复杂地质条件煤层群开采矿井合理生产能力分析*

王红胜，由临东，李树刚，双海清，杜政贤

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054;2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安710054)

复杂地质条件煤层群开采矿井合理生产能力分析*

王红胜1，2，由临东1，李树刚1，2，双海清1，杜政贤1

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054;2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安710054)

∶为确定复杂地质条件煤层群开采矿井合理生产能力，将采煤工作面煤层地质条件开采工艺性综合评价结果与计算机模拟的工作面单产相结合对工作面进行可靠的单产预测，基于工作面预测产量对可能满足矿井生产能力的多种方案进行接续方案的比较分析以得出矿井合理生产能力。以燕家河煤矿5-1，5-2和8煤层为研究对象，首先，对矿井未来开采的83个工作面进行开采工艺性综合评价;其次，基于综合评价结果对各工作面进行了可靠的单产预测;再次，提出了2种工作面配置方案并进行工作面接续编排;最后，分析了矿井合理生产能力。研究表明，矿井合理生产能力为180万t/a，产量波动范围为156.5～208.7万t，平均年产量为178.5万t，产量波动系数为0.114，矿井持续稳定开采25 a.

∶高产高效;生产能力;开采工艺性评价;单产预测;工作面接续

0 引言

确定矿井合理生产能力是煤矿企业持续生产和稳定发展的前提［1-2］，然而，确定矿井生产能力要受到煤层地质条件、开采技术条件等诸多要素的影响，这就需要对影响矿井生产能力的诸多要素进行全面分析，依据采矿原理和实际情况确定矿井合理生产能力［3-7］。但传统的矿井生产能力确定方法往往没有考虑煤层地质条件对工作面产量的影响，易造成矿井年产量波动幅度大(＞15%)、煤炭供需矛盾严重、采掘比严重失调及经济效益差等问题。因此，确定矿井合理生产能力，对降低矿井生产风险、提高矿井综合效益、提升煤矿安全高效生产都具有重要的理论意义。

燕家河煤矿受煤层地质条件和开采技术条件恶化的影响，矿井年产量变化大，未来开采将面临2个棘手难题∶其一是煤层群(5-1，5-2和8煤)开采时，如何降低或避免各煤层开采的相互影响及其合理配采;其二是村庄压覆储量大(共计3 087. 76万t，5-1，5-2，8煤分别为467.2万t，350.46万t，2 270.1万t)，如何协调村庄搬迁及采区布置的时空关系。因此，有必要对矿井进行合理的生产能力分析，以实现矿井高产高效持续稳定发展。文献［1，8］提出了基于“人-机-环境”的工作面单产预测的矿井合理开采规模分析模型，文献［2-3］提出了矿井生产系统综合能力分析模型，文献［9］提出了基于可能-满意度方法的特大型矿井合理开采规模确定模型。文献［10-11］建立了煤层地质条件的开采工艺性模糊数学综合评价模型，文献［12-16］建立了工作面煤层地质条件开采工艺性的模糊综合评价模型。文中在对工作面煤层地质条件开采工艺性综合评价的基础上，将计算机模拟的工作面单产与综合评价值相结合，对工作面单产进行可靠预测，对矿井生产能力的多种方案进行分析，以确定矿井合理生产能力。

表1 煤层地质特征表Tab.1 Characteristics of coal geology

1 地质条件概况

井田内可采煤层共有3层，自上而下分别为5-1，5-2和8煤。5-1，5-2和8煤层地质特征见表1.

