矿山开采工艺选择

1、矿山开采工艺选择第五章矿山开采工艺选择第一节露天矿开采工艺及设备选择第二节矿井开采方法选择一、采煤机生产过程的计算机模拟分析1 .采煤机运行状况在机械化生产的采煤工作面中，所有工序都是以采煤机运行为核心的，采煤机运行状况代表着采煤工作面生产状况。采煤工作面是煤矿生产的主要场地。它的生产状况、产量高低，对矿井技术经济效果的影响极大。在生产管理中，对采煤工作面的生产状况，常常采用实际观测或对统计资料进行分析研究，找出问题所在，提出改进措施。这种方法费时费力，而对将要采用的改进措施所能取得的效果却难以预计。采用电子计算机模拟的方法，可以再现采煤工作面的生产过程，得到人们所需要的信息，用于采取改进措施

2、，确定采煤工作面的合理参数和劳动组织等，并可预测采用不同措施时的效果。采煤机的运行状况受工作面地质条件，如煤层厚度、倾角、煤的硬度、夹砰、顶底板性质等，技术条件如工作面长度、设备型号、进刀方式等，以及其他工艺环节的影响，时开时停、运行速度时高时低，其大致情况示意如图5-2-1。图5-2-1工作面采煤机运行状况示意图由图5-2-1可见，模拟采煤机运行过程必须知道某一时刻的采煤机运行速度，以及运行连续时间和间隔停顿时间。这些参数是随机变化的，就要掌握它们所服从的概率分布规律。对此需要通过实测，经统计分析检验后得到。2 .采煤机运行速度采煤机在生产时间内的运行速度是个连续的随机变量,根据对一些实测资

3、料的统计分析和检验结果，它服从正态分布,其概率密度函数为:(5-2-1)式中u采煤机生产时的运行速度，m/min；U.运行速度均值，m/min；。.运行速度的标推差，m/min。根据已知的正态分布特征值“、。，可以用下式得出某一时刻的采煤机运行速度u,使它服从正态分布。6u=+-3)(5-2-2)式中L0,13 / 23矿山开采工艺选择矿山开采工艺选择区间的均匀分布随机数，利用标准随机函数语句，或采用同余数法计算公式产生。3 .采煤机运行和停顿时间采煤机固定的停顿时间有交接班时间、计划检修时间、非生产班时间等均为定值，取决于所规定的工作制度和作业计划安排。采煤机每次开机运行后，生产的连续运行时

4、间和因故中途停顿时间,则是随机变量。实测表明，它一般服从负指数分布规律,其分布函数为：F(t)=l-eXt(5-2-3)根据实测资料统计分析得出来煤机运行和停顿时间的负指数分布特征值入1和人2,采用逆变换法产生服从负指数分布的随机数，便可以通过如下的公式计算,得到某一时刻的连续运行时间tl,间断停顿时间t2o(5-2-4)t2 = -ln<242(5-2-5)式中"，一0，1区间的均匀分布随机数。4 .计算机模拟模型最小时间事件步长法以采煤机运行为主体的采煤工作面生产状况模拟，适于采用最小时间事件步长法,即模拟采煤机开动生产和因故停顿两种事件的交替变化，用以反映工作而出煤情况。

5、模 的开始 后有交 运行， 行等， 班，直图时间步长仿真法拟的初始状态定为工作面生产班时间，采煤机停在工作面下端，然接班时间的固定停顿,采煤机开始发生故障停机,故障消除后再次运直至一班时间结束，再进入下一至给定的班数模拟完毕。采煤机运行模拟实例采煤机模拟程序结构分析以双滚筒采煤机上下往复进行割煤，采用斜切进刀方式，斜切进刀时间取为定值的计算机模拟模型为例，表达其模拟进行过程的计算机程序框图，如图5-2-2所示。开发通用的模拟模型和程序，还需要有更为细致的描述各种作业方式、工作制度等项内容。图5-2-2采煤机运行状况模拟框图利用上述模拟程序，可以在给定的条件下得出每班的煤炭产量、进刀数、推进度、

