一种多灾元耦合难采煤层解耦开采方法与流程

文档序号:15578785发布日期:2018-09-29 06:16

本发明属于矿山、岩土工程技术领域,涉及各种复杂埋藏条件难采煤层的开采,具体是一种多灾元耦合难采煤层解耦开采方法。



背景技术:

我国煤矿井工开采的比例约占90%以上,是世界上井工开采比例最高的国家,几乎所有的地理区域和成煤地层均有煤矿进行开采,由于分布范围广和成煤环境复杂,地质条件复杂或极其复杂的煤矿占36%,赋存着大量的极薄、特厚、大倾角等国际采矿界公认的难采煤层,同时,目前开采的煤矿均为有瓦斯涌出的矿井,全国煤矿的年瓦斯涌出量在100亿立方米以上,国有重点煤矿中,高瓦斯和突出矿井占49.8%;有煤尘爆炸危险的矿井占87.4%;煤层具有自然发火危险的矿井占51.3%;水文地质条件复杂或极其复杂的煤矿占27%。据统计,顶板冒落、瓦斯爆炸(燃烧)、煤与瓦斯突出、透(突)水事故、煤层自燃发火、冲击地压(强矿压)、矿井热害等构成了煤矿重特大事故比例达90%以上。很显然,复杂的成煤环境伴随着高地应力、高瓦斯、高地温、火灾、水害、冲击地压等多种致灾源,导致在开采过程中单一灾害数量逐渐减少,两种以上灾害同时出现的复合灾害数量呈上升态势,并以开采诱导为核心,产生耦合作用,既造成了灾害损伤程度的不断扩大,又导致了灾害治理难度不断提升。

煤矿开采与安全(灾害治理)是一个问题的两个方面,关键在于开采,不进行开采活动,就不存在安全问题,可以说,一切的灾害导致的安全问题均是由开采引发的,而灾害治理的目的是保证开采安全。在传统灾害治理方法和技术中,一般采用的是针对性治理原则,即针对某种单一灾害采取针对性的方法或技术进行治理的较多,将多元灾害纳入到一个体系中并以开采为核心来进行综合治理的较少,造成了灾害治理方法和技术日趋复杂、灾害防治难度不断提高、灾害防治成本节节攀升,严重制约了矿井技术水平发展和企业整体经济社会效益提升。



技术实现要素:

本发明的目的是要解决现有技术中的存在的不足,提供一种多灾元耦合难采煤层解耦开采方法。

为达到上述目的,本发明是按照以下技术方案实施的:

一种多灾元耦合难采煤层解耦开采方法,包括以下步骤:

步骤一、针对具体矿井分析,根据其地质资料和历史事故发生率,确定该矿井的整体灾害类型,所述灾种类型包括复杂难采煤层类型及灾元类型,然后构建以开采为核心的多元灾害耦合模型;

步骤二、用危险性指数H表征该矿井的各灾元及其灾害指标的危险性,并确定该矿井的各灾元的危险性指数与危险性等级的对应关系表:

并采用指标权重法计算该矿井的各灾元的初始危险性指数,指标权重法计算公式:式中:m为灾元总数,灾元用i标记,i=1,2,...,m;n为灾害i的指标个数,指标用j标记,j=1,2,...,n;wij为第j个指标对应的权重,Hij为第j个指标对应的危险性大小,并依据该矿井的各灾元的危险性指数与危险性等级的对应关系表来确定该矿井的各灾元的初始危险性等级;

步骤三、当该矿井的各灾元之间存在触发关系时,表明触发灾元的初始危险性指数Hi不能完全反映其危险性,需要依据触发关系进行调整,引入变量ΔHi来表征初始危险性指数的改变量,由此建立基于触发关系的空间耦合规则:

根据该规则得到修正的危险指数Hi′,即:Hi'=Hi+ΔHi,当Hi′>5时认为其危险等级为非常高,然后根据基础数据的可提供性及相关文献对这多种灾元选取指标并分级,指标权重通过层次分析法确定,最终完成对触发灾元的初始危险性等级的确定;

步骤四、采取抽样统计分析法,对该矿井某一时间段发生的所有灾害事故进行统计分类,对触发关系的灾元进行识别和统计,并绘制灾害之间的触发关系统计表:

表中,1表示存在触发关系,0表示不存在;之后,计算各灾元的危险性指数或修正危险性指数,同时以饼图形式呈现出单一灾元致灾和多灾元致灾的比例,并将各自所占比例视为致灾贡献度;

步骤五、根据步骤四并结合对不同灾元致灾贡献度的分析,明确灾害事故中的主导灾元、其它致灾因素排序、不同灾元间耦合层级与顺序,然后建立多灾元解耦模型;

步骤六、基于步骤五的分析结果,针对具体的灾元类型采取相应的减灾措施,进行解耦并达到降低或消除灾元的目的;

步骤七、减灾措施实施后,在该矿井后期生产过程中,选取同样时长的时间段,统计该矿在此时间段内的灾害事故,再次计算各灾元的危险性指数,并以饼图形成呈现不同灾元致灾所占比例,将诸灾元致灾比例的减少量视为各减灾措施的贡献度,综合评价解耦效果;

步骤八、基于步骤一至八,循环实施解耦减灾措施,消除矿井灾害,最终确定多灾元耦合难采煤层整体和局部解耦顺序,提出解耦方法。

与现有技术相比,本发明的有益效果为:

基于难采煤层与多元灾害类型,可以构建以开采为核心的多元灾害耦合模型,分析多灾元致灾因素相互耦合关系与构成比重,建立不同灾元致灾贡献度评价方法与指标体系;

