乌东煤矿四矿联合与高效开采研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 Keywords Steep coal seam; Joint mining; Safety and high-efficiency; Neural network Research Type Applied Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 论文选题背景及研究意义 .......................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ............................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ............................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 2 1.2.1 联合开采研究 ....................................................................................................... 2 1.2.1 高效开采研究 ....................................................................................................... 3 1.3 本文主要研究内容及研究目标 .................................................................................. 5 1.3.1 论文研究内容 ....................................................................................................... 5 1.3.2 论文研究目标 ....................................................................................................... 5 1.4 论文研究方案及技术路线 .......................................................................................... 6 1.4.1 研究方案 ............................................................................................................... 6 1.4.2 技术路线 ............................................................................................................... 6 2 乌东煤矿四矿联合与高效开采影响因素分析 ..................................................................... 7 2.1 开采技术条件 .............................................................................................................. 7 2.1.1 地质条件 ............................................................................................................... 7 2.1.2 水文条件 ............................................................................................................. 10 2.2 资源储量条件 ............................................................................................................ 10 2.3 外部建设条件 ............................................................................................................ 10 2.3.1 交通运输 ............................................................................................................. 11 2.3.2 供水水源 ............................................................................................................. 11 2.3.3 矿区供电 ............................................................................................................. 11 2.4 历史遗留问题 ............................................................................................................ 11 2.5 其它影响因素 ............................................................................................................ 12 2.6 本章小结 .................................................................................................................... 13 3 乌东煤矿四矿联合与高效开采实现途径 ........................................................................... 14 3.1 基于区块链思维的四矿联合一体化开拓方式 ........................................................ 14 3.1.1 区块链概念 ......................................................................................................... 14 3.1.2 一体化指导思想 ................................................................................................. 14 3.1.3 四矿联合开拓方式 ............................................................................................. 15 3.2 大段高水平分段综放开采工艺 ................................................................................ 20 3.2.1 大段高水平分段综放开采的优点 ..................................................................... 21 万方数据 目录 II 3.2.2 合理段高的理论分析 ......................................................................................... 23 3.2.3 顶煤耦合致裂工艺 ............................................................................................. 25 3.3 本章小结 .................................................................................................................... 26 4 基于四矿联合的高效开采方案优化 ................................................................................... 27 4.1 乌东煤矿联合一体化开拓方式合理性分析 ............................................................ 27 4.1.1 层次分析法的概述 ............................................................................................. 27 4.1.2 评价指标体系的确定 ......................................................................................... 30 4.1.3 评价指标权重的计算及确定 ............................................................................. 31 4.1.4 综合评价 ............................................................................................................. 34 4.2 顶煤耦合致裂方案优选 ............................................................................................ 36 4.2.1 顶煤冒放性影响因素分析 ................................................................................. 36 4.2.2BP 神经网络的建立 ............................................................................................ 