蒙大煤業深煤層大采高綜采適應性評價研究

劉立新,劉混舉

(1.太原理工大學 機械工程學院,太原 030024;2.烏審旗蒙大礦業有限責任公司,內蒙古 烏審旗 017300)

生產實踐證明高產高效礦井的建設,提高了工作面的生產能力,大大減少了井下人員的數量,安全狀況有很大改觀,百萬噸死亡率遠遠低于全國平均水平。與綜放開采技術和分層開采技術相比較,大采高綜采開采技術取得的經濟效益更高。大采高綜放工作面在同煤集團蒙大煤業、潞安屯留等煤礦投入應用,其相關技術理論研究正處于探索階段,特別是在大采高綜放開采適應性等方面缺乏系統研究。本文針對蒙大煤業礦井的地質煤層的開采條件,對大采高綜采技術的適應性評價體系進行研究。

1 頂煤冒放性影響因素綜合分析

頂煤拉伸破壞系數,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]。對于大采高綜采技術,在其生產工作面選取頂煤厚度、煤層強度、割煤高度及煤層埋藏深度等4個指標為頂煤冒放性主要影響因素,然后針對每個影響因素分別取5個水平采用正交試驗法構建試驗方案,進而分析研究各因素對頂煤拉伸破損的影響。通過試驗可得各因素對工作面頂煤冒放性發育影響程度依次為:煤層強度>頂煤厚度>割煤高度>煤層埋藏深度。在試驗因素變化水平內,煤層本身強度與頂煤厚度是頂煤冒放性的最主要影響因素。

2 煤壁穩定性影響因素綜合分析

為定量描述煤壁破壞情況,對煤壁的穩定性進行準確評價,在此引入煤壁拉伸破壞系數,即煤壁拉伸破壞煤體的面積占割煤高度范圍內沿工作面走向單位長度煤體面積的百分比[4]。在其生產工作面選取頂煤厚度、煤層強度、割煤高度及支架支護強度等4個指標為煤壁穩定性的主要影響因素,然后針對每個影響因素分別取5個水平,采用正交試驗法構建試驗方案,進而分析研究各因素對頂煤拉伸破損的影響。通過試驗可得各因素對工作面煤壁穩定性影響程度依次為:普氏硬度系數>割煤高度>支護強度>煤層厚度。在試驗因素變化水平內,煤層本身強度與割煤高度是煤壁穩定性的最主要影響因素。

3 大采高綜放開采條件適應性分析

當煤壁拉伸破壞系數達到1.5時,煤壁整體沒有出現拉伸破壞現象,仍然可以承受一定的載荷。由此可見,煤壁發生失穩的臨界值是煤壁拉伸破壞系數1.5。

結合當前綜放支架的技術水平,對于大采高綜放技術而言,為了對其適應性進行研究,其工作面的綜放支架的最大支護強度為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,所要求的煤層強度下限也相應提高。當割煤高度大于3.5 m時,煤層普氏硬度系數必須大于0.9,才能確保煤壁的穩定。

采用大采高綜放開采,煤層普氏硬度系數應大于0.9。當煤層厚度大于21 m,割煤高度需大于5.0 m,煤層普氏硬度系數須大于1.6,才能確保頂煤冒放性較好和煤壁穩定。受頂煤厚度對頂煤回收率的影響,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,放頂煤高度相應減小,由工作面割煤產生的瓦斯量也會相應增加。因此,大采高綜放開采條件下的瓦斯有效防治是進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生的能量,有利于減少頂板垮落產生的沖擊;與普通綜放開采相比,大采高綜放開采頂煤厚度減小,采空區瓦斯減少,頂板突然垮落誘發的瓦斯事故發生概率降低[6]。因此,從頂板災害防治的角度,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

根據大采高綜放開采的特點,工作面煤塵來源與分布具有以下特征:產塵源增多,煤塵濃度較高;大采高綜放面的平均噸煤產塵量有下降趨勢。對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、除塵器除塵、噴霧降塵技術等降塵措施。

4.4 水質災害安全性分析

一般而言,煤礦水質災害和開采活動過程中頂板的破壞程度和運動規律息息相關。相對于厚煤層的分層炮采與分層綜采,大采高綜采條件下的導水裂縫帶高度和形態都會發生明顯變化[7]。由此,可以認為在一定的地質條件下,大采高綜放與普通綜放相比,割煤高度增加,裂隙的發育高度不會明顯增加,不會明顯增加水害發生的概率,采取適當的防水措施后,可以進行安全開采。

