西南复杂难采煤层安全开采模式智能化决策

于健浩

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

开采技术与装备

西南复杂难采煤层安全开采模式智能化决策

于健浩1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

西南地区煤层地质条件复杂，中小煤矿居多，严重制约了煤矿机械化水平的提高。通过对该地区煤层地质条件的整体分类，并对现有的机械化采煤工艺适用性进行分析，采用模糊综合评价方法建立了复杂地质条件评价模型，实现了不同地质条件下采煤工艺的优化选择。而后，基于Java语言及CDP平台开发了开采模式决策专家系统，涵盖了地质条件录入、采煤方法选择、地质条件评价计算、采煤工艺选择、设备选型等功能，最终实现了西南地区复杂难采煤层安全开采模式的智能化决策。

难采煤层；安全开采模式；智能化决策

我国西南地区煤炭资源丰富，具有分布面积广、储量集中、煤种齐全的特点。该地区煤炭资源总储量超过千亿吨，煤质以无烟煤、焦煤、贫煤、瘦煤为主，是优质动力煤生产基地。但由于该地区位于亚欧板块与印度洋板块交界处，地质活动频繁，岩性疏松[1-2]。同时该地区干湿季分明，如此的沉积环境使得西南地区煤矿地质具有煤层层数多、厚度薄、稳定性差、地质构造较多、瓦斯含量较高、个别地区存在煤与瓦斯突出危险、矿井水害频发等特点。

西南地区煤矿的复杂地质条件，决定了该地区煤矿的产能规模，表现为中小煤矿居多，其中以产能在0.3Mt以下的乡镇煤矿为主。据不完全统计，仅贵州一省的乡镇小煤矿就有近2000处[3]。中小煤矿数量占西南地区煤矿总量的95%以上， 由于煤层赋存条件及水文地质条件复杂，许多煤矿仍然采用落后的开采模式，机械化程度低、生产和安全装备差、技术人员缺乏，造成煤炭采出率低、管理混乱、安全性差、伤亡事故频发[4-5]。这些问题的存在不但制约着中小煤矿自身的发展，而且也阻碍了西南地区煤炭工业的健康发展和安全生产形势的根本好转。

复杂的地质条件限制了局部区域煤炭资源的可采储量，不能实现大规模集约化开采，较少的资金投入也使得该地区煤矿开采强度低下，限制了产能的提高。目前，对西南地区复杂地质条件煤层的开采存在的问题是多方面的，主要体现在以下几点：

(1)采煤方法与技术装备落后 西南地区80%以上矿井采用极为落后的采煤方法，如穿巷式采煤法、仓储采煤法、房柱式采煤法等。煤矿机械化水平低下，绝大多数煤矿采用炮采工艺，有些小煤矿甚至采用手镐落煤，一半以上的矿井采煤工作面仍采用木支护，只有不到10%的煤矿实现了半机械化开采。

(2)煤炭采出率低 由于采煤方法落后，开采部署不合理，对于一些边角煤、异形煤柱、鸡窝煤等，一般利用“以掘代采”的巷采模式，见煤即挖，因此造成该地区煤矿的煤炭采出率一般不超过50%，有些甚至低于20%，对煤炭资源造成了严重地破坏和浪费。

(3)矿井通风系统较复杂 甚至有的井下还存在串联通风的现象，有的工作面不完全负压通风，实行局扇通风，这在残采中最为常见。

(4)安全事故多发 由于采煤方法及开采工艺和设备落后，矿井安全事故时有发生。据统计，在西南地区煤矿的安全事故中，排在前三位的是瓦斯事故、透水事故和顶板事故，给安全生产带来严重威胁。

因此，进行西南地区中小煤矿的机械化改造就显得尤为重要。目前，适用于中小煤矿开采的机械化采掘装备种类繁多，包括薄煤层滚筒采煤机综采成套装备、薄煤层刨煤机综采成套装备、急倾斜放顶煤成套设备、急倾斜薄煤层刨运综采机组等[6-7]。针对各煤矿地质条件特点，开展地质条件分类工作，研究适于不同煤层条件的采煤方法与设备配套方案，建立适合复杂地质条件煤矿的机械化安全开采模式，开发西南地区复杂地质条件煤层安全开采模式专家决策系统，实现不同地质条件下的采煤方法与设备配套方案的自动化决策，为西南地区中小煤矿的技术改造提供参考。