2 工作面煤层地质条件开采工艺性综合评价

工作面煤层地质条件开采工艺性评价是对未来开采工作面的地质条件与所选工艺的适应程度进行评价，为工作面内的生产技术经济指标的预测和矿井持续稳定生产提供可靠依据［8，13］。

2.1 评价因素

工作面煤层开采技术条件受诸多因素的影响，根据燕家河煤矿开采煤层的特点确定主要因素，如图1所示。从图1可知，评价因素结构中的复合因素、基因素分别为7个、11个，有断层密度q1，断层长度指数q2，断层落差指数q3，煤厚变异系数γ，煤层厚度m，煤层倾角α，煤的单轴抗压强度R，直接顶岩层单向抗压强度σ，直接顶厚度与采高的倍数比N，伪顶厚度h0，直接底岩层的抗压强度qc，可布置面长L及可推进长度S等13个指标，详见文献［7，11］所示。

图1 评价因素结构Fig.1 Evaluation factors structure

2.2 评价隶属函数

采用统计类比法、待定系数法及多元隶属函数法，确定各评价因素的隶属函数。限于篇幅，详见文献［8，13］。

2.3 综合评价指标权重

工作面煤层地质条件开采工艺性评价采用了层次分析法(AHP)确定出各选择因素的权重［8，13］。层次分析法是系统工程中对非定量事件作定量分析的一种简便方法，也是对人们的主观判断作客观描述的一种有效方法，在确定多因素权重方面，可减少主观性，更接近客观实际。其应用可分为5个步骤∶建立层次模型;构造判断矩阵;层次单排序及其一致性检验;层次总排序;层次总排序的一致性检验。构建判断矩阵是层次分析法应用的关键，具体依据各因素的重要程度给予评定，所有的因素两两相比较，采用1～9的比例标度，数值越大影响程度越大。判断矩阵见表2.

表2 判断矩阵标度及其含义Tab.2 Scaling and im plications of judgmentmatrix

采用以上步骤对工作面煤层地质条件各因素评价的判断矩阵见表3～表5.各因素权重计算结果见表6.

表3 A～B判断矩阵Tab.3 A～B judgmentmatrix

表4 B6～C判断矩阵Tab.4 B6～C judgmentmatrix

表5 B7～C判断矩阵Tab.5 B7～C judgmentmatrix

表6 各因素权重计算结果Tab.6 Calculation results of each factor weight

2.4 综合评价模型

模糊综合评价法是一种根据模糊数学的隶属度理论将定性评价转化为定量评价的综合评价方法，应用模糊综合评价法对受到多种因素制约的煤层地质条件综合适应程度做出一个客观总体的评价，以评价值的大小反映被评价样本的可靠程度［8］。现详述如下

设X={x1，x2，…，xn}为所评价样本的集合，有m个评价因素，其指标值矩阵如下

由于每个评价因素分别构造了模糊评价隶属函数，上述指标值矩阵可映像为指标隶属度矩阵，μ∶X→R.

结合燕家河煤矿实际情况，对各工作面进行评价的综合评价模型选用线性加权平均型，即

式中bj为工作面综合评价值;Wi为因素权重。

2.5 综合评价结果及分类

将本评价模型应用于燕家河煤矿未来开采的83个工作面，根据评价结果将83个工作面分为4个等级，见表7.由表7可知，矿井未来要开采的工作面共计83个，储量为5 432万t.其中，1级工作面8个，占总数的9.6%，储量为699.3万t，占总储量的12.9%;2级工作面74个，占总数的89.2%，储量为4523.4万t，占总储量的83.3%;3级工作面1个，占总数的1.2%，储量为209.3万t，占总储量的3.9%;无4级工作面。

表7 工作面综合评价结果及分类Tab.7 Coalface evaluation results and classification

3 工作面单产预测

3.1 预测模型建立

为了下一步合理配置工作面，保证工作面正常合理接续和矿井稳产，需要对不同地质条件的工作面单产水平进行预测［8］。单产预测逻辑框图如图2所示。

图2 工作面单产预测逻辑框图Fig.2 Coalface per unit area yield prediction logic diagram

依据模拟结果Qm与工作面综合评价值x相结合，建立工作面单产预测模型

式中Qy为工作面预测单产，万t/a;f(x)为地质条件修正系数;Qm为一定生产技术条件下工作面模拟单产，万t/a;x为工作面煤层地质条件开采工艺性综合评价值。

函数f(x)须根据矿井已回采工作面的实际单产、模拟单产及工作面煤层地质条件开采工艺性综合评价值加以确定。设有n个已采工作面，各工作面的实际单产Qsi，模拟单产Qmi及工作面综合评价值xi都为已知，经线性回归分析可得xi，Qmi，Qsi之间关系，将f(x)带入公式(2)中，即可对未开采工作面进行单产预测。

