1、专题部分综采放顶煤回采巷道支护技术摘要：本文针对综采放顶煤技术发展过程中出现的回采巷道支护问题，首先论述了在综放回采巷道采用锚杆支护的必要性，并结合综放巷道的特点，分析了利用人工智能技术进行锚杆支护设计的可行性。在分析人工神经网络和专家系统各自特性的基础上，探讨神经网络与专家系统结合的必要性和可能性，深入研究了两种技术结合在综放巷道锚杆支护设计上的应用，构建了基于神经网络的综放巷道锚杆支护设计专家系统，进行支护选型、参数设计及优化，并采用现场实测和数值模拟分析研究相结合的方法，对决策系统的可靠性进行验证、分析。关键词:综采放顶煤，回采巷道，人工智能，人工神经网络，专家系统， 锚杆支护设计，数值
2、模拟ABSTRACTIn this paper author aim at the arisen gateway supporting problem during the process of fully mechanized coal mining technique development, at first elaborating the necessity of use bolting in the fully mechanized gateway, and combine the characteristic of fully mechanized gateway, analyzi
3、ng the feasibility of design bolting by artificial intelligence technique. Then on the basis of analyses about the characteristic of artificial neural network and expert system, probing into the necessity and possibility of neural network and expert system combination, lucubrating the application of
4、 the two technical combination in the fully mechanized Gateway bolting designing, constructing the expert system of fully mechanized gateway bolting designing based on the neural network and using it to select support pattern, design and optimize parameter. The reliability of decision system has bee
5、n veriFed and analyzed by means of field observation and numerical simulation. It indicates that this theory and method has fairly innovated and practical value.KEYWORDS: fully mechanized coal mining, gateway, artificial intelligence, artificial neural network, expert system, bolting design, numeric
6、al simulation1.绪论1.1综采放顶煤巷道围岩稳定性的研究意义我国厚煤层资源十分丰富，可采储量占生产矿井总量的45%以上，其中五米以上特厚煤层占有相当比重，现在拥有五米以上特厚煤层的生产矿井数为生产矿井总数的40.60%。可见厚煤层开采技术水平如何既大影响着我国煤炭企业的技术面貌经济效益。综放开采就是综合机械化放顶煤开采，是利用采煤机开采厚煤层的底分层，使其顶部煤体在自重和矿山压力的作用下破碎、跨落。放顶煤开采作为开采厚煤层的一种方法，原在1957年苏联的库兹巴斯矿井进行过试验。1964年法国又在布朗基矿利用带“香蕉型”尾梁的放顶煤支架进行试验，并首先取得成功。其后，各主要产煤国家
7、对厚煤层开采工艺和技术装备进行了大量的试验和研究，普遍认为放顶煤开采是开采厚煤层的有效方法之一，所以放顶煤开采在世界各主要产煤国家相继得到推广和应用。我国在1982年开始了综采放顶煤的试验研究，至今己有二十多年历史。实践证明，在条件适宜的情况下能取得良好的经济效益与社会效益，是一种高产、高效、安全、低耗的采煤方法，是一种非常有发展前途的采煤方法。采用综放开采技术时，一般沿煤层底板开掘工作面轨道巷、皮带巷和回风巷，巷道的顶板和两帮全部为煤体，为全煤巷道。这类巷道是为综放工作面采煤服务的，称为综放回采巷道。新的煤矿安全规程要求综采工作面运输巷的净断面不小于12m2，以及对应用放顶煤综采技术的高效工
8、作面在煤炭运输、通风等方面的特殊要求，综放回采巷道的断面往往很大。加上综放回采巷道的围岩为松散、破碎的煤体，所以，一般情况下巷道维护极其困难。因为综放回采巷道是一种特殊巷道，其受力特征与普通的巷道不同，所以迄今为止，对于综放回采巷道围岩的稳定性研究，还是不详细、不系统的。因此，对综放回采巷道围岩稳定性的研究，是一个非常有意义的课题。1.2综采放顶煤研究现状放顶煤综采是近30年发展起来的采煤技术，其实质是在煤层底部（沿底板或在煤层中某一高度范围的底部）布置工作面，除应用采煤机、输送机、液压支架外，还利用矿山压力或辅以人工松动方式使工作面上方的顶煤破碎，并随着工作面推进在上方或后方放出。我国从19
