急倾斜煤层可采工艺性评价及应用研究.pdf

第36卷 第3期 中国矿业大学学报 Vol. 36No. 3 2007年5月 Journal of China University of Mining 国家重点基础研究发展规划973项目2002CB412705 作者简介张小兵,19702 , 男,山西省怀仁县人,博士研究生,从事矿业系统工程和采矿工艺方面的研究. E2mail zxbhzf Tel 13691241181 文章编号10002196420070320381205 急倾斜煤层可采工艺性评价及应用研究 张小兵1,王忠强1,张伟2,王忠武2,张瑞新1,张先尘1,刘煜1 1. 中国矿业大学 资源与安全工程学院,北京 100083 ; 2.北京昊华能源股份有限公司 大台煤矿,北京 102304 摘要为了预测急倾斜煤层开采的效果和决策辅助技术,对急倾斜煤层可采工艺性进行综合评 价.在急倾斜煤层开采工业性试验及开采实践的经验和统计数据分析的基础上,建立了适合急倾 斜煤层地质条件开采工艺性块段评价的层次结构,影响急倾斜煤层开采的复合因素有8个,基元 因素13个;运用多指标综合评价方法和模糊数学原理,构造了急倾斜煤层可采工艺性影响因素 的评价函数,建立了模糊综合评价模型.用该模型对京煤集团大台煤矿289个工作面进行了评价 计算,并且根据工作面块段的评价值对工作面单产进行了预测,结果表明,工作面中1级27个, 占9. 34 ;2级87个,占30. 1 ;3级112个,占38. 75 ;4级63个,占21. 8 。评价结果与开 采结果基本相吻合. 关键词急倾斜煤层;可采性;模糊综合评价 中图分类号 TD 823. 213文献标识码 A Study of Geological and Technologic uation for Steeply Inclined Coal Seams ZHANG Xiao2bing1, WANG Zhong2qiang1, ZHANG Wei2, WANG Zhong2wu2, ZHANG Rui2xin1, ZHANG Xian2chen1, LIU Yu1 1. School of Resources and Safety Engineering , China University of Mining 2. Datai Coal Mine , Beijing Haohua Energy Resource Co. Ltd , Beijing 102304 , China Abstract In order to predict the mining effect and choice the technical decision , the comprehen2 sive uation on steep coal seams was taken. Based on the technical test , mining practice and the analysis of statistic data , the hierarchical structure of uation about steeply inclined coal seam was obtained. In the structure , there are 8 multiple factors , which can divide 13 funda2 mental factors.Using the of comprehensive uation with multi2index and fuzzy mathematics , the uation functions of the influencing factors are structured , and the model of fuzzy uation is proposed. 289 mining faces in Datai mine were uated using this mod2 el , and the single outputs of these faces were predicted. The result shows that the number of mining faces in the first class is 27 , covering 9. 43 of the total , the number of the second class is 87 , covering 30. 1 of the total , the number of the third class is 112 , covering 38. 75 ,and the number of the forth class is 63 , covering 21. 