CN109026001B - 一种提高顶煤放出率的放煤工艺及参数调整方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高顶煤放出率的放煤工艺及参数调整方法和装置，放煤工艺包括如下步骤：S1:第二岩梁结构的初次来压步距L0；S2:在顺槽中距工作面切眼1/2L0、2/3L0、和L0的位置向工作面前方的煤壁布置至穿过第二岩梁的顶梁***钻孔；S3:根据周期垮落步距在两个顺槽位置布置循环***钻孔；S4:顶梁***钻孔及循环***钻孔依次***后，进行回采工作；放煤工艺参数调整方法和装置通过设置多个传感器来监测顶煤放出情况，计算局部的顶煤放出率，然后实时调整放煤工艺参数，从而来提高整体的顶煤放出率。本发明针对顶板坚硬、煤层中含有坚硬的夹矸或煤体韧性较大的煤矿，提高矿山压力，使顶煤充分破碎，切实解决放煤率低的难题，保证煤矿安全高效开采。
Description
技术领域
本发明涉及一种放煤工艺，具体涉及一种提高顶煤放出率的放煤工艺及参数调整方法和装置，属于煤矿开采技术领域。
背景技术
某地区已成为我国主要能源基地，其煤层厚度一般较大，普遍采用放顶煤技术来提高生产效率。但是当顶板坚硬、煤层中含有坚硬的夹矸或煤体韧性较大时，顶煤难以放出，造成煤炭的采出率较低，有的煤矿甚至煤炭采出率不足50％，资源被严重浪费。不仅如此，遗留在采空区的顶煤会造成瓦斯涌出量增大、采空区自燃等隐患，不利于工作面的安全高效开采。
造成上述问题的根本原因是矿山压力较小，对硬度较大、裂隙不发育且含有较硬夹矸层的顶煤破碎不充分，造成顶煤块度较大，难以放出，同时顶煤垮落角较小，部分上位顶煤会直接冒落到采空区，难以回收。现有技术普遍采用***的方式进行顶煤预裂，然后再利用矿山压力将顶煤压碎，这种方式在煤体韧性不大的条件下取得了较好的放煤效果，但其用药量较大，造成煤矿经常因***短缺而耽误生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高顶煤放出率的放煤工艺及参数调整方法和装置，针对顶板坚硬、煤层中含有坚硬的夹矸或煤体韧性较大的煤矿，提高矿山压力，使顶煤充分破碎，切实解决放煤率低的难题，保证煤矿安全高效开采。
为实现上述目的，本发明采用的一种提高顶煤放出率的放煤工艺，包括如下步骤：
S1:通过计算得到顶板第二岩梁结构的初次周期来压步距L0；
S2:在顺槽中距工作面切眼1/2L0、2/3L0、和L0的位置向工作面前方的煤壁布置至穿过第二岩梁的顶梁***钻孔；
S3:根据周期垮落步距在两个顺槽位置布置循环***钻孔，该循环***钻孔穿过第二岩梁；其中，最长钻孔的控制距离在水平面投影上至少大于工作面长度的1/3；循环***钻孔按照表1中的参数进行布置:
表1循环***钻孔参数表
S4:顶梁***钻孔及循环***钻孔依次***后，进行回采工作；回采工作包括如下步骤：a、采煤机自工作面邻近材料顺槽的端头向邻近运输顺槽的端头运行时，进行割煤作业，返回时不割煤；b、割煤时不放煤，割完一刀煤后，进行放煤作业；在该过程中，单个放煤不少于1分钟，两个及以上的支架要协同放煤。
进一步的，步骤S2中，顶梁***钻孔至少包括分别与水平方向夹角为30°、40°、50°和60°的四个钻孔。
一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整方法，包括如下步骤：
A1:通过红外感应装置，用于监测工作面上方的顶煤块度分布情况；
A2:后刮板输送机上安装多个电子称重装置，用于测量放煤重量，并实时计算顶煤放出率；
A3:支架应力传感器测量出工作面内支架所受应力；
A4:支架位姿动态监测器用于监测支架的位置状态；
A5:根据支持向量机算法，综合顶煤放出率、支架的位置及所受应力及时发现放煤率低的位置，从而通知放煤工调整放煤工艺参数。