9、82年开始研究放顶煤液压支架和放顶煤工艺，80年代中后期，我国放顶煤综采技术开始发展起来，基本解决了放顶煤液压支架问题。1988年以前我国综放面的采放比一般为1：21：3，最高月产约0.60Mt。近十几年来，放顶煤综采作为一种产量高、成本低、对煤厚变化大煤层适应性强的厚煤层开采方法，显示出了巨大的优势。1993年潞安矿务局漳村煤矿实现了一井一面集中生产，年产量达到2.35Mt；1998年以后东滩矿综采一队放顶煤综采年产一直维持在5.0Mt以上，2004年达到6.58Mt；平朔露天端帮采用放顶煤综采工艺，2006年以后工作面年产量突破10.0Mt。目前，放顶煤综采技术已在我国全面应用，其放顶煤综
10、采技术和装备已达到世界先进水平。1、综放技术的发展概况放顶煤技术起源于欧洲。法国、南斯拉夫等国家与上世纪40年代左右开始使用放顶煤技术。1957年，苏联首先在库兹巴斯煤田采用放顶煤采法，借助KTY型掩护式液压支架开采倾角为5-18o、厚度9-12m的厚煤层。工作面先采顶煤、铺底网，然后沿煤层底板开采，在工作面向中间煤体打眼、放炮，再通过KTY型液压支架顶梁上的天窗放入工作面运输机运出工作面。由于这种采煤工艺复杂而且消耗材料大而没有得到广泛使用。直到1963年，法国将所使用的节式支架改造成带“香蕉”型尾梁的液压支架，与采煤机和运输机配套，组成综采设备，于1964年在布朗齐矿区实验成功。之后，法国
11、、英国、匈牙利、南斯拉夫等国家都相继引进了这一技术，并对其进行了广泛的研究。综采放顶煤技术曾一度风靡东欧地区厚煤层的开采，但是，由于技术上的原因，欧洲使用综放技术并没取得很好的技术指标和经济效益，再加上社会因素的影响，80年代中期以后，只有极少数矿井仍采用放顶煤开采。我国综放开采大体上可分为三个时期：探索阶段、成熟阶段、技术成熟和推广阶段。（1）探索阶段（1982-1990年）这一阶段的标志是以阳泉一矿9603长壁综放面月产突破14万t结束，它证明了综放开采能实现高产高效的目的。我国1982年开始研究引进综放开采技术，1984年在沈阳矿务局蒲河矿首先进行了国产设备缓倾斜长壁综放面的实验，由于支
12、架本身设计有缺陷，配套设备及生产系统之间不匹配，生产管理也缺乏经验，实验没有获得成功。后在窑街矿务局急倾斜特厚煤层实验分段放顶煤方法（Sub-levelCaving System）获得成功，随后又在辽源矿务局梅河口矿、乌鲁木齐矿务局六道湾煤矿，急倾斜特厚煤层综放均获得了成功。梅河口矿还取得了工作面年产60万t左右的成绩。在急倾斜发展综放开采技术的同时，东北若干矿区继续实验缓倾斜综放开采，由于多种原因，结果并不理想，安全问题也得不到很好的解决，工作面多次发生自燃。1987年，平顶山一矿全部引进匈牙利产以VHP732单输送机高位放煤液压支架为基础的全套综放设备，由于一些原因，当时月产最高也仅达到4
13、万多t，并没有表现出比分层综采有多大优势。尽管如此潞安、阳泉等我国主要的大矿务局仍在积极准备进一步实验综放开采技术。1990年上半年，阳泉一矿和潞安王庄矿都达到了工作面月产8万t以上的高水平。90年下半年阳泉一矿9603长壁综放工作面月产达14万t，比该矿分层综采工作面产量和效益都提高了一倍以上，工作面煤炭回收率也超过了80%，并探索出了综放开采长壁工作面实现高产、高效的普遍规律，对放顶煤开采技术发展产生了重大影响。同时，东北各煤矿和郑州矿务局在难采煤层中也开始试验了长壁综放开采技术，由于试验地点的客观条件较差，虽然实验得到很多经验，对以后我国综放开采技术的完善有很重要的借签作用，但这一阶段综
14、放开采在难采煤层还是不能得到应用。（2）逐渐成熟阶段（1990-1995年）综放开采步入成熟阶段的标志是：兖州矿务局兴隆庄矿综放工作面单产突破了300万t/a，显示了综放开采技术高产高效的巨大潜力；此时，难采煤层综放开采技术也有了很大突破，1990年阳泉一矿9603工作面达到月产14万t，在经济和技术上均显示了综放开采的巨大优势，1993年潞矿务局王庄矿又将综放面高产高效纪录提高到月产31万t，很多矿务局开始认识到并开始将发展放顶煤技术提高到技术进步的主要议程，其中包括一些难采煤层如郑州矿务局的“三软”煤层、阳泉矿务局的高瓦斯煤层等，石炭井矿务局的“大倾角”煤层也加快了应用综放开采技术的步伐。
15、（3）技术成熟和推广阶段（1996年-至今）自96年到以来，我国加大了对综放开采技术研究的投入，由于综放开采巨大的经济、社会效益，激发了煤矿生产企业的积极性，由于对综放开采的几个重大技术难点的认识有了一定的认识,并且有了初步的治理方法,同时综放开采技术的安全优势也得到认可，1995年煤炭工业科教兴煤大会上确定了把综放开采技术定为“九五”期间煤炭行业重点攻关和推广的五项技术之一,煤炭部还将综放开采技术的几个问题定为“九五”期间煤炭行业的重点科研攻关项目,为综放开采技术的进一步发展提供了良好的外部环境，并在短暂的时间内取得了快速发展。液压支架作为综放开采技术的关键设备，直接影响到综采放顶煤的成败。
16、我国自采用综放开采技术以来，已经研制出高、中、低位放煤系列30多种形式的放顶煤液压支架。依据与支架配套的放煤机构和输送机台数的不同，综放支架可分为单输送机高位、双输送机中位和双输送机低位放顶煤支架。各类支架均有其适用条件，但目前煤炭技术人员和学者均认为，低位放顶煤液压支架具有较好的发展和应用前景。综采放顶煤技术的发展已有30多年的历史。其间，国内外学者对其有关的煤岩移动及顶煤破坏规律、采场周围支承压力分布等问题进行了大量的理论研究与实验，初步揭示了综放采场上覆岩层结构特点及顶煤破碎机理，并对顶煤放出规律进行了研究。这些理论对放顶煤液压支架设计和综放工艺的完善都具有重要的指导作用。2、综放技术的理论研究现状国外对放顶煤开采技术的理论研究主要是对放顶煤工作面矿压的研究，具有代表性的是法国 J.P.皮凯对达尔西矿 D 放顶煤工作面进行的矿压研究。国内对放顶煤的研究主要集中在：放顶煤开采理论、顶煤运移规律、顶煤破碎机理、顶板活动与矿压显现特征等
