劉立新,劉混舉

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024;2.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 烏審旗 017300)

生產(chǎn)實(shí)踐證明高產(chǎn)高效礦井的建設(shè),提高了工作面的生產(chǎn)能力,大大減少了井下人員的數(shù)量,安全狀況有很大改觀,百萬噸死亡率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平。與綜放開采技術(shù)和分層開采技術(shù)相比較,大采高綜采開采技術(shù)取得的經(jīng)濟(jì)效益更高。大采高綜放工作面在同煤集團(tuán)蒙大煤業(yè)、潞安屯留等煤礦投入應(yīng)用,其相關(guān)技術(shù)理論研究正處于探索階段,特別是在大采高綜放開采適應(yīng)性等方面缺乏系統(tǒng)研究。本文針對(duì)蒙大煤業(yè)礦井的地質(zhì)煤層的開采條件,對(duì)大采高綜采技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系進(jìn)行研究。

1 頂煤冒放性影響因素綜合分析

頂煤拉伸破壞系數(shù),即支架上方頂煤拉伸破壞面積占支架上方頂煤面積的比值,并以此來定量的描述頂煤冒放性的好壞[1-3]。對(duì)于大采高綜采技術(shù),在其生產(chǎn)工作面選取頂煤厚度、煤層強(qiáng)度、割煤高度及煤層埋藏深度等4個(gè)指標(biāo)為頂煤冒放性主要影響因素,然后針對(duì)每個(gè)影響因素分別取5個(gè)水平采用正交試驗(yàn)法構(gòu)建試驗(yàn)方案,進(jìn)而分析研究各因素對(duì)頂煤拉伸破損的影響。通過試驗(yàn)可得各因素對(duì)工作面頂煤冒放性發(fā)育影響程度依次為:煤層強(qiáng)度>頂煤厚度>割煤高度>煤層埋藏深度。在試驗(yàn)因素變化水平內(nèi),煤層本身強(qiáng)度與頂煤厚度是頂煤冒放性的最主要影響因素。

2 煤壁穩(wěn)定性影響因素綜合分析

為定量描述煤壁破壞情況,對(duì)煤壁的穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià),在此引入煤壁拉伸破壞系數(shù),即煤壁拉伸破壞煤體的面積占割煤高度范圍內(nèi)沿工作面走向單位長(zhǎng)度煤體面積的百分比[4]。在其生產(chǎn)工作面選取頂煤厚度、煤層強(qiáng)度、割煤高度及支架支護(hù)強(qiáng)度等4個(gè)指標(biāo)為煤壁穩(wěn)定性的主要影響因素,然后針對(duì)每個(gè)影響因素分別取5個(gè)水平,采用正交試驗(yàn)法構(gòu)建試驗(yàn)方案,進(jìn)而分析研究各因素對(duì)頂煤拉伸破損的影響。通過試驗(yàn)可得各因素對(duì)工作面煤壁穩(wěn)定性影響程度依次為:普氏硬度系數(shù)>割煤高度>支護(hù)強(qiáng)度>煤層厚度。在試驗(yàn)因素變化水平內(nèi),煤層本身強(qiáng)度與割煤高度是煤壁穩(wěn)定性的最主要影響因素。

3 大采高綜放開采條件適應(yīng)性分析

當(dāng)煤壁拉伸破壞系數(shù)達(dá)到1.5時(shí),煤壁整體沒有出現(xiàn)拉伸破壞現(xiàn)象,仍然可以承受一定的載荷。由此可見,煤壁發(fā)生失穩(wěn)的臨界值是煤壁拉伸破壞系數(shù)1.5。

結(jié)合當(dāng)前綜放支架的技術(shù)水平,對(duì)于大采高綜放技術(shù)而言,為了對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行研究,其工作面的綜放支架的最大支護(hù)強(qiáng)度為1.5 MPa。

在軟煤條件下,能否采用大采高綜放開采,主要取決于煤壁的穩(wěn)定性能否得到控制;而在硬煤條件下,則主要取決于頂煤的冒放性能否滿足要求[5]。增大采高,能夠顯著增加綜放開采一次采全高的厚度上限,但采高加大時(shí),所要求的煤層強(qiáng)度下限也相應(yīng)提高。當(dāng)割煤高度大于3.5 m時(shí),煤層普氏硬度系數(shù)必須大于0.9,才能確保煤壁的穩(wěn)定。

采用大采高綜放開采,煤層普氏硬度系數(shù)應(yīng)大于0.9。當(dāng)煤層厚度大于21 m,割煤高度需大于5.0 m,煤層普氏硬度系數(shù)須大于1.6,才能確保頂煤冒放性較好和煤壁穩(wěn)定。受頂煤厚度對(duì)頂煤回收率的影響,頂煤厚度不宜過大。為保證工作面資源回收率不低于75%,4.5 m割煤高度條件下,頂煤厚度不宜大于12 m。

