不均匀分布煤层开采方式的研究与实践.pdf

重庆大学 硕士学位论文 不均匀分布煤层开采方式的研究与实践 姓名冯明伟 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师姜德义;杭世勇 20061008 重庆人学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着国民经济持续、稳定、快速的发展，社会对矿产资源的需求量也越来越 大。煤炭是现代工业发展的原动力，但煤炭资源又是有限的，同时煤炭作为沉积 矿床，其赋存条件因地区不同、成煤时代不同而呈现较大的差异，为此研究不均 匀分布煤层的合理开采布置方式，提高矿井资源回收率是一个重要的课题。 关于不均匀分布煤层，可以用某一特定煤层的厚度变化系数和该煤层可采面 积占井田总面积的比例这两个参数来界定。关于开采方案，本文认为应涵盖矿井 开拓方式、开采布置方式、采矿方法和回采工艺。关于走向条带，是指沿走向将 矿井划分为若干平行于走向的条带，采用走向长壁开采方法的开采布置方式。 本文主要以贵州习水富邦煤矿为工程实例阐述在不均匀分布煤层中采用走向 条带布置方式以提高回采率和经济效益、控制地表沉降等方面的优越性。本文主 要包括以下几点研究内容 ①总结了矿山开采优化设计的过程，阐述了矿山系统方案的优化方法、矿山 开采方式选择的原则。 ②阐述了走向条带布置的特点和适应条件。研究了矿山条带开采方式中煤柱 的留设问题，并分析了特定条件下采用走向条带开采方式提高矿井回采率的可能 性。 ③煤矿开采过程中需对上层覆岩的沉降和变形进行控制，因此了解覆岩的受 力状态、变形规律，地表变形规律及其特征，地表变形对地表建筑物、水体等影 响也是本文的一个重要内容。 ④以富邦煤矿为工程实例对走向条带布置方式的特点进行分析，论证对矿井 资源回收率的影响，并利用数值分析方法计算地表覆层沉降值。 关键词煤矿，不均匀煤层，走向条带，开采方式 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 A B S T R A C T W i t ht h es u s t a i n e d ，s t a b l ea n dr a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m yt h e d e m a n do fs o c i e t yf o rm i n e r a lr e s o u r c e sh a sb e c o m ei n c r e a s i n gu r g e n t ．C o a li st h e d r i v i n gf o r c eb e h i n dt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i e s ，S Ot h er e q u i r e m e n tt ot h e u s er a t eo fc o a lm i n i n gi si n c r e a s i n g ，e s p e c i a l l yt h i ns e a mm i n i n g ． U n e v e nd i s t r i b u t i o no fc o a l ，c h a n g eC a nb eap a r t i c u l a rc o e f f i c i e n ta n dt h e t h i c k n e s so ft h ec o a ls e a mc a nb et a p p e dm i n ea r e ar a t i oo ft h et o t a la r e ao ft h e s et w o p a r a m e t e r st od e f i n e ．O nt h em i n i n gp l a n ，a n dt h a tt h e ys h o u l db e c o v e r e ds h a f t d e v e l o p m e n t ，m i n i n gl a y o u t ，m i n i n gt e c h n o l o g ya n dm i n i n gm e t h o d s ．