（采矿工程专业论文）煤层地质条件评价与开采工艺选择研究.pdf

摘要 煤层地质条件评价与开采工艺选择是实现矿井安全高效建设的基础性工 作。如果没有对煤层地质条件进行客观准确的评价，就不能合理确定工作面的 开采工艺方式，势必会影响矿井的产量与安全。因此准确全面地评价和预测煤 层地质条件与开采工艺是实现矿井安全高效建设的前提，也是实现煤炭安全生 产的保障，更是实现煤炭资源合理开发利用与可持续发展的关键。 本文以地质因素对开采工艺的影响规律为依据，在进行大量典型调查分析 和专家调查的基础上，以系统的结构与功能相统一为出发点，建立工作面煤层 地质条件的评价因素层次结构；简述了模糊综合评价的原理并构造了隶属函 数，应用层次分析法对建立的工作面煤层地质条件各评价因素的权重进行确 定：讲述了神经网络的工作原理和m a t l a b 神经网络工具箱的应用；最后以国 内外相关研究成果为基础，对模糊综合评价和神经网络在煤层地质条件评价中 各自的优缺点进行分析。从采矿角度出发，根据煤层地质条件对开采工艺的影 响，提出了基于模糊综合评价和神经网络的煤层地质条件评价与开采工艺选择 模型。本论文是黑龙江省攻关项目高产高效矿井体系与实施方案的研究的 子课题，选取双鸭山矿业集团东荣二矿1 5 个工作面的煤层地质条件作为样本， 详细阐述了该模型建立的基本思路和建立过程，并将训练好的网络模型对东荣 二矿四个煤层工作面的开采工艺选择进行预测，经煤矿实际生产取得了良好的 经济效果。 关键词；煤层地质条件；开采工艺；模糊综合评价；层次分析法；神经网络 a b s t r a c t t 五et e c h n i c a lv a l u ef o rg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fc o a ls e a mi sg r o u n dw o r ko f f u l f i l l i n gh e a v yp r o d u c t i o na n dh i g he f f i c i e n c y i fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fc o a l s e a mh a v en o tb e e no b j e c t i v e l ya c c u r a t e l yv a l u e d , i tw i l li n f l u e n c eo u t p u ta n d s a f e t yo fm i n e a c c u r a t ec o m p r e h e n s i v ea p p r a i s i n ga n dp r e d i c t i n gt og e o l o g i c a l c o n d i t i o n so fc o a ls e a mi sp r e c o n d i t i o no ff u l f i l l i n gh e a v yp r o d u c t i o na n dh i g h e f f i c i e n c y , i sg u a r a n t e eo ff u l f i l l i n gs a f e t yi np r o d u c t i o n , a n di st h ek e yo f r e a s o n a b l eu s i n gc o a lr e s o u r c ea n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o nt h ep r e m i s eo ft h eu n i f i c a t i o no fs y s t e ms t r u c t u r ea n df u n c t i o n , t h e h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fe v a l u a t i o nf a c t o r so nt h ec o a ls e a mg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i sb u i l t ，w h i c hi sa c c o r d i n gt ot h el a wt h a tg e o l o g i c a lf a c t o r si n f l u e n te x p l o i t a t i o n t e c h n o l o g ya n dag r e a tq u a n t i t yo ft y p i c a la n de x p e r ti n v e s t i g a t i o n i ti n t r o d u c e s t h ep r i n c i p l eo ff u z z yc o m p r e h e n s i v ev a l u a t i o na n df o r m sm e m b e r s h i pf u n c t i o n a n da p p f i e sa