37 4.2.3 样本的获取 ......................................................................................................... 38 4.2.4 网络训练及测试 ................................................................................................. 41 4.2.5 耦合致裂方案优选 ............................................................................................. 42 4.3 本章小结 .................................................................................................................... 43 5 现场应用及效果分析 ........................................................................................................... 45 5.1 耦合致裂工艺应用及效果验证 ................................................................................ 45 5.1.1 弱化方案 ............................................................................................................. 45 5.1.2 效果分析 ............................................................................................................. 46 5.2 乌东煤矿四矿联合与高效开采效果综合分析 ........................................................ 48 5.4.1 乌东煤矿四矿联合与高效开采效果分析 ......................................................... 48 5.4.2 开采效果评价体系 ............................................................................................. 50 5.4.3 隶属度计算 ......................................................................................................... 53 5.4.4 综合评判结果 ..................................................................................................... 54 5.5 本章小结 .................................................................................................................... 54 6 结论 ....................................................................................................................................... 55 致 谢 ........................................................................................................................................ 56 参考文献 .................................................................................................................................. 57 附 录 ........................................................................................................................................ 62 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国煤炭资源消费量一直处于我国一次能源消费的主体地位，这一现状短期很难改 变[1]。我国煤炭资源储量虽然丰富，在经济和社会方面有强劲的需求以及长期发展的潜 力，但与世界先进采煤国家相比，在回采效率、安全及主要技术经济指标等方面差距较 大[2-4]。