1、薄煤层工作面长度优化方法研究摘要：薄煤层开采是目前我国煤炭行业面临的重大课题，而薄煤层采煤方法的合理选择和工作面长度的优化，不仅可以增加工作面产量，还可以降低吨煤成本和提高工效。薄煤层采煤方法的合理选择受到地质条件、设备水平和人员管理水平等的影响。本文针对薄煤层开采的特点，建立了双高法、一低法、巷道掘进率的方法，预测出薄煤层的采煤方法和工作面单产以及工效。本文进一步深入研究了薄煤层综采工作面长度优化的问题，利用数学模型，对影响薄煤层综采工作面长度优化的参数进行分析，揭示出薄煤层综采工作面长度影响参数的变化与工作面最优长度变化之间的规律。关键词:薄煤层，人工神经网络，工作面长度，双高法，一低法0
2、 引言由于我国煤层地质状况极其复杂多变，合理选择地下采煤方法，是煤矿设计中的一个非常重要问题。但是，由于缺乏完善的知识和煤层地质条件特征信息，至今采煤方法选择还是主要依赖于矿山设计人员的经验，各种地质因素与采矿方法之间的联系很难建立起完全等效的方程来描述，使的采矿工程师在采煤方法选择上很难得到一个最优化的方法。因此，在地下采煤方法选择过程中，必须依靠专家们的经验，把工程实践和理论知识相结合，通过一系列的分析，能够从种类繁多的地下采煤方法中选出最优的采煤方法。在煤炭开采成本日益增高和煤炭资源日益紧缺的今天，研究薄煤层的高产高效开采技术，对于煤炭资源利用和保护、延长矿井开采寿命和实现我国煤炭工业的
3、可持续发展具有很重要意义。目前，部分矿区加大了对薄煤层的开采力度，但是薄煤层开采效益较差已经严重制约这些矿区的发展。由于薄煤层的工作面空间狭小，设备的能力、安装和检修等均受到很大的限制，薄煤层一直是煤矿开采的薄弱环节，并且薄煤层采煤，劳动强度大，生产能力低。从某种意义上讲，如何实现薄煤层高产高效开采，是需要目前迫切解决的问题。薄煤层采煤方法的选择和工作面长度的优化变得非常重要。1.绪论1.1课题的背景及意义我国是世界上煤炭资源丰富的国家之一，煤炭资源总量共计约为5600Gt，其中，探明的煤炭储量约为100OGt，但是煤炭的净有效量约占探明储量的10%。目前，煤炭在我国一次能源消费中占70%左右
4、，我国煤炭提供了近80%的电能、76%的工业燃料和60%的民用商品能源。煤炭工业是国民经济的基础，是国民经济持续发展的重要支柱，以煤为主是我国能源发展的基本战略。从改革开放以来，我国的煤炭工业有了很大发展，全国的原煤产量由刚建国的3200万t、改革开放初期的6亿t左右，到2001年，煤炭产量达到了 11.06亿t，2009年提高到30.9似，图 1.1显示了我国从2003年到2009年的原煤产量。由此图可以看出，我国的煤炭产量是不断增加的，煤炭在我国基础能源的地位是不可动摇的。图1-1中国2003一2009年度原煤产量目前我国煤炭开采条件仅居世界中下等的水平。我国有近50%的煤炭资源埋藏在地下
5、深度I000m以下，在当前相当长的一段时间里，煤炭储量可以提供经济开采的并不多。同时由于受到各种地质条件等方面的限制，我国大部分煤矿存在着机械化程度低、工作面效率低、经济效益差的问题。虽然我国对煤炭开采技术以及采煤技术设备等方面做了很多的改进，但是还是没有从根本上解决我国煤炭开采成本高、单产低和经济效益差等问题，开采效率一直徘徊在一种比较低的水平。煤矿开采已经严重影响到国民经济的协调发展，如何实现煤矿的高效开采，是目前需要解决的问题。而在中国，地下采煤占有主要地位，对煤矿地下采煤技术的研究变的非常重要。世界上对薄煤层的划分标准不一样，在美国将煤层厚度小于 1.7m的称之为薄煤层，我国则是将煤层
