蒙大煤业深煤层大采高综采适应性评价研究

刘立新,刘混举

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.乌审旗蒙大矿业有限责任公司,内蒙古 乌审旗 017300)

生产实践证明高产高效矿井的建设,提高了工作面的生产能力,大大减少了井下人员的数量,安全状况有很大改观,百万吨死亡率远远低于全国平均水平。与综放开采技术和分层开采技术相比较,大采高综采开采技术取得的经济效益更高。大采高综放工作面在同煤集团蒙大煤业、潞安屯留等煤矿投入应用,其相关技术理论研究正处于探索阶段,特别是在大采高综放开采适应性等方面缺乏系统研究。本文针对蒙大煤业矿井的地质煤层的开采条件,对大采高综采技术的适应性评价体系进行研究。

1 顶煤冒放性影响因素综合分析

顶煤拉伸破坏系数,即支架上方顶煤拉伸破坏面积占支架上方顶煤面积的比值,并以此来定量的描述顶煤冒放性的好坏[1-3]。对于大采高综采技术,在其生产工作面选取顶煤厚度、煤层强度、割煤高度及煤层埋藏深度等4个指标为顶煤冒放性主要影响因素,然后针对每个影响因素分别取5个水平采用正交试验法构建试验方案,进而分析研究各因素对顶煤拉伸破损的影响。通过试验可得各因素对工作面顶煤冒放性发育影响程度依次为:煤层强度>顶煤厚度>割煤高度>煤层埋藏深度。在试验因素变化水平内,煤层本身强度与顶煤厚度是顶煤冒放性的最主要影响因素。

2 煤壁稳定性影响因素综合分析

为定量描述煤壁破坏情况,对煤壁的稳定性进行准确评价,在此引入煤壁拉伸破坏系数,即煤壁拉伸破坏煤体的面积占割煤高度范围内沿工作面走向单位长度煤体面积的百分比[4]。在其生产工作面选取顶煤厚度、煤层强度、割煤高度及支架支护强度等4个指标为煤壁稳定性的主要影响因素,然后针对每个影响因素分别取5个水平,采用正交试验法构建试验方案,进而分析研究各因素对顶煤拉伸破损的影响。通过试验可得各因素对工作面煤壁稳定性影响程度依次为:普氏硬度系数>割煤高度>支护强度>煤层厚度。在试验因素变化水平内,煤层本身强度与割煤高度是煤壁稳定性的最主要影响因素。

3 大采高综放开采条件适应性分析

当煤壁拉伸破坏系数达到1.5时,煤壁整体没有出现拉伸破坏现象,仍然可以承受一定的载荷。由此可见,煤壁发生失稳的临界值是煤壁拉伸破坏系数1.5。

结合当前综放支架的技术水平,对于大采高综放技术而言,为了对其适应性进行研究,其工作面的综放支架的最大支护强度为1.5 MPa。

在软煤条件下,能否采用大采高综放开采,主要取决于煤壁的稳定性能否得到控制;而在硬煤条件下,则主要取决于顶煤的冒放性能否满足要求[5]。增大采高,能够显著增加综放开采一次采全高的厚度上限,但采高加大时,所要求的煤层强度下限也相应提高。当割煤高度大于3.5 m时,煤层普氏硬度系数必须大于0.9,才能确保煤壁的稳定。

采用大采高综放开采,煤层普氏硬度系数应大于0.9。当煤层厚度大于21 m,割煤高度需大于5.0 m,煤层普氏硬度系数须大于1.6,才能确保顶煤冒放性较好和煤壁稳定。受顶煤厚度对顶煤回收率的影响,顶煤厚度不宜过大。为保证工作面资源回收率不低于75%,4.5 m割煤高度条件下,顶煤厚度不宜大于12 m。

4 大采高综放工作面安全因素分析

4.1 瓦斯事故安全性分析

大采高综放开采条件下,工作面割煤高度增加,放顶煤高度相应减小,由工作面割煤产生的瓦斯量也会相应增加。因此,大采高综放开采条件下的瓦斯有效防治是进行安全高效开采的保证。

4.2 顶板事故安全性分析

与普通综采相比,大采高综放面由于顶煤存在,可以吸收顶板破坏产生的能量,有利于减少顶板垮落产生的冲击;与普通综放开采相比,大采高综放开采顶煤厚度减小,采空区瓦斯减少,顶板突然垮落诱发的瓦斯事故发生概率降低[6]。因此,从顶板灾害防治的角度,大采高综放开采更有利于高瓦斯厚煤层安全开采。

4.3 尘害安全性分析

根据大采高综放开采的特点,工作面煤尘来源与分布具有以下特征:产尘源增多,煤尘浓度较高;大采高综放面的平均吨煤产尘量有下降趋势。对于大采高综放面的粉尘防治,可借鉴普通综放开采所采取的综合措施,如煤层注水技术、除尘器除尘、喷雾降尘技术等降尘措施。