随着我国经济增速放缓、产业结构调整，煤炭行业的压力日益增大，作为我国 支撑性能源供给的煤炭行业， 粗放式的生产方式已经不符合现代化的、 科学的发展要求， 实现煤炭资源的安全、清洁与高效生产是我国煤炭工业发展的必然趋势[5-7]。 神华新疆能源有限责任公司所处的乌鲁木齐矿区赋存有大量的急斜煤层，其储量占 世界急倾斜煤层的 1/3 以上[8]，因此，加强对急斜煤层安全高效开采的研究对我国煤炭 工业的发展而言意义重大[9]。同时，随着急斜煤层开采技术和设备的逐渐成熟[10-13]，以 大型煤炭基地为基础，建设安全高效现代化矿井，是煤炭企业发展的方向 [14-16]。 神新公司所属的原铁厂沟煤矿、大红沟煤矿、小红沟煤矿和碱沟煤矿均为生产水平 落后的中小型煤矿，很难适应我国煤炭行业的发展趋势。因此，神新公司本着建设世界 一流矿井，在不停产、不减产、保证产量逐年提升的前提下，在矿井资源整合、开采技 术创新、装备水平升级、安全保障能力提高基础上，对乌东煤矿技术改造项目进行全面 的优化、调整、技术改造，整合各矿现有深部煤炭资源，进行联合开采，创造性地提出 了四矿联合与高效开采模式， 将乌东煤矿打造成为全国乃至世界首个急斜煤层千万吨级 现代化矿井，对我国煤炭工业的发展有长足深远的影响。 图 1.1 2016 年我国一次能源消耗占比 1.1.2 研究意义 矿井的安全高效开采是全世界煤炭行业发展的方向。 相比近水平和缓倾斜煤层而言， 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 急斜煤层受地质构造运动影响剧烈，导致煤层赋存条件复杂，开采起来难度极大，其安 全高效开采是世界性的难题。乌鲁木齐矿区赋存有大量急斜煤层，其储量占世界急斜煤 层储量 1/3 左右。因此，对乌东煤矿四矿联合与高效开采进行深入研究，对我国乃至世 界急斜煤层矿井的发展意义重大。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 联合开采研究 矿井联合开采方面，众多学者在近距离煤层联合开采，矿井地面及井下联合布置以 及采区之间联合开采做出了大量研究，并成功应用于矿井实际开采中。 魏佑山[17]采用水平石门对间距较大的煤层进行了联合开采，实现了矿井排水、运输 的集中化，矿井准备系统得到进一步优化。杨华[18]在分析大瑶煤矿两个采区开采系统存 在问题的基础上，通过采用斜井贯通的方式进行联合开采，实现了两个采区的集中提升 机排水，简化了矿井生产系统，节约生产成本并进一步提高了矿井抗灾能力。周水[19] 对超化矿相邻 2 采区间通过布置大巷，实现了跨大巷采区联合开采系统，工作面走向长 度大大增加。张磊，孙帅[20]为解决徐庄矿采掘接替的紧张局面，将其 11 和 13 采区合并 后实现了联合开采， 在有效解决工作面接替紧张局面的同时， 大幅度降低了矿井掘进量。 吴财发，刘勇等[21]针对青山矿 452、462 采区煤层突出及煤层厚度异常变化的特点，对 两采区进行联合开拓，消除了安全隐患，取得了良好的效益。王海君，李克民等[22]，从 投资和生产成本两方面对两种不同的矿井露天转开采联合开拓方式进行了对比分析， 选 择最优方案，在充分利用原系统的同时扩大了经济效益，为该矿建设高产高效矿山提供 了理论支撑。丁杨[23]针对汉水全三号矿井多煤层赋存特征，通过优化设计，利用一个开 采水平和一个辅助水平，实现了全井田的联合开。李维光[24]采用理论分析和模拟计算等 多种手段综合分析，对赵家坝急斜煤层群联合开采方案进行了研究。王锁奎[25]根据阳城 晋圣固隆煤业矿井开拓情况，利用断层实现了单水平双煤层联合开拓，取得了最优经济 效益。 合理有效的评价矿井开拓方式， 可为矿井开拓系统的决策和进一步优化提供良好的 理论支撑，众多学者在此方面做出了大量研究，并取得众多研究成果。 覃杰[26]利用系统分析图表法对矿井开拓方案评价活动中的信息流进行了分析， 提出 了一种有效评价矿井开拓系统的方法。李元松，田贵昌等[27]对等效系数法进行改进，提 出等优先系数法并应用于矿井开拓的比较。 矿井开拓系统设计是一个涉及各种因素的复 杂问题，模糊综合评价法可将复杂问题层次化，为矿井开拓系统评价优选提供了一条有 效的途径。毛仲杰等[28]在总结方案比较法存在的缺陷的基础上，提出一种多目标优化决 策方法， 用于矿井开拓方案的优选。 吴业聃， 张开智等[29]为避免单一手段存在的片面性， 万方数据 1 绪论 3 采用模糊优选理论构建了矿井开拓方式评判模型。李学文，段华君[30] 将模糊综合法与 熵权 TOPSIS 法结合应用于矿井开拓系统的评价及优选。 综上所述， 我国联合开拓方面的研究及应用主要集中在矿井地面与井下之间的联合 开拓及多煤层之间的联合开拓，在矿井之间联合开拓的研究及应用较少，开拓系统评价 主要是通过技术经济比较分析和模糊综合评价法进行了研究， 其中模糊综合评价法是一 种合理有效的手段。 1.2.1 高效开采研究 在安全高效矿井内涵及发展模式方面，许多专家学者做出了大量研究，形成了众多 学术理论。 钱鸣高、谢和平等[31-34]学者针对我国煤炭开采现状及存在问题，提出了科学采矿和 科学产能以及绿色开采的概念及内涵，并建立了科学产能评价指标体系和评价标准。张 东升等[35]提出 7 种开采模式，并建立了评判模型，从生产能力、工作面个数等 7 各方面 对高产高效开采模式进行了综合性评价。孙中辉[36]针对新汶矿区的特点，在总结了影响 开采模式选择主要因素的基础上， 基于模糊综合评价手段建立了开采模式选择的评判模 型。袁显平等[37]对现代化矿井定义的演变进行了研究，认为现代化矿井在达到安全高效 的同时，还应实现矿井高环保和可持续发展。翁翼飞[38]从目的、途径和类型 3 个维度 对老矿区及资源整合矿井安全高效开采模式及内涵进行了系统的分析。 