6、厚度小于1.3m的煤层划分为薄煤层。据此，我国煤炭资源可以按照煤层厚度进行储量划分，其中，薄煤层占17.26%，中厚煤层占37.84%，厚煤层占44.8%，图1.2为薄煤层在我国主要省份煤炭储量中所占的比重。由此可见，薄煤层也占有相当大的储量。图 1-2薄煤层储量在主要省份所占的比重在煤炭资源日益紧缺的今天，研究薄煤层开采的高产高效技术，对于开采成本日益增高和煤炭资源保护和利用、延长矿井开采寿命和实现我国能源工业的可持续发展具有很重要意义。目前，部分矿区加大了对薄煤层的开采力度，但是薄煤层开采效益较差已经严重制约这些矿区的发展。由于薄煤层的工作面空间狭小，设备的能力、安装和检修等均受到很大的限
7、制，薄煤层一直是煤矿开采的薄弱环节，并且薄煤层采煤，劳动强度大，生产能力低。从某种意义上讲，薄煤层开采已经严重影响到整个煤炭工业的协调发展，由于我国的煤炭资源是有限的，如何实现薄煤层高产高效开采，合理的利用地下资源和实现薄煤层高效开采，是需要目前迫切解决的问题。由于我国煤层地质状况极其复杂多变，合理选择地下采煤方法，是煤矿设计中需要解决的问题。但是，由于缺乏完善的知识和煤层地质条件特征信息，至今采煤方法选择还是主要依赖于矿山设计人员的经验，各种地质因素与采矿方法之间的联系很难建立起完全等效的方程来描述，使的采矿工程师在地下采煤方法选择上很难得到一个最优化的方法。因此，在地下采煤方法选择过程中，
8、必须依靠专家们的经验，把工程实践和理论知识相结合，能够从种类繁多的地下采煤方法中选出最优的采煤方法。随着人工智能和计算机科学的出现，出现了为采煤方法的选择的解决提供了可能的人工神经网络和专家系统等一系列的方法。因为这些方法都是为了解决离散变量之间的相互组合问题，所以对于多目标、非连续问题的那些复杂工程的求解非常有效，例如对于薄煤层采煤方法的选择，建立人工神经网络作为基础的薄煤层采煤方法专家选择专家系统是实现薄煤层采煤优化的一个途径。本课题主要是研究基于神经网络的薄煤层采煤方法选择专家系统，结合煤矿的具体实际情况，能够将理论和实践有机的结合起来，在薄煤层采煤方法选择的问题上给予采矿工程师帮助。1
9、.2国内外研究现状 1.2.1国内外薄煤层采煤方法现状世界上虽然拥有丰富的薄煤层资源，但是相对于中厚煤层开采，薄煤层开采会面临更多的问题。薄煤层开采的主要问题有:一薄煤层开采的设备安装、维护及操作十分困难，工人劳动密集度大，工作空间和通道都非常狭小，瓦斯排放困难等问题。对于薄煤层开采，由于推进速度加快，采掘接替变得紧张。相对于中厚煤层开采，薄煤层的产量低，并且丢煤严重。由于薄煤层受到煤层厚度变化和复杂的地质条件例如断层的影响，薄煤层开采能力受限到一个很低的水平。一般来说，薄煤层的煤炭产量是中厚煤层煤炭产量的1/3，并且薄煤层相对于产量的投资要比中厚煤层高。但是薄煤层开采也具有其自身的优势:薄煤
10、层工作面顶板运移较小、开采产生很小的沉陷、对邻近煤层开采的影响小、顶板控制和支护相对简单。对于薄煤层综合机械化开采，国外应用较多。薄煤层开采主要包括四种开采方法:(l)刨煤机开采方法;(2)螺旋钻机采煤法;(3)滚筒采煤机开采法;(4)连续采煤机房柱式采煤法。世界薄煤层机械化水平最高的国家是德国和乌克兰，它们主要是采用刨煤机和螺旋钻机进行薄煤层开采。我国很少使用房柱式采煤法，主要因为采用这种开采方法采出率低并且通风条件差。1、刨煤机开采薄煤层如今，刨煤机在薄煤层采煤中的应用非常广泛，由于利用刨煤机开采薄煤层时有一定的局限性，刨煤机的使用效果受煤层赋存条件的影响较大，它主要适用条件是:煤层倾角小
11、于对，煤层倾角稳定，煤体硬度小于25MPa，如果煤体硬度大于25Mp氏则需要用到动力刨煤机，煤层顶板和底板要平整，不能存在大的断层和陷落柱等地质构造，并且煤体硬度要小于底板硬度的煤层。世界上使用刨煤机进行薄煤层开采的主要国家有德国、南非、美国、乌克兰等国，这些国家使用刨煤机进行开采的产量占总薄煤层煤炭产量的40%左右。美国是使用刨煤机效率最高的国家，最高的薄煤层刨煤机工作面的年产量可达300万t以上，刨煤层工作面产量占薄煤层总产量的35%。其中研制刨煤机最早的国家是德国，德国也是世界上使用刨煤机数量最多的国家，几乎全部 1.6m以下的薄煤层全部使用刨煤机开采，煤层厚度在 1.sm以下的高产工作
