东保卫矿煤层地质条件开采工艺性评价与预测.pdf

中图分类号 U D C T D ．0 5 6 2 2 学校代码 Q 2 1 窆 密级公珏 黑龙江科技大学 I Y I l l l m l 2 l l l I I l 5 I I I I I l l I I I I4 2 6 3 J 删卿删舢舢删舢删舢删 硕士学位论文 东保卫矿煤层地质条件开采工艺性 评价与预测 E V A L U A T I O NA N DP R E D I C T I O N 0 F T H ED O N GB A O W E lC O A L G E O L O G I C A LC O N D l T I O N S T O M INGlNGT E CHNO L O G Y 作者 姜渔蝰 申请学位王堂亟 学科专业苤芷王猩 答辩委员会主席量渔逦 导师堕渔速 培养单位童沤皇巫墟王猩堂随 研究方向芷些丕统工程 评阅人室 丞童 二。一三年六月 学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，论文的公布 包括刊登 授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 。 作者签名荔剜甑节 油牌6 窍小 导师签名 降趁矽 加5 年石月f 7 日 论文审阅认定书 研究生姜海峰在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我的指 导下独立完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结 构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作 为学位申请论文送专家评审。 导师签名 弘褪幻 ≯乃年6 月f7 日 致谢 本论文是在导师陈海波副教授的悉心指导下完成的。在三年的研究生学习期 间，陈老师在学习上给予了我精心的指导；在生活上给予了我无微不至的关怀和 照顾。导师在论文的选题、研究方法、撰写与修改等各个方面都倾注了大量的心 血和精力。特别是他在生活和工作中所表现出的高尚品德、渊博知识、精益求精 的科研作风，兢兢业业的工作精神深深感染和鞭策着我，使我受益匪浅。正是导 师及时的启发、帮助与鼓励，才使得论文得以顺利完成。 师恩似海，在此谨向我最尊敬的导师致以我最衷心的感谢和最诚挚的敬意。 感谢黑龙江科技大学资源与环境工程学院院长孙广义教授、采矿教研室的刘 永立教授、肖福坤教授、路占元教授、康健副教授及矿业研究院的胡刚教授，他 们在我论文的撰写过程中提出了很多的宝贵意见，并给予了热心的指导。 感谢我的班主任董春游教授及研究生院全体老师在学习、工作和生活中给予 我的支持和帮助。 感谢我的同学傅知勇、杨虎、徐京狄、王晓波、柏兴明、张纯洁、郭志泉等 在我论文的写作期间对我的帮助。 最后，衷心地感谢我的父母，感谢2 0 多年来对我的培育和关怀，用他们勤 劳的双手托起我的大学之路，用他们的辛劳换做我今天的成功。感谢我的亲人和 朋友，正是你们无私的帮助和关心才使我在求学过程中少了很多忧虑。 在论文撰写过程中，参阅了大量的文献资料，在参考文献中已将作者列出， 但难免保证没有遗漏，在此，向所有的作者表示衷心感谢 感谢各位专家在百忙之中评阅本文 感谢曾经关心、支持、帮助过我的所有人们 摘要 煤层地质条件是矿井生产的依据和基础，对建设安全高效矿井产生直接的影 响。在进行开采工作之前，要根据该矿区的地质条件对开采区域进行规划，并且 确定合理的开采工艺方式。 本文首先介绍了煤层地质条件与工作面开采工艺选择的发展历程，以及国内 外煤层地质条件的评价方法和进展情况，然后以地质因素对开采工艺的影响规律 为依据，对东保卫煤矿进行数据采集，根据该矿的工作面煤层地质条件及开采工 艺方式进行分析，确定出影响开采工艺的地质条件因素；其次应用集对分析理论 对煤层地质条件影响下的开采方式进行评价，评价过程中考虑到各地质因素对评 价体系的影响程度不同，应用层次分析法确定各因素的权重，采用两种方法相结 合的评价体系评判出工作面煤层对选用综采、高档普采和采用滑移支架普采工作 面的适宜度；最后以集对分析方法的评价结果作为实验数据，应用人工神经网络 理论建立网络预测模型，以M a t l a b 软件为平台展示了模型的构成体系，并对该 模型的准确性进行验证。通过该网络模型，对东保卫煤矿的4 个工作面煤层地质 条件下的开采工艺方式的选择作出了预测，经煤矿实际生产后，取得了良好的经 济效果。 网络 该论文有图1 8 幅，表格2 1 个，选用参考文献4 8 篇。 