连续采煤机适应性评价方法研究

张振东

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

连续采煤机诞生于20世纪40年代末期，到50年代日渐发展并应用于短壁机械化开采工作面，经过将近70年的发展成为当前比较先进的机械化开采技术。目前，应用连续采煤机的短壁机械化开采技术除了在美洲之外广泛应用于澳洲、非洲、亚洲等多个国家和地区，涵盖煤矿、固体钾盐等多个矿种，并取得良好的效果。20世纪70年代我国先后引进了多种型号的连续采煤机，在多个矿务局得到应用，并取得了良好的效果；20世纪90年代中期，以连续采煤机为龙头的成套技术装备应用于神东矿区的上湾、榆家梁等矿的掘进和回采，并取得了良好的使用效果。近几年随着技术的不断成熟及《煤矿安全规程》中的连续采煤机使用规定的明确，连续采煤机得到大面积推广使用[1]。但是连续采煤机的短壁开采技术应用远不如综采广泛，关于连续采煤机选型和适应性方面的研究更是处于描述阶段[2]，为了使连续采煤机选型实现定量化，能更加准确地反映连续采煤机的适用性，研究用于定量评价连续采煤机适用性的方法势在必行。

1 连续采煤机适应性评价方法

连续采煤机适应性评价方法目前尚处于定性描述阶段，各条描述之间是相互独立的并列关系，相互之间的联系不易体现，为了更加准确并定量地描述连续采煤机的适应性，使用基于模糊数学的模糊综合评价法来创建影响连续采煤机适应性因素的隶属函数，再用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)将与连续采煤机适应性有关的因素分解成不同的层次[3]，并确定每个指标的权重，最终实现连采机适应性的定量分析。

1.1 评价的因素结构及指标体系

根据评价因素结构建立原则，并结合现场实际情况，建立矿井连采工作面煤层地质条件的评价因素结构如图1所示[4]，包括瓦斯等级这个特级指标、地质构造复杂程度、煤层稳定性等7个一级指标和断层影响、陷落柱影响等13个二级指标。

图1 连采工作面煤层地质条件的评价因素结构

1.2 连续采煤机适应性评价影响因素

增加一个特级指标瓦斯等级，是由于工作面范围内的瓦斯压力p和绝对瓦斯涌出量q是否满足规定是连续采煤机能否适用的先决条件，《煤矿安全规程》中有明确规定。以下地质构造复杂程度、煤层稳定性等影响因素的研究都是满足瓦斯适用条件进行的研究[5]。

1.2.1 地质构造的影响

(1)断层影响 根据多年的连采机使用经验和相关资料得出影响连采机适应性的主要指标为断层密度、长度指数和落差系数。断层密度q1用块段内的断层条数n1除以该块段的面积S的商表示。断层长度指数q2用该块段内各条断层的长度总和与该块段的面积之比表示，反映的是单位面积内断层的总长度。断层落差系数q3定义为断层落差高度h与块段内煤层开采厚度m的比值。通常情况下，用煤层开采厚度的对数函数对断层落差系数q3进行修正：

式中，hi为第i条断层的落差，m。

1.2.2 煤层稳定性的影响

煤层稳定性用以下3个因素来描述：煤厚变化情况，表示为煤厚变异系数γ′；可采程度，表示为煤层可采性指数Km；煤层结构变化程度，表示为夹矸系数G。

1.2.3 煤层厚度的影响

1.2.4 煤层倾角的影响

1.2.5 煤层坚硬性的影响

用煤层综合强度R来评价煤层坚硬性，R=(1-G)×Rc+G×Re，式中，Re为夹矸的单向抗压强度，MPa；Rc为煤的单项抗压强度，MPa。

1.2.6 煤层顶底板条件的影响

煤层顶底板条件严重影响连续采煤机生产效率和生产安全，其稳定性影响到连采工艺的选用以及连续采煤机截割循环深度和开机率[6]。

(1)直接顶稳定性，表现为直接顶单向抗压强度σ。

(3)伪顶影响，评价伪顶影响取伪顶厚度h0作为评价指标。

(4)底板强度，用直接底岩层的单向抗压强度RD表示。

1.2.7 块段内空顶区域状况

1.3 评价因素隶属函数的构造

构造隶属函数有多种方法，如待定系数法，统计分析法，多相模糊统计法等，上述方法的依据来源于现场应用的技术总结、报告，相关可研成果，统计分析数据和专家经验。

由于工作面范围内的瓦斯压力p和绝对瓦斯涌出量q对连续采煤机适用性起决定作用，因此以上两因素的隶属函数是在变量的临界值处存在断点的常数函数，它的函数值只有0和1两个数值，因此构造的隶属函数为：

(1)工作面瓦斯压力隶属函数

(1)

(2)工作面瓦斯绝对涌出量隶属函数

(2)

1.3.1 统计分析法

煤层倾角、煤层开采厚度和采空区空顶率等几个因素对于工作面的产量和效率影响较为直接，而且明显，同时以上因素的影响便于统计。通过调研国内外多个使用连续采煤机的工作面的情况进行统计分析，构造以上几个因素的隶属函数。