12、面，几乎工作面全部使用刨煤机开采，最高的刨煤机开采工作面的年产量可达190万t以上。俄罗斯有超过150个的刨煤机开采工作面。法国刨煤机开采工作面产量占薄煤层总产量的30%以上。荷兰刨煤机开采工作面有65个左右的。澳大利亚和南非的薄煤层工作面大部分使用了全自动化刨煤机。相对于其他薄煤层开采设备，刨煤机有其自身的特点:(l)运行平稳、结构简单、可靠、易于维护;(2)刨煤机可采煤层的厚度仅仅相当于滚筒采煤机可采煤层厚度的60%;(3)刨煤机没有复杂的液压元件和液压系统，使用方便;(4)刨煤机可实现井下无人工作面作业，操作安全;(5)可以实现薄煤层落煤、装煤和运煤的一体机械化。相对于其他薄煤层设备，由
13、于刨煤机拥有非常大的优势，因此，刨煤机的使用范围还会不断扩大。德国于20世纪40年代研制了第一台刨煤机，之后刨煤机很快就得到推广和发展，成为薄煤层机械化开采的主要设备之一。英国于 1947年开始使用刨煤机进行薄煤层开采，1962一1963年，英国研制了Reisshakenhobel&Megahobel刨煤机系统，这个刨煤机系统主要是利用底板的牵引链驱动。在薄煤层实践开采中取得了良好的经济效益。德国DBT公司是世界上研制刨煤机最早、技术水平最高、产量最大的公司，曾研制成功多种拖钩刨、滑行刨和滑行拖钩刨等刨煤机机型。我国刨煤机研制始于20世纪60年代， 1976年我国研制了MBI一1刨煤机，在随后
14、的30年内，我国又研制了功率从 2x30Kw到2x200Kw的刨煤机。我国铁煤集团从德国DBT公司引进了刨煤机自动化控制系统，设备于2000年12月12日至20日开始在小青矿调试，标志着我国薄煤层自动化采煤上了一个新台阶。由于一台进口刨煤机需要2000多万元，一套刨煤自动化生产系统的更需要投资达4000万元，设备投资巨大，限制了刨煤机在我国的使用。 2、螺旋钻机开采薄煤层螺旋钻采煤法的优点为:(l)可以实现工作面无人采煤、开采安全可靠。在开采过程中中，工人都在巷道内操作，杜绝了很多自然灾害例如顶板事故、粉尘、瓦斯、自然发火等。(2)可开采平衡表外的储量，延长了矿井的服务年限。(3)工效较高。(
15、4)相对于其他薄煤层采煤设备，螺旋钻机结构简单、容易维护、工作面不需支护顶板，材料消耗少。(5)巷道的掘进率高，丢煤少。自从20世纪70年代开始，前苏联就开始了螺旋钻机的研究。螺旋钻机于1979正式投入使用。在20世纪90年代末，乌克兰研制了BSHK一ZDM三轴螺旋钻采煤机，是乌克兰“MALTSHEV”机械制造厂研制而成的新型薄煤层开采设备，该机的采宽设计为 1.9一2.lm，设计的日产量为250一350t，可开采煤层煤层厚度为0.6一 1.2m，倾角小于8的各种煤体硬度的薄煤层。如今此螺旋钻机己广泛应用于美国、俄罗斯、澳大利亚等国。螺旋钻采煤机的开采工艺是将螺旋钻机放置于巷道中，向一帮煤层钻
16、煤，钻头钻进煤层并割煤，割下的煤通过螺旋钻杆直接落在巷道的运输机上。使用螺旋钻机开采薄煤层中，所采用的通风方式为利用局部通风机进行供风，局部通风机的新鲜风流通过钻杆送到工作面，这样可以避免瓦斯积聚，并且在钻机上还有水管，可把清水直接进行工作面上降尘。90年代，我国引入了第一台螺旋钻机进行薄煤层开采。2006年，我国自行研制了第一台螺旋钻机，并且在徐矿集团韩桥煤矿投入生产，实现了薄煤层工作面无人采煤、无支护的新工艺。新汉矿业集团从乌克兰引进螺旋钻机，分别在潘西矿和南冶矿进行了前进式和后退式采煤工艺的试验，期间，单工作面单台钻机月产量达5800t，平均工效达到了12t/工。工作人员和设备都在巷道内，设备操作安全可靠。螺旋钻机设备价格也比较高，一台进口螺旋钻机的价格在500万元左右，但设备投资相对于刨煤机要少，产出投入比比较高。 3、滚筒采煤机开采薄煤层滚筒采煤机是一种传统的采煤设备，其应用范围非常广