关键词煤层地质条件；开采工艺；集对分析理论；层次分析法；B P 神经 A b s t r a c t T h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fc o a ls e a mi st h eb a s i sa n df o u n d a t i o no ft h em i n e p r o d u c t i o n ，a n dt h e yh a v ead i r e c ti m p a c to nt h ec o n s t r u c t i o no fs a f ea n de f f i c i e n t m i n e ．B e f o r em i n i n gw o r k ，w es h o u l dp l a nt h em i n i n ga r e aa c c o r d i n gt ot h e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h em i n e ，a n dd e t e r m i n ear e a s o n a b l em i n i n gp r o c e s s ． T h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s o fc o a ls e a m sa n dt h es e l e c t i n ge x t r a c t i o nt e c h n o l o g yo fw o r k i n gf a c ei nm i n e ，a sw e l l a st h ee v a l u a t i o nm e t h o d sa n dt h ep r o g r e s so ft h ec o a ls e a mg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa t h o m ea n da b r o a d ．A n dt h e nb e i n gb a s e do nt h ei n f l u e n c eo fg e o l o g i c a lf a c t o r so nt h e m i n i n gt e c h n o l o g y ，a f t e rm a k i n gal o t o fd a t as u r v e y ，B ya n a l y z i n gt h es t o p e s g e o l o g i cc o n d i t i o n so fD o n gB a o w e im i n ea n dt h ew a y o fc o a lm i n i n gt e c h n o l o g y ，i n t h ep o r p u s eo ff i n d i n gt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h em i n i n g t e c h n o l o g y , a n dt h e nd e s c r i b et h eb a s i cp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o nm e t h o do fs e tp a i r a n a l y s i s ．a n dC o n s i d e rv a r i o u sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sf a c t o r sf o rd i f f e r e n te f f e c t so f t h e e v a l u a t i o ns y s t e m ，a p p l i c a t i o no fA H Pd e t e r m i n et h ew e i g h t so ft h ev a r i o u s f a c t o r s ，e v a l u a t i o ns y s t e mu s i n gac o m b i n a t i o no ft w om e t h o d sj u d g eo u tC o a lS e a m o nt h es e l e c t i o no ff u l l ym e c h a n i z e dc o a lm i n i n g ，h i g h - e n dg e n e r a lm i n i n ga n ds l i p b r a c k e tC o m m o nW o r k i n gF a c es u i t a b i l i t y ；F i n a l l yu s i n gr e s u l t so ft h ee v a l u a t i o na s t h ee x p e r i m e n t a ld a t as e to fa n a l y t i c a lm e t h o d s ，a d o p t i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h e o r yt oe s t a b l i s hn e t w o r kp r e d i c t i o nm o d a l ．