1 西南地区复杂煤层地质条件分类

地质条件是矿井开采的前提和决定因素，一个矿井能否采用机械化开采，除了取决于综采设备的适应性能及矿井的生产管理技术水平外，矿井地质条件也是重要的决定因素。综采设备的选型及其使用效果与采场地质条件、区域地质构造及其变化规律、生产地质工作等有密切关系。

适应机械化开采的一般地质条件为：煤厚适宜、煤层赋存稳定，倾角变化小，构造简单，无大断层，无黄铁矿结核体；煤层顶板不宜过硬、比较容易冒落，底板平坦且承载能力较大；采场内无大面积隆起、无古河流冲刷和火成岩脉侵入；水文地质条件简单等[8-10]。实际上，完全具备上述条件的采场并不多。因此，有必要分析诸地质因素对机械化开采的影响程度，找到主要矛盾，进而实现煤矿机械化改造。

根据西南地区煤矿地质条件的复杂性，将地质条件分为6大类，包括煤层赋存情况、煤层顶底板条件、煤层结构、地质构造特征、其他地质条件和工作面块度尺寸，如图1所示。

图1 煤层地质条件

(1)煤层开采厚度 当煤厚大于1.3m时属薄煤层开采，目前国内薄煤层开采技术已十分成熟，机械化程度高，能够保证产量并实现安全生产；当煤厚大于0.6m小于1.3m时，煤层开采存在一定的困难，工人劳动量增加，产量下降，并存在安全隐患；当煤厚小于0.6m时，属极薄煤层开采，开采难度大，工艺复杂。

(2)煤层倾角 当煤层倾角小于25°时，属缓倾斜煤层，采煤工艺简单，工作面设备基本不需要采取防滑防倒措施，有利于实现机械化开采；当煤层倾角大于25°小于45°时，属倾斜煤层，采煤工艺相对复杂，人员行走、运料困难，底板可能出现较大变形，对于设备的固定及防倒措施增加了一定的难度；当煤层倾角大于45°时，煤层基本处于急倾斜，对采煤工艺要求苛刻，增加了工人的劳动强度，在机械化开采过程中必须采取适当的安全措施以保障采煤工作的顺利进行。

(3)煤层硬度 煤层硬度是影响采煤机开采及工作面煤壁片帮程度的一个因素。在目前采煤机功率逐渐加大的趋势下，煤的坚固性系数f<3～4时，已经不是限制综采产量的主要因素，而f<1或节理发育、采高在2m以上片帮冒顶已成为影响综采产量的一个重要问题，对综放工作面来说还直接影响顶煤的冒放性及放煤作业时间。

(4)煤层夹矸情况 在机械化开采过程中，当煤层夹矸较厚且较坚硬时，直接影响采煤机的割煤效率并增加了材料消耗，在夹矸过硬采煤机无法截割时，只能采用放炮破碎夹矸，降低了开机率。在放顶煤开采时，顶煤中夹矸的厚度和硬度关系到顶煤的整体性，开采实践证明，其影响程度主要取决于单层夹矸厚度，当单层夹矸厚度大于500mm时，煤层的冒放性就将由夹矸的性质所决定。

(5)煤层稳定性 根据煤层可采性指数和煤厚变异系数确定煤层稳定程度。当煤层为稳定煤层或较稳定煤层时，评价等级为好；当为不稳定煤层时评价等级为中；为极不稳定煤层时，评价等级为差。

(6)煤层顶底板条件 煤层顶底板条件对煤层是否能够实现机械化意义重大，煤层顶底板条件可影响到机械化采煤工艺的选用、采煤机械截深度、割煤速度和开机率。顶板稳定性包括直接顶稳定性、基本顶支撑条件和伪顶影响三方面。对于伪顶的影响，取伪顶厚度h0为评价指标。对于直接顶、基本顶来说，能够综合反映顶板稳定性的初次垮落步距在地勘阶段难以测取，因此将稳定性级别作为主要分类指标，底板同样采用对其进行分级的方法来解决。

(7)块度尺寸 新设计的综采工作面长度不宜小于150m，普采工作面长度薄煤层不宜小于120m，中厚煤层不宜小于140m；可推进长度增大，因工作面搬家造成的产量降低和费用增加都会相对减少，可推进长度一般不宜小于1000m，但对于中小煤矿而言，由于地质构造较多，可推进长度大于500m为宜。

