一种煤与瓦斯突出矿井防突技术措施的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于矿井瓦斯防治领域，特别是设及一种煤与瓦斯突出矿井防突技术措施 的优化方法。 技术背景
[0002] 矿井瓦斯是煤矿井下有害气体的总称，一般专指甲烧(C也），主要存在于煤层与围 岩内，具有可燃、可爆、窒息和有毒等性质。在煤炭资源开采过程中，发生的瓦斯事故有瓦斯 爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧和瓦斯窒息四种类型。
[0003] 对于煤与瓦斯突出矿井，为了使煤层瓦斯压力和瓦斯含量降低到满足我国《煤与 瓦斯突出防治规定》中的煤层瓦斯压力<〇.74MPa、瓦斯含量<8mVt的要求，矿井往往采用 保护层开采和瓦斯抽采的方法预先对开采煤层进行卸压消突处理，待效果检验和区域验证 满足《煤与瓦斯突出防治规定》之要求时，方可进行采掘活动。
[0004] 基于工艺及时空条件不同而呈现多种类型的防突技术措施，现代化突出矿井的防 突技术措施，往往是两种或两种W上的瓦斯预抽方法的不同组合。矿井现场的瓦斯抽采技 术措施的选取，往往是技术人员首先初步拟定几个方案，然后交由矿总工程师审批，但究竟 哪个方案最优，凭总工程师或少数几人的智慧难W做出精准判断。对一个瓦斯抽采方案的 优劣如何，由于其评价方法很多，尤其是评价指标中的不同数量与不同量纲上悬殊较大时， 容易造成评价结果的不科学性。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种评价结果科学性强的煤与瓦斯突出矿井 防突技术措施的优化方法，它能够获取适宜矿井工况的防突技术措施，能降低瓦斯治理成 本，减少钻孔工程量，缩短钻孔施工时间。
[0006] 本发明采用的技术方案是：一种煤与瓦斯突出矿井防突技术措施的优化方法，具 体步骤如下：
[0007] 1)根据煤矿现场情况，拟定多种防突技术措施；
[000引2)确定每种防突技术措施下的聚类评价指标的值，构建聚类评价指标矩阵；同一 防突技术措施下的聚类评价指标的值位于矩阵的同一行内；不同防突技术措施下的同一聚 类评价指标的值位于矩阵的同一列内；聚类评价指标矩阵为:A=(xu);其中：i是多种防突 技术措施的序号;j是聚类评价指标的序号；
[0009] 3)将步骤1)中拟定的防突技术措施划分为多个等级;并确定每种防突技术措施中 的每个聚类评价指标在不同等级下的白化权函数其中：k是多个等级的序号；
[0010] 4)确定每个聚类评价指标的权重系数Sj;
[0011] 5)由公式
求取第i种防突技术措施在第k 等级下的指标定权聚类系数，建立定权聚类系数矩阵：
其中:m为聚类评 价指标的总个数，η为等级的种类总数，r为防突技术措施的种类总数；
[0012] 6)找出定权聚类系数矩阵中最大的数值，其对应的防突技术措施为最优技术方 案。
[0013] 上述的煤与瓦斯突出矿井防突技术措施的优化方法中，步骤2)中的聚类评价指标 包括施工抽放钻孔工程量、钻孔施工时间、防突资金投入、瓦斯治理成本和防治次生灾害。
[0014] 上述的煤与瓦斯突出矿井防突技术措施的优化方法中，步骤3)中将防突技术措施 划分为Ξ个等级。
[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0016] 本发明通过灰色理论中的定权法则，对初步拟定的防突措施作为聚类对象，取钻 孔工程量(m)、施工时间（天）、资金总投入(万元）、瓦斯治理成本(元Λ)和次生灾害作为聚 类评价指标;按好、较好、差3类对初步拟定方案进行灰色聚类分析，选取适宜矿井工况的最 优防突措施，本发明降低了瓦斯治理成本，减少了瓦斯治理过程中钻孔工程量，缩短了钻孔 施工时间；为提高煤层瓦斯抽采量和矿井瓦斯的综合治理奠定基础。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的防突技术措施I的布置结构主视图。