O nt h et r e n do f t h eb e l ti sa l o n gt h es h a f tt ob ed i v i d e di n t oan u m b e ro fp a r a l l e lt ot h ed i r e c t i o no ft h e b a n d ，l o n gw a l lm i n i n gm e t h o du s e dt ot h em i n i n gl a y o u t ． T h i sp a p e rb a s e do nF u b a n gc o a lm i n ep r e s e n t ss t r i pm i n i n gm e t h o d sa l o n gs t r i k e i nc o a ls e a mo fi n h o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o n st ob o o s tr e c o v e r yr a t ea n de c o n o m i ce f f e c t ． T h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gs t u d i e s ①T h i sa r t i c l es u m m a r i e st h ep r o c e s so fo p t i m a ld e s i g ns a c h e m sa b o u tc o a l m i n i n ga n de x p l o r e so p t i m a lm e t h o d sa n do p t i o n a lp r i n c i p l e so ft h em i n i n gs y s t e m ． ②T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em a i nc o n d i t i o n s ，c l a s s i f i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s t h a ta r es u i t a b l ef o rl a y o u to fs t r i pa l o n gs t r i k ea n dt h ed e m a n d so fo r e p i l l a r sa n dl a y o u t o fs t r i pm i n i n ga l o n gs t r i k e ，a n da n a l y s e sr e a s o n so fi m p r o v i n gt h er e c o v e r yr a t ei nt h e p r o c e s so fs t r i pm i n i n ga l o n gs t r i k e ． ⑧T h eo v e r l y i n gr o c ki sv e r yc r i t i c a li nt h ep r o c e s so fc o a lm i n i n g ，S Oi ti sv e r y i m p o r t a n tt ok n o wa b o u tt h ef o r c e ds t a t ea n dd e f l e c t i o nr e g u l a r i t yo ft h eo v e r l y i n gr o c k ， t h ed e f l e c t i o nr e g u l a r i t ya n df e a t u r e so fs u r f a c ea n di m p a c t so ft h ed e f l e c t i o no fs u r f a c e o ns u p e r s t r u c t u r e s ． ④T h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef e a t u r e so fc o a lm i n i n ga n ds t r i pa l o n gs t r i k eb a s e do n F u b