礦山開采工藝選擇

1、礦山開采工藝選擇第五章礦山開采工藝選擇第一節(jié)露天礦開采工藝及設備選擇第二節(jié)礦井開采方法選擇一、采煤機生產過程的計算機模擬分析1 .采煤機運行狀況在機械化生產的采煤工作面中，所有工序都是以采煤機運行為核心的，采煤機運行狀況代表著采煤工作面生產狀況。采煤工作面是煤礦生產的主要場地。它的生產狀況、產量高低，對礦井技術經濟效果的影響極大。在生產管理中，對采煤工作面的生產狀況，常常采用實際觀測或對統(tǒng)計資料進行分析研究，找出問題所在，提出改進措施。這種方法費時費力，而對將要采用的改進措施所能取得的效果卻難以預計。采用電子計算機模擬的方法，可以再現采煤工作面的生產過程，得到人們所需要的信息，用于采取改進措施

2、，確定采煤工作面的合理參數和勞動組織等，并可預測采用不同措施時的效果。采煤機的運行狀況受工作面地質條件，如煤層厚度、傾角、煤的硬度、夾砰、頂底板性質等，技術條件如工作面長度、設備型號、進刀方式等，以及其他工藝環(huán)節(jié)的影響，時開時停、運行速度時高時低，其大致情況示意如圖5-2-1。圖5-2-1工作面采煤機運行狀況示意圖由圖5-2-1可見，模擬采煤機運行過程必須知道某一時刻的采煤機運行速度，以及運行連續(xù)時間和間隔停頓時間。這些參數是隨機變化的，就要掌握它們所服從的概率分布規(guī)律。對此需要通過實測，經統(tǒng)計分析檢驗后得到。2 .采煤機運行速度采煤機在生產時間內的運行速度是個連續(xù)的隨機變量,根據對一些實測資

3、料的統(tǒng)計分析和檢驗結果，它服從正態(tài)分布,其概率密度函數為:(5-2-1)式中u采煤機生產時的運行速度，m/min；U.運行速度均值，m/min；。.運行速度的標推差，m/min。根據已知的正態(tài)分布特征值“、。，可以用下式得出某一時刻的采煤機運行速度u,使它服從正態(tài)分布。6u=+-3)(5-2-2)式中L0,13 / 23礦山開采工藝選擇礦山開采工藝選擇區(qū)間的均勻分布隨機數，利用標準隨機函數語句，或采用同余數法計算公式產生。3 .采煤機運行和停頓時間采煤機固定的停頓時間有交接班時間、計劃檢修時間、非生產班時間等均為定值，取決于所規(guī)定的工作制度和作業(yè)計劃安排。采煤機每次開機運行后，生產的連續(xù)運行時

4、間和因故中途停頓時間,則是隨機變量。實測表明，它一般服從負指數分布規(guī)律,其分布函數為：F(t)=l-eXt(5-2-3)根據實測資料統(tǒng)計分析得出來煤機運行和停頓時間的負指數分布特征值入1和人2,采用逆變換法產生服從負指數分布的隨機數，便可以通過如下的公式計算,得到某一時刻的連續(xù)運行時間tl,間斷停頓時間t2o(5-2-4)t2 = -ln<242(5-2-5)式中"，一0，1區(qū)間的均勻分布隨機數。4 .計算機模擬模型最小時間事件步長法以采煤機運行為主體的采煤工作面生產狀況模擬，適于采用最小時間事件步長法,即模擬采煤機開動生產和因故停頓兩種事件的交替變化，用以反映工作而出煤情況。

5、模 的開始 后有交 運行， 行等， 班，直圖時間步長仿真法擬的初始狀態(tài)定為工作面生產班時間，采煤機停在工作面下端，然接班時間的固定停頓,采煤機開始發(fā)生故障停機,故障消除后再次運直至一班時間結束，再進入下一至給定的班數模擬完畢。采煤機運行模擬實例采煤機模擬程序結構分析以雙滾筒采煤機上下往復進行割煤，采用斜切進刀方式，斜切進刀時間取為定值的計算機模擬模型為例，表達其模擬進行過程的計算機程序框圖，如圖5-2-2所示。開發(fā)通用的模擬模型和程序，還需要有更為細致的描述各種作業(yè)方式、工作制度等項內容。圖5-2-2采煤機運行狀況模擬框圖利用上述模擬程序，可以在給定的條件下得出每班的煤炭產量、進刀數、推進度、