[001引图2是图1中A-A剖视图。
[0019] 图3是本发明的防突技术措施Π 的布置结构示意图。
[0020] 图4是图3中B-B剖视图。
[0021] 图5是本发明的防突技术措施虹的布置结构示意图。
[0022] 图6是图5中C-C剖视图。
[0023] 图7是本发明的防突技术措施IV的布置结构示意图。
[0024] 图8是图7中D-D剖视图。
[0025] 图9是图7中I的局部放大示意图
[0026] 图中：101底板岩石集中巷；102-钻场；103-煤层；104-运输平巷；105-回风平 巷；106-切眼；107-穿层钻孔；201-顺层钻孔；202-充分卸压区；203-未充分卸压区； 301-高位钻场;302-高位钻孔;401-采空区半密闭埋管，402-密闭墙，403-埋管口组件。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0028] 针对图1-8中的煤矿结构，拟定四种防突技术措施：
[0029] 如图1、2所示，防突技术措施I的实现方式：即在煤层底板岩石集中巷101内，每隔 一定距离（50m~80m)施工一个钻场102,在钻场102内内向煤层103施工若干网格式的上向 穿层钻孔107,穿层钻孔107普及至全采区的所有区域，然后联网预抽区域内煤层瓦斯。
[0030] 如图3、4所示，防突技术措施Π 的实现方式:在煤层103的底板岩石集中巷101内， 每隔一定距离(50m~80m)施工一个钻场102,在钻场102内向煤层103的运输平巷104、回风 平巷105和切眼106的条带范围内施工穿层钻孔107后联网，进行预抽条带范围内的瓦斯。待 运输平巷104、回风平巷105和切眼106的条带范围及其周围一定范围内的煤体危险性消除 后，即满足《防治煤与瓦斯突出规定》的区域效果检验与区域验证要求后，则可W通过联络 巷道进入煤层中，施工煤层运输平巷104、回风平巷105和切眼106,同时，在回风平巷105侧 或运输平巷104侧同时沿煤层103施工顺层钻孔201。对区域内未充分卸压区203,通过顺层 钻孔与瓦斯抽采管网连接，预抽未卸压区域内煤层103的瓦斯。
[0031] 如图5、6所示，防突技术措施虹的实现方式:在防突技术措施Π 的基础上，增加在 开采煤层103的顶板上施工一个高位钻场301，在高位钻场301内向采空区303的裂隙带施工 高位钻孔302，抽采来自邻近煤层或采空区遗留煤层释放瓦斯。
[0032] 如图7、8所示，防突技术措施IV的实现方式:在防突技术措施虹的基础上，在采空 区增加采空区半密闭埋管401对瓦斯抽采，即通过在工作面106的回风平巷105布设的抽采 管路末端设一弯管，使抽采管口抬高至回风平巷105顶部，并设木煤和密闭墙402对其埋管 保护。接替管安装长度大于10m，并在工作面的后部抽采管上每隔50m安装一组Ξ通、控制阀 口及埋管口组件403,在工作面推进过程中，将采空区半密闭埋管401的埋管口保留在工作 面的采空区303,通过抽采系统对采空区303内的瓦斯进行抽采。当工作面推进至下一个埋 管口 Ξ通处，埋管口已经埋在采空区内3~5m，将埋在采空区里的前一埋管段控制阀口关 闭，打开下一个循环的埋管口阀口，W此达到利用埋管不断抽采采空区瓦斯的目的。
[0033] 针对上述4种防突技术措施，从钻孔工程量、施工所需时间、资金总投入、瓦斯治理 成本和防治次生灾害方面对其进行比较研究，根据每个聚类对象关于各聚类指标的观测值 xij，构建聚类评价指标矩阵A，同一防突技术措施下的聚类评价指标的值位于聚类评价指标 矩阵A的同一行内；不同防突技术措施下的同一聚类评价指标的值位于聚类评价指标矩阵A 的同一列内。
[0034]
