于健浩

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

開采技術與裝備

西南復雜難采煤層安全開采模式智能化決策

于健浩1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

西南地區(qū)煤層地質條件復雜，中小煤礦居多，嚴重制約了煤礦機械化水平的提高。通過對該地區(qū)煤層地質條件的整體分類，并對現(xiàn)有的機械化采煤工藝適用性進行分析，采用模糊綜合評價方法建立了復雜地質條件評價模型，實現(xiàn)了不同地質條件下采煤工藝的優(yōu)化選擇。而后，基于Java語言及CDP平臺開發(fā)了開采模式?jīng)Q策專家系統(tǒng)，涵蓋了地質條件錄入、采煤方法選擇、地質條件評價計算、采煤工藝選擇、設備選型等功能，最終實現(xiàn)了西南地區(qū)復雜難采煤層安全開采模式的智能化決策。

難采煤層；安全開采模式；智能化決策

我國西南地區(qū)煤炭資源豐富，具有分布面積廣、儲量集中、煤種齊全的特點。該地區(qū)煤炭資源總儲量超過千億噸，煤質以無煙煤、焦煤、貧煤、瘦煤為主，是優(yōu)質動力煤生產(chǎn)基地。但由于該地區(qū)位于亞歐板塊與印度洋板塊交界處，地質活動頻繁，巖性疏松[1-2]。同時該地區(qū)干濕季分明，如此的沉積環(huán)境使得西南地區(qū)煤礦地質具有煤層層數(shù)多、厚度薄、穩(wěn)定性差、地質構造較多、瓦斯含量較高、個別地區(qū)存在煤與瓦斯突出危險、礦井水害頻發(fā)等特點。

西南地區(qū)煤礦的復雜地質條件，決定了該地區(qū)煤礦的產(chǎn)能規(guī)模，表現(xiàn)為中小煤礦居多，其中以產(chǎn)能在0.3Mt以下的鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦為主。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅貴州一省的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦就有近2000處[3]。中小煤礦數(shù)量占西南地區(qū)煤礦總量的95%以上， 由于煤層賦存條件及水文地質條件復雜，許多煤礦仍然采用落后的開采模式，機械化程度低、生產(chǎn)和安全裝備差、技術人員缺乏，造成煤炭采出率低、管理混亂、安全性差、傷亡事故頻發(fā)[4-5]。這些問題的存在不但制約著中小煤礦自身的發(fā)展，而且也阻礙了西南地區(qū)煤炭工業(yè)的健康發(fā)展和安全生產(chǎn)形勢的根本好轉。

復雜的地質條件限制了局部區(qū)域煤炭資源的可采儲量，不能實現(xiàn)大規(guī)模集約化開采，較少的資金投入也使得該地區(qū)煤礦開采強度低下，限制了產(chǎn)能的提高。目前，對西南地區(qū)復雜地質條件煤層的開采存在的問題是多方面的，主要體現(xiàn)在以下幾點：

(1)采煤方法與技術裝備落后 西南地區(qū)80%以上礦井采用極為落后的采煤方法，如穿巷式采煤法、倉儲采煤法、房柱式采煤法等。煤礦機械化水平低下，絕大多數(shù)煤礦采用炮采工藝，有些小煤礦甚至采用手鎬落煤，一半以上的礦井采煤工作面仍采用木支護，只有不到10%的煤礦實現(xiàn)了半機械化開采。

(2)煤炭采出率低 由于采煤方法落后，開采部署不合理，對于一些邊角煤、異形煤柱、雞窩煤等，一般利用“以掘代采”的巷采模式，見煤即挖，因此造成該地區(qū)煤礦的煤炭采出率一般不超過50%，有些甚至低于20%，對煤炭資源造成了嚴重地破壞和浪費。

(3)礦井通風系統(tǒng)較復雜 甚至有的井下還存在串聯(lián)通風的現(xiàn)象，有的工作面不完全負壓通風，實行局扇通風，這在殘采中最為常見。

(4)安全事故多發(fā) 由于采煤方法及開采工藝和設備落后，礦井安全事故時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，在西南地區(qū)煤礦的安全事故中，排在前三位的是瓦斯事故、透水事故和頂板事故，給安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅。