6、開機停機時間和開機率5 / 23礦山開采工藝選擇0經過若干個班的模擬，可以得出平均的班產量、日產量、日進度、開機率等。二、采煤工藝及其設備的優(yōu)選1.評價指標緩斜煤層長壁采煤方法的產量占我國煤炭總產量的90%以上。在這種采煤方法i稱綜采、普采和中的采煤工藝有綜合機械化、普通機械化和爆破采煤工藝,炮采J用于不同厚度的煤層有單一長壁、傾斜分層和放頂煤來煤方法。機械化采煤中又有多種不同型號和配置的采煤機、輸送機、支架等設備。從提高產量、效率、減輕勞動強度和改善安全條件來說，在煤層地質條件適宜的情況下，應盡可能選擇機械化程度高的采煤工藝和國產定型配套設備。對具體礦井的某一煤層，可能有若干種可供選擇的采煤

7、工藝和設備，需要綜合分析生產條件和可能帶來的技術經濟效果，從中選取最優(yōu)方案。評價和選擇采煤工藝及其設備，按多項指標綜合優(yōu)化的準則,所選用的指標主要有：采煤工作面單產水下，t/d;工作面工人效率，t/工；工作面噸煤成本，元/t;設備投資，萬元；生產的可靠性。除此也曾提出的指標還有勞動繁重程度、生產安全狀況等，皆因難以量化而被暫時擱置未用。上述評價指標的計算，采煤工作面單產水平通過采煤機運行狀況計算機模擬取得，并在模擬中得出合理的工作面長度、開機率礦山開采工藝選擇,從而得出工作面工人效率和生產可靠性（用開機率表達）。工作面成本由設備折舊、工資、電力和材料消耗四項內容計算。設備投資按所用設備不同的售

8、價計算。2 .建立采煤設備數據庫各種采煤工藝對應不同煤層地質條件和采煤方法，都開發(fā)研制了一系列多種型號的不同設備，尤其是綜采設備的類型與組合配套種類較多。這些與采煤工藝相配合的設備選型便構成了多種可供選擇的方案。作為通用的采煤工藝及其設備優(yōu)選模型，首先需要建造可供選用的采煤設備數據庫。采煤設備數據庫的建造是以廣泛搜集整理現有廠家生產的設備為基礎,按采煤機、輸送機、支架等主要設備配套加工組成各種方案；存儲備方案的主要設備型號、性能、主要參數、適用條件和設備價格。其實質是構造出采煤設備選擇的通用的原始方案集。3 .可行方案集影響采煤工藝及其設備選擇的主要因素有開采煤層厚度（或采高）及厚度變動范圍、

9、煤層傾角、煤的硬度、夾肝層厚度、硫鐵礦含量、頂板類別、底板類別、斷層等地質構造、瓦斯涌出量、涌水量等。將這些因素對采煤工藝選擇的影響程度分作幾個等級，構造出工藝性評價模型，便可以用作判斷所適宜的采煤工藝。也可以采用簡易的判別方法進行粗選，即根據一般性的技術標準和經驗，排除一些明顯的不宜采用的采煤工藝和采煤方法。比如、煤層厚度小于3.5m便可排除分層開采和放頂煤開采；斷層密度大即不適于綜采；硫鐵礦含量過多則不宜機采等。除此以外，還應注意到礦井的生產能力，如果是中小型礦井也7 / 23礦山開采工藝選擇不宜采用綜采。9 / 23礦山開采工藝選擇通過對上述影響的分析，可以從原始方案集中排除一部分方案，

10、形成針對礦井某一煤層的可行方案集。4 .優(yōu)選步驟和方法建立采煤設備數據庫，構成原始方案集；依據所給出的煤層地質條件，通過技術可行性判別，形成可行方案集對每個可行方案，在不同的工作面長度條件下進行計算機模擬分析，從中得出該方案下的合理工作面長度和相對應的工作面單產、效率、開機率；對每個可行方案計算采煤工作面成本，并從原始方案集數據庫中提取設備投資；利用多目標決策方法計算可行方案的綜合評價指標，并按綜合指標的高低排序；輸出前三名方案的具體內容。按這樣的步驟和方法建立的優(yōu)化模型結構如圖5-2-3所示。9 / 23礦山開采工藝選擇礦山開采工藝選擇/嬴G值地瀛件等原始數據7*I%I,ZI3:初步判別、選

