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(yè)有限責任公司,內(nèi)蒙古 烏審旗 017300)

生產(chǎn)實踐證明高產(chǎn)高效礦井的建設,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(jīng)濟效益更高。大采高綜放工作面在同煤集團蒙大煤業(yè)、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(tǒng)研究。本文針對蒙大煤業(yè)礦井的地質(zhì)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(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]。對于大采高綜采技術,在其生產(chǎn)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(gòu)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(fā)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(nèi),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(wěn)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(wěn)定性進行準確評價,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、煤層強度、割煤高度及支架支護強度等4個指標為煤壁穩(wěn)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(gòu)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(wěn)定性影響程度依次為:普氏硬度系數(shù)>割煤高度>支護強度>煤層厚度。在試驗因素變化水平內(nèi),煤層本身強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性分析

當煤壁拉伸破壞系數(shù)達到1.5時,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(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,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(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(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(chǎn)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(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,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。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(zhì)災害安全性分析

一般而言,煤礦水質(zhì)災害和開采活動過程中頂板的破壞程度和運動規(guī)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(tài)都會發(fā)生明顯變化[7]。由此,可以認為在一定的地質(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)育高度不會明顯增加,不會明顯增加水害發(fā)生的概率,采取適當?shù)姆浪胧┖?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(zhì)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(xiàn)安全開采的,國內(nèi)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(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的條件下實現(xiàn)了留設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)火災隱患相對多,火災發(fā)生地點多;

2)火災治理相對復雜;

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);對自然發(fā)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(fā)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?shù)刭|(zhì)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(xiàn)在頂板防護、瓦斯控制、自燃發(fā)火的排查等方面,結(jié)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(fā)

大采高綜放適應性評價體系軟件采用專家系統(tǒng)軟件模式。專家系統(tǒng)是人工智能應用于實踐最多的分支之一。專家系統(tǒng)已經(jīng)在很多行業(yè)很多領域得到了非常廣泛的應用,并且取得明顯的社會和經(jīng)濟效益。專家系統(tǒng)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(tǒng)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(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)設計檢驗模塊、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、設備選擇模塊和知識獲取模塊。系統(tǒng)各部分的聯(lián)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(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(diào)用,如果所有指令完成,則又回到主控模塊,執(zhí)行下一項指令。在綜放可行性評估工作中,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多位專家的影響因素評價進行加權(quán)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(yè)的煤壁片幫穩(wěn)定性為例進行分析,分析過程如圖3所示,點擊煤壁穩(wěn)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(zhì)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(nèi)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(jù)錄入的資料內(nèi)容,系統(tǒng)在后臺自動分析,按照軟件編輯時的隸屬函數(shù)關系、影響因子權(quán)重等進行計算,最終給出評價結(jié)果,如圖5所示。

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

此次評價結(jié)論為煤壁“極難片幫”。當煤壁穩(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,軟件自動將各個分析內(nèi)容匯總,存入數(shù)據(jù)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(yè)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(yè)3-5號煤層適合采用大采高綜放開采。

6 結(jié)束語

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性、工作面安全因素的基礎上,開發(fā)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。