n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s st od e t e r m i n et h ew e i g h to fv a l u a t i o n f a c t o r s i ta l s oi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fn e u r a ln e t w o r ka n dt h ea p p f i c a t i o no f n e u r a ln e t w o r kt o o lb o xi nm a t l a b f i n a l l y , b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l to f d o m e s t i ca n do v e r s e a , i ta n a l y z e st h er e s p e c t i v ee x c e l l e n ta n ds h o r t c o m i n g so f f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n dn e u r a ln e t w o r ki nt h ev a l u a t i o no fc o a ls e 锄 g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i nt c 册so fm i n i n g , i nr e s p o n s et ot h ei n f l u e n c ew h a tc o a l s e a mg e o l o g i c a lc o n d i t i o n st oe x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g y , t h ee x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g y e v a l u a t i o na n dm o d e l so fc o a ls e a n lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa t ep u tf o r w a r d , w h i c h i sb a s e do nf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n dn e u r a ln e t w o r k t h et o p i ci s c h o s e nf r o mh e i l o n g j i a n gs c i e n t i f i cp r o j e c t , w h i c ht i t l ei s “s t u d yo nh e a v y p r o d u c t i o na n dh i g he f f i c i e n c ym i n es y s t e ma n ds t a t i n gp l 蜘”t a k i n ge x a m p l e o fn o 2m i n eo fd o n g r o n gb e l o n g i n gt os h a n g y a s h a nm i n eb l o c , c h o o s i n gc o a l s e a mg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ff i f t e e nw o r k i n gf a c e sa ss a m p l e ，t h eb a s i ct h o u g h t a n db u i l d i n gp r o c e s so fm o d e li se x p o u n d e de x p l i c i t l y e x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g yo f f o u rc o a ls e a mf a c e so fn o 2m i n eo fd o n g r o n gi sf o r e c a s t e du s i n gn e t w o r k m o d e lw h i c hh a sb e e np r a c t i c e d g o o de c o n o m ye f f e c ti so b t a i n e di nm i n er e a l i t y p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：c o a ls e a mg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ；e x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g y ；f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ；n e u r a ln e t w o r k i i 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽人所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院 研究生处办理。 