基于煤矿膏体充填开采智能集中控制系统及方法与流程

本发明属于煤矿开采控制，具体是基于煤矿膏体充填开采智能集中控制系统及方法。

背景技术：

1、当前煤矿膏体充填开采作业中，多采用分散式监测手段，仅针对顶板压力或充填体状态进行单独采集，监测数据来源单一且缺乏区域协同性，地质力学模型多采用静态构建方式，无法与现场实时监测数据形成联动分析。充填作业参数多依靠经验预设，膏体物料配比与输送压力在作业过程中保持相对固定，难以跟随采场力学环境变化做出适应性调整。

2、现有技术手段难以对采空区顶板变形趋势进行超前预测，顶板状态与充填作业之间缺少对应的关联控制逻辑，充填时机与充填强度的确定存在明显滞后性，无法匹配顶板动态变化过程。充填过程中对已充填膏体密实度的检测不具备连续性，检测结果无法实时作用于作业参数调整，充填制备与输送环节缺少闭环反馈机制。

3、本发明需要实现地表、顶板及充填区域多类型监测数据的同步采集，将监测数据与三维地质力学数字模型实时耦合，依托改进变形协同算法完成顶板动态变形趋势预测，依据预测结果确定充填时机与初始充填强度。在充填过程中依托密实度实时数据动态调整物料配比与输送压力，形成完整的智能闭环控制流程，弥补现有充填控制方式在数据协同、动态预测、实时调控方面的不足。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；

2、为此，本发明提出了基于煤矿膏体充填开采智能集中控制方法，包括：

3、在目标采煤工作面的地表区域、顶板岩层内以及已充填区域，布设多组传感器阵列，所述传感器阵列同步采集地表沉降数据、顶板压力数据和已充填膏体密实度数据；

4、构建所述目标采煤工作面的三维地质力学数字模型，将所述地表沉降数据、顶板压力数据与所述三维地质力学数字模型进行实时耦合分析，通过改进的变形协同算法预测采空区顶板的动态变形趋势；

5、根据所述动态变形趋势，计算得到用于维持顶板稳定的膏体充填时机与初始充填强度；

6、基于所述膏体充填时机，调度膏体制备与输送子系统开始工作，并依据所述初始充填强度设定制备子系统中的物料配比参数；

7、在膏体充填过程中，实时获取所述已充填膏体密实度数据，将其与预设的密实度阈值进行对比；

8、根据对比结果，动态调整所述物料配比参数与输送子系统的工作压力，形成闭环控制。

9、进一步地，构建所述目标采煤工作面的三维地质力学数字模型，包括：

10、收集所述目标采煤工作面的地质勘探数据，所述地质勘探数据包含煤层厚度分布、顶底板岩性序列、地质构造位置及岩层力学参数；

11、依据所述煤层厚度分布与顶底板岩性序列，建立三维地层结构网格模型；

12、将所述地质构造位置作为约束边界，嵌入所述三维地层结构网格模型中；

13、利用所述岩层力学参数，为所述三维地层结构网格模型中的每一个单元体赋予弹性模量、泊松比及抗拉强度属性；

14、集成所述三维地层结构网格模型及其单元体属性，形成能进行应力与变形数值模拟的所述三维地质力学数字模型。

15、进一步地，将所述地表沉降数据、顶板压力数据与所述三维地质力学数字模型进行实时耦合分析，通过改进的变形协同算法预测采空区顶板的动态变形趋势，包括：

16、将所述地表沉降数据作为位移边界条件加载到所述三维地质力学数字模型的对应地表节点上；

17、将所述顶板压力数据作为应力载荷条件加载到所述三维地质力学数字模型中模拟采空区顶板的对应单元上；

18、启动所述三维地质力学数字模型的瞬态力学计算，模拟在开采扰动下顶板的应力重分布过程；

19、在所述瞬态力学计算过程中，调用所述改进的变形协同算法处理采空区上覆岩层的变形协调关系，所述改进的变形协同算法通过岩层结构面接触搜索与滑移判断来修正岩层间的位移传递；

20、根据修正后的位移传递结果，输出未来指定时间段内所述采空区顶板各点的位移矢量与下沉速度，所述位移矢量与下沉速度共同构成所述动态变形趋势。

21、进一步地，调用所述改进的变形协同算法处理采空区上覆岩层的变形协调关系，包括：

22、在所述三维地质力学数字模型中，识别出岩性界面与潜在软弱结构面，将其标记为内部接触对；

23、为每个所述内部接触对定义法向接触刚度、切向接触刚度及摩擦系数；

24、在每一次力学计算迭代步中，对所述内部接触对进行接触状态搜索，判定其处于粘结、滑移或分离状态；

25、对于处于滑移状态的所述内部接触对，根据所述摩擦系数和法向压力计算最大切向抗力，并据此调整切向位移约束；

26、对于处于分离状态的所述内部接触对，解除其在当前迭代步中的位移约束，允许岩层单元自由分离；

27、将更新后的接触状态与位移约束代入整体刚度矩阵，重新进行力学平衡计算，以实现对岩层间变形不连续性与能量耗散过程的模拟，从而修正岩层间的位移传递。

28、进一步地，根据所述动态变形趋势，计算得到用于维持顶板稳定的膏体充填时机与初始充填强度，包括：

29、从所述动态变形趋势中提取顶板关键点的下沉速度时间序列，当所述下沉速度时间序列的变化率首次超过预设的预警阈值时，触发充填时机信号，所述充填时机信号即为所述膏体充填时机；