6、开机停机时间和开机率5 / 23矿山开采工艺选择0经过若干个班的模拟，可以得出平均的班产量、日产量、日进度、开机率等。二、采煤工艺及其设备的优选1.评价指标缓斜煤层长壁采煤方法的产量占我国煤炭总产量的90%以上。在这种采煤方法i称综采、普采和中的采煤工艺有综合机械化、普通机械化和爆破采煤工艺,炮采J用于不同厚度的煤层有单一长壁、倾斜分层和放顶煤来煤方法。机械化采煤中又有多种不同型号和配置的采煤机、输送机、支架等设备。从提高产量、效率、减轻劳动强度和改善安全条件来说，在煤层地质条件适宜的情况下，应尽可能选择机械化程度高的采煤工艺和国产定型配套设备。对具体矿井的某一煤层，可能有若干种可供选择的采煤

7、工艺和设备，需要综合分析生产条件和可能带来的技术经济效果，从中选取最优方案。评价和选择采煤工艺及其设备，按多项指标综合优化的准则,所选用的指标主要有：采煤工作面单产水下，t/d;工作面工人效率，t/工；工作面吨煤成本，元/t;设备投资，万元；生产的可靠性。除此也曾提出的指标还有劳动繁重程度、生产安全状况等，皆因难以量化而被暂时搁置未用。上述评价指标的计算，采煤工作面单产水平通过采煤机运行状况计算机模拟取得，并在模拟中得出合理的工作面长度、开机率矿山开采工艺选择,从而得出工作面工人效率和生产可靠性（用开机率表达）。工作面成本由设备折旧、工资、电力和材料消耗四项内容计算。设备投资按所用设备不同的售

8、价计算。2 .建立采煤设备数据库各种采煤工艺对应不同煤层地质条件和采煤方法，都开发研制了一系列多种型号的不同设备，尤其是综采设备的类型与组合配套种类较多。这些与采煤工艺相配合的设备选型便构成了多种可供选择的方案。作为通用的采煤工艺及其设备优选模型，首先需要建造可供选用的采煤设备数据库。采煤设备数据库的建造是以广泛搜集整理现有厂家生产的设备为基础,按采煤机、输送机、支架等主要设备配套加工组成各种方案；存储备方案的主要设备型号、性能、主要参数、适用条件和设备价格。其实质是构造出采煤设备选择的通用的原始方案集。3 .可行方案集影响采煤工艺及其设备选择的主要因素有开采煤层厚度（或采高）及厚度变动范围、

9、煤层倾角、煤的硬度、夹肝层厚度、硫铁矿含量、顶板类别、底板类别、断层等地质构造、瓦斯涌出量、涌水量等。将这些因素对采煤工艺选择的影响程度分作几个等级，构造出工艺性评价模型，便可以用作判断所适宜的采煤工艺。也可以采用简易的判别方法进行粗选，即根据一般性的技术标准和经验，排除一些明显的不宜采用的采煤工艺和采煤方法。比如、煤层厚度小于3.5m便可排除分层开采和放顶煤开采；断层密度大即不适于综采；硫铁矿含量过多则不宜机采等。除此以外，还应注意到矿井的生产能力，如果是中小型矿井也7 / 23矿山开采工艺选择不宜采用综采。9 / 23矿山开采工艺选择通过对上述影响的分析，可以从原始方案集中排除一部分方案，

10、形成针对矿井某一煤层的可行方案集。4 .优选步骤和方法建立采煤设备数据库，构成原始方案集；依据所给出的煤层地质条件，通过技术可行性判别，形成可行方案集对每个可行方案，在不同的工作面长度条件下进行计算机模拟分析，从中得出该方案下的合理工作面长度和相对应的工作面单产、效率、开机率；对每个可行方案计算采煤工作面成本，并从原始方案集数据库中提取设备投资；利用多目标决策方法计算可行方案的综合评价指标，并按综合指标的高低排序；输出前三名方案的具体内容。按这样的步骤和方法建立的优化模型结构如图5-2-3所示。9 / 23矿山开采工艺选择矿山开采工艺选择/嬴G值地瀛件等原始数据7*I%I,ZI3:初步判别、选