3.2 模拟产量

为了准确计算各工作面的模拟产量，在8煤8211综放工作面现场实测采煤机割煤、移架及放煤速度，在5-2煤5211综采工作面现场实测采煤机割煤及移架速度，再利用统计分析方法计算出各速度的均值和方差。其中，8211综放工作面实测结果见表8～表9.把实测结果输入到采煤工作面模拟程序(如图3所示)中，可得出已采和未采工作面的模拟产量Qm.部分综采和综放工作面的模拟产量详见表11，表12.

3.3 模拟产量的修正

根据燕家河煤矿已采各工作面实际单产Qsi，模拟单产Qmi及工作面综合评价值xi，经线性回归分析，得到地质条件修正系数f(x)的函数关系式为

薄煤层综采工作面

厚煤层综采及综放工作面

表8 MG400/930WD采煤机下行割煤速度Tab.8 Speed of shearer’s coal cutting

表9 ZF4600/17/28HA支架移架速度Tab.9 Speed of stent’s advancing support

表10 ZF4600/17/28HA支架放煤速度Tab.10 Speed of stent’s coal caving

3.4 单产预测结果

分别将公式(3)、公式(4)代入公式(2)中，对燕家河煤矿未来开采的83个工作面进行单产预测，即可得到各工作面的预测单产。预测结果表明，厚煤层综放工作面预测单产为120～230万t/ a，薄及中厚煤层综采工作面单产为21～75万t/a.部分综采和综放工作面的单产预测结果详见表11，表12.

表11 综采工作面单产预测结果Tab.11 Yield prediction results of mechanized m ining coalface

4 矿井合理生产能力确定

4.1 工作面配置方案

基于未来开采83个工作面单产预测结果，根据矿井的地质条件及采煤工作面接替原则，结合燕家河煤矿近几年的开采情况，提出2种工作面配置方式。

表12 综放工作面单产预测结果Tab.12 Yield prediction results of fully mechanized top-coal caving coalface

方案1前期，配置1个厚煤层综放面开采;后期，厚煤层综放面回采完毕后，1个中厚煤层综采工作面和1个薄煤层综采工作面同时开采。

方案2厚薄煤层间配采，即1个厚煤层综放工作面或1个中厚煤层综采工作面与1个薄煤层综采工作面同时开采。

根据工作面配置方案，对矿井未来开采的83个工作面进行接续编排，编排过程中须考虑5-1，5-2，8煤之间采动影响及地面村庄对工作面接续的影响。

4.2 矿井合理生产能力确定

4.2.1 产量变化规律分析

2个方案的矿井年产量波动趋势，如图4所示，2个方案详细比较结果见表13.

图3 放顶煤工作面模拟程序流程Fig.3 Simulation program of top-coal caving coalface

表13 2方案工作面接续效果Tab.13 Two schemes coalfaces connection effect

图4 矿井年产量波动趋势图Fig.4 Mine annual production fluctuation trend graph

4.2.2 矿井合理生产能力分析

矿井总储量为5 432万t，其中厚煤层综放面储量为2 826万t，占总储量的52.0%;中厚煤层综采面储量为931.5万t，占总储量的17.2%;薄煤层综采面储量为1 674.5万t，占总储量的30.8%.从图4，表13可知，方案2考虑到厚薄煤层间的搭配开采，从矿井持续发展的角度，综合矿井开采能力、生产稳定性等因素，矿井生产能力宜为180万t/a，可稳定生产25 a，具有一定的生产稳定性。