30、根据触发所述充填时机信号时所述顶板关键点的瞬时下沉速度与累积下沉量，结合所述三维地质力学数字模型中此位置岩层的自重应力与上覆载荷，反算所需支撑力；

31、将所述所需支撑力除以设计充填面积，转换为对膏体强度的要求；

32、根据膏体材料的强度增长特性曲线，确定满足强度要求所需的初始固体质量浓度与水泥掺量，此固体质量浓度与水泥掺量共同定义所述初始充填强度。

33、进一步地，基于所述膏体充填时机，调度膏体制备与输送子系统开始工作，并依据所述初始充填强度设定制备子系统中的物料配比参数，包括：

34、当中央控制器接收到所述膏体充填时机信号时，向所述膏体制备与输送子系统发送启动指令；

35、从数据库中调取与所述初始充填强度对应的配方表，所述配方表包含固体质量浓度设定值、水泥质量占比设定值、粉煤灰质量占比设定值及骨料级配参数；

36、将所述固体质量浓度设定值、水泥质量占比设定值、粉煤灰质量占比设定值及骨料级配参数发送至所述制备子系统的自动配料控制器；

37、所述自动配料控制器根据接收到的参数，控制骨料仓、水泥仓、粉煤灰仓的给料机开度，并控制供水管路的阀门开度，以完成物料的称量与混合，形成符合所述初始充填强度的膏体拌合物。

38、进一步地，所述在膏体充填过程中，实时获取所述已充填膏体密实度数据，将其与预设的密实度阈值进行对比，包括：

39、在所述目标采煤工作面的已充填区域，利用预埋的所述传感器阵列中的密度传感器，周期性地采集不同深度处的膏体密度值；

40、对同一垂直剖面内不同深度处的所述膏体密度值进行加权平均，计算得到代表所述已充填区域充填体整体密实程度的平均密实度值；

41、从控制策略表中读取当前充填阶段对应的所述预设的密实度阈值，所述预设的密实度阈值与采深及顶板压力正相关；

42、将计算得到的所述平均密实度值与所述预设的密实度阈值进行比较，判断所述平均密实度值是否低于所述预设的密实度阈值，并计算其差值。

43、进一步地，所述根据对比结果，动态调整所述物料配比参数与输送子系统的工作压力，形成闭环控制，包括：

44、当所述平均密实度值低于所述预设的密实度阈值时，根据所述差值的大小确定调整幅度等级；

45、根据所述调整幅度等级，查询控制策略表中对应的物料配比调整方案，所述物料配比调整方案包含固体质量浓度提升量、水泥占比提升量及添加剂掺量调整值；

46、将调整后的所述固体质量浓度提升量、水泥占比提升量及添加剂掺量调整值发送至制备子系统，以改变后续制备膏体的流动性与早期强度增长特性；

47、同时，根据所述差值和当前输送管路的长度与高差，计算并提升所述输送子系统的工作压力设定值，以确保调整配方后粘稠度增大的膏体被顺利输送至采空区；

48、在调整执行后，继续采集下一周期的所述已充填膏体密实度数据，并重复进行对比与调整的步骤，直至所述平均密实度值达到或超过所述预设的密实度阈值。

49、进一步地，所述方法还包括基于充填过程的全局优化步骤：

50、在一个完整的采煤循环中，记录每一次触发充填的时间、所使用的充填强度、实际达到的充填体密实度及充填后顶板变形的稳定时长；

51、将所述膏体充填时机、初始充填强度、实际达到的充填体密实度及顶板变形的稳定时长作为输入样本，训练一个充填效能评估模型；

52、利用训练好的所述充填效能评估模型，对后续开采循环中预测的所述动态变形趋势进行前向推演，以寻优得到兼顾充填材料成本与顶板控制效果的最优充填参数组合；

53、将所述最优充填参数组合更新至所述控制策略表中，用于指导后续开采循环的充填控制；

54、所述利用训练好的所述充填效能评估模型，对后续开采循环中预测的所述动态变形趋势进行前向推演，包括：

55、提取后续开采循环中由所述改进的变形协同算法预测得到的所述动态变形趋势的关键特征，所述关键特征包含顶板下沉加速度的峰值、达到峰值的时间及变形影响范围；

56、将所述关键特征与当前材料成本参数一同输入所述充填效能评估模型；

57、所述充填效能评估模型输出多组候选充填参数组合的预期评估分数，所述预期评估分数是充填成本评分与顶板稳定预测评分的加权和；

58、选取预期评估分数最高的候选充填参数组合，作为所述兼顾充填材料成本与顶板控制效果的最优充填参数组合。

59、进一步地，本发明还包括基于煤矿膏体充填开采智能集中控制系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现如上述基于煤矿膏体充填开采智能集中控制方法的步骤。

60、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

61、多组传感器阵列在地表区域、顶板岩层及已充填区域同步布设，实现地表沉降、顶板压力、已充填膏体密实度多类型数据的同步采集，三维地质力学数字模型与实时监测数据持续耦合，改进的变形协同算法直接作用于采空区顶板动态变形趋势的运算，顶板状态变化能够被持续追踪与量化呈现。充填时机与初始充填强度依据顶板动态变形趋势直接计算生成，膏体制备与输送子系统按照计算结果启动运行，物料配比参数与顶板稳定需求形成对应关系，充填作业启动节点与强度配置贴合采场实时力学状态。

62、充填过程中已充填膏体密实度数据被持续获取并与预设阈值对比，物料配比参数依据对比结果实时改变，输送子系统工作压力同步发生适应性变化，监测数据与执行机构形成连续交互响应。密实度状态变化直接驱动制备与输送环节参数调整，充填体性能指标与现场工况偏差被持续修正，充填作业全程处于动态调节状态，参数设定与实际充填效果保持一致适配。