4.4 水质灾害安全性分析

一般而言,煤矿水质灾害和开采活动过程中顶板的破坏程度和运动规律息息相关。相对于厚煤层的分层炮采与分层综采,大采高综采条件下的导水裂缝带高度和形态都会发生明显变化[7]。由此,可以认为在一定的地质条件下,大采高综放与普通综放相比,割煤高度增加,裂隙的发育高度不会明显增加,不会明显增加水害发生的概率,采取适当的防水措施后,可以进行安全开采。

综上分析可知,大采高综放开采与普通综放开采相比,水害的危险性不会明显增加。对于具体的地质条件,综合各种因素进行分析,得到大采高综放开采的上限后,是可以实现安全开采的,国内的水下、水上综放采煤实践也证明了这一点。不同富水性的松散含水层水体和不同类型的覆岩,在留设防水、防砂及防塌煤柱等条件下都成功地实现了综放安全开采。兴隆庄煤矿四采区综放工作面在含弱富水含水层及最小基岩柱垂高65 m的条件下实现了留设防砂煤柱综放安全开采,取得采空区滞后涌水形式下安全生产。

4.5 自燃发火安全性分析

大采高综放条件下自燃发火有以下特征:

1)火灾隐患相对多,火灾发生地点多;

2)火灾治理相对复杂;

3)有利于抑制采空区发火。

提高回采率,减少采空区遗煤,是防止采空区遗煤自燃的最有效方法之一。对于大采高综放条件下的自然发火治理措施主要有:合理分配风量;提高工作面的开采速度,使有可能起火的氧化带遗留在窒息区内;对自然发火进行预测预报以及防治。

对大采高综放开采在瓦斯、顶板、尘害、水害、自燃发火等方面的安全性进行了分析得出：对于厚及特厚煤层条件,当地质条件相同时,与普采相比,大采高综放技术的安全性能够得到更好的保证,体现在顶板防护、瓦斯控制、自燃发火的排查等方面,结合煤矿相关的灾害防治措施,便可在工作面上达到大采高综放技术可靠应用的目的。

5 大采高综放适应性评价软件的开发

大采高综放适应性评价体系软件采用专家系统软件模式。专家系统是人工智能应用于实践最多的分支之一。专家系统已经在很多行业很多领域得到了非常广泛的应用,并且取得明显的社会和经济效益。专家系统的最终目的是在模拟人类思维的基础上,通过“计算机”代替“人工”进行计算,就某类重要问题,提出供人们参考的专家级建议[8]。

大采高综放适应性评价软件系统的组成部分有功能模块和知识子库,其中功能模块有10个,知识子库有3个。功能模块分别是主控模块、输入地质条件原始数据模块、加权处理模块、输入大采高综放原始数据模块、大采高综放工艺参数设计检验模块、大采高综放煤壁稳定性分析模块、大采高综放顶煤冒放性分析模块、大采高综放安全因素分析模块、设备选择模块和知识获取模块。系统各部分的联系及控制关系如图1所示。

图1 大采高综放适应性评价软件结构Fig.1 Evaluation software on adaptability of large-mining-height fully-mechanized mining

主控功能模块的作用是将其它各个模块进行连接,并对其进行控制。输入信号对子功能模块进行调用,如果所有指令完成,则又回到主控模块,执行下一项指令。在综放可行性评估工作中,其需要的地质数据均需要输入原始地质数据模块来完成。加权处理模块的作用是对多位专家的影响因素评价进行加权处理。适应性评估模块的功能是采用相关的推理方法,通过对专家的决策思路进行模拟,对大采高综放技术是否可行进行评估。

该软件采用递推模式人机交互方法,运行后程序主界面如图2所示。

图2 程序运行时的界面图Fig.2 Interface of the program

以蒙大煤业的煤壁片帮稳定性为例进行分析,分析过程如图3所示,点击煤壁稳定性分析模块按钮,进入“煤壁片帮评价单元”。在界面中首先看到的是“地质因素”相关资料的录入,当录入之后单击“下一步”按钮。

图3 煤壁片帮评价单元界面Fig.3 Evaluation unit interface of rib spalling

接下来需要输入“开采因素”的相关内容,如割煤高度、支护强度、推进度等,如图4所示。当录入之后单击“下一步”按钮。

图4 煤壁片帮开采因素的录入界面Fig.4 Mining factors entry interface of rib spalling

根据录入的资料内容,系统在后台自动分析,按照软件编辑时的隶属函数关系、影响因子权重等进行计算,最终给出评价结果,如图5所示。

图5 煤壁片帮评价结果界面Fig.5 Evaluation result interface of rib spalling

此次评价结论为煤壁“极难片帮”。当煤壁稳定性分析、顶煤冒放性分析及安全影响因素分析完成之后,软件自动将各个分析内容汇总,存入数据库中并对大采高综放可行性进行评价,并自动生成评价报告。通过将蒙大煤业具体条件输入大采高综放适应性评价软件后得知:蒙大煤业3-5号煤层适合采用大采高综放开采。

6 结束语

在分析顶煤放冒性、煤壁稳定性的影响因素、大采高综放开采条件适应性、工作面安全因素的基础上,开发了大采高综放适应性评价软件,并通过评价软件分析得出:3-5号煤层适合采用大采高综放开采。