專利名稱：提高三軟炮采面單產(chǎn)的參數(shù)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高三軟炮采面單產(chǎn)的參數(shù)優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)原有工作面的開拓部暑、巷道布置、運(yùn)輸及通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造，以提高采煤工作面單產(chǎn)，簡(jiǎn)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)。屬于礦產(chǎn)開采技術(shù)領(lǐng)域。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明提出的提高三軟炮采面單產(chǎn)的參數(shù)優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)工作面礦壓的觀測(cè)，從影響工作面支護(hù)參數(shù)的因素入手，建立合理的工作面支護(hù)系統(tǒng)，重點(diǎn)分析工作面生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)，找出其主要的影響因素并加以改善，利用有限元軟件對(duì)工作面上方進(jìn)行模擬，找出合理的抽放區(qū)域并建立抽放系統(tǒng)。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下幾個(gè)部分(1)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化首先對(duì)工作面進(jìn)行觀測(cè)，在工作面布置上、中和下測(cè)站，觀測(cè)內(nèi)容是頂?shù)装逡平?、支柱載荷、活柱下縮量、底板抗壓能力，此外對(duì)頂板完整狀態(tài)、采空區(qū)冒落狀況、工作面推進(jìn)度、煤壁片幫和支柱損壞等情況作宏觀記錄。觀測(cè)方法是用單體液壓支柱工作阻力檢測(cè)儀(SY-40或DZ-J型)檢測(cè)單體支柱初撐力及工作阻力；用底板比壓儀(DZD40-A或BPM型)測(cè)定工作面底板的抗壓強(qiáng)度；用測(cè)桿及鋼卷尺量測(cè)工作面頂?shù)装逡平考盎钪驴s量；用鋼卷尺測(cè)量工作面煤壁片幫范圍及深度、冒頂范圍及高度和工作面單體支柱鉆底量。觀測(cè)得支柱工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的曲線圖，通過(guò)圖可以確定初次來(lái)壓和周期來(lái)壓，從而在來(lái)壓期間須加強(qiáng)支柱的初撐力和進(jìn)行二次注液。由于是三軟炮采面，須采用“支”、“護(hù)”、“穩(wěn)”、“控”的控頂原則，支是指用基本支護(hù)的初撐力平衡工作空間上方的直接頂?shù)闹亓?，依此?lái)設(shè)計(jì)基本支護(hù)的初撐力、支護(hù)密度及排柱距；護(hù)是指用金屬網(wǎng)護(hù)工作面上方的已破碎的巖塊和煤塊，以及護(hù)住煤壁；穩(wěn)是指用拉條、撐木等增加支柱的穩(wěn)定性，防止支柱傾斜；控是采用支柱穿鞋的方法控制支柱鉆底。
(2)生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)可劃分為放炮落煤、頂板、工作面鏈板機(jī)、平巷鏈板機(jī)、通風(fēng)、機(jī)電故障、大修故障和其它，該系統(tǒng)是可修復(fù)串聯(lián)系統(tǒng)。在統(tǒng)計(jì)分析生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算系統(tǒng)的有效度，找出影響系統(tǒng)有效度的主要因素，利用正交試驗(yàn)法的正交性和綜合可比性，針對(duì)影響炮采面產(chǎn)量的主要因素落煤速度、支柱速度、工作面長(zhǎng)、班循環(huán)數(shù)、裝煤速度和回柱速度進(jìn)行正交模擬實(shí)驗(yàn)。并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三級(jí)正交回歸計(jì)算，得出影響因素與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的回歸方程，量化各參數(shù)的影響區(qū)間和影響結(jié)果。
(3)確定瓦斯抽放區(qū)域工作面簡(jiǎn)化為二維計(jì)算模型，設(shè)計(jì)成沿工作面的走向方向和傾斜方向兩個(gè)計(jì)算模型，采用走向長(zhǎng)壁工作面布置方式。邊界條件對(duì)于走向模型，左邊界為工作面，右邊界為開切眼側(cè)，模型下部是煤層的底板，為固定邊界，上面為工作面和自由邊界，一般為基巖層加地表。對(duì)于傾斜模型，左邊界為工作面上風(fēng)巷，右邊界為工作面下風(fēng)巷，上、下界同走向模型。根據(jù)瓦斯在煤層中的流動(dòng)理論和煤層本身的地質(zhì)條件，通過(guò)模擬頂板的裂隙發(fā)育，確定瓦斯積聚的地方，即為合理的抽放區(qū)域。