(8)地质构造复杂程度 当断层复杂程度小于0.54时，对工作面正常采煤影响较小，当大于0.7时，由于断层落差较大，不利于工作面开采；当工作面内存在中小急转褶曲时，则不利于工作面的正常推进，数量越多影响越为严重[11]。

(9)其他地质条件 根据中小煤矿地质条件特点，选取矿井瓦斯等级、煤层自燃倾向、水文地质条件、煤尘爆炸倾向等4项指标作为其他地质条件的评价因素。

对于一次采全高和放顶煤开采2种采煤方式而言，各地质条件对实现机械化开采的作用机理和影响程度不尽相同，地质条件分类结果如表1所示。

表1 地质条件评价指标量化

2 采煤方法选择

随着采煤设备的持续更新和开采技术的不断完善，使得中厚煤层高档普采、综采以及薄煤层滚筒采煤机普采、综采、刨煤机无人工作面开采等工艺在西南中小煤矿的应用成为可能。西南地区煤矿地质条件复杂，煤层倾角和煤层厚度涵盖了缓倾斜—直立、极薄—特厚几乎所有类型的煤层。因此，备选采煤方法的种类应尽可能详尽。

通过对西南煤矿地质条件以及煤层赋存情况的研究发现，这些煤矿的地质条件一般较为复杂，多存在大型地质构造，且煤层薄、倾角大等开采问题。根据这些特点，选择适合西南煤矿的机械化采煤方法[12]，并按煤层倾角不同对其进行分类，如图2所示。各种采煤方法的适用条件如表2所示。

图2 中小煤矿采煤方法分类

3 地质条件评价模型

3.1 评价方法的选择

西南地区煤层地质条件复杂，影响因素众多，许多因素无法量化并存在模糊性，无法进行定性的评价。因此本文采用模糊综合评价方法对复杂煤层地质条件进行综合分析评价[13]，为采煤工艺的选择提供依据。

3.2 评价因素确定

将影响因素分为复合评价因素和基元因素，复合因素包括煤层赋存情况、煤层顶底板条件、煤层结构、地质构造特征、其他地质条件和工作面块度尺寸。

表2 采煤方法适用条件

根据地质条件分类结果，分别将煤层地质条件分为3个评价等级：V={好，中，差}。根据3个等级划分，对各个评价指标进行量化，量化结果如表1所示。

3.3 隶属函数的建立

为了便于操作和计算，本文采用分段线性隶属函数[14]处理方式，根据中小煤矿煤层地质条件特点，将评价指标属性分为两大类：成本型(越小越好)和效益性(越大越好)。

对任一指标ui∈U，评价集为V={好，中，差}，而后对ui在相应指标子集进行归一化处理，并以线性函数表示。

3.4 权重确定

3.5 复杂煤层地质条件综合评价模型

设评价样本集X={x1，x2，…，xn}有m个

表3 西南地区煤层地质条件评价因素权重

评价因素，根据各评价因素的量化结果得出因素值矩阵。

通过隶属度函数将上述因素值矩阵转化为指标隶属度矩阵。

在确定了评判矩阵和因素权重后，为了使评价结果更加直观，采用百分制原则进行评判，令评判集V={好，一般，差}={100～70，70～40，<40 }，各等级分数重心依次为：85，55，20。于是可得复采煤层可采性综合评价模型为：

根据上式计算的综合评价值能够反映煤层地质条件的复杂程度，其值越大，表示煤层可采性越好，越有利于实现机械化开采。

4 评价模型应用及采煤工艺选择

为了研究机械化开采工艺对薄煤层、急倾斜煤层及中厚煤层地质条件的适应程度，应用上述模型对中小煤矿开采实例进行分析，选取西南地区及其他地区26个地质条件较为复杂的矿井，采用地质条件综合评价模型进行分析计算，分析结果如表4所示。

由以上对多个地区煤矿实例分析对比可以看出，当地质条件评价得分超过70分时，多采用综采工艺，采用普采工艺的煤矿地质得分多在60～70分之间，当评价得分小于60分时，多采用炮采工艺。因此，使用该模型对西南地区煤矿地质条件进行评价，当得分大于70时，建议选用综采工艺；当得分在60～70时，建议选用普采工艺；当得分小于60分时，给出专家意见：“该地质条件不适宜采用机械化开采模式，建议进行专项研究”。但当矿井储量较小，可布置正规工作面数量有限(小于10个)时，综采设备的投入成本过高，降低了企业的经济效益，在此情况下建议采用高档普采工艺。