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

4.5 自燃發火安全性分析

大采高綜放條件下自燃發火有以下特征:

1)火災隱患相對多,火災發生地點多;

2)火災治理相對復雜;

3)有利于抑制采空區發火。

提高回采率,減少采空區遺煤,是防止采空區遺煤自燃的最有效方法之一。對于大采高綜放條件下的自然發火治理措施主要有:合理分配風量;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內;對自然發火進行預測預報以及防治。

對大采高綜放開采在瓦斯、頂板、塵害、水害、自燃發火等方面的安全性進行了分析得出：對于厚及特厚煤層條件,當地質條件相同時,與普采相比,大采高綜放技術的安全性能夠得到更好的保證,體現在頂板防護、瓦斯控制、自燃發火的排查等方面,結合煤礦相關的災害防治措施,便可在工作面上達到大采高綜放技術可靠應用的目的。

5 大采高綜放適應性評價軟件的開發

大采高綜放適應性評價體系軟件采用專家系統軟件模式。專家系統是人工智能應用于實踐最多的分支之一。專家系統已經在很多行業很多領域得到了非常廣泛的應用,并且取得明顯的社會和經濟效益。專家系統的最終目的是在模擬人類思維的基礎上,通過“計算機”代替“人工”進行計算,就某類重要問題,提出供人們參考的專家級建議[8]。

大采高綜放適應性評價軟件系統的組成部分有功能模塊和知識子庫,其中功能模塊有10個,知識子庫有3個。功能模塊分別是主控模塊、輸入地質條件原始數據模塊、加權處理模塊、輸入大采高綜放原始數據模塊、大采高綜放工藝參數設計檢驗模塊、大采高綜放煤壁穩定性分析模塊、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、設備選擇模塊和知識獲取模塊。系統各部分的聯系及控制關系如圖1所示。

圖1 大采高綜放適應性評價軟件結構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模塊進行連接,并對其進行控制。輸入信號對子功能模塊進行調用,如果所有指令完成,則又回到主控模塊,執行下一項指令。在綜放可行性評估工作中,其需要的地質數據均需要輸入原始地質數據模塊來完成。加權處理模塊的作用是對多位專家的影響因素評價進行加權處理。適應性評估模塊的功能是采用相關的推理方法,通過對專家的決策思路進行模擬,對大采高綜放技術是否可行進行評估。

該軟件采用遞推模式人機交互方法,運行后程序主界面如圖2所示。

圖2 程序運行時的界面圖Fig.2 Interface of the program

以蒙大煤業的煤壁片幫穩定性為例進行分析,分析過程如圖3所示,點擊煤壁穩定性分析模塊按鈕,進入“煤壁片幫評價單元”。在界面中首先看到的是“地質因素”相關資料的錄入,當錄入之后單擊“下一步”按鈕。

圖3 煤壁片幫評價單元界面Fig.3 Evaluation unit interface of rib spalling

接下來需要輸入“開采因素”的相關內容,如割煤高度、支護強度、推進度等,如圖4所示。當錄入之后單擊“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

根據錄入的資料內容,系統在后臺自動分析,按照軟件編輯時的隸屬函數關系、影響因子權重等進行計算,最終給出評價結果,如圖5所示。

圖5 煤壁片幫評價結果界面Fig.5 Evaluation result interface of rib spalling

此次評價結論為煤壁“極難片幫”。當煤壁穩定性分析、頂煤冒放性分析及安全影響因素分析完成之后,軟件自動將各個分析內容匯總,存入數據庫中并對大采高綜放可行性進行評價,并自動生成評價報告。通過將蒙大煤業具體條件輸入大采高綜放適應性評價軟件后得知:蒙大煤業3-5號煤層適合采用大采高綜放開采。

6 結束語

在分析頂煤放冒性、煤壁穩定性的影響因素、大采高綜放開采條件適應性、工作面安全因素的基礎上,開發了大采高綜放適應性評價軟件,并通過評價軟件分析得出:3-5號煤層適合采用大采高綜放開采。