研究生签名：凇 期：。出。谬 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国是世界主要产煤国之一，但与世界先进的产煤国相比工作面单产、 效率及安全等主要经济技术指标的差距较大。随着我国加入w t o ，对外市场 逐步开放，企业参与国际市场竞争的条件将趋于平衡，虽然企业发展的空间 广阔了，但与国际产煤国家竞争将日趋激烈，出于参与国际市场竞争的需要 必须发展安全高效矿井【1 1 建设安全高效矿井不但是世界煤炭发展的潮流， 也是我国煤炭企业发展的方向，对我国煤炭企业的健康发展有着非常重要的 意义。 众所周知，矿井安全高效的关键是安全和效益，而矿井的效益又取决于 矿井的开采模式1 2 l 。因此合理确定开采方法在矿井安全高效建设的过程中显 得尤为重要，本文主要研究的内容即煤层地质条件评价与开采工艺选择。所 谓煤层地质条件开采工艺性评价是在寻求地质条件诸多因素影响一般规律的 基础上，对评价单元的地质条件优劣程度进行客观评价，在寻求地质条件优 劣程度与开采效果一般关系的基础上进行开采技术的辅助决策和效果预测， 其实质是从采矿的角度对具体煤层适合开采工艺的程度进行定性分析和定量 评价，以之作为开采技术决策、设计规划、生产管理的依据【3 1 。 在实际工作中，人们恰当地注重了煤炭资源预测、规划设计与生产建设 中技术决策的科学性和合理性，对煤炭资源的分析一般较多地考虑了资源的 数量，而煤层对开采工艺的影响研究不够，对煤层地质条件过高或过低的评 价和预测都会造成决策上的偏差和失误【4 j 。大部分矿井的开采工艺选择较合 理，取得了较好的技术经济效果，但也有不少矿井的工艺选择不合理，使得 综采产量不如普采甚至不如炮采。因此，恰当地评价与选择煤层地质条件的 开采工艺，对提高矿井开采效果和经济效益有重要意义。 在我国实现安全高效矿井建设的进程中，煤层地质条件评价是尤为基础、 重要的一环，它决定着我国安全高效矿井建设的成败，目前已日益受到煤炭 设计、生产和管理部门的关注与重视。 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 选题的意义 煤炭是我国的重要能源，约占我国一次能源消费的7 5 。为了保证我国煤 炭长期稳定发展和能源安全，我国决定建立1 3 个年产亿吨以上的煤炭生产基地【5 1 。 黑龙江省是我国产煤大省之一，煤炭产量占全国总产量的5 左右。为了适应 国家建设1 3 个年产亿吨煤炭生产基地的需要，黑龙江省对四大矿业集团进行 优势组合，于2 0 0 4 年1 2 月成立了黑龙江龙煤集团，主管现有的四大矿业集团 的优势矿井。 黑龙江省龙煤集团提出的建设目标是在几年内，抓住东北老工业基地改 造的机遇，获得更多的投资，建成年产1 亿吨煤炭生产基地，争取成为国家1 3 个年产亿吨煤炭生产基地之一，使黑龙江省的煤炭生产、加工和利用实现一 条龙，为黑龙江经济发展做出贡献。目前，黑龙江龙煤集团所属矿井年生产 能力为5 0 0 0 万吨以上，距离年生产能力亿吨的要求还有很大的距离。黑龙江 省煤矿数量多、产量低、技术经济效益差，靠现有生产矿井和建设新矿井， 在短期内达到亿吨生产规模是不现实的。为了早日建成亿吨煤炭生产基地， 必须对现有矿井进行改造。黑龙江省是我国少数几个矿井重特大事故频发的 省份之一，已成为国家安全生产监督管理局重点监控的省份。实现我省煤炭 企业的安全高效，矿井安全形势能得到明显好转。 工作面安全高效的先决条件是正确选择开采工艺，而开采工艺是一个受 多种因素影响的复杂系统，是在一定的地质、技术和管理等条件下，使矿井 生产各环节达到最佳匹配，并取得最佳经济效果。然而，如果没有对煤层地 质条件进行客观准确的评价，就难以合理的确定工作面的开采工艺，势必会 影响矿井的产量与安全，那么矿井的安全高效建设也就无从谈起1 6 ”。因此准 确全面地评价和预测煤层地质条件与开采工艺是实现矿井安全高效建设的前 提，是实现煤炭安全生产的保障，也是实现煤炭资源合理开发利用与可持续 发展的关键。 1 3 国内外研究概况 由于煤层地质条件评价属于资源评价的范畴，勘探和评价矿产资源的过 程是从纯的地质角度开始，又几乎以纯的开采工程结束，地质与采矿领域的 专家由于专业术语、出发点不同，评价的技术路线也不尽相同，其根源在于 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 地质因素与采矿技术经济因素之间关系是复杂，不存在统一的模式。因此既 要强调地质与采矿的配合，从而达到两者在以开采为目的的一致性，又必须 广泛吸收和借鉴基于不同技术路线的已有评价理论与方法嘲。 