M a t l a bs o f t w a r ef o rt h ep l a t f o r ms h o w s t h ec o m p o s i t i o no ft h em o d e ls y s t e m ，a n dc h e c k i n gt h ea c c u r a c yo ft h em o d e l ．B yt h e e v a l u a t i o ns y s t e mm o d e l ，m a k i n gp r e d i c t i o n sf o r4C o a lS e a mg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s o ft h em i n i n gp r o c e s ss e l e c t i o no fD o n gB a o w e iC o l l i e r y , a f t e rt h ea c t u a lp r o d u c t i o n a c h i e v e dg o o de c o n o m i cr e s u l t s ． K e y w o r d s c o a ls e a mg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ；m i n i n gt e c h n o l o g y ；s e tp a i ra n a l y s i s ； a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ；b a c kp r o p a g a t i o n I I 目录 摘j 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外发展的概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 国外发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 国内发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 论文的主要研究内容和框架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．2 研究框架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 开采工艺与煤层地质条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 2 ．1 煤层地质条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．I ．I 煤矿概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．2 煤层地质条件因素的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 开采工艺分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 评价方法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 煤层地质条件开采工艺性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 7 3 ．1 集对分析理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．1 集对分析基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．2 联系度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 3 ．1 ．3 集对分析计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 评价因素权重的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．1 层次分析法的原理及步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．