通过计算各灾元的危险性指数及开采活动中不同灾元致灾贡献度,能够确定主导灾元、其它致灾因素排序、不同灾元间耦合层级与顺序;

提出了解耦效果评价方法,建立了与致灾贡献度对应的减灾贡献度指标体系,并基于构成耦合灾害事故的诸灾元间耦合关系和减灾贡献度,确定了多灾元耦合难采煤层整体和局部解耦顺序;

然后,以开采为核心,提出了解耦方法;依照解耦层级和顺序、灾元间相互作用关系,简单化了治理矿井灾害的目标,在矿区规划、建设和生产等主要阶段,解耦灾元,降低耦合程度,最终消除矿井灾害,进而提高矿井生产安全性。

附图说明

图1为本发明的多灾元耦合模型;

附图说明:顶-顶板冒落;瓦-瓦斯爆炸(燃烧);突-煤与瓦斯突出;透-透(突)水事故;燃-煤层自燃发火;冲-冲击地压(强矿压);热-矿井热害。

图2为本发明的不同灾元间耦合层级与顺序;

图3为本发明的多灾元解耦模型;

图4为本发明的多灾元解耦方法。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述,在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。

本实施例的一种多灾元耦合难采煤层解耦开采方法,包括以下步骤:

步骤一、针对具体矿井分析,根据其地质资料和历史事故发生率,确定该矿井的整体灾害类型,所述灾种类型包括复杂难采煤层类型及灾元类型,本实施例中,杂难采煤层类型具体包括:急倾斜煤层、大倾角煤层、薄煤层、不稳定煤层、急倾斜薄煤层、急倾斜不稳定煤层、大倾角薄煤层、大倾角不稳定煤层、薄及不稳定煤层,灾元类型具体包括:顶板冒落、瓦斯爆炸(燃烧)、煤与瓦斯突出、透(突)水事故、煤层自燃发火、冲击地压(强矿压)、矿井热害;然后构建以开采为核心的多元灾害耦合模型,如图1所示,需要说明的是,图1中的顶即代表顶板冒落;瓦即代表瓦斯爆炸(燃烧);突即代表煤与瓦斯突出;透即代表透(突)水事故;燃即代表煤层自燃发火;冲即代表冲击地压(强矿压);热即代表矿井热害。

步骤二、用危险性指数H表征该矿井的各灾元及其灾害指标的危险性,并确定该矿井的各灾元的危险性指数与危险性等级的对应关系表:

并采用指标权重法计算该矿井的各灾元的初始危险性指数,指标权重法计算公式:式中:m为灾元总数,灾元用i标记,i=1,2,...,m;n为灾害i的指标个数,指标用j标记,j=1,2,...,n;wij为第j个指标对应的权重,Hij为第j个指标对应的危险性大小,并依据该矿井的各灾元的危险性指数与危险性等级的对应关系表来确定该矿井的各灾元的初始危险性等级。

步骤三、当该矿井的各灾元之间存在触发关系时,如图1中,如顶板冒落、瓦斯爆炸(燃烧)、煤与瓦斯突出、透(突)水事故、煤层自燃发火、冲击地压(强矿压)、矿井热害中任意两灾元的组合产生的双因素耦合风险,其中任一灾元可作为主导灾元;顶板冒落、瓦斯爆炸(燃烧)、煤与瓦斯突出、透(突)水事故、煤层自燃发火、冲击地压(强矿压)、矿井热害中三种以上灾元的组合产生的多因素耦合风险,其中任一灾元可作为主导灾元;表明触发灾元的初始危险性指数Hi不能完全反映其危险性,需要依据触发关系进行调整,引入变量ΔHi来表征初始危险性指数的改变量,由此建立基于触发关系的空间耦合规则:

根据该规则得到修正的危险指数Hi′,即:Hi'=Hi+ΔHi,当Hi′>5时认为其危险等级为非常高,然后根据基础数据的可提供性、相关文献及专家经验对这多种灾元选取指标并分级,指标权重则依据专家判断由层次分析法确定,最终完成对触发灾元的初始危险性等级的确定。

步骤四、采取抽样统计分析法,对该矿井某一时间段发生的所有灾害事故进行统计分类,对触发关系的灾元进行识别和统计,并绘制灾害之间的触发关系统计表:

表中,1表示存在触发关系,0表示不存在;之后,计算各灾元的危险性指数或修正危险性指数,同时以饼图形式呈现出单一灾元致灾和多灾元致灾的比例,并将各自所占比例视为致灾贡献度。

步骤五、根据步骤四并结合对不同灾元致灾贡献度的分析,明确灾害事故中的主导灾元、其它致灾因素排序、不同灾元间耦合层级与顺序,如图2所示;然后建立多灾元解耦模型,如图3所示。

步骤六、基于步骤五的分析结果,针对具体的灾元类型采取相应的减灾措施,进行解耦并达到降低或消除灾元的目的。

步骤七、减灾措施实施后,在该矿井后期生产过程中,选取同样时长的时间段,统计该矿在此时间段内的灾害事故,再次计算各灾元的危险性指数,并以饼图形成呈现不同灾元致灾所占比例,将诸灾元致灾比例的减少量视为各减灾措施的贡献度,综合评价解耦效果。

步骤八、基于步骤一至八,循环实施解耦减灾措施,消除矿井灾害,最终确定多灾元耦合难采煤层整体和局部解耦顺序,提出解耦方法,如图4所示。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制,凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形,均落入本发明的保护范围之内。

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