a n gc o a lm i n e ，a n dc a l c u l a t e so ft h es u r f a c eo v e r l y i n gr o c ku s i n gn u m e r a la n a l y s i s ． K e yw o r d s c o a lm i n e ，c o a ls e a mo fi n h o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o n s ，s t r i pa l o n gs t r i k e ， m l m n gw a y s I I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 一期加乡掣月户 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密 ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 ＼／ 。 请只在上述一个括号内打“4 “ 学位论文作者签名 签字日期．阳台年『，月夕日 签字日期．t ，月9 日 | 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 前言 1 ．1 研究意义及选题依据 矿产资源是自然资源的重要组成部分，矿产资源作为现代工业的粮食和血液， 是国家经济建设的命脉，是人类社会发展的重要物质基础，其保障程度直接关系 到国家和民族安全。人类历史上为瓜分、占有、控制和争夺资源及资源运输线的 政治、经济、军事、外交甚至宗教活动比比皆是。因此，矿产资源作为事关国计 民生和经济可持续发展的重大问题为各国政府所高度重视，并列为国家发展战略。 采矿工业是现代工业的基础。自解放以来，我国采矿工业取得了很大的成绩， 尤其是设计采用了许多新的矿山开拓方法、开采布置方式、采矿方法以及新的工 艺。随着经济建设的迅猛发展，人们对矿产资源的需求量不断增加，而近年来一 些企业为追求单纯的经济效益，对矿产资源乱采滥伐、采富弃贫、采厚丢薄，造 成极大的资源浪费。为了最大限度地利用矿产资源，满足社会日益增长的资源需 求，矿山企业不得不设法开发建设那些赋存条件相对复杂的矿山，这就要求必须 研究新的开采方案，以改善矿业工作者的工作环境，减小劳动强度，提高工作效 率，提高资源回收率，增加经济效益。关于矿井开拓方式和采矿方法的研究，人 们已经进行了深入的研究，本文期望从研究矿井开采布置入手，探询选择新的方 式，以更经济合理地开发利用宝贵的矿产资源。即在确保工程安全、技术可靠、 基建工程量少和保证生产时间及质量的前提下，优选出矿井开采布置方式。 任何一项研究工作，都是在分析和探讨前人已有成果的基础上进行的，矿井 开采布置方式的选择也不例外。从我国改革开放的大局出发，国内设计单位要实 行企业化管理，进入国际市场，就必须实行优化设计。在国外，一些经济发达的 国家已普遍实行以“动态、优化以及计算机”为特点的现代化设计。与之相比， 我国的矿山大多仍处于经验设计阶段，因此，实行矿山开采优化设计已是大势所 趋。 由于地下矿山的开采条件多种多样， 复杂的设计对象。地下矿山设计的特点， 毫无疑问，地下矿山本身就是一个非常 是在相同条件下可以采用很多大体相同 的技术方案。从这一观点来看，在选择方案的过程中最多能提出2 0 个可行性方 案的传统设计便成了提高设计质量、减少投资费用和缩短设计文件编制期限的制 约因素。 矿山开采布置方式选择不合理或失误，不仅会造成矿产资源的浪费，并且会 使企业经济效益低下，甚至将导致企业亏损，增加修改设计和工程改造所耗费的 不合理的开支。为了合理地提高矿井资源回收率及矿山经济效益，开展与此相关 重庆人学硕士学位论文1 绪论 的研究与探讨是必要的。 1 ．2 国内外研究现状 矿井开采方案设计合理与否，直接影响到矿井建设期间和生产期间的技术效 果和经济效益，由于矿井开采方式所涉及的因素很多，所依据的信息复杂 既有定 性的，又有定量的；既有确定性的，又有非确定性的 ，面对矿井设计这一复杂的 多级系统，采用直接的优化方法往往得不到满意的结果，究其原因主要有①地面 地形及地下煤层空间分布及形状变化复杂，目前尚不能完全用数学的形式做出精 确的描述；②构成矿井这一复杂系统的参数范围较宽，由此组合而成的可行方案 数目十分庞大；③很多参数的确定主要依赖于专家长期积累的经验。