(4)建立抽放系統(tǒng)根據(jù)工作面頂板巖性和巷道布置特點(diǎn)，采用在頂板走向布置抽放巷道，選取沿走向布置鉆孔方式布孔，抽放鉆孔盡量布置在工作面頂板冒落后的裂隙帶內(nèi)，每個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔均超前一鉆場(chǎng)20米以上。
本發(fā)明的有益效果是觀測(cè)工作面的周期來(lái)壓，通過(guò)檢測(cè)和二次注液改善了支護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，找出生產(chǎn)系統(tǒng)的主要影響因素并改善它，從而提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的有效度，模擬出瓦斯的合理抽放區(qū)域，建立瓦斯抽放系統(tǒng)，優(yōu)化了通風(fēng)系統(tǒng)和提高了工作面的單產(chǎn)，為其它類似礦區(qū)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
圖2為本發(fā)明工作面生產(chǎn)子系統(tǒng)模型示意圖。
圖3為本發(fā)明走向長(zhǎng)壁工作布置示意圖。
圖4為本發(fā)明頂板巷道布置圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例的煤層柱狀圖。
圖6回采初期支柱工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的曲線圖。
圖7炮采面產(chǎn)量回歸曲線綜合圖。
圖8傾斜模型等值線應(yīng)力分布圖。
圖9有效抽放瓦斯區(qū)域分布圖。
本發(fā)明采用類比研究、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、結(jié)合理論分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和正交回歸實(shí)驗(yàn)等方法，對(duì)三軟炮采面的支護(hù)系統(tǒng)、工作面生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)、工作面頂板裂隙發(fā)育及合理的抽放區(qū)域等內(nèi)容進(jìn)行了深入的研究，并在淮北礦業(yè)集團(tuán)某煤礦中得以實(shí)施，具體包括以下幾點(diǎn)一.支護(hù)參數(shù)優(yōu)化圖5為本發(fā)明實(shí)施例的煤層柱狀圖。具體的地質(zhì)條件淮北礦業(yè)集團(tuán)某煤礦炮采工作面7#煤層，煤厚為1.8～2.4m，平均2.2m，傾角為18～25°，平均20°。其直接頂為泥巖，平均厚2.1m；老頂為細(xì)砂巖，厚6.4m，底板為粉砂巖，厚7.29～7.69m，平均7.5m。746工作面整體為單斜構(gòu)造，構(gòu)造發(fā)育，共有11條斷層，其中有3條斷層落差較大，對(duì)工作面回采影響較大。根據(jù)圖5所示炮采面的地質(zhì)條件，本發(fā)明的觀測(cè)點(diǎn)布置如

圖1所示，分上、中和下三個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)有12個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)炮采面的礦壓進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)工作面支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
首先從上、中、下三個(gè)測(cè)區(qū)對(duì)工作面進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)內(nèi)容是頂?shù)装逡平?、支柱載荷、活柱下縮量、底板抗壓能力，對(duì)頂板完整狀態(tài)、采空區(qū)冒落狀況、工作面推進(jìn)度、煤壁片幫和支柱損壞等情況作宏觀記錄。檢測(cè)單體支柱初撐力及工作阻力，測(cè)定工作面底板的抗壓強(qiáng)度，量測(cè)工作面頂?shù)装逡平考盎钪驴s量，測(cè)量工作面煤壁片幫范圍及深度、冒頂范圍及高度和工作面單體支柱鉆底量。觀測(cè)得支柱工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的曲線圖(圖6)。