一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整装置，包括：多个用于监测顶煤块度分布的红外感应装置、多个用于称量后刮板输送机上煤炭重量的电子称重装置、用于监测支架位置及姿态的支架位姿动态监测器、用于监测支架所受压力的支架压力传感器、工艺参数调整器；工艺参数调整器中包括有存储器、LS-SVM服务器、显示器；
所述红外感应装置安装在工作面上的后刮板输送机上方，除了端头液压支架外、其余液压支架上均安装有所述支架位姿动态监测器及所述支架压力传感器；
所述红外感应装置监测顶煤中的块度分布情况、并将结果输入至所述工艺参数调整器；所述电子称重装置测量出单位时间内放出的煤炭重量、并将结果输入至所述工艺参数调整器；所述支架位姿动态监测器监测每个液压支架的位置及姿态、并将结果输入至所述工艺参数调整器；所述支架压力传感器监测每个液压支架所受的压力、并将结果输入至所述工艺参数调整器；工艺参数调整器收到各项数据，并存储至存储器，LS-SVM服务器进行数据处理并寻找到顶煤放出率最大的工艺参数，然后将工艺参数反应至所述显示器上。
进一步的，所述电子称重装置设置在后刮板输送机的下方，并沿着后刮板输送机方向均匀布置。
进一步的，所述红外感应装置与所述电子称重装置数量相等，且一一对应；每个红外感应装置均设置在邻近与其对应的电子称重装置的液压支架上。
进一步的，所述电子称重装置为电子秤。
本发明解决了坚硬顶板、含坚硬夹矸或煤体韧性较高条件下顶煤放出率低的难题，与现有技术相比：
本发明针对顶煤***，相较于全面***而言，极大减少了***用量，用量不到全面***用药了的1/20；
本发明有效缓解了瓦斯涌出量和自然发火给工作面安全生产带来的不稳定因素；
本发明明显减少劳动工程量，同时环节工作面人员调配上的紧张；优化了工作面上的资源调配，以提高顶煤放出率、减少了采放成本；
本发明操作流程相对简单，提高了整套***的可靠性。
附图说明
图1是本发明一种提高顶煤放出率的放煤工艺的示意图；
图2是图1中A-A向示意图；
图3是图1中B-B向示意图；
图4是本发明一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整装置的示意图；
图5是本发明一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整装置中，工艺参数调整器工作原理图；
图6是LS-SVM服务器具体运行流程图；
图中：
1.工作面；
2.煤体，21.第一岩梁，22.第二岩梁；
31.运输顺槽，32.轨道顺槽；
4.顶梁***钻孔，41.一号顶梁***钻孔，42.二号顶梁***钻孔，43.三号顶梁***钻孔，44.四号顶梁***钻孔；
5.循环***钻孔；
61.红外感应装置，62.工艺参数调整器，63.称重装置，64.支架压力传感器，65.支架位姿动态监测器；
71.液压支架，72.后刮板输送机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
对于坚硬顶板、含坚硬夹矸或煤体2韧性较高条件下煤矿，在工作面1向前推进时，顶板上方的岩层难以破断，从而影响了顶煤放出率；而厚且硬的岩层对顶煤破碎机放出效率影响尤其大，为方便表述，如图2或图3，将顶板上方厚且硬的第一个岩层成为第一岩梁21，第二个岩层成为第二岩梁22，依次类推；经过试验研究发现，第二岩梁22能够呈现周期性破断，对工作面1周期来压以及顶煤的放出影响较大。
如图1至图3所示，一种提高顶煤放出率的放煤工艺，包括如下步骤：
S1:通过计算得到顶板第二岩梁22结构的初次周期来压步距L0；
S2:分别在运输顺槽31和轨道顺槽32中，距工作面1切眼1/2L0、2/3L0、和L0的位置向工作面1前方的煤壁布置至穿过第二岩梁22的顶梁***钻孔4，如图1及图2，每组顶梁***钻孔4至少包括分别与水平方向夹角为30°的一号顶梁***钻孔41、40°的二号顶梁***钻孔42、50°的三号顶梁***钻孔43、60°的四号顶梁***钻孔44；每组顶梁***钻孔4保持在同一平面上，其数量可以根据具体情况来增加；