目前，对于 矿井开采方案优化设计的研究工作主要有以下特点 ①针对矿井开采方案设计中需要解决的大量半结构化及非结构化问题，利用 专家系统、智能决策支持系统的优点，将计算机应用于矿井优化设计。并建立起 相应的专家系统、智能决策支持系统等，从而达到辅助决策的作用。 ②利用神经网络具有形象思维的属性以及能自然有效地获取知识的特点，建 立起模仿人类神经系统的数学模型，采用B P 网络确定需要优化的矿井井型的合理 类别，从而为矿井优化设计提供一种科学的分析途径。 ③利用价值工程可以集中集体智慧的优势，着重于对矿井开采所需实现的功 能和实现这一功能所耗费之总成本进行分析，得出功能评价系数和成本评价系数， 从而计算出不同方案的价值系数，根据价值系数的大小优选出最佳方案。这种分 析方法的优点在于将实践经验与数据量化很好地结合起来，能较准确地得出定性 的分析评价结果，从众多的供选方案中选出最优方案，能较好地克服某些主观因 素的影响‘1 】【”。另外，还有将地理信息系统、矩阵决策等技术应用于矿井开采方案 优化设计等方法。 随着计算机技术的发展，在矿井优化设计的研究中，己经取得了一定的成绩， 有些成果己经在生产中发挥了作用。其中主要成果有 ①在自然科学基金资助下，河海大学陈慧萍等研制了以矿山为对象的开采专 家系统M D E S ，I H d E S 通过对矿山开采问题进行任务分解，并根据专家系统的特点， 利用面向对象程序设计，实现推理机构、知识获取机构、知识库结构 包括规则库、 框架库、数据库 、动态数据库以及知识获取功能，并建立起友好的用户界面，从 而实现与用户及领域专家进行对话，获取知识，构造和维护知识库【3 】。 ②厦门大学罗健等研制了基于神经网络和规则推理的矿井优化设计预处理的 混合专家系统N N R E S ，并将N N R E S 作为子系统程序并入矿井总体优化设计程序，通 过了山西屯留矿井和湖南黄牛岭新井设计的实际应用，方案优选结果用户均感到 2 重庆大学硕十学位论文1 绪论 满意H J 。 ③河北理工学院甄翠敏等研制的矿山开采选择专家系统，该系统是在T u r b o C 2 ．0 环境下编制的，系统的建立可以集多位专家的经验知识于一体，从而使方案 的优选结果更趋于优化【5 】。 虽然矿井开采方案设计的研究工作已经取得了一定的成绩，但是由于计算机 程序设计语言的发展和决策支持系统、专家系统本身的局限性，矿井开采方案优 化设计研究工作，尚需不断完善和发展。这一方面由于矿井设计的非结构化因素 和决策支持系统、专家系统尚处在发展阶段，还需要一个不断发展完善的过程， 另一方面由于上述项目都没有就地面地形条件和井下地质条件对开采布置方式的 影响做出具体的研究，如罗健的N N R E S 系统，侧重于备选方案的选优，而备选方案 还是依靠专业人员的经验提出；陈慧萍的M D E S 系统，备选方案的产生完全依靠知 识库中的产生式规则，没有对地质、地形条件做出评价，没有产生能适应计算机 表示的地质、地形条件定量化评价模型，因而也没能就井口位置的确定起到辅助 决策的作用。所以综合决策支持系统和专家系统的优点，结合西部地区多山的地 理环境特色，综合考虑地质、地形条件对工业场地、井口位置、矿井开采方案选 取的影响，发挥计算机的优势，进行特殊地形条件下矿井开采方案选择的智能决 策支持系统研究有着现实意义。 针对矿山开采方案选择传统方法的不足之处，人们一直努力寻求新的方法来 使矿山设计方案更加合理、设计更简便。目前已提出的有优先系数法。 条带开采方面，我国自1 9 6 7 年开始应用条带法回采建筑物、铁路及水体下压 煤，主要用冒落条带法回采工业广场、农村村庄及工厂建筑物下所压的永久煤柱。 采用冒落条带法开采，其采深一般小于4 0 0 m ，采厚在6 所以下；回采率一般在 4 0 ％～7 8 ．6 ％之间。除个别实例受重复采动、煤体强度低、回采率偏大等特殊原 因影响使得下沉系数较大外，条带开采地表下沉系数一般小于0 ．2 。近期我国科研 人员所研究的宽条带技术克服了以往条带开采回采率低的缺点，使得条带开采从 保护地面建筑物的角度来看已经成为了一项越来越成熟的开采技术【6 】巾l 。 1 ．3 主要研究内容、研究思路及技术路线 1 ．3 ．