1 3 1 国外研究概况 前苏联在进行矿井设计质量的效果评价中采用了矿井地质条件工艺性 的积分评价法，其实质是对若干个矿井的地质条件进行多因素的评价，以各 矿井每一地质因素的最好值为理想值，折算各矿井的因素评价值以综合加权 相对偏差最小者为地质条件最优，实际上是几个矿井地质条件的对比，不是 统一的评价【9 】；还有一种按综采设备使用有利程度而加以分级的采矿地质条 件综合评价法，其基本做法是在全面分析井田地质条件基础上，综合列出影 响综采的所有地质条件，然后按对综采有利程度进行分级，对每一级分别赋 以一定的指数，研究地质块段内各地质条件有利程度指数之和，即表明了其 对综采的有利程度i l o l ；前苏联8 0 年代初根据乌克兰矿区所属煤矿大量统计数 据应用统计回归法，导出不同破坏程度( 断层破坏与顶板不稳定因素) 对综采 面技术经济指标影响的回归方程式，定量分析影响综采面生产指标的地质因 素，一方面可以在矿井设计时根据有关回归表达式预算各项指标，另一方面可 以对不同地质破坏程度的综采面提出合理产量、成本等指标的参考数据【1 1 , 1 2 ； 数学地质方法，是采用地质资料的数理统计分析，研究煤层赋存的数量特征 和统计规律。前苏联使用了煤厚变异系数y 和合标准率( e p 可采性指数k m ) 作为煤层稳定性定量的评价指标1 1 3 1 。在计算煤层稳定性的基础上进一步用概 率统计研究煤厚的统计分布以及煤厚与储量的统计关系，对于综采设备的选 型及预测综采的可采煤量有重要意义。 前西德的采矿、地质人员使用构造指数法来评价地质构造复杂程度，并 据此“定量”选择开采方法，这种方法是在区域大构造应力作用分析的基础 上首先推断出应力作用方向，然后按构造规模与级次，由大至小对每个地质 块段赋以恰当的构造指数，可表示出各地质块段的构造复杂程度，该方法是 通过鲁尔矿区1 0 对生产矿井的煤田地质资料综合分析而产生的，受到了采矿 地质人员的极力推崇【l ”。 近十年来，神经网络技术在国外应用广泛，e c l a r i c i 和d b o w e n 等人通 过构造一个神经网络来对勘探区各点地质参数加以估计，得到的结果明显优 于传统的地质统计学得到的结果1 1 5 1 。 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 储量评估法在国外矿山开发评价中占有重要地位，采用的方法也在不断 发展，已从传统的经典统计学和地质统计学向专家系统与人工智能方向发 展，较有代表性的是g e x s y s 系统( 综合地质统计评价计算机系统) 【1 3 1 ，或将 神经网络与专家系统相结合来解决矿业领域地质建模、地质条件预测与评价 等问趔1 6 1 。 1 3 2 国内研究概况 我国有关煤层地质条件评价方面的讨论、研究与应用基本上可以分为三 个方面，其一是矿井地质条件诸因素的单项评价和综合分类；其二是矿井区 域地质条件评价，特别是综采地质条件的评价；其三是矿区、矿井的综合评 价，并以前两方面讨论居多。评价方法既有以定性分析为主的地质分析法、 类比法、列表分类法，又有以定量评价为主的数理统计法、模糊聚类分析法、 模糊综合评价法、灰色决策法等，还有定性与定量相结合的层次分析法、人 工智能技术等1 8 】。这些定量化的方法使评价矿井开采工艺问题的解决在科学 化、合理化方面前进了一步，但由于影响因素的复杂性及地质条件的不确定 性，这些方法都还存在着不足之处。 模糊综合评价法。所谓模糊数学多层次综合评价，就是先把评价的同一 事物的多种因素，按某一属性分成若干大因素，然后对每一大因素进行初层 次的综合评价，在这基础上再对初层次综合评价结果进行较高次的综合评 价。它主要涉及四个要素：因素集f ，评价集n 单因素评价矩阵r ，权数分 配4 。此方法在一定程度上体现了复杂因素结构与影响作用的统一，受到普 遍的认可，并且与实际较符合，是目前较成熟、应用较广的一种方法。我国 学者是在舳年代后期开始进行煤层地质条件评价选择开采工艺的，地质、采 矿、矿山测量等领域的工作者做了大量研究，并取得了丰硕的成果。吴裕祥 等学者率先系统的研究矿井地质条件的多层次模糊综合评价问题旧，有力地 推动了这一方法的应用。张东升、张吉雄和张先尘采用模糊综合评价方法， 从采矿的角度和工作面开采的总体方面，对具体煤层地质条件适于开采工艺 的程度进行整体的定量评价【1 8 】；张先尘和朱建明于1 9 9 1 年提出了缓倾斜、倾 斜煤层地质条件开采工艺性评价的模糊数学模型【1 9 1 ，之后张先尘、王小平等 基于我国1 2 个矿区2 7 个矿井1 0 7 个典型块段地质与采矿资料进行了深化研究 i 驯，使之在理论上登上了新的台阶。 层次分析法。层次分析法( a h p ) 是首先把问题层次化，然后根据问题的 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相 互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，从而构成了一个多层 次的系统结构分析模型，并最终把系统分析归为最低层( 供决策的方案、措 施等) 相对于最高层( 总目标) 的相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排 序问题。煤炭科学院的王煦曾、李恒堂应用层次分析法对煤炭资源技术经济 进行综合评价，将矿区资源及开发建设条件的优劣程度以一综合评价指数定 量地表示出来1 2 。