2 煤层地质条件因素权重的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 应用实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 煤层地质条件开采工艺性预测模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 人工神经网络基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 I I I 4 ．2B P 神经网络⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 4 ．2 ．1B P 神经网络理论及其算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．2 ．2B P 网络基本设计理念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 4 ．3M a t l a b 工具箱简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 应用实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 ．1 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究的背景及意义 煤炭资源支撑着国民经济的发展，作为世界第一产煤大国，煤炭是我国的主 要能源，总产量占世界的3 7 ％。在我国一次性能源消费中，煤炭资源占消费总量 的6 9 ％。预计在未来相当长的时期内，仍处于我国能源结构中的主导地位。随着 工业经济增长方式的转变，煤炭用途的扩展也变得尤为重要。中华人民共和国 2 0 1 2 年国民经济和社会发展统计公报公开表示，2 0 1 2 年我国原煤产量完成3 6 ．5 亿吨，比上年增长3 ．8 ％1 1 1 ，这意味着我国的煤炭行业正在日新月异的发展中。 专家预测在未来相当长的一段时间内，煤炭行业依然是关乎国计民生的重要因 素。 安全高效煤矿的生产建设正逐步深入我国的煤炭生产事业中，随着生产管理 走向集中化，煤炭生产行业模式将逐渐转变为“一矿一面”的采矿模式。在矿井 生产建设过程中，回采工作面的产煤量和工作效率将是发展煤矿企业最基础的保 障。制约回采工作面产量的一个重要因素就是开采工艺方式的选择，开采工艺的 效果会根据工作面煤层地质赋存情况的不同而受到不同程度的影响【2 】。全方面地 了解准备开采的工作面地质条件，可以可靠地保障煤炭产量持续稳定的增长态势 并且使矿井开采过程更加安全。因此工作面煤层地质条件影响因素的相关分析和 理性评价，将会列入到矿井生产的必要程序之中。 考虑到多种地质因素非线性相互关联、相互作用的复杂关系，这些因素通过 它们之间的相互关系将构成一个整体对煤层开采产生影响。由于工作面煤层地质 条件要经过勘测和开采的过程，直到将工作面煤层开采完毕后才能获得对此工作 面详细确切的信息，然而却要在采煤工作开始之前对煤层地质条件因素进行评 价，依据评价结果的好坏来确定开采工艺方式。目前单凭借煤层勘探时所得到的 不完善信息进行评价，这在很大程度上会造成评价结果与现实数据的误差，所以 在评价方法上需要选择更加准确可信的评价方法，选择可行准确的评价方法将作 为煤层地质条件开采工艺性评价的重要转变。 煤层地质条件开采工艺性可以理解为在煤层开采过程中，选用的采煤工艺和 技术装备水平条件下对煤层开采的适应性。从人为观点可以认为煤层地质条件的 众多因素对所选择的采煤工艺的影响程度，从实际生产结果上，可以理解为对工 作面预期产量与实际产量的差额。煤层地质条件的开采工艺性评价，即是在各地 质因素对开采工艺影响规律的基础上，对评价对象的地质条件进行客观真实的评 价【3 】；在地质条件优劣程度与开采效果的基础上，对开采工艺的选择进行预测， 选择一种可提高工作面单产的评价理论体系，正确的引导开采工艺的选择，提高 硕士学位论文 对技术管理的科学性。 1 ．2 国内外发展的概况 一般而言，不同学科领域的专家对于煤层地质评价的侧重点和方式有所差 异，但在地质条件因素对开采工艺的选择上，专家已基本达成共识。由于煤层地 质条件评价是在地质条件的勘探基础之上进行评价，最后根据煤层开采的效果来 确定评价结果的准确性，强调地质与采矿的配合，从而达到两者在以开采为目的 的一致性，因此须广泛吸收和借鉴基于不同技术路线的评价理论与方法[ 3 】。 1 。2 ．1 国外发展概况 前苏联对工作面地质条件评价上采用了积分评价的方法，其方法原理主要是 通过整理分析若干个工作面的地质条件因素，将各工作面地质因素最优值设定为 理想值，计算出各工作面因素的评价值，再通过综合加权的计算方法确定相对偏 差最小者为地质条件最优的工作面，其实质是将各个工作面的地质条件做对比， 并不是统一的评价；此外，还有一种通过采煤设备有效利用程度而进行评价的方 法，该方法在结合井田地质条件的基础上，罗列出影响综采开采效率的地质条件， 然后将各工作面地质条件按照优越程度进行分级，并赋予每一级别相应的指数， 通过指数之和的大小来评价对综采设备的有效利用度【4 】。