表4 地质条件评价模型实例分析

5 开采模式决策专家系统设计及实现

5.1 系统总体设计

开采模式决策专家系统采用B/S体系结构，根据决策专家系统自身的特点，为了建立可扩展、可配置、稳定高效的决策专家管理系统，采用分层的面向对象的架构思路。由物理层、系统层和应用层3部分组成。系统层包括系统的运行环境和运行平台，其中操作系统采用Windows，数据库采用MSSQL，开发平台采用CDP开发平台，开发语言为Java及JSP。系统功能结构如图3所示。

5.2 系统实现

系统的功能模块主要包括个人信息管理模块、系统管理模块、地质条件录入模块、采煤方法初选模块、地质条件评价计算及采煤工艺选择模块、样本库管理模块。系统界面如图4～6所示。

图3 系统功能结构

图4 系统登录界面

图5 地质条件录入界面

图6 样本数据库信息查询

5.3 系统应用

该软件在川煤集团攀煤公司花山煤矿、太平煤矿进行应用，分别对花山煤矿4067大倾角工作面、太平煤矿32151综放工作面、太平煤矿25092急倾斜工作面安全开采模式进行分析。以花山煤矿4067工作面为例，对决策专家系统的应用情况进行分析。

花山煤矿4067工作面位于花山煤矿四采区+1060m水平6号煤层北翼,平均走向长为382m，平均倾斜长为125m，平均倾角为33°，平均采高2.56m，煤层坚固性系数1.5～2.0，含有3层夹矸，平均厚度1.25m，直接顶为2.37m厚深灰色厚层状泥质粉砂岩，直接底为1.68m厚深灰色厚层状粉砂岩，基本顶和基本底均为浅灰色厚层状含砾粗砂岩。含有3条正断层，最大落差0.65m。工作面地质条件如表5所示。

表5 花山矿4067工作面地质条件

将4067工作面地质条件录入专家系统，得出开采模式方案结果，如图7所示。

图7 花山矿4067工作面开采方案

采用机械化综采对花山煤矿4067大倾角综采进行回采取得了较好的效果，煤炭采出率较原有的刀柱采煤法大幅提高，工作面产量和回采工效也有明显增长，设备适应性良好。工作面自2015年4月正式回采，7月回采结束，历时4个月。最高月产量达到近75kt。

4067工作面采用大倾角综采较原有的刀柱采煤法多回收煤炭资源98kt，延长了采面服务年限，缓解了采区接续紧张局面。工作面回采期间杜绝了重伤以上伤亡事故，未发生大面积推、漏冒顶事故，实现了安全生产，间接效益明显。此条件下综合机械化开采成功，有力地促进了矿区采煤方法改革与研究，为宝鼎矿区及其他矿区同类条件下煤层开采提供了技术保证。

6 结 论

(1)分析了西南地区煤矿煤层赋存特点及其对煤矿安全开采带来的影响。而后，建立了西南地区煤矿复杂煤层地质条件分类标准，并作为影响机械化开采模式选择的关键参数，对应不同地质条件分类结果，给出专家指导意见。

(2)基于西南地区煤矿地质条件及其分类结果及备选采煤方法适用性分析结论，建立了西南地区煤层地质条件模糊综合评价模型，对煤层地质条件进行评价计算，选取多个矿井地质条件代入模型进行分析计算，得出了采煤工艺的选择标准。

(3)基于Java语言及CDP平台开发《开采模式决策专家系统》，该系统具有良好的可扩展性、可配置性，且运行高效稳定，实现了不同地质条件下的采煤方法与设备配套方案的智能化决策。以川煤集团攀煤公司花山煤矿为例进行分类计算，得出4067工作面的采煤方法、采煤工艺、设备选型及专家意见，形成了适合该工作面生产的开采方案。现场应用效果良好，基本达到了预期目标，取得了较好的经济效益和社会效益。

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[责任编辑：邹正立]

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

国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B08)；国家自然科学青年基金资助项目(51304115)

于健浩(1983-)，男，吉林白山人，博士，主要从事煤矿安全高效开采技术、充填开采技术研究工作。

于健浩.西南复杂难采煤层安全开采模式智能化决策[J].煤矿开采，2017，22(4)：16-22.

TD823

A

1006-6225(2017)04-0016-07