S3:根据周期垮落步距在两个顺槽位置布置循环***钻孔5，该循环***钻孔5穿过第二岩梁22；其中，最长钻孔的控制距离在水平面投影上至少大于工作面1长度的1/3；由此，能够保证***冲击波贯穿工作面1前方的煤体2，即轨道顺槽32和运输顺槽31上的***钻孔***后，产生的裂隙能够贯穿两个顺槽之间的煤体2；每组循环***钻孔5包括自运输顺槽31中向工作面1前方的煤体2中打的1#、2#、3#、4#、5#、6#钻孔，以及自轨道顺槽32中向工作面1前方的煤体2中打的7#、8#、9#、10#、11#；循环***钻孔5按照表1中的参数进行布置:
表1循环***钻孔参数表
S4:顶梁***钻孔4及循环***钻孔5依次***后，进行回采工作；回采工作包括如下步骤：a、采煤机自工作面1邻近材料顺槽的端头向邻近运输顺槽31的端头运行时，进行割煤作业，返回时不割煤；b、割煤时不放煤，割完一刀煤后，进行放煤作业；在该过程中，单个放煤不少于1分钟，两个及以上的支架要协同放煤。
通过上述方法，能够将第二岩梁22有效破断碎裂，并使其下部岩层及顶煤碎裂，第二岩梁22破断后，上覆岩层重力传递给其下部的岩梁和顶煤，顶煤收到压力增加，破碎程度加剧，从而能够充分利用***产生的能量，相较于全面***而言，极大减少了***用量，用量不到全面***用药了的1/20。
为了再度提高顶煤的放出率，还需要放煤工艺的配合，因此，在上述步骤S4中的放煤工序中，动态调整放煤工艺的参数，最大限度提高顶煤放出率，为此，本发明提出的一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整方法，包括如下步骤：
A1:通过红外感应装置61，用于监测工作面1上方的顶煤块度分布情况；红外感应装置61通过成像来分析顶煤块度分布情况；
A2:后刮板输送机72上安装多个电子称重装置63，用于测量放煤重量，并实时计算顶煤放出率；顶煤的厚度、容重等参数已知，单个电子称重装置63邻近区域的液压支架71数量及顶部面积已知，因此上方的顶煤总重可以求出；该区域内的液压支架71上方的顶煤可以通过与电子称重装置63对应的液压支架71放出，并由电子称重装置63称量出放出煤炭的质量；由此来求出该区域内的顶煤放出率；
A3:支架应力传感器测量出工作面1内支架所受应力；
A4:支架位姿动态监测器65用于监测支架的位置状态；
A5:根据支持向量机算法，综合顶煤放出率、支架的位置及所受应力及时发现放煤率低的位置，从而通知放煤工调整放煤工艺参数。
一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整装置，如图4，设置在工作面1中，包括：多个用于监测顶煤块度分布的红外感应装置61、多个用于称量后刮板输送机72上煤炭重量的电子称重装置63、用于监测支架位置及姿态的支架位姿动态监测器65、用于监测支架所受压力的支架压力传感器64、工艺参数调整器62；工艺参数调整器62中包括有存储器、LS-SVM服务器、显示器；
红外感应装置61安装在工作面1上的后刮板输送机72上方，除了端头液压支架71外、其余液压支架71上均安装有支架位姿动态监测器65及支架压力传感器64；
红外感应装置61监测顶煤中的块度分布情况、并将结果输入至工艺参数调整器62；
电子称重装置63测量出单位时间内放出的煤炭重量、并将结果输入至工艺参数调整器62；工艺参数调整器62也可以要用于测量放煤重量，并实时计算顶煤放出率；顶煤的厚度、容重等参数已知，单个电子称重装置63邻近区域的液压支架71数量及顶部面积已知，因此上方的顶煤总重可以求出；该区域内的液压支架71上方的顶煤可以通过与电子称重装置63对应的液压支架71放出，并由电子秤称量出放出煤炭的质量；由此来求出该区域内的顶煤放出率；
