所述的争议待定支护区域的支架。对于此类区域划分有争议支架，可根据该支架所处于某区域的数据量进行最终支护区域的确定，即计算该支架不同区域下的数据占比情况，哪一个区域的数据量占比大，该支架就属于该支护区域，从而确定整个工作面最终支架支护区域。
67.因此，作为又一可选实施例，所述步骤s50中，对所述争议待定支护区域的支架进行最终区域确认，更新所述初始支护区域种类，得到最终支护区域种类包括：根据争议待定支护区域的支架所处于某个支护区域的数据量确定该支架所属的最终支护区域。
68.所述根据争议待定支护区域的支架所处于某个支护区域的数据量确定该支架所属的最终支护区域包括：
69.计算该争议待定支护区域的支架在不同支护区域下的数据占比；
70.比较得到的多个数据占比，将最大数据占比对应的支护区域确定为该支架的最终支护区域。
71.可以理解的是，由于工作面围岩状态动态变化，对于实时采集各支架的新数据有必要重新确定其区域。可选地，所述步骤s60中，所述计算实时采集的各支架的新的立柱压力数据到各个类别中心的空间距离包括：计算各支架新的立柱压力数据坐标到各个聚类中心坐标的欧氏距离；所述根据计算得到各支架的新的立柱压力数据到各个类别中心的空间距离，实时确定支架所属的支护区域包括：根据计算得到的欧氏距离相互比较，将比较得到的最小欧氏距离对应的聚类类别确定为支架新的立柱压力数据所属的支护区域，即支架的新支护区域。
72.本实施例中，通过计算该数据坐标和各个聚类中心坐标的欧氏距离，根据距离各个聚类类别中心距离大小，调整相应支架所属的聚类类别，从而动态更新该支架的支护区域，以提高后续精准支护的准确性。
73.步骤s10至步骤s50中，所述支架的立柱压力数据为两次周期来压之间采集的一段时间内的支架的立柱压力数据；也可任意选取一段较长时间(至少包含三次来压周期)内的支架立柱压力数据进行聚类分析，获取所属聚类类别和聚类中心。
74.实施例二
75.参看图5所示，基于与前述实施例提供的煤矿综采工作面支架支护区域划分方法相同的技术构思基础上，本发明还实施例提供一种煤矿综采工作面支架精准支护方法，包括：
76.步骤s100、实时监测综采工作面液压支架的立柱压力数据；
77.步骤s200、采集多组液压支架的立柱压力历史数据，并进行时间戳和支架号的对应处理，得到多个支架相同时间段内的多组立柱压力数据；
78.步骤s300、选取步骤s200中的所述液压支架的立柱压力数据和支架号作为聚类分析算法的输入参量，进行聚类分析，得到聚类结果；其中，聚类结果中包括聚类类别和各类别的聚类中心；
79.步骤s400、将步骤s300所得到的聚类结果的每个聚类类别分别作为工作面支架的一种支护区域，得到与所述聚类类别的个数相同的初始支护区域种类；所述初始支护区域种类中存在争议待定支护区域的支架；
80.步骤s500：根据步骤s400所得到的初始支护区域种类，对所述争议待定支护区域的支架进行最终区域确认，更新所述初始支护区域种类，得到最终支护区域种类；
81.步骤s600：根据得到的最终支护区域种类进行差异化支护调整，分别采取不同支护策略，从而实现工作面各区域支架精准支护。
82.本发明实施例提供的煤矿综采工作面支架精准支护方法，通过将综采工作面支架支护区域合理划分为不同种类的支护区域，并基于该划分的支护区域实施更为针对性和精细化的支护，相比于现有基于统一支护参数支护的方式，可以适应整个综采工作面不同区域的差异化支护需求，提高综采工作面支架差异化精准支护的可实施性，从而可以提高综采工作面支架整体支护效果。
83.为了帮助理解本发明实施例一和实施例二的技术方案及其技术效果，为了帮助理解本发明实施例的技术方案及其技术效果，根据图1和图5所示的流程，对步骤s10-步骤s50(s100-步骤s500)中所述的聚类结果、聚类中心、初始支护区域种类和最终支架支护区域进行聚类划分方案说明如下：
84.选择某具有156个液压支架的综采工作面中的19个四柱式液压支架的前左、后右立柱，监测其压力，该19个液压支架的支架号在图中沿支架号轴，从下向上分别为6号、14号、22号、30号、38号、46号、54号、62号、70号、78号、86号、94号、102号、110号、118号、126号、134号、142号和150号，平均分布于该工作面；
85.分别选择每个支架500组前左、后右立柱压力数据，并对应好支架号，形成一个大小为9500
×
3的三维向量；
86.将所述三维向量输入至聚类算法，优选地，以k均值三维聚类算法为例，确定初始聚类中心为4类，得到聚类结果如图2至图4所示。共得到4类，分别用
“△”
、
“☆”
、
“○”
和“ ”四种符号表示第一类、第二类、第三类和第四类，即第一支护区域、第二支护区域、第三支护区域和第四支护区域。因此，最终确定初始第一支护区域、初始第二支护区域、初始第三支护区域和初始第四支护区域。所述初始第一支护区域包括6号-38支架，所述初始第二支护区域包括46号-70支架，所述初始第三支护区域包括78号-110支架，所述初始第四支护区域包括118号-150支架。
87.通过观察图3可以发现第38号支架为争议支架，如图示该支架在不同立柱压力下
相应对应
“△”
和
“☆”
区域或者二者都有对应，即表示该38号支架为争议待定区域的支架；其前期为初始第一支护区域，后期变为初始第二支护区域，因此，需要重新判断其支护区域，显而易见，第38号支架支护区域最终为第一支护区域。
88.为使工作面支架支护区域连续化，以上述编号(6号、14号、22号、30号、38号、46号、54号、62号、70号、78号、86号、94号、102号、110号、118号、126号、134号、142号和150号)液压支架为中心架，始终认为该中心架前三个和后四个液压支架与中心架为同一区域，最终确定第一支护区域包括1号-42支架，所述第二支护区域包括43号-74支架，所述第三支护区域包括75号-114支架，所述第四支护区域包括115号-156支架。由此，实现了综采工作面支护区域的合理划分，改善了目前综采工作面无区域划分或区域划分不合理而导致的支架支护效果欠佳的问题，从而提高综采工作面支架差异化精准支护的可实施性，适应整个综采工作面不同区域的差异化支护需求，有利于提高综采工作面支架整体支护效果。
89.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
90.本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
91.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
92.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。