预健浩等[39]在分 析了我国中小型煤矿及其发展现状的基础上，总结其制约因素，并研究了其实现安全高 效开采的途径。刘绪玉，陈国强等[40-41]研究了安全高效矿井建设时的工作面布置、综采 设备选型及辅助生产系统的优化在确保矿井生产安全的同时实现高效生产。 王峰[42]针对 皖北煤电集团任楼煤矿工作面长度多变的特点，通过在工作面设计、支架搬运技术等方 面进行优化改造，成功克服了工作面长度不等带来的各种困难，工作面持续推进。吕秋 林[43]对我国建设现代化矿井所需的生产装备发展趋势进行了分析，认为综采、综掘设备 及其配套设备的研发是应主要攻克的方向。胡炳南，赵雁斌等[44-45]针对我国现安全高效 矿井发展现状及主要存在问题，提出了进一步的改进方向和建议。 对放顶煤而言，良好的顶煤冒放性是其实现高效开采的关键，只有在充分破碎的情 况下，顶煤才能顺利下放，因此，准确的预测顶煤破碎程度对综放工作面高效开采具有 重大意义。众多学者在致裂效果预测方面成果显著。 在爆破效果预测方面， 谢和平院士等众多学者主要利用分形理论[46-49]手段进行了研 究，获得了单位炸药消耗量 q 与分形维数及块度的关系；王家臣等[50]基于泊松圆盘模型 和拓扑学理论，构建了预测顶煤破碎程度的三维模型，对爆破前后顶煤破裂程度进行了 预测，对比分析了预爆破效果。张宪堂等[51]创建了包含损伤变量的爆破块度分布的理论 模型，并采用数值模拟方法和实验方法对爆破后快度的分布进行了验证。冯兴隆，张力 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 民等[52-53]通过研究以往预测爆破块度的方法存在的缺陷， 提出采用能自主预判块煤率的 数值流形方法。实际生产中，顶煤爆破后其块度大小是受多种因素影响的复杂问题，很 难建立纯粹的数学模型或数值模型对其进行准确预测。 人工神经网络以其能够实现高度 非线性映射的特点为解决这些复杂的关系提供了可能[54-55]。祝文化，汪学清等[56-57]基于 神经网络手段建立了爆破块度的预测网络模型， 并通过与其他预测方法的结果对比得出 神经网络在爆破块度预测方面具有较高的可靠性高， 同时在预测时可通过对样本进行归 一化处理提高预测结果的准确性。梁富生[58]分析了煤体破碎程度与采深、煤体强度及裂 隙发育程度关系，并提出了基于这三个因素的顶煤可放性的评价准则。 在安全高效矿井建设应用方面， 国外主要采煤国家及我国经过多年的发展已取得了 巨大的成就。 国外各主要采煤国家从 80 年代相继开始建设安全高效的现代化矿井，并指出一井 一面的安全高效矿井是今后矿井发展的主要方向。从 90 年代开始，随着采煤综合化程 度的提高，在各主要采煤国之间，安全高效矿井的生产记录不断被刷新[59-60]。到 1995 年，先进采煤国的工作面综合化程度已达到或接近 100，综掘化程度在 90以上。经 过多年发展，国外建成了一批大型现代化矿井，具有代表性的如英国塞尔比矿、苏联的 拉斯巴德斯卡娅矿、波兰的皮亚斯特矿、西德的瓦尔朱姆矿，年产量均接近或达到 1000 万 t[61]。近 10 年来，国外在煤炭安全高效及可持续开采方面取得了重要进展[62-64]，广泛 应用机电一体化技术、自动化技术和计算机技术[65-67]，矿井自动化水平进一步提高，实 现了矿井生产过程的自动化控制， 为矿井安全高效开采及集约化生产提供了先进的技术 支持。通过研发生产能力强、性能优越的生产技术装备，使工作面生产安全得到进一步 保障。这些矿井主要有以下特点 （1）矿井开采多为近水平煤层，开采技术条件优良 （2）生产高度集中，大多为一井一面开采模式。 （3）工作面采用大功率重型成套设备。 （4）工作面长度大，平均长度 2000 多米，最长可达 5000 多米。 （5）工作面生产设备性能可靠，开机率达 90以上。 （6）工作面设备配套合理。 （7）矿井生产综合自动化程度高，安全设施好。 国内安全高效矿井的建设起步较晚，但经过多年的不懈努力，成就瞩目。我国煤炭 工业从上世纪 80 年代发展迅速，尤其是在综采方面。1979 年到 1987 年，我国煤矿综采 程度从 6.36提升至 29.06，到 1992 年综采程度达到 41.07，到 2002 年，我国综合 机械化采煤程度达到 62.98，相比 1922 年提高了 21.91。随着综采技术的不断发展及 矿井综采程度不断提高，在此基础上，有条件的矿井开始着力建设发展安全高效矿井。 1994 年，煤炭工业部将实现安全高效作为矿井发展的目标。到 2001 年，我国安全高效 万方数据 1 绪论 5 矿井的建设取得初步成果， 全国有 100 处矿井完成安全高效建设， 共生产原煤 2.38 亿 t， 占全国重点煤矿原煤生产总量的近 40，两年后，全国新增安全高效矿井 29 座，煤炭 资源开发率进一步提升。到 2004 年全国建成 6 个千万吨级的安全高效生产矿井，并有 两个矿井实现了年产原煤1000万t的综采工作面的建设， 其生产技术达到国际先进水平， 到2005年， 全国197处安全高效矿井共生产原煤6.4亿吨， 占全国原煤生产总量的30， 平均原煤工效 17.543 吨/工，开采效率大幅度提高，平均每矿盈利 1.58 亿元，百万吨死 亡率为 0.045，经济效益指标和安全指标接近或达到世界先进水平[68]。2007 年验收通过 了我国第一台高性能的安全高效综合机械采煤超重型成套装备， 其主要技术指标达到国 际同类装备的先进水平，这是我国煤炭工业发展安全高效开采的重大突破。2008年，我 国从山西开始实行煤炭资源整合，之后陆续向其它主要采煤省份进行推广，我国煤炭资 源整合力度进一步加大，在全国范围内形成 14 个亿吨级的特大型煤炭基地。