11、取采煤工藝（綜采、高檔普采、普采、炮采I單一長壁、傾斜分層,放頂煤）采媒設芯彰適用條件為初選的采煤工藝配置設備I,形成采煤工藝及一備的可行方案集（對好個可行方案/=|八I計算機模擬子程序I_d摸擬分析得出工作面長度、革產水平、效豆M機率廠還尹正門匚病工作面成耘鼠t十算綜合評價指標/磊遍遍果，一簽方案編號和詳細內容/圖5-2-3采煤工藝及其設備優(yōu)化模型結構框圖三、采煤方法選擇的決策支持系統(tǒng)1 .內容與結構決策支持系統(tǒng)（DSS）是面對結構化程度不高的問題，把模型或分析技術與傳統(tǒng)的數據存取技術及檢索技術結合起來，開發(fā)出易于為非計算機專業(yè)人員以交互會話方式使用的計算機程序，用于支持決策者進行決策，為其

12、提供最優(yōu)決策和不同決策時各項結果。決策支持系統(tǒng)構成上的基支特征為三庫（模型庫、數據庫、方法庫）一體化,如圖5-2-4所示。11/23圖5-2-4決策支持系統(tǒng)結構圖采煤方法選擇包括采煤工藝、設備和回采巷道布置,相互關聯為一體的兩項內容。因此，采煤方法選擇決策支持系統(tǒng)就要涵蓋這兩方面的內容，匯集各種可能出現的決策方案，針對不同煤層地質條件，建立相應的模型，提出所需的數據，確定評價的方法。最后匯集形成決策支持系統(tǒng)的模型庫、數據庫、方法庫及其管理系統(tǒng)。以緩傾斜煤層采煤方法選擇決策支持系統(tǒng)的開發(fā)為例，其中的采煤工藝、設備選擇的建模、數據和方法與前面所介紹的基本相同，對其余各部分的主要內容,在下面做簡要介

13、紹。2 .回采巷道布置方式的選擇(1)回來巷道布置的類別列出各種回來巷道布置方式，按煤層地質條件判別可供選擇的類型礦山開采工藝選擇,包括判別走向長壁開采或傾斜長壁開采，走向長壁開采時后退式或前進式，傾斜長壁開采時仰斜或俯斜，是否設置區(qū)段(或條帶)集中巷及集中巷的類型，回采巷道單巷或雙巷布置，留沒區(qū)段煤柱或沿空留巷或沿空掘巷，沿空留巷時護巷方式等。巷道圍巖穩(wěn)定性分類與支護方式確定根據己有巷道圍巖分類的研究成果，通過對頂板、底板、煤層三個圍巖強度指標、巖體完整性指標、開采深度、護巷煤柱寬度等項的分析計算，確定回采巷道的圍巖穩(wěn)定性類別。在總結我國多年來回來巷道支護經驗的基礎上，研究提出相應的支護技術

14、，分門別類地列出回采巷道的合理支架形式、支護材料和規(guī)格?；夭上锏啦贾玫慕洕u價對技術上可以選用的回采巷道布置的各種方案進行一定的經濟比較，以噸煤費用最低作為評價標準。所計算的費用項目有巷道掘進費、巷道維護費、巷旁支護費和煤炭損失費。費用計算表達式各種巷道有所不同,基本形式是工程量乘上單價，除以在其服務期間采出的煤量。(4)回采巷道布置評選過程回采巷道布置評選過程如圖5-2-5o礦山開采工藝選擇/椅人原始數據、原始條件/I一一一'根據則板性質和媒層厚發(fā)、散hl判別布置區(qū)段集中巷的“行性，F出最優(yōu)方案內容/.一*I圖5-2-5回來巷道布置評選過程框圖3 .模型庫模型庫的作用是存儲輔助決策所

15、需要的各種模型雙滾筒采煤機工作而產量模擬模型；單滾筒采煤機工作面產量模擬模型，刨煤機工作而產量模擬模型；放頂煤工作面產量模擬模型。以上模型作為單獨的程序存放在模型庫內，并用FoxBase數據庫管理系統(tǒng)實現各模型的系統(tǒng)管理。4 .數據庫數據庫中存儲決策支持系統(tǒng)運行時所需要的各類數據。數據庫管理系統(tǒng)負責管理、維護和使用各類數據，其操作功能應便于存取、修改、查詢和檢索。該系統(tǒng)的數據庫的內容有：煤層地質條件數據；機、炮采技術性決策指標和權重數據；采煤設備型號參數數據；模擬模型所需的參數數據；回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類指標數據；回來巷道布置經濟評價所需的基礎數據；放頂煤開采與分層開采經濟比較數據；綜合性評價