從圖6上可以看出，工作面從開切眼開始至60米，經(jīng)歷了初次來(lái)壓和兩次周期來(lái)壓，初次來(lái)壓步距為28～32米。兩次周期來(lái)壓步距均為10米左右，在來(lái)壓期間，應(yīng)加強(qiáng)支柱的支撐力，尤其加強(qiáng)支柱的穩(wěn)定性。實(shí)測(cè)表明，工作面支柱工作阻力較低，須對(duì)支柱進(jìn)行二次注液，開展檢測(cè)工作，加強(qiáng)工人對(duì)提高工作阻力的認(rèn)識(shí)，從而提高支柱的支護(hù)質(zhì)量。在兩背幫柱之間用小笆、塘柴，頂梁上填實(shí)合格的背頂材料等使支柱能夠升到額定初撐力，軟底必須穿合適的鐵鞋或木鞋。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)計(jì)算分析炮采面的支護(hù)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為排距1.2米、柱距0.65米和實(shí)行三、四排管理。二.生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化在統(tǒng)計(jì)分析三軟炮采面的生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上建立生產(chǎn)子系統(tǒng)的模型，如圖2所示，模型分為放炮落煤、頂板、工作面鏈板機(jī)、平巷鏈板機(jī)、通風(fēng)、機(jī)電故障、大修故障和其它。利用正交試驗(yàn)法模擬不同條件下工作面系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)程，獲得了影響炮采面產(chǎn)量的規(guī)律，具體表現(xiàn)為
1.對(duì)炮采面的768個(gè)班現(xiàn)場(chǎng)記錄做了整理和分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果表

從上表知，工作面通風(fēng)系統(tǒng)是影響生產(chǎn)的首要因素。機(jī)電故障僅稍稍次于通風(fēng)故障，成為影響工作面生產(chǎn)的第二主要因素。頂板、放炮落煤及工作面大修也都是影響生產(chǎn)的主要因素，是該礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中不容忽視的薄弱環(huán)節(jié)。
2.圖7為炮采面產(chǎn)量回歸曲線綜合圖。從圖7上可以看出，原班完成的循環(huán)次數(shù)是影響工作面單產(chǎn)的首要因素。模擬結(jié)果表明，原班循環(huán)次數(shù)對(duì)工作面產(chǎn)量的影響程度是其它因素的影響程度的4～7倍，因此，合理安排工作面的工藝循環(huán)方式與工序的合理接續(xù)，縮短各工序?qū)ρh(huán)時(shí)間的占用，優(yōu)選工作面運(yùn)行參數(shù)，對(duì)提高工作面單產(chǎn)將起到十分重要的作用，炮采面的最佳原班循環(huán)數(shù)為3。工作面長(zhǎng)度是影響單產(chǎn)的第二個(gè)重要因素。工作面越長(zhǎng)，單循環(huán)數(shù)單產(chǎn)越大。但工作面長(zhǎng)度應(yīng)有一個(gè)合適的范圍。工作面合理長(zhǎng)度應(yīng)是保證落煤、支柱、裝煤、回柱等主要工藝連續(xù)正常接替為前提，運(yùn)算結(jié)果表明，炮采面長(zhǎng)度的最佳值為134米。三.確定瓦斯抽放區(qū)域從上面的統(tǒng)計(jì)分析可以得出，瓦斯的超限是影響工作面生產(chǎn)的主要因素。本方法通過(guò)模擬炮采面頂板的裂隙發(fā)育，確定合理的抽放區(qū)域。具體結(jié)論首先，工作面簡(jiǎn)化為二維計(jì)算模型，設(shè)計(jì)成沿工作面的走向方向和傾斜方向兩個(gè)計(jì)算模型，采用走向長(zhǎng)壁工作面布置方式，具體如圖(3)所示，其中L1為開切眼至工作面的距離，L2為工作面長(zhǎng)度。邊界條件對(duì)于走向模型I，左邊界為工作面，右邊界為開切眼側(cè)，模型下部是煤層的底板，為固定邊界，上面為工作面和自由邊界，一般為基巖層加地表。對(duì)于傾斜模型II，左邊界為工作面上風(fēng)巷，右邊界為工作面下風(fēng)巷，上、下界同走向模型I通過(guò)對(duì)工作面進(jìn)行數(shù)值模擬，從圖8的應(yīng)力分析可見(jiàn)煤層采出后，在工作面的上方為裂隙發(fā)育充分。具體以風(fēng)巷為界，垂直風(fēng)巷向上18～25m，平行工作面傾斜方向，沿著工作面傾斜向下0～120m為裂隙充分發(fā)育區(qū)，故結(jié)合瓦斯在煤層的流動(dòng)理論和746面本身的地質(zhì)條件，可以在垂直風(fēng)巷向上18～25m，沿工作面傾斜向下10～30m內(nèi)為瓦斯抽放的合理區(qū)域。該區(qū)域如圖9所示。四.瓦斯抽放系統(tǒng)的建立選取以建立抽放巷和鉆孔相結(jié)合的抽放方法，對(duì)工作面進(jìn)行瓦斯抽放，將抽放巷具體布置在距開采煤層法向距離18～25米，與工作面風(fēng)巷水平距離20～30米處，選取沿走向布置鉆孔方式布孔，具體布置如圖4所示，抽放鉆孔盡量布置在工作面頂板冒落后的裂隙帶內(nèi)，每個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔均超前一鉆場(chǎng)20米以上，各鉆孔的參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，建立合理抽放系統(tǒng)，從而減少瓦斯對(duì)工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，提高工作面單產(chǎn)。