经过多年 的发展和不懈努力，我国安全高效矿井的建设成果显著，部分矿井开采已达到国际领先 水平。 综上所述，在安全高效矿井内涵、开发模式及煤体弱化效果评估研究方面众多专家 学者做了大量研究，成果丰硕。我国及国外主要采煤国家在安全高效矿井建设方面也取 得了显著成就，但主要集中在地质条件较好的煤层，在急倾斜煤层高效开采方面的研究 较少。 1.3 本文主要研究内容及研究目标 1.3.1 论文研究内容 （1）通过现场调研、理论分析等手段，对影响乌东煤矿四矿联合与高效开采的影 响因素进行分析，掌握乌东煤矿所具有的基础条件及其制约因素。 （2）针对乌东煤矿开采时面临的困难，分析总结乌东煤矿四矿联合与高效开采的 实现途径，并总结其特点。 （3）利用模糊综合评价、神经网络等方法对乌东煤矿四矿联合与高效开采实现的 关键技术进行评价及优化。 （4）通过现场实测手段，对其关键技术实施效果进行验证，并用运模糊评价手段 对乌东煤矿开采效果进行评价。 1.3.2 论文研究目标 以乌东煤矿急斜煤层四矿联合与高效开采为研究背景，剖析影响乌东煤矿实现安全 高效开采的制约因素，分析总结乌东煤矿实现四矿联合与高效开采的实现途径，并对其 进行评价优化，并应用于现场，为乌东煤矿进一步发展提供科学依据，也可为相似条件 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 下安全高效矿井的建设提供理论指导。 1.4 论文研究方案及技术路线 1.4.1 研究方案 深入乌东煤矿展开现场实地调研，收集论文研究所需相关资料，为后期工作打下可 靠基础，了解掌握影响乌东煤矿实现四矿联合与高效开采的制约因素；通过现场调研和 工程类比等手段，分析总结出乌东开采的实现途径；运用模糊综合评价法、BP 神经网 络手段对乌东煤矿实现安全高效的关键技术进行评价优化， 并通过现场实测等手段对其 现场实施效果进行验证， 最后运用模糊综合评价法对乌东煤矿四矿联合与高效开采效果 做出综合评价。 1.4.2 技术路线 针对乌东煤矿四矿联合与高效开采，采用工程调研、理论分析、现场监测等手段分 析乌东煤矿四矿联合与高效开采制约因素、 实现途径， 并对其关键技术进行评价和优化， 并进行现场应用及效果验证，分析总结其开采效果。技术路线如下 图 1.1 技术路线 万方数据 2 乌东煤矿四矿与联合的高效开采影响因素分析 7 2 乌东煤矿四矿联合与高效开采影响因素分析 乌东煤矿四矿联合与高效开采的实现， 不仅受矿区地质条件、 生产技术条件的影响， 同时也与煤炭行业发展形势、政策法规等大环境因素息息相关。对乌东煤矿四矿联合与 高效开采制约因素条件进行分析，掌握乌东煤矿拥有的基础保障条件，分析乌东矿区急 斜煤层开采面临的困难，为后续分析研究乌东煤矿开采实现途径奠定基础。 2.1 开采技术条件 2.1.1 地质条件 乌东矿区开采煤层分布于八道湾向斜南、北两翼，含煤地层均为中侏罗统的西山窑 组。北采区位于八道湾向斜北翼，煤层倾角在 43-57 之间，结构较简单。南采区和西采 区位于八道湾向斜南翼，煤层倾角在 79-88 之间。矿区内已知断裂构造对煤层造成的破 坏较小。 a地质构造环境 b断层分布形态 图 2.1 乌东矿区地质条件 乌东煤矿北采区主采煤层平均倾角 45 ，南采区与西采区开采同一煤系，煤层倾角 平均 87 ， 均属急斜煤层。 由于乌东煤矿急斜煤层在形成过程中， 受地质活动影响剧烈， 导致其赋存条件复杂多变，乌东煤矿在开采过程中面临着诸多限制。 图 2.2 乌东煤矿煤层赋存特征 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 8 （1）工作面长度受限制 急斜煤层产状复杂，煤层倾角大，在采用水平分段放顶煤开采时，工作面的布置一 般沿着煤层倾向，受煤层厚度的限制，工作面长度短，严重制约着工作面的回采效率， 但又难以通过增加工作面长度来提高回采效率，因此，合理有效的解决乌东煤矿工作面 长度短带来的限制至关重要。 （2）动力灾害频发 乌东煤矿在开采过程中多次发生强煤岩冲击事件，以南采区尤为突出，使矿井生产 人员及设备面临巨大的安全隐患，制约着乌东煤矿四矿联合与高效开采的实现。因此， 必须合理解决乌东煤矿的动力灾害问题，实现对矿井煤岩冲击性的全方位监测，为安全 高效矿井的建设与生产提供保障。 表表 2.1 历史冲击事件描述历史冲击事件描述 序号 发生时间 发生地点 显现情况描述 1 2013年2月 27 日 南采区 500 水平 B3-6工作面 B3巷顶板下沉量达 300mm，底鼓 100mm，串车掉道，巷道变形 严重，宽仅 2.7m；B6巷工作面超前 75m范围巷道变形最为严重， 南邦帮鼓 600mm，底鼓 640面貌，20m长皮带被掀翻，巷道 50m 处高仅 1.9m，变形严重。 2 2015年3月 13 日 南采区 475 水平 B3-6工作面 综采面煤壁出现片帮，片帮量 200-300mm；工作面端头之间南后 立柱、工作面 2支架前后立柱弯曲，4和 6支架泄压，安全阀动 作；B3 巷 1920-1950m 范围内巷道北帮肩角下沉，下沉量达 300mm，U 型钢棚收缩，收缩量达 200mm；1950m 至工作面范围 内， 巷道南帮肩部下沉， 最大下沉量 400mm， 最小下沉量 200mm。 3 2016 年 11 月 24 日 西采区 450 水平 B3-6工作面 B6 巷皮带侧移、南帮风管和水管摔落，北帮帮鼓量 300mm，防 爆水袋翻落，南帮 2008-2025m 范围内帮鼓量最大达 500mm，底 鼓 400mm，超前支护单体支柱弯曲，联合支护顶梁脱落。转载机 掉道；1978m 处联络煤门风门反向，变形严重。 （a）B6巷道变形严重 （b）B3巷道变形严重 图 2.3