16、各指標的權重。5 .方法庫方法庫中包括預測方法和若干優(yōu)化方法機采形式與設備的選型；放頂煤開采與分層開采的比較；回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類；回采方向與區(qū)段平巷留設方式的確定；傾斜分層開采時各分層平巷相對位置的確定；回來巷道布置方案的經濟評價。6 .人機接口該系統(tǒng)以FoxBase建立用戶與系統(tǒng)之間的聯系，并負責檢查和接受用戶的要求,協(xié)調模塊之間的通訊，有效地實現數據庫單元、模型庫單元、方法庫單元以及人機接門的聯結。采用菜單式的屏幕顯示，向用戶提供各種類型信息的獲取手段，具有較高的自動化程度，使得不懂系統(tǒng)內部結構的用戶，也能靈活、方便和迅速地完成各種操作。四、金屬礦山采礦方法選擇的模糊決策1 .選擇步驟

17、金屬礦山采礦方法很多，就其大的類別有如圖5-2-6所示的10余種，其下尚有細的類別多種。一般情況下。人們靠經驗選擇采礦方法，具有很大的主觀隨意性。特別是當礦床賦存條件復雜，可供選用的采礦方法很多時，難以對相近的方案進行取舍。為了使采礦方法的選擇更加科學，國內外學者進行了許多探索。從采礦方法選擇中對其模糊性的定量分析出發(fā)提出了模糊決策方法。采礦方法圖5-2-6金屬礦山采礦方法類別金屬礦山采礦方法選擇的模糊決策.是運用模糊數學中模糊性度量和模糊關系方程，提出的一種選擇方法，使選出的采礦方法更為合理。模糊決策由方法初選、技術經濟分析、綜合分析比較三個部分組成。分三步逐次進行。在方法初選中，根據礦床地

18、質條件和技術條件，計算各種采礦方法的模糊貼近度，選出一組可供選用的采礦方法；在技術經濟分析中，通過解模糊關系方程，求出不同礦山的權系數，算出設計礦山的各項技術經濟指標；最后，運用多目標決策選出最優(yōu)的采礦方法。2 .用相似優(yōu)先比法初選采礦方法各種采礦方法都有一定的適用條件，它的界線是模糊的。對于某一待設計的礦山，每種采礦方法都有不同程度的適用性，它的適用程度也是模糊的。通過模糊度的計算，便可從中選擇出適宜使用的采礦方法。(1)相似優(yōu)先比法選取幾種采礦方法以Al,A2,.An表示，每種采礦方法的適用條件有圍巖穩(wěn)固性、礦石穩(wěn)固性、厚度、傾角等m種因素，分別以Cl,C2,，Cm表示,構成表5-2-1所

19、示的適用條件矩陣。以所要設計的礦山地質和開采技術條件為固定樣本Ak,相對應的因素為xkl,xk2,，xkm,比較它和已知的采礦方法適用條件各項因素的相似程度，從中選取一組可供采用的采礦方法。表5-2-1各種采礦方法的適用條件因素采礦方:、料條件°CoG4C.才器.9.%，34XrJ1*Zu.aTjwi,所設計斫山條件Ai叼上與7加：(2)計算模糊關系矩陣R適用條件m項因素中的某項因素，與固定樣本中的相應因素的相似程度，以海明距dk表示有：dki=lxk-xil(5-2-6)dkj=lxk-xjl(5-2-7)式中Xk固定樣本的某一因素值;17 / 23礦山開采工藝選擇然后刪除該采礦方法的影響，即刪去該行及所對應的列。再選取入值，依次求出相似的采礦方法，并分別記以序號2、3、4等。序號越小表示其相似程度越高。序號表示各種采礦方法對應的各項因素與所設計礦山的相似程度。將各項因素的序號求和，則表示這些因素綜合起來的相似程度。和數越小說明該采礦方法與設計礦山越相似。據此，可以排出各種采礦方法的適用順序，如表5-2-3所示。適當地確定初選方案數，使可從中選出一組可供采用的采礦方法。表5