因此，進行西南地區(qū)中小煤礦的機械化改造就顯得尤為重要。目前，適用于中小煤礦開采的機械化采掘裝備種類繁多，包括薄煤層滾筒采煤機綜采成套裝備、薄煤層刨煤機綜采成套裝備、急傾斜放頂煤成套設備、急傾斜薄煤層刨運綜采機組等[6-7]。針對各煤礦地質條件特點，開展地質條件分類工作，研究適于不同煤層條件的采煤方法與設備配套方案，建立適合復雜地質條件煤礦的機械化安全開采模式，開發(fā)西南地區(qū)復雜地質條件煤層安全開采模式專家決策系統(tǒng)，實現(xiàn)不同地質條件下的采煤方法與設備配套方案的自動化決策，為西南地區(qū)中小煤礦的技術改造提供參考。

1 西南地區(qū)復雜煤層地質條件分類

地質條件是礦井開采的前提和決定因素，一個礦井能否采用機械化開采，除了取決于綜采設備的適應性能及礦井的生產(chǎn)管理技術水平外，礦井地質條件也是重要的決定因素。綜采設備的選型及其使用效果與采場地質條件、區(qū)域地質構造及其變化規(guī)律、生產(chǎn)地質工作等有密切關系。

適應機械化開采的一般地質條件為：煤厚適宜、煤層賦存穩(wěn)定，傾角變化小，構造簡單，無大斷層，無黃鐵礦結核體；煤層頂板不宜過硬、比較容易冒落，底板平坦且承載能力較大；采場內無大面積隆起、無古河流沖刷和火成巖脈侵入；水文地質條件簡單等[8-10]。實際上，完全具備上述條件的采場并不多。因此，有必要分析諸地質因素對機械化開采的影響程度，找到主要矛盾，進而實現(xiàn)煤礦機械化改造。

根據(jù)西南地區(qū)煤礦地質條件的復雜性，將地質條件分為6大類，包括煤層賦存情況、煤層頂?shù)装鍡l件、煤層結構、地質構造特征、其他地質條件和工作面塊度尺寸，如圖1所示。

圖1 煤層地質條件

(1)煤層開采厚度 當煤厚大于1.3m時屬薄煤層開采，目前國內薄煤層開采技術已十分成熟，機械化程度高，能夠保證產(chǎn)量并實現(xiàn)安全生產(chǎn)；當煤厚大于0.6m小于1.3m時，煤層開采存在一定的困難，工人勞動量增加，產(chǎn)量下降，并存在安全隱患；當煤厚小于0.6m時，屬極薄煤層開采，開采難度大，工藝復雜。

(2)煤層傾角 當煤層傾角小于25°時，屬緩傾斜煤層，采煤工藝簡單，工作面設備基本不需要采取防滑防倒措施，有利于實現(xiàn)機械化開采；當煤層傾角大于25°小于45°時，屬傾斜煤層，采煤工藝相對復雜，人員行走、運料困難，底板可能出現(xiàn)較大變形，對于設備的固定及防倒措施增加了一定的難度；當煤層傾角大于45°時，煤層基本處于急傾斜，對采煤工藝要求苛刻，增加了工人的勞動強度，在機械化開采過程中必須采取適當?shù)陌踩胧┮员Ｕ喜擅汗ぷ鞯捻樌M行。

(3)煤層硬度 煤層硬度是影響采煤機開采及工作面煤壁片幫程度的一個因素。在目前采煤機功率逐漸加大的趨勢下，煤的堅固性系數(shù)f<3～4時，已經(jīng)不是限制綜采產(chǎn)量的主要因素，而f<1或節(jié)理發(fā)育、采高在2m以上片幫冒頂已成為影響綜采產(chǎn)量的一個重要問題，對綜放工作面來說還直接影響頂煤的冒放性及放煤作業(yè)時間。

(4)煤層夾矸情況 在機械化開采過程中，當煤層夾矸較厚且較堅硬時，直接影響采煤機的割煤效率并增加了材料消耗，在夾矸過硬采煤機無法截割時，只能采用放炮破碎夾矸，降低了開機率。在放頂煤開采時，頂煤中夾矸的厚度和硬度關系到頂煤的整體性，開采實踐證明，其影響程度主要取決于單層夾矸厚度，當單層夾矸厚度大于500mm時，煤層的冒放性就將由夾矸的性質所決定。