1 研究内容 本文就贵州习水富邦煤矿所采用的走向条带开采布置方式为例阐述了对不均 匀分布煤层提高矿井资源回收率、降低地表沉降、提高经济效益方面进行论证， 包括以下具体内容 ①总结矿山开采优化设计的整个过程，阐述矿山设计系统的优化方法、矿井 开采方式选择的基本原则。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ②通过已有的文献总结走向条带布置方式的特点和适应条件。论证矿山走向 条带开采中煤柱留设、开采系统布置等问题，并分析走向条带开采布置方式提高 回采率的可能性。 ③煤矿开采过程中需对上层覆岩进行控制，因此研究上层覆岩的受力状态、 变形规律及其特征、地表变形对地表建筑物或水体的影响也是一个重要内容。 ④以富邦煤矿为工程实例对矿井开拓方案、走向条带布置方式的特点进行分 析，并利用数值分析方法计算地表覆层沉降值。 1 ．3 ．2 技术路线 该论文采用的主要技术方法 在现场调查、与领域专家交流的基础上，运用矿山优化设计知识、数值模拟 与相关学科知识，初步建立不均匀分布煤层采用走向条带开采布置方式对矿井回 采率和上覆岩层沉降之影响等理论。本文分解为如下几个问题 ①对于条带开采布置方式的特点和类型进行总结，提出本文需要涉及的走向 条带开采布置方式优点； ②研究上覆岩层的受力状态与变形规律，地表移动模式与移动机制，以及地 表变形规律与特征，地表变形对建筑物或水体的影响； ③本文根据贵州习水富邦煤矿为基本实例阐述不均匀分布煤层走向条带布 置方式的优越性，对比采区布置方式分析矿井回采率的高低，采用数值分析方法 计算地表沉降值。 4 重庆大学硕十学位论文2 矿山开采优化设计 2 矿山开采优化设计 2 ．1 矿山开采优化设计命题的内涵 ①对象和范畴 矿山设计的对象泛指开采各种类型矿床 金属与非金属矿床，黑色与有色金属 矿床等 和采用各种开采方式 露天与地下开采 的矿山。矿山设计又是综合设计， 它涉及矿山的各个组成部分，尤以矿山开采布置设计为中心。开采设计以矿井开 拓、准备和采矿方法及其参数的确定为主要内容。 ②优化的实质 ， 矿山开采布置优化设计就是使设计尽可能完善，即确定最佳目标，选择最佳方 案，采用最佳方法，达到最佳效果。所谓最佳，是指在一定条件下相对于不同判 断标准而言的。判断标准不同，得到的最优解亦不同。 ③广义优化技术的应用 矿山开采系统的特征由矿山开采工程空间关系与开采技术参数所决定，对前者 的表征是矿山开采定性参数 变量 ，后者则属矿山开采定量参数 变量 。矿山开采 优化设计正是对上述两类参数的综合优化。 矿山开采优化设计是一个多目标决策的优化问题，它所追求的是系统总体目标 最优，其实质是多目标综合优化。 矿山开采系统的特殊性决定了矿山开采优化设计不能完全按照函数极值理论 的观点与方法以求最优点去实现。除了通用的以数学规划论为基础的优化设计方 法外，还有基于运筹学其他分支和灰色系统理论，以及模糊优化、专家系统等方 法，这些都是实现矿山开采优化设计的有效方法。 ④矿山开采设计中的系统工程方法 矿山是一个复杂的大系统，其中少不了矿床 自然 、开采 技术工艺 、人员 劳 动组织 、资料与数据 信息 等子系统，其中矿山开采子系统是决定矿山系统特征 的主要组成部分。 在一定意义上，系统工程是复杂大系统的设计学科 技术 。设计该系统时有明 确的预定功能与目标，并使得系统的各组成元素间以及元素与系统整体间有机联 系，配合协调，以使系统达到最优目标。 2 ．2 矿山开采优化设计 一般来说，对于一个矿山，往往有几个技术上可行而经济上不易区分的开采 方案，矿山开采设计就是从中选出最优方案。传统的矿山开采方案选择一般用综 5 重庆人学硕 学位论文 2 矿山开采优化设计 合分析比较法。用该方法选择矿山开采方案的步骤如下 ‘ ①开采方案的初选 在详细研究有关资料的基础上，拟订几个初选方案。所拟订出的开采方案应 包括开采运输系统、通风系统、确定主要开采巷道类型、位置和断面尺寸、绘出 方案草图等。方案初选应满足设计任务书的要求，符合矿山建设的技术经济政策。 ②开采方案的初步分析比较 对初选出的开采方案进行技术、经济、建设时间等方面的初步分析比较，删 去某些有明显缺点和难以实现的开采方案，从中选出2 ～3 个在技术上可行、经济 上难于区分的开采方案，列为技术经济比较的备选方案。 ③开采方案的技术经济比较 ． 将初步分析比较所选出的2 ～3 个开采方案进行详细的技术经济计算，综合评 价，从中选出最优的开采方案。