八十年代初期，前苏联 基于统计回归法推算出断层影响系数与顶板稳定性对采煤工作面技术经济指标 影响程度的回归方程，对地质因素评价集中的各项指标定量分析，应用这一方法， 对乌克兰矿区所属煤矿进行指标预算，并提出不同地质破坏程度下综采面的合理 改进方法；数学地质方法，是采用数理统计的方法与理论对地质资料数据特征进 行统计分析，主要对煤层赋存特性进行规律统计[ 5 ．6 】。前苏联采用了煤层变异系 数，，和可采性指数占做为判断煤层稳定性的评价标准，用概率论分析煤层厚度的 分布情况以及煤层厚度与煤炭储量的相互关系，对开采设备的选型及工作面单产 效益的提高有重要意义[ 7 1 。 联邦德国的地质学和采矿学专家使用构造指数法来评价煤层地质条件的复 杂程度，该方法是通过分析区域构造应力的基础上推断出应力所作用的方向，然 后按照结构组成方式、构造级次与规模大小，按降幂顺序对各地质区域赋予对应 的构造指数，根据指数的大小来评价该地质块段的构造复杂程度。并在鲁尔矿区 采用构造成因解析法统计地质数据，判断工作面前方断层的构造情况，受到了煤 炭企业人员的热力推崇[ 8 ] o 2 0 世纪9 0 年代，人工神经网络技术在国外被广泛应用，E C l a r i c i 和D ．B ．O w e n 等人通过建立神经网络模型对各勘探区域地质信息进行预测，得到的预测数据与 实际勘探数据己极为吻合，相比于传统的地质统计学方法有了进一步的提高[ 9 】。 2 l 绪论 储量评估法在国外煤矿开采评价中占有重要地位，使用的理论方法在不断进 步，已经从基于数学理论的统计学向人工智能方向发展，较有代表性的例如通过 建立人工神经网络理论与专家系统相结合的模型体系，对煤层地质条件进行评价 和预N ．o l 。 1 ．2 ．2 国内发展概况 煤层地质条件评价体系在我国已经发展的比较成熟，根据其评价方向主要分 三个层面，一是关于煤矿地质条件评价因素的单项指标评价体系，．一- - 是对综合机 械化开采方法与地质条件的适宜性评价；三是结合整个采煤系统的综合评价，主 要包含了工作面煤层地质条件开采工艺性评价、高产高效开采模式类别选择以及 安全高效开采的新技术等。评价方法主要有层次分析法、等性块段指数法、模糊 综合评价法、人工神经网络法等，这些方法在采矿领域已经被广泛应用，但近些 年才提出的灰色系统分析法和集对分析法，并没有普及，还在不断发展和探索中。 在进行定量定性方法选择时，根据评价单元的性质选择合适的评价方法，使矿井 开采工艺性问题的解决更科学化、合理化。下面主要介绍下国内近年来对煤层地 质条件评价的方法。 层次分析法。这种方法通过把评价目标层次化，一般将复杂的系统分解成三 个层次，分别为目标层、准则层、方案层，构建成一个多层次的分析模型。在此 基础上通过评价单元两两对比的方式，判断每层次中各单元的相对重要程度进而 确定目标权重。层次分析法是一种定性和定量相结合的、系统化分析方法。煤炭 科学院的王煦曾、李恒堂等人建立了矿区资源与开发建设条件的优劣程度层次模 型，将层次分析法应用到煤炭经济建设体系当中【1 1 】。朱川曲、李成端和李之蜀运 用层次分析法对急倾斜煤层的开采方法选择问题上进行了分析和评价[ 1 2 】。 等性块段指数法。该方法是二十世纪九十年代由中国地质大学煤田教研室创 立的研究方法，“等性块段”是指地质特征相似的经济地质体，常用于划分煤田 采区以及采用不同采煤工艺方式工作面的基本单元。它由“煤层等性块段”和“构 造等性块段”共同构成。该方法在评价煤层地质条件时，先将各地质因素对煤层 构造影响的差异度，按由大N d , 的等级排成序列，通过各差异度指数相迭加后的 总差异系数，分别从煤层稳定性和构造复杂性两个方向对矿井开采地质条件评 价，应用评价结果对区段进行分类，为选择各地质条件下的最优采煤系统提出合 理的建议。朱新平通过采用等性块段指数法对矿井地质条件进行了分类【1 3 】，宁喜 文、王玉民等人通过运用等性块段指数法对影响综采工艺的地质条件因素作出了 综合评价【l4 1 。 灰色系统分析法。该理论是在上世纪八十年代由中国华中理工大学邓聚龙教 授创建的有效处理灰色系统评估、预测等不等性问题的研究方法。灰色系统是根 硕士学位论文 据系统中各因素的“颜色”命名的，“自”即为对系统确定性因素的概括，“黑” 为对系统未知信息的表示方式，即可理解“灰”代表着不定性信息的部分。运用 该理论方法的前提是需要对评价整体有充分的认识，但由于目前煤层地质条件的 评价指标还没有系统性的划分基准，所以灰色系统理论在煤矿行业的应用还需要 进一步开发研究。陈芳、牛国军等人利用灰色系统理论，对煤矿塌陷区域的沉降 做了预测【1 5 】。 集对分析理论。