支架位姿动态监测器65监测每个液压支架71的位置及姿态、并将结果输入至工艺参数调整器62；即将每个支架是否处于放煤的状态以及其位置信息反应给工艺参数调整器62；
支架压力传感器64监测每个液压支架71所受的压力、并将结果输入至工艺参数调整器62；
如图5所示，工艺参数调整器62收到各项数据，并存储至存储器，LS-SVM服务器进行数据处理并寻找到顶煤放出率最大的工艺参数，然后将工艺参数反应至显示器上，处理的中间数据可以存储在存储器上，从而使工人根据结果来调整各项工艺参数。
LS-SVM服务器具体运行流程如图6所示，首先向工艺参数调整器62中，预先植入历史数据，通过数据预处理之后，对支持向量机进行训练学习，通过历史数据的训练学习，支持向量机能够提供最佳的工艺参数；当感应装置中的实时数据进入存储器之后，通过数据预处理之后，支持向量机对数据进行处理分析，最终得出一个最佳的工艺参数，工人可以根据提供的工艺参数对采煤工作进行实时调整；该数据最终返回到支持向量机的训练学习数据中进一步提高其提供数据的可靠性，当提供的工艺参数存在错误的情况下进行人工干预进行修正。
工艺参数调整器62中的LS-SVM服务器模块具体运行算法如下：
设采集频率为10Hz,即每秒10个样本，每个样本包括块度、放出率、支架压力和支架位置四个参数，一次数据采集时间为1h，将一个小时采集的所有样本(包含参数)输入LS-SVM服务器模块，LS-SVM服务器模块的核心原理为放顶煤工艺参数的支持向量机模型。要求对所有样本正确分类，建立放顶煤工艺参数的支持向量机模型。要求分类面对所有样本正确分类，满足
yi[(ω·xi)]≥1,i＝1,2,3,4
式中：(xi,yi)为样本，l为训练样本总数，ω为参数向量。
将求最优分类超平面问题可以转化为下面带约束条件的优化问题进行求解
式中：b为可运算常数。
根据产量最优结果，利用拉格朗日函数，转化形式得到：
式中：C(C>0)用于控制对错分样本的惩罚程度，αiαj为变换后的参数。
对于复杂煤层的开采工艺参数，再结合布谷鸟算法，对其进行自适应调整策略：
step＝stepmin+(stepmax-stepmin)di
式中：stepmax、stepmin表示最大和最小步长；nbest表示当前鸟巢位置的最佳状态；ni表示第i个鸟巢位置；dmax表示最优位置与其他鸟巢间的最大距离。
工艺参数调整器62输出参数为优化后的样本参数，包括块度分布情况、放出率、支架压力和支架位置，对比原始参数和目标参数的差异，参数调整器输出相应的最优放煤工艺参数，即哪一个支架应该放煤、应放煤多长时间，才能使该处的顶煤放出率最大，以及根据顶煤块度分布情况，将液压支架71移动至哪个位置或支架放煤保持何种姿态时，顶煤放出率最大；然后将结果显示在显示器上。
如图4所示，作为进一步的方案，电子称重装置63设置在后刮板输送机72的下方，从而不会干扰后刮板输送机72的正常运行；电子称重装置63沿着后刮板输送机72方向均匀布置，从而可以准确测出整个工作面1的情况。
如图4所示，进一步的，红外感应装置61与电子称重装置63数量相等，且一一对应；每个红外感应装置61均设置在邻近与其对应的电子称重装置63的液压支架71上。红外感应装置61监测其监测区域内顶煤块度分布情况，而电子称重装置63可以求出该区域内的顶煤放出率，两者可以监测同一区域，以使数据可靠。
进一步的，电子称重装置63为电子秤。
本发明解决了坚硬顶板、含坚硬夹矸和煤体韧性较高条件下顶煤放出率低的难题，与现有技术相比：本发明针对顶煤***，相较于全面***而言，极大减少了***用量，用量不到全面***用药了的1/20；本发明有效缓解了瓦斯涌出量和自然发火给工作面安全生产带来的不稳定因素；本发明明显减少劳动工程量，同时环节工作面人员调配上的紧张；优化了工作面上的资源调配，以提高顶煤放出率、减少了采放成本；本发明操作流程相对简单，提高了整套***的可靠性。
Claims (7)