11、取采煤工艺（综采、高档普采、普采、炮采I单一长壁、倾斜分层,放顶煤）采媒设芯彰适用条件为初选的采煤工艺配置设备I,形成采煤工艺及一备的可行方案集（对好个可行方案/=|八I计算机模拟子程序I_d摸拟分析得出工作面长度、革产水平、效豆M机率厂还尹正门匚病工作面成耘鼠t十算综合评价指标/磊遍遍果，一签方案编号和详细内容/图5-2-3采煤工艺及其设备优化模型结构框图三、采煤方法选择的决策支持系统1 .内容与结构决策支持系统（DSS）是面对结构化程度不高的问题，把模型或分析技术与传统的数据存取技术及检索技术结合起来，开发出易于为非计算机专业人员以交互会话方式使用的计算机程序，用于支持决策者进行决策，为其

12、提供最优决策和不同决策时各项结果。决策支持系统构成上的基支特征为三库（模型库、数据库、方法库）一体化,如图5-2-4所示。11/23图5-2-4决策支持系统结构图采煤方法选择包括采煤工艺、设备和回采巷道布置,相互关联为一体的两项内容。因此，采煤方法选择决策支持系统就要涵盖这两方面的内容，汇集各种可能出现的决策方案，针对不同煤层地质条件，建立相应的模型，提出所需的数据，确定评价的方法。最后汇集形成决策支持系统的模型库、数据库、方法库及其管理系统。以缓倾斜煤层采煤方法选择决策支持系统的开发为例，其中的采煤工艺、设备选择的建模、数据和方法与前面所介绍的基本相同，对其余各部分的主要内容,在下面做简要介

13、绍。2 .回采巷道布置方式的选择(1)回来巷道布置的类别列出各种回来巷道布置方式，按煤层地质条件判别可供选择的类型矿山开采工艺选择,包括判别走向长壁开采或倾斜长壁开采，走向长壁开采时后退式或前进式，倾斜长壁开采时仰斜或俯斜，是否设置区段(或条带)集中巷及集中巷的类型，回采巷道单巷或双巷布置，留没区段煤柱或沿空留巷或沿空掘巷，沿空留巷时护巷方式等。巷道围岩稳定性分类与支护方式确定根据己有巷道围岩分类的研究成果，通过对顶板、底板、煤层三个围岩强度指标、岩体完整性指标、开采深度、护巷煤柱宽度等项的分析计算，确定回采巷道的围岩稳定性类别。在总结我国多年来回来巷道支护经验的基础上，研究提出相应的支护技术

14、，分门别类地列出回采巷道的合理支架形式、支护材料和规格。回采巷道布置的经济评价对技术上可以选用的回采巷道布置的各种方案进行一定的经济比较，以吨煤费用最低作为评价标准。所计算的费用项目有巷道掘进费、巷道维护费、巷旁支护费和煤炭损失费。费用计算表达式各种巷道有所不同,基本形式是工程量乘上单价，除以在其服务期间采出的煤量。(4)回采巷道布置评选过程回采巷道布置评选过程如图5-2-5o矿山开采工艺选择/椅人原始数据、原始条件/I一一一'根据则板性质和媒层厚发、散hl判别布置区段集中巷的“行性，F出最优方案内容/.一*I图5-2-5回来巷道布置评选过程框图3 .模型库模型库的作用是存储辅助决策所

15、需要的各种模型双滚筒采煤机工作而产量模拟模型；单滚筒采煤机工作面产量模拟模型，刨煤机工作而产量模拟模型；放顶煤工作面产量模拟模型。以上模型作为单独的程序存放在模型库内，并用FoxBase数据库管理系统实现各模型的系统管理。4 .数据库数据库中存储决策支持系统运行时所需要的各类数据。数据库管理系统负责管理、维护和使用各类数据，其操作功能应便于存取、修改、查询和检索。该系统的数据库的内容有：煤层地质条件数据；机、炮采技术性决策指标和权重数据；采煤设备型号参数数据；模拟模型所需的参数数据；回采巷道围岩稳定性分类指标数据；回来巷道布置经济评价所需的基础数据；放顶煤开采与分层开采经济比较数据；综合性评价