[0035] 聚类评价指标W及白化数的确定:在灰色聚类中，聚类对象(防突技术措施Ι、Π 、 ιπ、ιν)称为样本，聚类因子称为指标。确定施工抽采钻孔工程量、钻孔施工时间、防突资金 投入、瓦斯治理成本和防治次生灾害为聚类评价指标。
[0036] 灰类划分:对初步拟定的四种防突技术措施划分好、较好、差Ξ个等级，通过对j个 指标的等级判定，获得j个评价指标k等级下的白化权函数列表记录;用/:1(?)表示第i个样 本第j个指标在第k等级下的白化权函数(i = l，2,3,4;j = l，2,3,4,5;k=l，2,3)。
[0037] 分别对5个聚类评价指标(钻孔工程量、施工时间、资金投入、瓦斯治理成本及防治 次生灾害)给定权重系数：
[003引 δι = βι,δ2 = β2，δ3 = β3，δ4 = ^,δ5 = ^。
[0039]由公式；
>(i = l，2,3,4;k=l，2,3)分别求取第i种防突技术措施 在第k等级下的指标定权聚类系数，可w计算出：
[0040]
[0041] 综合W上结果，建立其灰色定权聚类系数矩阵Σ为：
[0042]
[0043] 方案优化结果分析:根据灰色定权聚类系数矩阵，找出矩阵中最大的系数，确定其 所在的行与列。
[0044] 如若：
[0045] max (〇./ ]二打，:，
[0046] 即如果在系数矩阵中的数值C诗为最大时，则表明所述的4种防突技术措施中，防突 技术措施Π 为综合效果最优的技术方案，故建议优先采用拟定的防突技术措施Π 。
【主权项】
1. 一种煤与瓦斯突出矿井防突技术措施的优化方法，具体步骤如下： 1) 根据煤矿现场情况，拟定多种防突技术措施； 2) 确定每种防突技术措施下的聚类评价指标的值，构建聚类评价指标矩阵；同一防突 技术措施下的聚类评价指标的值位于矩阵的同一行内；不同防突技术措施下的同一聚类评 价指标的值位于矩阵的同一列内；聚类评价指标矩阵为:A=(xu);其中：i是多种防突技术 措施的序号;j是聚类评价指标的序号； 3) 将步骤1)中拟定的防突技术措施划分为多个等级;并确定每种防突技术措施中的每 个聚类评价指标在不同等级下的白化权函数：，其中：k是多个等级的序号； 4) 确定每个聚类评价指标的权重系数Sj; 5) 由公式U=l，2、…"；求取第i种防突技术措施在第k等级 下的指标定权聚类系数，建立定权聚类系数矩阵：，其中:m为聚类评价指 标的总个数，η为等级的种类总数，r为防突技术措施的种类总数； 6) 找出定权聚类系数矩阵中最大的数值，其对应的防突技术措施为最优技术方案。2. 根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出矿井防突技术措施的优化方法，步骤2)中的聚 类评价指标包括施工抽放钻孔工程量、钻孔施工时间、防突资金投入、瓦斯治理成本和防治 次生灾害。3. 根据权利要求1所述的煤与瓦斯突出矿井防突技术措施的优化方法，步骤3)中将防 突技术措施划分为Ξ个等级。
【专利摘要】本发明公开了一种煤与瓦斯突出矿井防突技术措施的优化方法，具体步骤如下：1）根据煤矿现场情况，拟定多种防突技术措施；2）确定每种防突技术措施下的聚类评价指标的值；构建聚类评价指标矩阵；3）将步骤1）中拟定的防突技术措施划分为多个等级；并确定每个技术方案中的每个聚类评价指标在不同等级下的白化权函数；4）确定每个聚类评价指标的权重系数；5）求取指标定权聚类系数，建立定权聚类系数矩阵；6)找出定权聚类系数矩阵中最大的系数，其对应的防突技术措施为最优技术方案。本发明能获取适宜矿井的最优防突技术措施，它降低了瓦斯治理成本，减少钻孔工程量，缩短钻孔施工时间；为提高煤层瓦斯抽采量和矿井瓦斯的综合治理奠定基础。
【IPC分类】E21F7/00
【公开号】CN105569724
【申请号】CN201510920080
【发明人】罗文柯, 游波, 张慧, 凤雯
【申请人】湖南科技大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月11日