8 . The uation and the real2 ity are uni largely. Key words steep coal seam ; exploitability ; fuzzy comprehensive uation 中国矿业大学学报 第36卷 煤层倾角大于45 的煤层称为急倾斜煤层[1]. 我国开采急倾斜煤层的产量比重不大,但开采急倾 斜煤层的矿井甚多.据统计,国有重点煤矿开采急 倾斜煤层的矿井数占17 ,产量占3. 88 [2].地方 煤矿中急倾斜煤层的产量比重还要大些.然而不同 的矿井、 不同的工作面所取得的效果有较大差异. 究其原因,一方面是由于煤层赋存条件、 煤岩性质 等客观因素的影响;另一方面是由于开采工艺参数 的选择、 设备的选型及可靠性、 管理水平等主观因 素的影响.前者可归结为煤层的可采性问题,后者 属人们技术决策及实施能力与应用水平的差异,其 中也包含人们对具体煤层条件的认识与评价是否 正确的问题.一些学者对这些问题进来了相关的研 究并得到了许多重要的结论,但这些研究主要集中 在近水平煤层和缓倾斜、 倾斜煤层的可采工艺性评 价中[324].本文在全面分析急倾斜煤层可采性因素 的基础上,应用模糊综合评价方法进行急倾斜煤层 可采工艺性评价,以便为急倾斜煤层矿井在确定如 何合理进行开采提供科学依据. 1急倾斜煤层采煤方法主要特点 急倾斜采煤的主要特点是采煤工作面采下的 煤块能自动下滑;急倾斜煤层顶板压力垂直作用于 支架或煤柱上的分力比缓斜煤层要小,而沿倾斜作 用的分力要大,煤层顶板较难冒落,步距会增大;采 煤工作面的行人、 运料、 落煤、 支护、 采空区处理等 各项工作的操作都比较困难,增加了机械化采煤的 难度;急倾斜煤层都经历过强烈的地质变动,地质 结构较复杂,围岩条件较差,采煤工作面推进速度 慢,采出率低,因此采区走向长度比缓倾斜煤层要 小. 适于急倾斜煤层的开采方法有伪斜开采、 倒 台阶工作面开采、 柔性掩护支架开采、 迭巷道开采、 充填开采、 短壁柱式开采、 放顶煤开采等. 2急倾斜煤层开采工艺性评价的因素结构 评价因素结构的建立是离散性评价即指标 化评价问题系统化、 标准化实现的第一步,它集中 体现了评价系统的内涵.在进行煤层地质条件影响 开采效果的大量典型调查分析和专家调查的基础 上,从系统的结构与功能相同一为出发点,建立了 适合急倾斜煤层地质条件开采工艺性块段评价的 层次结构[425],如图1所示. 图1评价因素结构及指标体系构成 Fig. 1Structure and index system of uation factors 由图1可知,在评价因素结构中,复合因素有 8个,分别是地质构造复杂程度、 煤层稳定性、 煤层 倾角、 煤层顶底板条件、 煤层开采厚度、 煤层坚硬 性、 工作面块度以及其他条件.基元因素有13个, 且可量化为评价指标.评价的顺序是由基元因素到 复合因素,因而基元因素的选择和评价是首要的. 从评价结构而言,煤层地质条件开采工艺性评 价是一多层次多因素综合评价,综合评价的价值基 础是因素的度量规范,评价尺度是评价问题实现系 统化和标准化的第2步.构造评价因素隶属函数采 用了以下方法[6] 1 统计类比法 基元因素如煤层倾角、 煤层 开采厚度、 可布置工作面长度等与工作面单产之间 关系明显,便于统计对比,以单产相对高低的比值 作为因素隶属函数确定依据是简便而有效的. 2 待定系数法 基元因素指标如煤层坚硬 性、 工作面可推进长度等,这些因素与开采工艺指 标之间统计关系不明显,但存在一些特殊点的经验 评价,可采用待定系数法确定其隶属函数表达式. 首先根据特殊点评价做出特殊点散点图,大致确定 隶属函数的形状,及定义域内曲线的变化趋势. 评价因素的指标量化如下 1 断层影响 由于急倾斜煤层开采工艺的特 殊性,开采的块段面积较小,在块段划分时尽量考 虑矿井地质构造、 断层影响.一般把边界断层作为 块段的边界,因此可以根据块段边界是否为断层来 评价块段的可采性.断层影响的隶属函数 μ 1.00 当块段没有断层时, 0.80 当块段仅边界一侧有断层, 0.60 当块段仅边界两侧有断层, 1 0.40 当块段仅内部有断层时, 0.20 当块段边界一侧及内部有断层, 0.05 当块段边界两侧及内部都有断层时. 2 煤层厚度 煤层是煤矿开采工作的对象, 煤层厚度将直接影响采煤工艺的选择及技术经济 283 第3期 张小兵等急倾斜煤层可采工艺性评价及应用研究 效果,煤层厚度不同,开采方法也不相同,煤层厚度 发生变化,必然要影响矿井的采掘工作,因此煤层 厚度变化是影响煤层开采的重要地质因素之一.