朱川曲、李成端和李之蜀用层次分析法选择了急倾斜煤层 的采煤方法【捌。 等性块段指数法。等性块段指数法是上世纪九十年代比较盛行的一种研 究方法，“等性块段”是指具有一定面积的主要地质特征大体相等的经济地 质体。它是评价煤田开采地质条件复杂程度的基本单元，也是为煤田开采时 划分盘区、采区以及选取不同开采措施提供依据的基本单元，它由“煤层等 性块段”与。构造等性块段”组成。“指数法”是指在将各因素按其对开采 的影响分级后，它们单独对煤层或构造实际影响的大小进行的赋值。以等性 块段为基本单元，按各因素的影响程度分级并进行指数赋值，最后以指数的 迭加结果分别从煤层稳定性和构造复杂性两方面对煤层开采地质条件进行评 价，并据此划分出对开采有利及不利的区段，这就是等性块段指数分析评价 煤层地质条件的基本方法。朱新平应用该方法对矿井地质条件进行了分类【2 3 1 ， 宁喜文、王玉民等人对矿井综采的地质条件进行了评价i 硐。 专家系统是人工智能技术最早引入到采矿业的，应用也基本成熟。专家 系统是一种具有大量专门知识与经验的智能程序系统，它能运用某个领域一 个或多个专家多年积累的经验和专门知识，模拟领域专家求解问题时的思维 过程，以解决该领域中的各种复杂问题。国内最早应用专家系统的是张清教 授，他先后研制成功了岩石力学专家系统和铁道围岩分类专家系统，对岩石 的力学性态预测和顶板初次来压预测很有效；中国矿业大学的张瑞新和张幼 蒂建立了资源评价专家系统，该系统主要对露天矿区的资源加以评估，得到 矿区资源的综合评价结梨硎：贵州工业大学的张明清和刘勇进行了矿井开采 工艺评价模糊专家系统的开发及应用，取得良好的效果f 冽。 人工神经网络是近年来专家学者研究的热点之一。人工神经网络 ( a n i f i d a ln e u r a ln e t w o r k ，删，是基于对人脑组织结构、活动机制的初步 认识提出的一种新型信息处理体系，是由大量简单的处理单元广泛连接组成 的复杂网络，用于模拟人类大脑神经网络的结构和行为。一个神经网络的工 作由学习和使用两个非线性过程组成，通过对大量样例进行训练和测试，经 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 过内部自适应过程不断修改连接权值，将网络调整到一个稳定的状态。在神 经网络的使用过程中，对于特定的输入模式，通过前向计算，产生一个输出 模式，从而得到问题的求解结果 2 7 1 。东北大学的冯夏庭教授应用神经网络建 立了地下采矿方法合理选择的神经网络模型 2 s l ；焦作工学院的蔡恒兵和韩可 琦等人用人工神经网络进行煤层地质条件开采工艺性评价例。 定性与定量相结合的评价方法和手段已越来越受到人们的重视。由于评 价对象的复杂性，有些因素是清晰的，有些是模糊的；有些因素是可以进一 步分解并量化的，有些是不可分解难以量化的；因素的影响作用规律也各异， 有的具有渐变性，有的具有突变性。如何将这类定性定量混合问题转化为定 量问题处理是近年来研究与探讨的热点，层次分析法已得到广泛的应用，人 工智能方法也已开始由研究走向应用。 由于影响因素的复杂性及地质条件的不确定性，上述方法在具体应用中 都存在一定的局限性，如模糊综合评价法在因素指标确定、因素权重计算、 隶属函数构造方面还存在一些不足l 删；专家系统在知识获取上遇到“瓶颈” 问题、学习能力差、处理大型复杂问题较困难；矿业中常用的b p 神经网络 存在收敛速度慢、局部极值、难以处理矛盾样本等缺点。因此许多专家学者 将以上两种或三种方法相互结合，取长补短，并取得了较好的效果。贵州工 业大学的张明清和刘勇将模糊推理与专家系统相结合，建立矿井开采工艺评 价模糊专家系统，并在贵州中岭矿井可行性研究项目中，应用此系统对该矿 地质条件的开采工艺作了评价【2 q ；中国矿业大学郑晓明等人将层次分析法与 模糊综合评价相结合，进行采矿方法的模糊评价及优选，克服了传统经验类 比法的局限性，取得了较好的效果【3 l l ；三峡大学的杜义贤和田启华运用神经 网络确定模糊综合评价中的权重值，使模糊综合评价指标的权重值逐渐接近 实际情况，得到较好的训练效率和效果 3 2 1 。多种方法相互结合的例子还有很 多，在此不一一列举。 1 4 论文研究的主要内容 从上述分析中可以看出，工作面安全高效的先决条件是根据煤层地质条 件正确地选择开采工艺，而开采工艺是一个受多种因素影响的复杂系统。应 用一种方法对开采工艺进行评价总是存在一些缺点与不足，因此将两种或两 种以上评价方法相结合，取长补短能够更全面、更实际地对煤层开采工艺做 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 出合理的评价与选择。为此本文主要进行以下几个方面的具体研究。 ( 1 ) 以地质因素对开采工艺的影响规律为依据，在进行大量典型调查分析 和专家调查的基础上，以系统的结构与功能相统一为出发点，建立了工作面 煤层地质条件评价的因素层次结构，并对各基因素和评价指标的选择做了说 明。 ( 2 ) 简述了模糊综合评价的原理，并根据黑龙江省的地质情况确定煤层地 质条件评价指标优劣等级的特征值。分别按照因素值越小和因素值越大，对 煤层地质条件越有利这两种情况构造各指标评价分级隶属函数。 ( 3 ) 介绍了层次分析法是将定性问题定量化的决策方法，是对人们的主观 判断作出客观描述的一种有效方法，尤其在确定多因素权重方面，可减少主 观性，更接近客观实际。并应用此方法对建立的工作面煤层地质条件的各评 价因素的权重进行了确定。 ( 4 ) 讲述了神经网络的工作原理。人工神经网络作为人工智能工具，能辅 助人们自动获得知识和积累知识，提取决策变量和决策结果之间的关系。简 述m a t l 曲知识，m a t l a b 7 0 的神经网络工具箱中增加了图形用户界面，在g u i 界面下可以图形方式完成网络的建立、网络的训练和仿真、数据的导入导出 等，使得m a t l a b 的使用变得更加简单、直观。 ( 5 ) 对模糊综合评价和神经网络各自的优缺点进行分析，提出了基于模糊 综合评价和神经网络的煤层地质条件评价与开采工艺选择模型，选取双鸭山 矿业集团东荣二矿1 5 个工作面的煤层地质条件作为样本，详细阐述了该模型 建立的基本思路和建立过程，并将训练好的网络模型对东荣二矿四个煤层工 作面的开采工艺选择进行预测，经煤矿实际生产取得了良好的经济效果。 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章煤层地质条件评价因素选择 煤炭工业作为我国国民经济的基础性产业，经过建国近6 0 年的发展，取 得了前所未有的成就，为国民经济的发展作出了不可磨灭的贡献。但是多数矿 井由于重复建设、盲目发展、体制老化、技术落后、环境污染等问题，严重影 响了整个煤炭行业正常的生产经营秩序，致使煤炭企业整体效益下滑，生产经 营十分困难，因此需要通过建设安全高效矿井来全面振兴煤炭t 、i t 3 3 j 。矿井 安全高效的关键是安全和效益，而矿井的效益又取决于矿井的开采模式。如 果没有对煤层地质条件进行准确评价，就很难合理确定矿井的开采工艺。本 章建立了工作面煤层地质条件评价的因素层次结构，并对各基因素和评价指 标的选择做了说明。 2 1 工作面煤层地质条件评价特点 由于煤层地质条件的感知要经历勘探、揭露、体验的过程，直到开采完 毕才能获得完全可靠的地质资料，然而却要在开采前取得并应用评价的结果， 只能依据相对不完全的地质信息进行评价。进行工作面煤层地质条件评价要 在广泛调查总结开采经验和规律的基础上，应用采矿原理、模糊数学、层次 分析等方法，研究工作面煤层地质条件主要因素对开采工艺选择及开采效果 的影响，构造煤层地质条件多层次、多因素的综合评价模型，进行具体工作 面块段的评价与分类p 4 】。煤层地质条件综合评价具有以下特点： 工作面煤层地质条件综合评价具有以下特点： ( 1 ) 将区段( 或分带) 作为基本评价单元。矿井高度集中生产以后，工作面单 产的变化对整个矿井的技术经济指标的变化特别敏感，为了保证矿井持续稳 定高产，必须对未来开采工作面的地质条件进行详细和全面的了解，这不仅 有利于工作面巷道布置，而且有利于工作面的合理接替。只有这样处理，矿 井开采模式才能合理确定。这样既可对采区和矿井的煤层条件进行客观评价， 也有利于矿井之间比较和工作面之间对照。 ( 2 ) 评价因素结构简化。将影响工作面单产的煤层产状及构造等条件作为 主要因素考虑，而煤层自然发火、瓦斯等特殊因素则为次要因素。 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 2 开采工艺 众所周知，工作面地质条件的各异性，会影响工作面开采工艺对地质条 件的适应性和工作面单产水平，进而影响到矿井的安全高效建设。因此，合 理地评价工作面煤层地质条件，是矿井实现安全高效的先决条件。 随着矿井生产的不断集中，一个矿井将只有一个或二个工作面，因此， 工作面安全高效就成为矿井安全高效的核心。工作面安全高效的先决条件就 是正确地选择开采工艺方式，开采工艺是一个受多种因素影响的复杂系统。 目前，我国的开采工艺主要采用综采、普采、炮采三种方式l 硎。 1 综合机械化采煤工艺，简称综采，即破、装、运、支、处五个主要生 产工序全部实现机械化，因此是目前最先进的采煤工艺。综采是当今采煤工 艺的重要发展方向，它具有高产、高效、安全、低耗以及劳动条件好、劳动 强度低等优点。但综采设备价格昂贵，采用综采工艺开采需要矿井有良好的 生产系统、较好的煤层赋存条件以及较高的管理水平。 2 普通机械化采煤工艺，简称普采。其特点是用采煤机械同时完成落煤 和装煤工序，而运煤、顶板支护和采空区处理与炮采工艺基本相同。普通机 械化采煤根据支架不同又分为普采和高档普采两种。普采设备价格便宜，一 套高档普采设备的投资只相当于一套综采设备的i 4 ，而产量可达到综采产量 的l 3 1 2 。普采对地质变化的适应性比较强，工作面搬迁容易。对推进距 离短、小断层和褶曲较发育的工作面，综采的优势难以发挥，采用普采则可 取得较好的效果。与综采相比，普采操作技术容易掌握，组织生产比较容易。 因此，普采是我国中小型矿井发展采煤机械化的重点。 3 爆破采煤工艺，简称炮采。其特点是爆破落煤，爆破及人工装煤，机 械化运煤，用单体支柱支护工作空间顶板。炮采的主要优点是技术装备简单， 投资少，适应性强( 可适应于任何条件) ，操作技术容易掌握，生产技术管理 比较简单，是我国目前采用仍然较多的一种采煤工艺。