一般进行比较的技术经济指标有建设投资、年经 营费、投资效果指标、投产和达产时间、占用农田面积、职工人数及劳动生产率、 资源利用情况以及设备来源、生产安全和劳动条件等。选择开采方案时的技术经 济综合分析比较是一项很重要、很细致的工作，要求能够正确处理各方面的关系， 对不同方案的优缺点，要全面分析、综合评价。传统的矿山开采方案选择方法， 既然长期以来能被大家认同和使用，说明它有许多可借鉴之处，主要表现为 1 既考虑到了所选开采方案技术上的可行性，又考虑到了经济上的合理性； 2 在做经济比较时，既考虑了直接成本，又考虑了矿山开采的盈利水平； 3 遵循了逐级比较、循序渐进、全面分析的科学方法。传统的矿山开采方案 选择方法是靠专家的丰富经验来完成的，正因为如此，该方法又存在着一定的缺 点和不足之处，主要表现在以下几个方面 1 由于该方法是靠人工对备选方案逐个进行分析比较，故备选方案不宜太 多，否则，工作量太大，分析比较难以进行； 2 综合比较时只看各方案经济上的差额是否大于1 ．5 ％来决定取舍，而对于差 额小于1 ．5 ％的则难以取舍或视为相同，也不尽合理； 3 进行经济比较后，没有综合的定量指标以说明各备选方案的优劣。 2 ．3 矿山开采优化设计的发展 针对矿山开采方案优化设计传统方法的不足之处，人们一直努力寻求新的方 法来使矿山企业设计方案更加合理、设计更简便。目前已提出的有优先系数法。 该方法首先构建数学模型，即指标矩阵F 和判断矩阵曰，从而确定指标的优先次 序。 其最终计算公式为 6 重庆大学硕士学位论文2 矿山开采优化设计 K √∑ 矗6 ， 2 2 ．1 上，口●1 7 I 式中_ ， 1 , 2 ，⋯m 彤 ∑b , ／n 行为指标数 参数说明 i l 用上述公式计算出的结果进行综合评价，其中K 值最小者为最优方案。 矿井开拓方式的优选与矿井开采布置方式优选有很大的相同之处 尤其是进 行经济比较部分 ，它们都是组成矿山建设方案选择的一部分。也检索了关于矿山 建设方案方面研究的新发展。 长期以来，矿山建设方案选择是凭借专家的经验进行的。但近十几年来，随 着计算机技术在采矿工业中的广泛应用，许多学者将多目标决策法、层次分析法、 模糊数学法、灰色关联法以及专家系统、神经网络技术应用到矿山建设方案选择 中。下面就对这些方法概括介绍如下 ①多目标决策法 多目标决策法就是列出参与决策的各方案中相应的技术和经济参数的集合， 对各种方案的不同参数进行优化选择，由优化参数组成的方案为“最优方案” 因 优化参数存在于各个方案中，故这里的“最优方案”不是一个具体方案，而是一 种理想方案 。根据各指标因素在决策中的重要程度，确定每一个方案与“最优方 案”的偏离程度和综合评价系数，综合评价系数愈小，则越接近“最优方案”的 理想方案，依此可确定最优方案。另外，最近有些学者将多目标决策法加以变通， 又创建了如下两种新方法。 1 多目标决策密切值法 该方法的基本思想是初选决策方案及其技术经济指标，找出关于方案集 决策 点集 的最优点和最劣点，然后找出尽可能接近最优点而远离最劣点的决策点，它 便是寻找的满意方案。其求解过程一般为首先建立指标矩阵，并用层次分析法 A H P 确定各目标权重；其次，将指标矩阵加权规范化，即将各技术经济指标正向 化和无量纲化，然后求出决策点集的最优点和最劣点；最后，计算出各个方案的 密切值，并进行排序，最小者为优。 2 方案排队法 方案排队法一般先由单个指标来初步确定出各方法的优先关系，然后通观全 局，将各个方案的所有指标综合考虑，两两比较并计算出各个方案的排队指示值， 值大者为优。该方法的出现能够大大减少计算工作量，也便于用计算机进行选择 设计，以综合的定量指标说明各备选方案的优劣。而且，由于这种方法的备选方 案个数不受限制，从而扩大了选择范围。 7 重庆大学硕士学位论文2 矿山开采优化设计 ②层次分析法 层次分析法是根据经验事先确定几种可行的矿山建设方案，并将影响矿山建 设方案选择的因素按隶属关系划分，形成矿山建设方案选择的层次模型，然后对 模型中各因素两两比较分析，作出判断矩阵，最后根据特征向量法排序，并由此 选出最优的矿山建设方案。其中，判断矩阵的构造，是以上一层因素为准则，比 较下一层各因素的相对重要性，在模型中各层因素分别构成判断矩阵。该方法的 应用可将影响矿山建设方案选择的复杂多因素分解成若干层简单因素，然后用数 值方法进行比较与分析，使问题得到简化，并有利于用计算机编程快速作出决策。 ③模糊数学法 矿山建设方案设计的对象是一个复杂的模糊大系统，因此，对它的选择也是 一种模糊决策。目前应用的模糊数学方法主要指按模糊数学中的相似优先比法来 选择矿山建设方案。相似优先比法，就是通过对相似程度的计算，求出其适应程 度大小的排序，由此选出一组适合开采条件的矿山建设方案。模糊数学法通过引 入模糊集合、隶属函数，成功的用数学方法定量地描述矿山建设方案选择的模糊 决策问题。但对于该方法中，应如何建立合理的因素集以及隶属函数形式，仍有 待于进一步研究。 ④灰色关联法 灰色关联法与模糊数学相似比法的思路很相似，不同之处在于，灰色关联法 是通过某一具体开采条件的矿床与另一些已知开采方案的开采条件相关联的程度 O P 关联系数 来求取相似程度。其中，相关联程度最大的所对应的开采方案即为 该矿山的最优建设方案。该方法的突出优点就是摆脱了上述各种数值方法中所涉 及的各个指标因素的取值分配计算，从而充分利用系统内部的“灰色”信息。 上述方法由于都是量化为数值的计算，故可称之为数值化决策方法。在这些 方法中，除灰色关联法适合矿山建设方案的初选外，其它几种方法均适合矿山建 设方案的终选。 ⑤人工智能法 随着矿山建设方案优化数值决策法的逐渐成熟，人们又开始寻找一种更简单、 快捷的方法。近几年，有关学者将人工智能的两个分支一专家系统和人工神经网 络用于矿山建设方案优选中来。 ⑥系统综合分析法 该方法是分析、解决由多元素构成的事物总体 系统 的方法，根据被研究系 统的性质、内容和过程的不同，在各个阶段综合运用各种相宜的数学理论和思维 推理方法，利用计算机快速运行的手段，使复杂而庞大的问题迅速获得较为理想 的解决。该方法的优点包括以下几点1 系统综合分析法研究问题的范围广，不 重庆大学硕士学位论文2 矿山开采优化设计 仅能求～个定量系统内效益的最优化，而且可取得全面的整体效益最优化；2 系 统综合分析法运用的科学原理和方法广而多，不仅要应用工程数学、运筹学等理 论基础和方法，而且还要应用哲学、技术经济学等方法全面研究和解决问题；3 系统综合分析法不仅能在价值判断己定的条件下确定最佳方案，而且能利用价值 判断进行决策；4 系统综合分析法不仅能采用定量分析的手段，而且还在决策的 某些阶段或某些方面，采用定性分析的手段，使决策更趋于完美；5 系统综合分 析法不仅能解决当前的问题，更着重解决将来的问题；不仅能解决相同性质的企 业、部门的问题，而且能解决任何相关联的复杂问题。适用条件系统综合分析 法是解决矿井设计重大问题的最科学和最有实效的方法，能广泛应用于矿井设计 实践中。 2 ．4 矿山开采方式选择的原则 矿山开采方式的选择由于受各种因素的影响，对不同条件的矿山，不同时期 可能会有不同的主要影响因素，很难得出统一的标准。但是总的原则应该是大体 一致的，这些原则应该包括 ①技术可靠原则。 矿井安全是首要问题，因此必须确保矿井通风、运输、排水、通讯等系统完 善健全，并考虑到矿井发生煤与瓦斯突出、煤尘瓦斯爆炸、煤层自燃发火、突水 等重大灾害事故的防范措施。此外，矿山工艺设备的可靠性也是重要的技术保障。 随着工业技术的进步和设备制造水平的提高，新的矿山工艺设备不断涌现，其性 能更优越、性价比更高、能耗更低。在选择工艺设备时，要统筹兼顾，协调解决， 一方面要尽量采用成熟可靠的工艺装备，一方面要兼顾工艺设备的先进性，以保 证矿山投产后相当一段时间内不落后。 ②经济合理原则。 在技术可行的条件下，任何投资决策，最终都要归结为经济效益问题。衡量开 采方案选择也不例外，入选方案最后的经济效益必须是在可比方案中较佳的。这 里所谓的经济合理是相对可行方案中经济效果较好，能为矿山生产带来较好收益 的方案。而经济合理的方案可能有多种，但在具体矿山条件和各种外部因素制约 下，有的经济效益最好的方案，可能因种种限制无法实施，比如因不确定因素较 难把握不能采用，或者因在一定时期内受国家有关产业政策的影响，或者社会效 益有明显的不足，不利于其它产业的发展和国家的整体利益。在这种情况下，就 需要综合考虑各种因素的作用，而不能仅以经济效益最佳为原则。 ③初期效益优先原则。 各种开采方案都有其自身的特点，有的投资少、见效快，但经营成本较高；有 9 重庆大学硕士学位论文2 矿山开采优化设计 的投资大、建设周期长，但经营费用低。出现类似情况时，应以矿山初期经济效 益好的方案为优先采用对象，这对提高矿山动态投资效果尤为重要。 ④具体问题具体分析原则。 在选择开采方案时，应根据具体的矿山条件来选择较合理的开拓方案、开采 布置方式和采矿方法和回采工艺。 】O 重庆人学硕士学位论文3 走向条带布置主要特点及优点 3 走向条带布置主要特点及优点 3 ．1 概述 条带开采方法属于部分采矿法，也叫压矿采矿法，是控制地表移动、变形和 覆岩破坏的一种有效措施。该方法的实质是将开采煤层按一定的尺寸划分成比较 正规的条带状，采一条，留一条，用留设部分的条带煤柱来支撑煤层的上覆岩层， 改变全崩落开采而造成的覆岩破坏形态，控制冒落、裂隙带的发育，从丽减少由 于开采引起的地表移动和变形，减少由此而造成的地面房屋等建筑物的损坏，特 别是在高潜水位条件下，可避免村庄被淹，采后不需要大量资金维修房屋和环境 整治。实践表明，条带开采的顶板下沉系数一般为0 ．0 2 ～0 ．3 。开采空间的尺寸以 地表不出现波浪下沉盆地、采出率一般为4 0 ％～6 0 ％、留设煤柱有足够的稳定性为 准。 3 ．1 ．1 条带开采的类型 按顶板管理方法不同，条带开采分冒落条带开采和充填条带开采；按工作面 的布置方式不同，条带开采则分为走向条带开采和倾向条带开采；按采留比是否 固定，可分为定采留比条带开采和变采留比条带开采。在开采单一煤层和煤层倾 角较小 例如≤1 5 。 时，对顶板管理方法或是工作面布置方式都没有特殊要求， 而在开采多煤层和煤层倾角较大的情况下，则要考虑煤层倾角大而引起煤柱失稳 的问题。 ①冒落条带开采 该法是将条带开采的采出部分的顶板冒落下来，使岩块充填采空区，以便控 制顶板的继续垮落。由于顶板的垮落，等于相应增加了矿柱的高度，即增加了压 缩量值，使下沉系数增加。冒落条带开采下沉系数一般在0 ．0 6 ～O ．1 6 之间，要比 充填条带开采的大。但因为不充填，使得工艺简单，成本低，所以冒落条采应用 较为普遍，只要直接顶易于冒落，且有足够的厚度情况就可以应用此法。 ②充填条带开采 即指条带开采的采出部分用充填法管理顶板。充填又有水砂充填，风力矸石 充填、粉煤灰充填、矸石自溜充填等类型。充填的目的不只是支撑顶板，更主要 是增加煤柱的稳定性，馒煤柱处于三向受力状态，以减少和防止煤柱两帮的片落 和破坏。充填条带开采的下沉系数很小，一般在0 ．0 5 ～0 ．1 之间，能有效地控制 地表的变形。对于那些特别敏感重要的建筑物，或开采深度较小，煤层较厚时较 为适用。另外，如果煤层直接顶顶板坚硬不易垮落或直接顶易于冒落，但很薄， 冒落后不能充填采空区时，都可以由于煤柱侧壁暴露不断片落而被压垮，这时也 重庆大学硕士学位论文3 走向条带布置主要特点及优点 应采用充填条带开采。但充填的工艺复杂，成本高，一般只在特殊条件下采用。 ③走向条带开采 沿煤层走向方向划分条带，条带煤柱沿走向方向留设，采煤工作面沿走向推 进。 ④倾向条带开采 沿矿层倾斜方向划分条带，条带煤柱沿倾斜方向留设，采煤工作面沿倾向推 进。 ⑤定采留比条采 在井田范围区内回采工作面长度与条带煤柱宽度比固定不变的，叫定采留比 条带开采。它适用于地质条件比较简单的矿井。在多煤层、厚煤层开采时必须采 用定采留比，否则保证不了稳定性，定采留比的条带布置要求比较严格。 ⑥变采留比条采 3 ．1 - 2 适用条件 最先提出条带开采方法的目的是解决地表建筑物、水体或铁路、公路、隧道 等因煤层开采后地表沉降造成破坏的问题，其采场通常局限在一定的范围之内， 因此掘进工程量大、掘进率高、生产管理复杂。 本文所指的走向条带开采布置方式是将全井田按走向划分为若干条带，每一 条带均布置回风和运输大巷，每隔2 0 0 ～3 0 0 m 在回风和运输水平上下对应布置石 门揭穿所有煤层，每四个石门构成的小区块就是各煤层的一个回采采面，这与前 面所述的压矿条带开采有极大的差别。事实上，传统意义上的条带开采方式不仅 掘进率高，而且资源回收率低。针对不均匀分布的多煤层矿井提出的走向条带开 采布置方式，可以解决采区布置方式不能解决的局部可采煤层的开采问题，有效 提高资源回收率；在地表条件允许的情况下，还可以实现无煤柱开采，进一步提 高矿井回采率。 3 ．1 ．3 条带开采的特点 条带开采引起的地表移动与变形规律与全采相似，但根据现场试采的经验， 条带开采具有以下特点 ①引起的地表移动变形值相对较小。 ②覆岩的破坏特征与全采有明显不同。 ③由于条带开采引起的矿山压力较小，所以对底板岩层的破坏较轻，对防止 底板突水有利。 ④条