4.3 做好村庄搬迁计划

矿井的一、二采区剩余的5个厚煤层综放面只能维持开采到2022年3月底，接替采区——三采区受地面村庄压覆，因此矿井要制定好压煤村庄搬迁计划。一方面，进行村庄搬迁计划调研、可行性分析、搬迁计划实施，并在2022年3月底前完成地面村庄搬迁。另一方面，在2019年年底前布置好三采区的开拓巷道布置;在2020年年底前完成三采区准备巷道布置;在2022年3月底前完成三采区首采工作面，即8301工作面回采巷道布置及工作面安装调试工作，只有这样才不影响矿井正常的采掘接续。

5 结论

1)矿井未来要开采的工作面共计83个，储量为5 432万t.其中，1级工作面8个，占总数的9.6%，储量为699.3万t，占总储量的12.9%;2级工作面74个，占总数的89.2%，储量为4 523.4万t，占总储量的83.3%;3级工作面1个，占总数的1.2%，储量为209.3万t，占总储量的3.9%;无4级工作面;

2)将工作面单产计算机模拟的结果与综合评价值相结合，构建了能综合反映“人-机-环境”三因素影响的单产预测新模型，对矿井未来开采的83个工作面进行了单产预测。厚煤层综放工作面预测单产为120～230万t/a，薄及中厚煤层综采工作面预测单产为21～75万t/a;

3)基于矿井生产能力为150万t/a，180万t/a等2种接替方案对比分析，同时考虑厚薄煤层间的搭配开采，从矿井持续发展的角度，综合矿井开采能力、生产稳定性等因素，确定矿井合理生产能力为180万t/a，产量波动范围为156.5～208.7万t，平均年产量为178.5万t，产量波动系数为0.114，可持续稳定开采25 a;

4)要保证矿井正常采掘接续，一方面要合理解决村庄压煤问题，制定好压煤村庄搬迁计划，在2022年3月底之前完成地面村庄搬迁工作;另一方面要在2022年3月底前完成8301综放工作面回采巷道布置及工作面安装调试工作。

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Analysis on them ine rational production capacity of the seam group m ining w ith complicated geological condition

WANG Hong-sheng1，2，YOU Lin-dong1，LIShu-gang1，2，SHUANG Hai-qing1，DU Zheng-xian1

(1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.Key Laboratory ofWestern Mine Exploitation and Hazard Prevention of Ministry of Education，Xi’an 710054，China)

∶To determine themine rational production capacity of the seam group with complicated geological condition，combined with the results of the mining technology for comprehensive evaluation on the coal seam geological condition of the coalfaces and the coalfaces output simulated by computer，the coalfaces outputwere forecasted reliably.Multi coalface plans likely to suffice coalmine output capacity were compared and analyzed in order to obtain the rational production capacity based on the coalface forecast output.The No.5-1，5-2，8 coal seam of Yanjiaheminewere taken as research object，firstly，83 coalfaceswhich will be exploited in the future were evaluated using the fuzzy synthesis evaluation method.Secondly，based on the evaluation results，the production of coalfacesmined in the futurewas forecasted reliably.Thirdly，two kinds of coalface configuration schemes were proposed，and the coalfaces connection were arranged.Finally，themine’s rational production capacity was analyzed.The results show that，the rational production capacity ofmine is 1.8 million t/a，and the fluctuation range of production is 1.6 to 2.1 million tons，and the average annual production is 1.795 million tons，and the productionfluctuation coefficient is 0.114，and the steadymining time ofmine is 25 a.

∶high yield and high efficiency;mine production capacity;mining technology evaluation; coalface output forecast;coalface replacement

∶TD 851

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0302

∶1672-9315(2015)03-0284-08

∶2015-01-07责任编辑∶刘洁

∶国家重点基础研究计划(973计划)资助项目(2015CB251600)

∶王红胜(1976-)，男，安徽池州人，博士，副教授，E-mail∶cumtwhs@xust.edu.cn