煤 层采厚m的隶属函数 μm 0.15m 0.055 0.6m -0.44 0.45m -0.23 0.12m 0.43 0.17m 0.305 0.04m 0.76 1.0 9.75≤m 1.1 , 1.1≤m 1.4 , 1.4≤m 2.0 , 2.0≤m 2.5 , 2.5≤m 3.5 , 3.5≤m 6.0 , m ≥6.0 . 2 3 煤层坚硬性 煤层坚硬性是影响工作面开 采工艺选择及工作面煤层开采难易程度的重要因 素.用煤层综合强度R作为指标 R 1- G Rc GRe,3 式中G为夹矸系数,单位为1; Re为夹矸岩石强 度,MPa; Rc为煤的单向抗压强度, MPa. 煤层坚硬性 的隶属函数为 μ R 0.1R 1.0 -0.04167R 1.5 -0.01389R 1.0 -0.0286R 1.528 3≤R 10 , 10≤R 12 , 12≤m 18 , 18≤m 36 , 36≤R 50 . 4 4 煤层顶底板情况 煤层顶底板条件是影响 采煤工作面安全生产最重要的因素之一,直接影响 采煤工艺的选择.以直接顶岩层单向抗压强度作为 评价顶板影响的主要指标.以直接底岩层单向抗压 强度作为评价底板影响的主要指标. a.顶板岩石单向抗压强度σ的隶属函数 μσ 0.1 1.298lnRc- 4.978 1.0 σ≤90 , 90 ≤ σ 120 . 5 b.底板岩石单向抗压强度Rc的隶属函数 μ R c 0.1 1.298lnRc- 4.978 1.0 R c50 , 50≤Rc100 . 6 5 煤层倾角 煤层倾角对回采工作面顶板的 管理、 支架的稳定性、 煤炭运输中溜煤的难易以及 工人作业难易程度均有较大的影响.煤层急倾斜开 采的煤层倾角为45 ～90,实践表明,当倾角在 60 ～75 范围时,效果最佳.煤层倾角α的隶属函 数是 μα 0.05α-2 1.0 -0.04α4 -0.1α9.1 45 ≤ α 60 , 60 ≤ α 75 , 75 ≤ α 85 , α≥85 . 7 6 工作面块度 工作面块度包括2个指标 a.块段倾斜长度块段倾斜长度与采煤工艺 方式,单产等技术经济指标存在着密切的关系,理 论上而言,在无地质和技术条件限制下,块段倾斜 长度长些有利.块段倾斜长度L的隶属函数为 μL 0 4.481420lnL - 19.637702 1.0 L ≤80 , 80100 . 8 b.块段走向长度如果块段走向长度增大,布 置于块段中的工作面因搬家而造成的产量降低和 费用增加会相对减少.但急倾斜煤层开采中推进长 度还要受到地质、 技术等诸多方面的影响.块段走 向长度S的隶属函数为 μS 0.014142S0 .5 1.4797868 lnS -7.640382 0.002667S S ≤200 , 200300 . 9 7 其它开采条件 a.瓦斯地质条件 瓦斯严重影响煤矿安全生 产,煤层瓦斯含量越高煤层的开采性越差; b.水文地质条件 煤层强度受其含水量的影 响较大,含水越多,煤层强度越低,煤体越容易破 碎,浮游煤尘量较少,但煤层含水太多也会影响工 作面的生产条件; c.煤层自燃倾向危险性 急倾斜煤层与缓倾 斜煤层开采相比,开采时间较短,但急倾斜煤层采 空区还存在部分余煤,因而仍有自然发火的危险. 其它开采条件的类别划分及评价值见表1. 表1定性因素的类别划分及评价值 Table 1Sorts and uations of qualitative factors 类别1 2 3 4 瓦斯地质条件低瓦斯浓度高瓦斯浓度瓦斯涌出异常煤与瓦斯突出 水文地质条件中等潮湿潮湿不潮湿干燥、 淋水 煤层自然发火危险性不自燃不易自燃易自燃很易自燃 煤层夹矸无夹矸夹矸少、 薄夹矸厚夹矸多、 复杂 煤厚变异性煤厚稳定煤厚变化小煤厚变化大煤厚突变 评价值1. 00. 60. 40. 2 383 中国矿业大学学报 第36卷 3煤层地质条件开采工艺性评价的因素权 重 综合评价因素权重是评价结构上的一种定量 化约定,它表征了评价因素在评价结构上的相对重 要性,是实现评价系统结构和功能相统一的关键. 根据模糊多元分析法确定的各因素权重见表2. 表2各因素权重计算结果 Table 2Calculation results of the factors weights 复合因素权重子因素权重 地质构造0.160 8断层影响0. 160 8 煤层采厚0.115 2煤层开采厚度0. 115 2 煤层倾角0.093 7煤层倾角0. 093 7 煤层坚硬性0.071 1煤层坚硬性0. 071 1 煤层稳定性0.177 3 煤厚变异性 煤层夹矸 0. 086 5 0. 090 8 煤层顶底板条件0.131 1 煤层顶板 煤层底板 0. 081 3 0. 049 8 工作面块段0.112 6 块段倾斜长度 块段走向长度 0. 058 7 0. 053 9 瓦斯地质条件0. 049 5 其他条件0.138 2水文地质条件0. 046 3 煤层自燃发火危险性0. 042 4 合计1. 0合计1. 