但是利用炮采工艺单 产和效率低、劳动条件差。因此，爆破式采煤工艺主要用于开采条件比较复 杂的采煤工作面，如煤层比较薄、倾角较大、断层多、褶曲构造的轴部、地 质构造破碎带、三角煤、遗留煤柱以及不易布置正规长壁式采煤工作面的块 段，也就是难以使用机械化采煤的地段。 我国煤层赋存条件复杂、地质条件相差很大，从而决定了我国煤矿开采 工艺方式的多样化。正确地选择工作面开采工艺模式，对煤矿生产具有重要 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 意义。 煤层地质条件开采工艺性是指煤层地质条件在采用合适的工艺方式和技 术装备下工作面煤层的适应能力。煤层地质条件开采工艺性评价即是在寻求 地质条件诸多因素影响一般规律的基础上，对评价单元的地质条件优劣程度 进行客观评价，在寻求地质条件优劣程度与开采效果一般关系的基础上进行 开采技术的辅助决策和效果预测。其实质是从采矿的角度对具体煤层适于开 采工艺的程度进行定性分析和定量评价，以之作为开采技术决策、设计规划、 生产管理的依据。 合理地开发煤炭资源就意味着开采技术水平及其决策适应煤层地质条件 的特点和差异，对煤层地质条件的认识和评价偏离实际过低，不等于发挥开 采煤层的天赋和优势，但预期和评价过高于实际，又易导致技术决策失误和 管理不当。因此，恰当地评价煤层地质条件的优劣，对提高矿井开采效果和 经济效益有重要意义。 2 3 评价因素选择 评价因素结构的建立是实现离散性评价( 即指标化评价) 问题系统化与标 准化的第一步，它集中体现了评价系统的内涵。树状层次结构不仅具有简单、 清晰、有助于分析进程的优点，而且克服了因素多权重分析困难的弊病。 评价因素结构集中体现了评价系统的内涵，其建立应遵循以下原则【1 8 1 ： ( 1 ) 系统性原则。评价因素的选择应从整体的角度反映影响煤层开采工艺 的地质因素，使主要因素不致遗漏，并体现层次性，层次间应为递进关系， 同层次间因素应为独立关系； ( 2 ) 简易性原则。如果评价层次多，因素指标过分繁琐甚至重复包含，不 仅会影响评价结果的可靠性，也降低了评价方法的可操作性； ( 3 ) 可行性原则。在确定因素指标时，应注意指标的可测性和普适性，即 从地质报告中获得指标计算所需信息的可行性； ， ( 4 ) 定性与定量相结合的原则。评价因素既可以选择定量因素，亦可选择 定性因素，当定性因素难以量化时可考虑以定性判断为主的等级量化，对地 质条件“一劣即劣”的情形应予以考虑。 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 依据以上原则，在进行煤层地质条件影响开采效果的大量典型调查分析 和专家调查的基础上，以系统的结构与功能相统一为出发点，根据黑龙江省 煤层水文地质条件简单，先抽后采的原则，在评价因素中没有选择瓦斯与水 文地质这二个因素。建立的工作面煤层地质条件评价的因素层次结构如图2 - 1 所示，其中复合因素8 个，分别是煤层厚度、煤层倾角、煤层稳定性、煤层 顶底板条件、煤层赋存深度、地质构造复杂程度、煤层坚硬性、块段大小， 基因素1 3 个，且可量化为评价指标。 煤层地质条件评价因素结构 煤 层 厚 度 煤 层 倾 角 煤板 层条 顶件 底 煤 层 赋 存 深 度 地复 质杂 构程 造度 翮 墨j 藿 毳ll 奈 性i 图2 - 1 煤层地质条件评价因素的层次结构模型 稚 为进行基因素的评价，常选取具体指标进行量化，现对1 3 个基因素做一 下简要说明l b j 。 ( 1 ) 煤层厚度 煤层厚度直接影响开采方法和采煤工艺选择及其应用的技术经济效果， 一般而言，综采工作面当煤厚为2 3 5 m 时对生产比较有利，据1 9 9 0 年2 4 个百万吨综采面统计，9 7 的工作面煤层开采厚度在2 3 5 m 之间。1 3 m 以 下薄煤层开采机械化水平低、单产水平低，单体支柱机采面单产为中厚煤层 综采的1 4 1 ，3 ，3 5 m 以上厚煤层整层开采包括一次采全高、放顶煤开采工 艺已在迅速发展，在条件适宜的情况下能取得很好的技术经济效果。 评价煤层开采厚度以块段内见煤钻孔煤层厚度平均值所为评价指标。 煤层稳定性t上煤厚变异性 黑龙江科技学院硕士学位论文 r a 一罗m i n ( 2 1 ) 式中m ；第f 个钻孔见煤厚度，1 1 1 ； 万工作面内见煤钻孔数。 ( 2 ) 煤层倾角 煤层倾角口对回采工作面支架的稳定性、采煤机运行速度、输送机生产 能力和工人作业难易程度均有较大影响。工作面生产实践表明，倾角大于2 5 。 时工作面人员行动不便，单体支柱支护的工作面对回采影响不大，但综采工 作面支架防倒滑问题在口 1 7 。时就需解决。评价煤层倾角以工作面范围内见 煤钻孔煤层倾角平均值a 作为评价指标。 口- 吒n ( 2 2 ) 式中m 为第i 个见煤钻孔煤层倾角。 ( 3 ) 煤层稳定性 煤层稳定性是煤层地质条件评价的重要指标之一，煤田地质勘探规范 定性地将煤层划分为稳定煤层、较稳定煤层和不稳定煤层等，在这种指标的 规定下，描述煤层的稳定性含糊不清，无法定量表示。 为定量描述煤层稳定性，提出十几种定量评价指标，用的最多的是煤厚 变异系数y 7 。煤厚变异系数的定义为： 煤厚变异系数y ： y - o x( 2 3 ) 舯口一( 击砉佤- x ，2 广 石钻孔见煤厚平均值； 石；钻孔见煤厚； 钻孔个数。 ( 4 ) 煤层项底板条件1 3 6 1 煤层顶底板条件是影响回采工作面安全和产量的重要因素之一，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、老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h o 为评价指标。 对于直接顶稳定性，由于综合反映直接顶稳定性的初次垮落步距在地勘 黑龙江科技学院硕士学位论文 阶段难以测取，在部分直接顶分类方案中，考虑了以直接顶岩层单向抗压强 度o r 、节理裂隙间距，和分层厚度h 影响的综合强度指数d 为主要分类指标， 这里考虑到地勘获取的可能性资料，决定以对直接顶进行分级来描述直接顶 稳定性。对于老项支撑条件和底板影响存在同样的困难，因此对老顶和底板 均采用对其进行分级的方法来解决。各因素分级标准主要根据有关规范并结 合黑龙江矿区情况设置，直接顶类型、老顶类型和底板类型的分级如表2 1 所示： 表2 1 煤层顶底板条件园素分级标准 ( 5 ) 煤层赋存深度 赋存深度的取值方法是通过对评价区煤层赋存深度等值线图进行研究， 并找出有代表性的赋存深度。 ( 6 ) 地质构造复杂程度 口褶皱影响 褶皱是岩层塑性变形的结果，褶皱的规模、褶曲的形态特征、起伏大小 及延伸距离不同，其影响程度也不同。一般来说，大型宽缓褶曲影响较小， 而一些紧闭急转褶曲影响最大，在回采过程中小型褶曲对机械化开采影响很 大，不仅使煤层厚度、倾角发生变化，同时使工作面长度变化不一，尤其是 褶皱的发育往往同时伴随着断层的发育、煤层顶底板破碎。褶皱发育程度的 黑龙江科技学院硕士学位论文 定量化指标通常有褶皱幅度、宽度及褶皱指数，这些指标都是对单一褶皱的 描述，难以描述构造复杂区域褶皱发育程度。前苏联学者提出了采用褶皱强 度系数和褶皱复杂性系数反映中小褶皱的复杂和强烈程度。 褶皱发育程度的定量化指标主要有二个指标。 褶皱强度系数p - ，亦称褶皱剖面系数。 一p l 一( l - l ) l ( 2 4 ) 式中工在垂直褶皱的剖面上两点间煤层实际长度，m s l 该两点的水平投影长度，m 。 褶皱复杂性系数以，亦称褶皱平面系数，是褶皱的煤层面斜率和煤层 底板等高线曲率的乘积。 _ahxmp2( 2 5 ) 。_ 一 u ) j x 5 式中j l 工作面范围内最低与最高煤层等高线高差； z 工作面范围内最低与最高煤层等高线平距； 用弧度表示的等高线走向的变化值； s 工作面开采面积，k m 2 。 考虑到获取资料的可能性，并结合我省的地质情况，本文以开采煤层内 中小急转褶曲的个数雄为评价指标。 ， b 断层影响 在地质构造影响中，断层的作用最大，主要是因为断层破坏了煤层的连 续性。一般大断层在勘探时已基本查明，并由此影响井田采区和工作面的划 分，对煤层开采工艺不构成直接影响。中小断层尤其是小断层直接限制采面 的推进和工作面技术经济效果。断层落差、性质、延深长度及断层密度等不 同，其影响程度也不同。 开采实践与统计资料表明，全面地描述断层对开采的影响需三个指标： 断层密度、断层长度指数和断层落差系数。 断层密度q l 是指单位面积内断层的条数。 q 1 一n 1 i s ( 2 6 ) 式中 n l 块段内的断层条数； s 块段面积，k m 2 断层长度指数q 2 是指块段单位面积内断层长度之和。 鼋：一罗s ( 2 7 ) 符 1 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 式中t 为第l 条断层的长度。 断层落差系数仍是指断层落差h 与煤层厚度历的比值，在同值的断层 落差系数和不同的煤层厚度下对开采的影响也不同，煤层开采厚度越小，断 层导致的开采困难越大。 厶 q 3 - 二( 2 8 ) m 式中h 断层落差，m ： 埘工作面厚度，m 。 结合黑龙江省矿区的具体情况，只以第三项断层落差系数口3 作为评价指 标。 ( 7 ) 煤层坚硬性 煤层坚硬性是影响采煤机开采及工作面内片帮程度的一个因素。在目前 采煤机逐渐加大的趋势下，煤的硬度， 3 4 时，已经不是限制综采产量的 主要因素，而f 3 o2 2 o 5 煤层伪顶厚度( m ) 0 1o 3 加5 顶底直接项类型2 类3 类1 类4 类 4 板条老顶类型i i 级m 级 i 级i v 级 件 底板类型类v 类类h i 类1 类 5煤层赋存深度伽5 5 0 7 地质构造褶曲影响 01，2 6 复杂程度，断层影响 0 60 8 1 7 煤层坚硬性 l 81 4 1 0 块段可布置面长( m ) 2 1 5 0 1 0 0 07 5 0 0 由表3 1 可知隶属函数存在两种情况，一种是“半模糊”的，其等级特 征值是固定的数值，如煤层厚度、煤层倾角等；另一种是“完全”模糊的， 其等级特征值是完全抽象的等级术语，如直接顶稳定性、老顶支撑性等。 第一种类型的隶属函数如图3 1 所示。这里亦存在两种情况。第一种情 况是，因素值越小，对煤层地质条件越有利，如图3 1 ( a ) ；第二种情况是， 因素值越大，对煤层地质条件越有利，如图3 1 所示。 隶 属 度 因素值 ( a ) 图3 - 1 分类取值的隶属函数分布 2 1 因素值 ( b ) 黑