16、各指标的权重。5 .方法库方法库中包括预测方法和若干优化方法机采形式与设备的选型；放顶煤开采与分层开采的比较；回采巷道围岩稳定性分类；回采方向与区段平巷留设方式的确定；倾斜分层开采时各分层平巷相对位置的确定；回来巷道布置方案的经济评价。6 .人机接口该系统以FoxBase建立用户与系统之间的联系，并负责检查和接受用户的要求,协调模块之间的通讯，有效地实现数据库单元、模型库单元、方法库单元以及人机接门的联结。采用菜单式的屏幕显示，向用户提供各种类型信息的获取手段，具有较高的自动化程度，使得不懂系统内部结构的用户，也能灵活、方便和迅速地完成各种操作。四、金属矿山采矿方法选择的模糊决策1 .选择步骤

17、金属矿山采矿方法很多，就其大的类别有如图5-2-6所示的10余种，其下尚有细的类别多种。一般情况下。人们靠经验选择采矿方法，具有很大的主观随意性。特别是当矿床赋存条件复杂，可供选用的采矿方法很多时，难以对相近的方案进行取舍。为了使采矿方法的选择更加科学，国内外学者进行了许多探索。从采矿方法选择中对其模糊性的定量分析出发提出了模糊决策方法。采矿方法图5-2-6金属矿山采矿方法类别金属矿山采矿方法选择的模糊决策.是运用模糊数学中模糊性度量和模糊关系方程，提出的一种选择方法，使选出的采矿方法更为合理。模糊决策由方法初选、技术经济分析、综合分析比较三个部分组成。分三步逐次进行。在方法初选中，根据矿床地

18、质条件和技术条件，计算各种采矿方法的模糊贴近度，选出一组可供选用的采矿方法；在技术经济分析中，通过解模糊关系方程，求出不同矿山的权系数，算出设计矿山的各项技术经济指标；最后，运用多目标决策选出最优的采矿方法。2 .用相似优先比法初选采矿方法各种采矿方法都有一定的适用条件，它的界线是模糊的。对于某一待设计的矿山，每种采矿方法都有不同程度的适用性，它的适用程度也是模糊的。通过模糊度的计算，便可从中选择出适宜使用的采矿方法。(1)相似优先比法选取几种采矿方法以Al,A2,.An表示，每种采矿方法的适用条件有围岩稳固性、矿石稳固性、厚度、倾角等m种因素，分别以Cl,C2,，Cm表示,构成表5-2-1所

19、示的适用条件矩阵。以所要设计的矿山地质和开采技术条件为固定样本Ak,相对应的因素为xkl,xk2,，xkm,比较它和已知的采矿方法适用条件各项因素的相似程度，从中选取一组可供采用的采矿方法。表5-2-1各种采矿方法的适用条件因素采矿方:、料条件°CoG4C.才器.9.%，34XrJ1*Zu.aTjwi,所设计斫山条件Ai叼上与7加：(2)计算模糊关系矩阵R适用条件m项因素中的某项因素，与固定样本中的相应因素的相似程度，以海明距dk表示有：dki=lxk-xil(5-2-6)dkj=lxk-xjl(5-2-7)式中Xk固定样本的某一因素值;17 / 23矿山开采工艺选择然后删除该采矿方法的影响，即删去该行及所对应的列。再选取入值，依次求出相似的采矿方法，并分别记以序号2、3、4等。序号越小表示其相似程度越高。序号表示各种采矿方法对应的各项因素与所设计矿山的相似程度。将各项因素的序号求和，则表示这些因素综合起来的相似程度。和数越小说明该采矿方法与设计矿山越相似。据此，可以排出各种采矿方法的适用顺序，如表5-2-3所示。适当地确定初选方案数，使可从中选出一组可供采用的采矿方法。表5