1.一种提高顶煤放出率的放煤工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1:通过计算得到顶板第二岩梁（22）结构的初次来压步距L0；
S2:在顺槽中距工作面（1）切眼1/2 L0、2/3 L0、和L0的位置向工作面（1）前方的煤壁布置至穿过顶板第二岩梁的顶梁***钻孔（4）；
S3:根据周期垮落步距在两个顺槽位置布置循环***钻孔（5），该循环***钻孔（5）穿过顶板第二岩梁；其中，最长钻孔的控制距离在水平面投影上至少大于工作面（1）长度的1/3；
S4: 顶梁***钻孔（4）及循环***钻孔（5）依次***后，进行回采工作；回采工作包括如下步骤：a、采煤机自工作面（1）邻近材料顺槽的端头向邻近运输顺槽（31）的端头运行时，进行割煤作业，返回时不割煤；b、割煤时不放煤，割完一刀煤后，进行放煤作业。
2.根据权利要求1所述的一种提高顶煤放出率的放煤工艺，其特征在于，步骤S2中，顶梁***钻孔（4）至少包括分别与水平方向夹角为30°、40°、50°和60°的四个钻孔。
3.一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
A1:通过红外感应装置（61），监测工作面（1）上方的顶煤块度分布情况；
A2:后刮板输送机（72）上安装多个电子称重装置（63），用于测量放煤重量，并实时计算顶煤放出率；
A3:支架应力传感器测量出工作面（1）内支架所受应力；
A4:支架位姿动态监测器（65）用于监测支架的位置状态；
A5:根据支持向量机算法，综合顶煤放出率、支架的位置及所受应力及时发现放煤率低的位置，从而通知放煤工调整放煤工艺参数。
4.一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整装置，其特征在于，包括：多个用于监测顶煤块度分布的红外感应装置（61）、多个用于称量后刮板输送机（72）上煤炭重量的电子称重装置（63）、用于监测支架位置及姿态的支架位姿动态监测器（65）、用于监测支架所受压力的支架压力传感器（64）、工艺参数调整器（62）；工艺参数调整器（62）中包括有存储器、LS-SVM服务器、显示器；
所述红外感应装置（61）安装在工作面（1）上的后刮板输送机（72）上方，除了端头液压支架（71）外、其余液压支架（71）上均安装有所述支架位姿动态监测器（65）及所述支架压力传感器（64）；
所述红外感应装置（61）监测顶煤中的块度分布情况、并将结果输入至所述工艺参数调整器（62）；所述电子称重装置（63）测量出单位时间内放出的煤炭重量、并将结果输入至所述工艺参数调整器（62）；所述支架位姿动态监测器（65）监测每个液压支架（71）的位置及姿态、并将结果输入至所述工艺参数调整器（62）；所述支架压力传感器（64）监测每个液压支架（71）所受的压力、并将结果输入至所述工艺参数调整器（62）；工艺参数调整器（62）收到各项数据，并存储至存储器，LS-SVM服务器进行数据处理并寻找到顶煤放出率最大的工艺参数，然后将工艺参数反应至所述显示器上。
5.根据权利要求4所述的一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整装置，其特征在于，所述电子称重装置（63）设置在后刮板输送机（72）的下方，并沿着后刮板输送机（72）方向均匀布置。
6.根据权利要求5所述的一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整装置，其特征在于，所述红外感应装置（61）与所述电子称重装置（63）数量相等，且一一对应；每个红外感应装置（61）均设置在邻近与其对应的电子称重装置（63）的液压支架（71）上。
7.根据权利要求6所述的一种提高顶煤放出率的放煤工艺的参数调整装置，其特征在于，所述电子称重装置（63）为电子秤。
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