表2 炮采面各鉆場(chǎng)的布孔參數(shù)

本發(fā)明的方法在炮采面試驗(yàn)研究后每年可提高產(chǎn)量近二十萬(wàn)噸，新增產(chǎn)值一千八百多萬(wàn)元，直接新增經(jīng)濟(jì)效益加上材料成本費(fèi)的降低，可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益近五百萬(wàn)元，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1.一種提高三軟炮采面單產(chǎn)的參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于包括如下具體步驟；(1)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化在工作面布置上、中和下測(cè)站，觀測(cè)工作面的頂?shù)装逡平?、支柱載荷、活柱下縮量、底板抗壓能力，對(duì)頂板完整狀態(tài)、采空區(qū)冒落狀況、工作面推進(jìn)度、煤壁片幫和支柱損壞作宏觀記錄，檢測(cè)單體支柱初撐力及工作阻力，測(cè)定工作面底板的抗壓強(qiáng)度，量測(cè)工作面頂?shù)装逡平考盎钪驴s量，測(cè)量工作面煤壁片幫范圍及深度、冒頂范圍及高度和工作面單體支柱鉆底量，觀測(cè)得支柱工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的曲線圖，通過(guò)圖確定初次來(lái)壓和周期來(lái)壓，在來(lái)壓期間加強(qiáng)支柱的初撐力和進(jìn)行二次注液；(2)生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)劃分為放炮落煤、頂板、工作面鏈板機(jī)、平巷鏈板機(jī)、通風(fēng)、機(jī)電故障、大修故障和其它，為可修復(fù)串聯(lián)系統(tǒng)，利用正交試驗(yàn)法的正交性和綜合可比性，針對(duì)影響炮采面產(chǎn)量的主要因素落煤速度、支柱速度、工作面長(zhǎng)、班循環(huán)數(shù)、裝煤速度和回柱速度進(jìn)行三級(jí)正交模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交回歸計(jì)算，得出影響因素與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的回歸方程；(3)確定瓦斯抽放區(qū)域工作面簡(jiǎn)化為二維計(jì)算模型，設(shè)計(jì)成沿工作面的走向方向和傾斜方向兩個(gè)計(jì)算模型，采用走向長(zhǎng)壁工作面布置方式，對(duì)于走向模型，左邊界為工作面，右邊界為開切眼側(cè)，模型下部是煤層的底板，為固定邊界，上面為工作面和自由邊界，一般為基巖層加地表，對(duì)于傾斜模型，左邊界為工作面上風(fēng)巷，右邊界為工作面下風(fēng)巷，上、下界同走向模型；(4)建立抽放系統(tǒng)根據(jù)工作面頂板巖性和巷道布置特點(diǎn)，采用在頂板走向布置抽放巷道，選取沿走向布置鉆孔方式布孔，抽放鉆孔布置在工作面頂板冒落后的裂隙帶內(nèi)，每個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔均超前一鉆場(chǎng)20米以上。
全文摘要
一種提高三軟炮采面單產(chǎn)的參數(shù)優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)工作面礦壓的觀測(cè)，從影響工作面支護(hù)參數(shù)的因素入手，建立合理的工作面支護(hù)系統(tǒng)，重點(diǎn)分析工作面生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)，找出其主要的影響因素并加以改善，利用有限元軟件對(duì)工作面上方進(jìn)行模擬，找出合理的抽放區(qū)域并建立抽放系統(tǒng)。本發(fā)明通過(guò)改善支護(hù)系統(tǒng)，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的有效度，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，提高了工作面的單產(chǎn)，為其它類似礦區(qū)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
文檔編號(hào)E21C41/00GK1445435SQ0311590
公開日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
發(fā)明者戴宏亮, 王熙, 謝廣祥, 徐華禮 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)