该理论是一种新兴的分析和处理不确定信息的方法，逐渐被 学术界所重视，已经在很多领域取得了较为成功的应用效果，它是在两个集合具 有一定相关联系性的条件上，建立两个集合之间的联系度表达式，通过分析联系 度的表达式来确定联系度的大小，从而得出前一集合中各综合指标对后一集合的 影响程度。彭飞将集对分析引入模糊、灰色物元空间 F H W 决策支持系统中， 建立了基于集对分析和模糊、灰色物元空间决策支持系统的方案评价决策方法 【1 6 ] 。蒋复量，周科平等人将集对分析理论 S P A 用于石膏矿的地质环境影响评 价中，对1 2 个矿山的2 0 个开采区域进行了计算并与已有的矿山地质环境影响评 估报告进行了对比分析，证明了集对分析适合于煤矿环境影响的评价体系，为矿 山地质环境评价及矿山安全管理工作提供了一条新途径【1 7 ] 。万善福，蒋仲安等人， 应用集对分析方法对矿井的通风系统进行了评价，确定了各通风系统的风险级别 【1 8 ] 。 人工神经网络是近年来专家学者研究的热点之一。人工神经网络 A r t i f i c i a l N e u r a lN e t w o r k ，A 1 州 是一种模仿人脑分析判断问题时脑组织结构的分析过程， 来对问题系统进行处理的网络建模体系。是由大量的神经元相互连接而成，并根 据评价因素的个数和评价结果，确定输入输出的神经元个数，通过调节神经元相 互连接的权值和阈值来调整网络对评价问题的适应程度，直到网络达到稳定的状 态后，模型才建立成功。目前通过M a t l a b 神经网络工具箱就可以实现建模。中 国矿业大学的吕文玉，李伟明等将人工神经网络系统应用到开采方法的研究中， 通过B P 神经网络的自适应学习能力训练网络模型，预测出适宜的开采方法[ 1 9 ] 。 北京科技大学资源工程学院的谢贤平，分析了人工神经网络方法在采矿工程中的 可行性，并对神经网络的研究与发展进行了展望[ 2 0 】。煤炭科学研究总院的李淑艳、 张东旭将B P 神经网络方法引用到工作面煤层地质条件开采工艺性评价中，构建 了基于人工神经元网络的工作面煤层地质条件开采工艺性评价模型[ 2 1 1 。但这些研 究并没有考虑到评价因素中的不确定性 即系统的模糊性 ，采用其它评价方法 与神经网络理论相结合的评价方式，将会使评价模型更加准确。 在评价预测体系中，对评价因素的选择上根据评价指标的变化规律不同，各 指标对它们所构成的整体影响效果也不相同，使得某些模糊因素可以量化，而一 4 1 绪论 些不可量化的数据只能进行定性的分析，因此将定量与定性分析相结合的评价方 法已经越来越收到各领域学者的重视。对定量定性相混合的问题处理是评价领域 所面临的重要问题，根据目前评价方法的发展上来看，人工智能方法已经从理论 研究走向实际应用当中。 由于地质条件评价系统中各地质因素的复杂性，以上总结的方法在实际处理 问题时还有一定的限制性，例如层次分析法在评价因素权重的确定上，需通过评 价者的经验构造判断矩阵来进行计算，这在很大程度上影响了定性问题数据的评 价结果；矿业系统工程领域中常用的B P 神经网络也存在着收敛速度缓慢、局部 变化容易产生极小值、难以处理矛盾样本的问题，同时需要提供具有相似规律的 大量数据，才能构建可靠的网络模型；集对分析方法在确定不确定系统中，对中 间因素的归属趋向还不能进行更细致的分析。因此许多专家学者通过将评价方法 的相互借鉴，应用两种或多种评价方法做为一个评价研究体系对地质条件进行评 价。如贵州工业大学的张清明和刘勇通过模糊推理与专家系统想结合，建立了矿 井开采工艺性评价的专家系统，并已经在贵州中岭矿井的地质条件评价项目中开 展了实际应用[ 2 2 ] ；中国矿业大学的郑晓明等人在对开采方法的选择上使用了模糊 综合评价法与层次分析法相结合的方法，克服了传统统计学和模糊数学方法的局 限性，取得了良好的效果[ 2 3 】；多种评价方法相互结合的应用实例还很多，在此不 一一例举。本文通过运用集对分析法与层次分析法相结合的评价体系对煤层开采 方式进行评价，既考虑到各地质条件因素对开采方式的影响，又将其作为一个系 统整体进行评价分析，并将该评价体系与人工神经网络原理联系起来，构建煤层 开采方式预测模型，提高模型的精确性。 1 ．3 论文的主要研究内容和框架 1 ．3 ．1 研究内容 选择适宜的开采工艺是决定工作面安全高效生产的重要条件，因此在确定合 理的开采工艺之前对煤层地质条件的评价就显得尤为重要，但由于每种评价方法 都有它的不足之处，所以采用两种或多种评价方法相结合的评价理念，才能对工 作面开采工艺作出合理的评价与预测。本文主要对以下几个方面进行了详细研 究。 1 结合龙煤集团双鸭山分公司东保卫矿的矿井现状，分析选择该煤矿对 与开采方式影响的各地质因素，介绍了东保卫矿的三种采煤工作面的开采工艺情 况，选取了影响程度偏大的1 1 个指标作为开采工艺选择的影响因素，并根据实 际情况确定该矿的地质指标评价优劣特征值，根据选择评价方法时遵循的几项原 则，选择适宜的评价方法。 