(5)煤層穩(wěn)定性 根據(jù)煤層可采性指數(shù)和煤厚變異系數(shù)確定煤層穩(wěn)定程度。當煤層為穩(wěn)定煤層或較穩(wěn)定煤層時，評價等級為好；當為不穩(wěn)定煤層時評價等級為中；為極不穩(wěn)定煤層時，評價等級為差。

(6)煤層頂?shù)装鍡l件 煤層頂?shù)装鍡l件對煤層是否能夠實現(xiàn)機械化意義重大，煤層頂?shù)装鍡l件可影響到機械化采煤工藝的選用、采煤機械截深度、割煤速度和開機率。頂板穩(wěn)定性包括直接頂穩(wěn)定性、基本頂支撐條件和偽頂影響三方面。對于偽頂?shù)挠绊懀雾敽穸萮0為評價指標。對于直接頂、基本頂來說，能夠綜合反映頂板穩(wěn)定性的初次垮落步距在地勘階段難以測取，因此將穩(wěn)定性級別作為主要分類指標，底板同樣采用對其進行分級的方法來解決。

(7)塊度尺寸 新設計的綜采工作面長度不宜小于150m，普采工作面長度薄煤層不宜小于120m，中厚煤層不宜小于140m；可推進長度增大，因工作面搬家造成的產(chǎn)量降低和費用增加都會相對減少，可推進長度一般不宜小于1000m，但對于中小煤礦而言，由于地質構造較多，可推進長度大于500m為宜。

(8)地質構造復雜程度 當斷層復雜程度小于0.54時，對工作面正常采煤影響較小，當大于0.7時，由于斷層落差較大，不利于工作面開采；當工作面內存在中小急轉褶曲時，則不利于工作面的正常推進，數(shù)量越多影響越為嚴重[11]。

(9)其他地質條件 根據(jù)中小煤礦地質條件特點，選取礦井瓦斯等級、煤層自燃傾向、水文地質條件、煤塵爆炸傾向等4項指標作為其他地質條件的評價因素。

對于一次采全高和放頂煤開采2種采煤方式而言，各地質條件對實現(xiàn)機械化開采的作用機理和影響程度不盡相同，地質條件分類結果如表1所示。

表1 地質條件評價指標量化

2 采煤方法選擇

隨著采煤設備的持續(xù)更新和開采技術的不斷完善，使得中厚煤層高檔普采、綜采以及薄煤層滾筒采煤機普采、綜采、刨煤機無人工作面開采等工藝在西南中小煤礦的應用成為可能。西南地區(qū)煤礦地質條件復雜，煤層傾角和煤層厚度涵蓋了緩傾斜—直立、極薄—特厚幾乎所有類型的煤層。因此，備選采煤方法的種類應盡可能詳盡。

通過對西南煤礦地質條件以及煤層賦存情況的研究發(fā)現(xiàn)，這些煤礦的地質條件一般較為復雜，多存在大型地質構造，且煤層薄、傾角大等開采問題。根據(jù)這些特點，選擇適合西南煤礦的機械化采煤方法[12]，并按煤層傾角不同對其進行分類，如圖2所示。各種采煤方法的適用條件如表2所示。

圖2 中小煤礦采煤方法分類

3 地質條件評價模型

3.1 評價方法的選擇

西南地區(qū)煤層地質條件復雜，影響因素眾多，許多因素無法量化并存在模糊性，無法進行定性的評價。因此本文采用模糊綜合評價方法對復雜煤層地質條件進行綜合分析評價[13]，為采煤工藝的選擇提供依據(jù)。

3.2 評價因素確定

將影響因素分為復合評價因素和基元因素，復合因素包括煤層賦存情況、煤層頂?shù)装鍡l件、煤層結構、地質構造特征、其他地質條件和工作面塊度尺寸。

表2 采煤方法適用條件

根據(jù)地質條件分類結果，分別將煤層地質條件分為3個評價等級：V={好，中，差}。根據(jù)3個等級劃分，對各個評價指標進行量化，量化結果如表1所示。

3.3 隸屬函數(shù)的建立

為了便于操作和計算，本文采用分段線性隸屬函數(shù)[14]處理方式，根據(jù)中小煤礦煤層地質條件特點，將評價指標屬性分為兩大類：成本型(越小越好)和效益性(越大越好)。