4 大采高綜放工作面安全因素分析

4.1 瓦斯事故安全性分析

大采高綜放開采條件下,工作面割煤高度增加,放頂煤高度相應(yīng)減小,由工作面割煤產(chǎn)生的瓦斯量也會(huì)相應(yīng)增加。因此,大采高綜放開采條件下的瓦斯有效防治是進(jìn)行安全高效開采的保證。

4.2 頂板事故安全性分析

與普通綜采相比,大采高綜放面由于頂煤存在,可以吸收頂板破壞產(chǎn)生的能量,有利于減少頂板垮落產(chǎn)生的沖擊;與普通綜放開采相比,大采高綜放開采頂煤厚度減小,采空區(qū)瓦斯減少,頂板突然垮落誘發(fā)的瓦斯事故發(fā)生概率降低[6]。因此,從頂板災(zāi)害防治的角度,大采高綜放開采更有利于高瓦斯厚煤層安全開采。

4.3 塵害安全性分析

根據(jù)大采高綜放開采的特點(diǎn),工作面煤塵來源與分布具有以下特征:產(chǎn)塵源增多,煤塵濃度較高;大采高綜放面的平均噸煤產(chǎn)塵量有下降趨勢(shì)。對(duì)于大采高綜放面的粉塵防治,可借鑒普通綜放開采所采取的綜合措施,如煤層注水技術(shù)、除塵器除塵、噴霧降塵技術(shù)等降塵措施。

4.4 水質(zhì)災(zāi)害安全性分析

一般而言,煤礦水質(zhì)災(zāi)害和開采活動(dòng)過程中頂板的破壞程度和運(yùn)動(dòng)規(guī)律息息相關(guān)。相對(duì)于厚煤層的分層炮采與分層綜采,大采高綜采條件下的導(dǎo)水裂縫帶高度和形態(tài)都會(huì)發(fā)生明顯變化[7]。由此,可以認(rèn)為在一定的地質(zhì)條件下,大采高綜放與普通綜放相比,割煤高度增加,裂隙的發(fā)育高度不會(huì)明顯增加,不會(huì)明顯增加水害發(fā)生的概率,采取適當(dāng)?shù)姆浪胧┖?可以進(jìn)行安全開采。

綜上分析可知,大采高綜放開采與普通綜放開采相比,水害的危險(xiǎn)性不會(huì)明顯增加。對(duì)于具體的地質(zhì)條件,綜合各種因素進(jìn)行分析,得到大采高綜放開采的上限后,是可以實(shí)現(xiàn)安全開采的,國(guó)內(nèi)的水下、水上綜放采煤實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。不同富水性的松散含水層水體和不同類型的覆巖,在留設(shè)防水、防砂及防塌煤柱等條件下都成功地實(shí)現(xiàn)了綜放安全開采。興隆莊煤礦四采區(qū)綜放工作面在含弱富水含水層及最小基巖柱垂高65 m的條件下實(shí)現(xiàn)了留設(shè)防砂煤柱綜放安全開采,取得采空區(qū)滯后涌水形式下安全生產(chǎn)。

4.5 自燃發(fā)火安全性分析

大采高綜放條件下自燃發(fā)火有以下特征:

1)火災(zāi)隱患相對(duì)多,火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)多;

2)火災(zāi)治理相對(duì)復(fù)雜;

3)有利于抑制采空區(qū)發(fā)火。

提高回采率,減少采空區(qū)遺煤,是防止采空區(qū)遺煤自燃的最有效方法之一。對(duì)于大采高綜放條件下的自然發(fā)火治理措施主要有:合理分配風(fēng)量;提高工作面的開采速度,使有可能起火的氧化帶遺留在窒息區(qū)內(nèi);對(duì)自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及防治。

對(duì)大采高綜放開采在瓦斯、頂板、塵害、水害、自燃發(fā)火等方面的安全性進(jìn)行了分析得出：對(duì)于厚及特厚煤層條件,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件相同時(shí),與普采相比,大采高綜放技術(shù)的安全性能夠得到更好的保證,體現(xiàn)在頂板防護(hù)、瓦斯控制、自燃發(fā)火的排查等方面,結(jié)合煤礦相關(guān)的災(zāi)害防治措施,便可在工作面上達(dá)到大采高綜放技術(shù)可靠應(yīng)用的目的。

5 大采高綜放適應(yīng)性評(píng)價(jià)軟件的開發(fā)