0 4煤层地质条件开采工艺性综合评价模型 采用优化的模糊综合评价模型[728]对煤层地质 条件综合适应程度进行多层次综合评价,将各因素 的评价按一定算法映射为一综合评价值,并以此综 合评价值的大小来衡量评价样本属性的优劣程度. 现阐述如下. 设评价样本集X { x1, x2,⋯, xn}有m个评 价因素,其指标值矩阵 X x11x12⋯x1n x21x22⋯x2n xm1xm2⋯xmn .10 由于每一评价因素构造了评价模糊隶属函数, 上述指标值矩阵可转化为指标隶属度矩阵 R r11r12⋯r1n r21r22⋯r2n rm1rm2⋯rmn .11 又设样本集的优向量G和劣向量B为 G g1, g2,⋯, gm T , gi∨ n j 1 rij,12 B b1,b2,⋯,bm T , bi∧ n j 1 rij.13 则,评价样本j与优向量G,劣向量B的广义 距离分别为 d R, G ∑ w i| rij-gi | p p-1 , 14 d R,B ∑ w i| rij- bi | p p- 1 .15 p 1时取海明距离, p 2时取欧氏距离 以样本集全体样本的加权广义距离平方和最 小目标函数最小化,可求得样本评价值uj的最优 解 Min ∑ n j 1 [ ujd R j, G ] 2 [ p - ujd R j,B ] 2 . 得 u3j 1 1 d R j , G d R j ,B 2 1 1 ∑ m i 1 w i| rij-gi | p ∑ m i 1 w i| rij- bi | p 2 p . u3j即为样本j的优化综合评价值,其实质为 样本系统中样本j与优向量的贴近度,显然,综合 评价值越大,表示地质条件综合适应性越好.根据 综合评价值,可将工作面分为4个等级,评价值为 0. 8～1. 0为1级,开采条件好;0. 7～0. 8为2级, 开采条件较好;0. 55～0. 7为3级,开采条件一般; 小于0. 55为4级,开采条件较差. 5评价模型的应用 北京昊华能源公司大台矿是一座急倾斜煤层 开采矿井.开采煤层是侏罗纪煤,井田含煤15层, 煤层倾角40 ～90.为了证明模型的正确性和可靠 性,对大台矿- 210水平、- 310水平、- 410水平, 共289个工作面进行评价计算,并根据工作面块段 的评价值对工作面单产进行预测.其结果见表3. 表3煤层块段特征及评价结果 Table 3uations of the block of coal seam 序号块段名称走向长S/ m倾向长L/ m煤厚/ m倾角 / 总评价值评价等级预测产量/ t 月- 1 161833421221. 37550. 673 136 014 261933201251. 72530. 702 626 774 362033131271. 92520. 719 626 872 462132161291. 92510. 703 126 805 562233181312. 15500. 731 126 792 662332461412. 15450. 719 726 834 762432781411. 61450. 686 436 564 862531991411. 61450. 671 735 694 注表中只列部分块段. 483 第3期 张小兵等急倾斜煤层可采工艺性评价及应用研究 根据评价结果,全矿289个工作面中,1级为 27个,占总数的9. 34 ;2级为87个,占总数的 30. 1 ;3级为112个,占总数的38. 75 ;4级为 63个,占总数的21. 8 个.根据大台矿的开采实 践,评价结果与开采结果基本相吻合,说明评价模 型可靠度较高. 6结论 1 根据急倾斜煤层的主要特点和开采特征, 建立了适合急倾斜煤层地质条件开采工艺性块段 评价的层次结构.在评价因素结构中,复合因素有 8个,分别是地质构造复杂程度、 煤层稳定性、 煤层 倾角、 煤层顶底板条件、 煤层开采厚度、 煤层坚硬 性、 工作面块度以及其他条件.基元因素有13个, 且可量化为评价指标.评价的顺序是由基元因素到 复合因素. 2 用定量和定性的方法计算各基元因素的评 价值;采用优化的模糊综合评价模型对煤层地质条 件综合适应程度进行多层次综合评价,将各因素的 评价按一定算法映射为一综合评价值,并以此综合 评价值的大小来衡量评价样本属性的优劣程度. 3 为了证明模型的正确性和可靠性,对大台 矿- 210水平、- 310水平、- 410水平,共289个 工作面进行评价计算,并且根据工作面块段的评价 值对工作面单产进行了预测.根据评价结果及大台 矿的开采实践,评价结果与开采结果基本相吻合. 参考文献 [1]杨孟达,刘新华.煤矿地质学[ M].北京煤炭工业 出版社, 2000. 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