對任一指標ui∈U，評價集為V={好，中，差}，而后對ui在相應指標子集進行歸一化處理，并以線性函數(shù)表示。

3.4 權重確定

3.5 復雜煤層地質條件綜合評價模型

設評價樣本集X={x1，x2，…，xn}有m個

表3 西南地區(qū)煤層地質條件評價因素權重

評價因素，根據(jù)各評價因素的量化結果得出因素值矩陣。

通過隸屬度函數(shù)將上述因素值矩陣轉化為指標隸屬度矩陣。

在確定了評判矩陣和因素權重后，為了使評價結果更加直觀，采用百分制原則進行評判，令評判集V={好，一般，差}={100～70，70～40，<40 }，各等級分數(shù)重心依次為：85，55，20。于是可得復采煤層可采性綜合評價模型為：

根據(jù)上式計算的綜合評價值能夠反映煤層地質條件的復雜程度，其值越大，表示煤層可采性越好，越有利于實現(xiàn)機械化開采。

4 評價模型應用及采煤工藝選擇

為了研究機械化開采工藝對薄煤層、急傾斜煤層及中厚煤層地質條件的適應程度，應用上述模型對中小煤礦開采實例進行分析，選取西南地區(qū)及其他地區(qū)26個地質條件較為復雜的礦井，采用地質條件綜合評價模型進行分析計算，分析結果如表4所示。

由以上對多個地區(qū)煤礦實例分析對比可以看出，當?shù)刭|條件評價得分超過70分時，多采用綜采工藝，采用普采工藝的煤礦地質得分多在60～70分之間，當評價得分小于60分時，多采用炮采工藝。因此，使用該模型對西南地區(qū)煤礦地質條件進行評價，當?shù)梅执笥?0時，建議選用綜采工藝；當?shù)梅衷?0～70時，建議選用普采工藝；當?shù)梅中∮?0分時，給出專家意見：“該地質條件不適宜采用機械化開采模式，建議進行專項研究”。但當?shù)V井儲量較小，可布置正規(guī)工作面數(shù)量有限(小于10個)時，綜采設備的投入成本過高，降低了企業(yè)的經(jīng)濟效益，在此情況下建議采用高檔普采工藝。

表4 地質條件評價模型實例分析

5 開采模式?jīng)Q策專家系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)總體設計

開采模式?jīng)Q策專家系統(tǒng)采用B/S體系結構，根據(jù)決策專家系統(tǒng)自身的特點，為了建立可擴展、可配置、穩(wěn)定高效的決策專家管理系統(tǒng)，采用分層的面向對象的架構思路。由物理層、系統(tǒng)層和應用層3部分組成。系統(tǒng)層包括系統(tǒng)的運行環(huán)境和運行平臺，其中操作系統(tǒng)采用Windows，數(shù)據(jù)庫采用MSSQL，開發(fā)平臺采用CDP開發(fā)平臺，開發(fā)語言為Java及JSP。系統(tǒng)功能結構如圖3所示。

5.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)的功能模塊主要包括個人信息管理模塊、系統(tǒng)管理模塊、地質條件錄入模塊、采煤方法初選模塊、地質條件評價計算及采煤工藝選擇模塊、樣本庫管理模塊。系統(tǒng)界面如圖4～6所示。

圖3 系統(tǒng)功能結構

圖4 系統(tǒng)登錄界面

圖5 地質條件錄入界面

圖6 樣本數(shù)據(jù)庫信息查詢

5.3 系統(tǒng)應用

該軟件在川煤集團攀煤公司花山煤礦、太平煤礦進行應用，分別對花山煤礦4067大傾角工作面、太平煤礦32151綜放工作面、太平煤礦25092急傾斜工作面安全開采模式進行分析。以花山煤礦4067工作面為例，對決策專家系統(tǒng)的應用情況進行分析。