(1)煤层倾角的隶属函数

(3)

(2)煤层开采厚度的隶属函数

(4)

(3)采区空顶率影响系数隶属函数

(5)

1.3.2 待定系数法

煤层的可采性、煤层的变异情况和煤层的综合强度等因素不如上节中的3个指标对产量和效率的影响明显，但存在一些特殊的点可以凭借专家经验做出散点图，大致可以确定隶属函数的形状和变化趋势，通过对比简单的隶属函数曲线，最终拟合成隶属函数的表达式。

(1)煤层可采性指数的隶属函数

(6)

(2)煤层变异系数的隶属函数

(7)

(3)煤层综合强度指数的隶属函数

(8)

(4)直接顶单向抗压强度隶属函数

(9)

(5)基本顶支撑性的隶属函数

(10)

(6)伪顶厚度的隶属函数

(11)

(7)底板单向抗压强度的隶属函数

(12)

(8)夹矸系数的隶属函数

(13)

(9)陷落柱影响系数隶属函数

(14)

1.3.3 多元隶属函数法

多元隶属函数法用于因素特征需要多个指标(元)进行表征，其可分为多个影响等级的因素的隶属函数构造，其本质就是多相模糊统计法。依此方法可构造断层影响的多元隶属函数：

(15)

1.4 评价因素权重的确定

评价因素权重，就是定量评价各个因素对于连续采煤机适应性影响相对重要性。

1.4.1 构造判断矩阵

经过对现场使用经验的总结、统计数据的分析和专家的咨询调查，构造判断矩阵见表1～4所示。

表1 A～B层判断矩阵

表2 B1～C判断矩阵

表3 B2～C判断矩阵

表4 B6～C判断矩阵

1.4.2 判断矩阵权重计算

用乘积n次方根法求相对权系数，即：

表5 C层基因素相对A层的权系数

1.4.3 判断矩阵一致性检验

计算得：λmax=7.2，n=7，CI=0.033，已知平均随机一致性指标RI=1.32

1.4.4 综合评价模型建立

连续采煤机适应性评价是对连续采煤机的适用程度进行多层次多因素的评价，将影响因素的评价按一定算法折算为综合评价值，并用该综合评价值来评测连续采煤机的适应程度。

设评价样本集X=x1，x2，…，xn有m评价因素，其指标矩阵：

(16)

因为每个评价因素都构造了评价模糊隶属函数，上述指标值矩阵可映像为指标隶属度矩阵，μ:X→R

(17)

多重因素权重用W(w1，w2，…，wm)表示。

综合评价模型选用加权平均型，同时考虑到工作面范围内的瓦斯压力Pw和绝对瓦斯涌出量Qw的决定性作用，即：

(18)

式中，bj为综合评价值。

根据连续采煤机多年的使用经验，分析研究使用过连续采煤机的百余个开采、掘进工作面，并参考国内外多个相关领域专家的意见，将bj分为4个范围来评价连续采煤机的适用情况，见表6。

表6 bj值范围划分

2 现场实例验证

为了验证上述方法的可行性，选取几个煤矿的地质情况分别进行专家组评价和上述评论方法计算评价，并将两种结果进行对比。

(1)A～D矿各个工作面的地质参数和评测结果，见表7。

表7 A～D矿井预选工作面地质条件参数及评测结果

(2)针对以上4个矿的基本地质情况，专家组进行了评价：

A矿415工作面经过专家评测后结果为：虽然煤层厚度、硬度符合要求，但是顶板软，基本顶支撑性差，顶板不稳定，再加之采空区空顶区域达到36.7%，工作面存在瓦斯，因此该种顶板不利于连续采煤机效率的发挥，并且存在采空区瓦斯泄漏的风险，还存在断层和陷落柱的影响，不建议采用连续采煤机开采。

B矿502工作面经过专家评测后结果为：该工作面顶板条件偏软，伪顶厚度较大达到0.5m以上，工作面存在瓦斯，无断层因素影响，煤层厚度、硬度、倾角等情况非常适合连续采煤机的应用，但是使用过程中注意顶板及时支护和开采过程中伪顶的掉落，虽然可以使用连采机，但因为顶板的影响导致连采机能力不能完全发挥。

C矿24206工作面经过专家评测后结果为：工作面虽然存在瓦斯、断层、陷落柱等，但影响较小，顶板条件良好，煤层情况也非常利于连续采煤机开采，可以有一定的空顶距离，利于连续采煤机能力的发挥，比较适宜该设备的应用。

D矿15601工作面经过专家评测后结果为：工作面瓦斯量低，无断层、陷落柱等影响，顶板条件非常好，煤层厚度大，变化性小，倾角小，硬度适中，夹矸量低，非常适宜连续采煤机的应用，宜选用大采高的连续采煤机取得较高的资源回收率。

3 结 论

本文基于模糊数学的综合评价法建立的综合评价模型，可实现对连续采煤机适应性的定量评价。通过对比定量评价和专家组评价结果可知：该定量评价结果与专家组评价结果一致性较高，对连续采煤机的适用性能评价快速、准确、有效。