大采高綜放適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系軟件采用專家系統(tǒng)軟件模式。專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用于實(shí)踐最多的分支之一。專家系統(tǒng)已經(jīng)在很多行業(yè)很多領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用,并且取得明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。專家系統(tǒng)的最終目的是在模擬人類思維的基礎(chǔ)上,通過“計(jì)算機(jī)”代替“人工”進(jìn)行計(jì)算,就某類重要問題,提出供人們參考的專家級(jí)建議[8]。

大采高綜放適應(yīng)性評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)的組成部分有功能模塊和知識(shí)子庫(kù),其中功能模塊有10個(gè),知識(shí)子庫(kù)有3個(gè)。功能模塊分別是主控模塊、輸入地質(zhì)條件原始數(shù)據(jù)模塊、加權(quán)處理模塊、輸入大采高綜放原始數(shù)據(jù)模塊、大采高綜放工藝參數(shù)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)?zāi)K、大采高綜放煤壁穩(wěn)定性分析模塊、大采高綜放頂煤冒放性分析模塊、大采高綜放安全因素分析模塊、設(shè)備選擇模塊和知識(shí)獲取模塊。系統(tǒng)各部分的聯(lián)系及控制關(guān)系如圖1所示。

圖1 大采高綜放適應(yīng)性評(píng)價(jià)軟件結(jié)構(gòu)Fig.1 Evaluation software on adaptability of large-mining-height fully-mechanized mining

主控功能模塊的作用是將其它各個(gè)模塊進(jìn)行連接,并對(duì)其進(jìn)行控制。輸入信號(hào)對(duì)子功能模塊進(jìn)行調(diào)用,如果所有指令完成,則又回到主控模塊,執(zhí)行下一項(xiàng)指令。在綜放可行性評(píng)估工作中,其需要的地質(zhì)數(shù)據(jù)均需要輸入原始地質(zhì)數(shù)據(jù)模塊來完成。加權(quán)處理模塊的作用是對(duì)多位專家的影響因素評(píng)價(jià)進(jìn)行加權(quán)處理。適應(yīng)性評(píng)估模塊的功能是采用相關(guān)的推理方法,通過對(duì)專家的決策思路進(jìn)行模擬,對(duì)大采高綜放技術(shù)是否可行進(jìn)行評(píng)估。

該軟件采用遞推模式人機(jī)交互方法,運(yùn)行后程序主界面如圖2所示。

圖2 程序運(yùn)行時(shí)的界面圖Fig.2 Interface of the program

以蒙大煤業(yè)的煤壁片幫穩(wěn)定性為例進(jìn)行分析,分析過程如圖3所示,點(diǎn)擊煤壁穩(wěn)定性分析模塊按鈕,進(jìn)入“煤壁片幫評(píng)價(jià)單元”。在界面中首先看到的是“地質(zhì)因素”相關(guān)資料的錄入,當(dāng)錄入之后單擊“下一步”按鈕。

圖3 煤壁片幫評(píng)價(jià)單元界面Fig.3 Evaluation unit interface of rib spalling

接下來需要輸入“開采因素”的相關(guān)內(nèi)容,如割煤高度、支護(hù)強(qiáng)度、推進(jìn)度等,如圖4所示。當(dāng)錄入之后單擊“下一步”按鈕。

圖4 煤壁片幫開采因素的錄入界面Fig.4 Mining factors entry interface of rib spalling

根據(jù)錄入的資料內(nèi)容,系統(tǒng)在后臺(tái)自動(dòng)分析,按照軟件編輯時(shí)的隸屬函數(shù)關(guān)系、影響因子權(quán)重等進(jìn)行計(jì)算,最終給出評(píng)價(jià)結(jié)果,如圖5所示。

圖5 煤壁片幫評(píng)價(jià)結(jié)果界面Fig.5 Evaluation result interface of rib spalling

此次評(píng)價(jià)結(jié)論為煤壁“極難片幫”。當(dāng)煤壁穩(wěn)定性分析、頂煤冒放性分析及安全影響因素分析完成之后,軟件自動(dòng)將各個(gè)分析內(nèi)容匯總,存入數(shù)據(jù)庫(kù)中并對(duì)大采高綜放可行性進(jìn)行評(píng)價(jià),并自動(dòng)生成評(píng)價(jià)報(bào)告。通過將蒙大煤業(yè)具體條件輸入大采高綜放適應(yīng)性評(píng)價(jià)軟件后得知:蒙大煤業(yè)3-5號(hào)煤層適合采用大采高綜放開采。

6 結(jié)束語(yǔ)

在分析頂煤放冒性、煤壁穩(wěn)定性的影響因素、大采高綜放開采條件適應(yīng)性、工作面安全因素的基礎(chǔ)上,開發(fā)了大采高綜放適應(yīng)性評(píng)價(jià)軟件,并通過評(píng)價(jià)軟件分析得出:3-5號(hào)煤層適合采用大采高綜放開采。