花山煤礦4067工作面位于花山煤礦四采區(qū)+1060m水平6號煤層北翼,平均走向長為382m，平均傾斜長為125m，平均傾角為33°，平均采高2.56m，煤層堅固性系數(shù)1.5～2.0，含有3層夾矸，平均厚度1.25m，直接頂為2.37m厚深灰色厚層狀泥質粉砂巖，直接底為1.68m厚深灰色厚層狀粉砂巖，基本頂和基本底均為淺灰色厚層狀含礫粗砂巖。含有3條正斷層，最大落差0.65m。工作面地質條件如表5所示。

表5 花山礦4067工作面地質條件

將4067工作面地質條件錄入專家系統(tǒng)，得出開采模式方案結果，如圖7所示。

圖7 花山礦4067工作面開采方案

采用機械化綜采對花山煤礦4067大傾角綜采進行回采取得了較好的效果，煤炭采出率較原有的刀柱采煤法大幅提高，工作面產(chǎn)量和回采工效也有明顯增長，設備適應性良好。工作面自2015年4月正式回采，7月回采結束，歷時4個月。最高月產(chǎn)量達到近75kt。

4067工作面采用大傾角綜采較原有的刀柱采煤法多回收煤炭資源98kt，延長了采面服務年限，緩解了采區(qū)接續(xù)緊張局面。工作面回采期間杜絕了重傷以上傷亡事故，未發(fā)生大面積推、漏冒頂事故，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)，間接效益明顯。此條件下綜合機械化開采成功，有力地促進了礦區(qū)采煤方法改革與研究，為寶鼎礦區(qū)及其他礦區(qū)同類條件下煤層開采提供了技術保證。

6 結 論

(1)分析了西南地區(qū)煤礦煤層賦存特點及其對煤礦安全開采帶來的影響。而后，建立了西南地區(qū)煤礦復雜煤層地質條件分類標準，并作為影響機械化開采模式選擇的關鍵參數(shù)，對應不同地質條件分類結果，給出專家指導意見。

(2)基于西南地區(qū)煤礦地質條件及其分類結果及備選采煤方法適用性分析結論，建立了西南地區(qū)煤層地質條件模糊綜合評價模型，對煤層地質條件進行評價計算，選取多個礦井地質條件代入模型進行分析計算，得出了采煤工藝的選擇標準。

(3)基于Java語言及CDP平臺開發(fā)《開采模式?jīng)Q策專家系統(tǒng)》，該系統(tǒng)具有良好的可擴展性、可配置性，且運行高效穩(wěn)定，實現(xiàn)了不同地質條件下的采煤方法與設備配套方案的智能化決策。以川煤集團攀煤公司花山煤礦為例進行分類計算，得出4067工作面的采煤方法、采煤工藝、設備選型及專家意見，形成了適合該工作面生產(chǎn)的開采方案?，F(xiàn)場應用效果良好，基本達到了預期目標，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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[責任編輯：鄒正立]

Intelligent Decision of Safety Mining Pattern of Complicated and Difficulty Mining Coal Seam in Southwest

YU Jian-hao1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Mechanization level improving of coal mine was restricted seriously as complicate geological situation of coal seam and more small and medium coal mines in southwest area in domestic.After integral classify of coal seam geological situation，and the feasibility of mechanization mining technology in hand was analyzed，evaluation model of complicated geological situation was built with fuzzy synthetic evaluation method，optimization selection of coal mining technology under different geological situation was realized，and then，mining pattern expert decision-making system was developed based on Java language and CDP platform，which include geological situation input，coal mining method selection，geological situation evaluation and calculation，coal mining technology selection，equipment selection and so on，finally，intelligent decision of safety mining pattern of complicated and difficulty mining coal seam in southwest was implemented.

difficulty mining coal seam；safety mining pattern；intelligent decision

2017-02-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.005

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B08)；國家自然科學青年基金資助項目(51304115)

于健浩(1983-)，男，吉林白山人，博士，主要從事煤礦安全高效開采技術、充填開采技術研究工作。

于健浩.西南復雜難采煤層安全開采模式智能化決策[J].煤礦開采，2017，22(4)：16-22.

TD823

A

1006-6225(2017)04-0016-07