硕士学位论文 2 通过研究集对分析理论的基本原理，将东保卫煤矿煤层地质条件因素 与开采工艺方式构成一个集合整体，应用层次分析法，确定了各影响因素的权重， 根据评价指标优劣程度的特征值建立该矿区2 0 个工作面的指标评价结果图，将 集对分析理论与层次分析法相结合，最终确定集对分析中联系度的表达式。根据 表达式中所反映的同异反理论知识，进而得出各工作面的评价结果。 3 依据人工神经网络的工作原理，以及B P 神经网络的建模过程，通过 M a t l a b 神经网络工具箱中的图形用户界面，建立东保卫矿煤层地质条件开采工艺 性评价预测模型，将工作面的地质条件做为输入数据，集对分析理论得出的评价 结果做为输出数据，构建网络模型，本文选取了东保卫矿2 0 个工作面地质数据 做为输入样本，并将训练好的网络模型对东保卫矿四个工作面进行开采工艺性预 测，确定其合理的开采工艺方式。 1 ．3 ．2 研究框架 该论文的研究框架如图1 ．1 所示。 煤层地质条件开采工艺性评价与预测 煤层地质条件因素的选择 因素权重 开采工艺方式分类 层次分析法 构成集对 集对分析理论 评价结果 B P 神经网络预测模型建立 实际应用 图1 1 系统研究框架图 F i g u r e1 - 1S y s t e m sr e s e a r c hf r a m e w o r kF i g u r e 6 2 开采工艺与煤层地质条件分析 2 开采工艺与煤层地质条件分析 2 ．1 煤层地质条件分析 2 ．1 ．1 煤矿概况 黑龙江龙煤矿业集团双鸭山分公司东保卫煤矿位于宝山、七星两煤矿之间， 距双鸭山市东3 5k m ，地理座标东经1 3 1 。2 67 ～1 3 1 。3 47 ，北纬4 6 。2 9 ’～ 4 6 。3 27 之间[ 2 4 ] 。该煤矿属双鸭山煤田，西起第3 勘探线，东至F1 3 断层 七 星煤矿西部境界断裂 ，南止煤层．7 0 0 标高，北达煤系地层基盘。东西走向长9 ．2 k m ，南北倾向平均宽3 ．3k m ，全区面积3 0 ．3 6k m 2 。 东保卫煤矿于1 9 8 3 年1 2 月开始筹建，1 9 8 6 年6 月投产，设计能力6 0 万t ／a ， 2 0 0 5 年矿井生产能力为8 0 万t ／a 。现有职工3 5 2 4 人，其中采掘工7 8 8 人，辅助 工1 4 4 5 人，工程技术和管理人员3 2 0 人，其他人员9 7 1 人。本井田有可采和局 部可采1 4 层，自上而下为1 0 、3 0 、3 6 、3 8 、4 1 、7 0 、7 8 、7 9 、8 0 上、8 0 、8 9 、 9 0 、1 0 6 上、1 0 6 中。东保卫煤矿所采各层属低硫低磷，中低灰分，煤种以气煤 为主，发热量一般在5 0 0 0 ～7 0 0 0k ／g 。 截止2 0 1 0 年末矿井地质储量为1 0 5 5 7 ．9 万t ，其中可采储量6 9 7 7 万t ，保护 煤柱量3 5 8 0 ．9 万t 。 1 ．可采储量按煤层厚度划分煤层厚度在0 ．7 ～1 ．0m 之间的煤炭资源储量为 2 6 2 8 ．1 万t 、占可采储量比例为3 7 ．7 ％；煤层厚度在1 ．0 ～1 ．3m 之间的煤炭资源 储量为1 3 3 7 ．0 万t 、占可采储量比例为1 9 ．2 ％；煤层厚度在1 ．3 ～3 ．5m 之间的煤 层资源储量为3 0 4 1 ．9 万t 、占可采储量比例为4 3 ．6 ％。 2 ．可采储量接倾角划分煤层倾角在小于2 5 。的煤炭资源储量为4 2 3 2 ．6 万 吨、占可采储量比例为6 0 ．7 ％；煤层倾角在2 5 。“ - 一3 5 。之间的煤炭资源储量为 1 8 3 4 ．5 万吨、占可采储量比例为2 6 ．3 ％；煤层倾角大于3 5 。的煤炭资源储量为 9 0 9 ．9 万吨、占可采储量比例为1 3 ．O ％。 东保卫矿属低瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量为1 9 ．3 1 9m 3 ／m i l l ，相对涌出量为 9 ．5 8 2m V t 。矿井正常涌水量为5 3 5m 3 ／h ，最大涌水量为5 6 0r n 3 ／h 。 矿井开拓方式为斜井开拓，分两个水平上下山回采，水平分界标高为．3 7 0m 。 一水平划分为四个采区，自东向西分别为三采区、一采区、二采区、四采区，主 要生产系统布置在一2 0 0m 标高。二水平划分五个采区，自东向西分别为三采区、 一采区、二采区、四采区、五采区，主要生产系统布置在．5 0 0m 标高。现生产 采区为一水平三采区 主要回采3 0 、3 6 、4 1 层 ，一水平二采区 主要回采7 8 层 、二水平一采区上山区 主要回采3 6 、4 1 、7 8 层 。 硕士学位论文 东保卫矿有采煤工作面三个，其中一个大倾角综采工作面、一个滑移支架工 作面和一个高档普采工作面。下面分别介绍三种采煤工艺在工作面的作业情况 1 大倾角综采工作面 在工