一种建立综掘工作面煤与瓦斯协调开采技术优化模型的方法

1.本发明属于煤矿开采的技术领域，尤其涉及一种建立综掘工作面煤与瓦斯协调开采技术优化模型的方法。


背景技术：

2.如何增加煤层的透气性，如何将瓦斯在煤层开采前预抽出来是突破传统理论的关键点，是煤与瓦斯共采技术应用所在。煤体是双重介质，具有裂隙，在初始地应力作用下煤体内部的原生裂隙处于压实状态，要安全开采煤炭资源，必须找到煤体卸压将压力释放，提高煤层透气性的方法。于是，提出先抽采煤层内的瓦斯以保证安全开采的环境，再开采煤炭资源的煤与瓦斯共采的方式，把传统的以“风排”瓦斯为主的方式变为以“抽采”为主的方式，进而发展以高效“抽采”瓦斯的新理念。
3.煤与瓦斯协调开采包含着煤炭掘进与瓦斯抽采两个子系统。二者之间关系十分复杂，包括掘进速度与瓦斯涌出关系，掘进煤量与瓦斯抽排采量，通风能力与掘进速度关系，等等宏观变量之间的相互影响。还包括部分物理力学性质。在矿井的实际掘进过程中，煤炭掘进与瓦斯抽采显现相互干扰又相互促进的特征，呈现出一种矛盾的协同体状态。瓦斯涌出量与掘进速度相关，提高掘进速度，瓦斯涌出量增加，降低掘进速度，瓦斯涌出量降低，呈一定的正相关关系。当掘进速度过快且抽采能力不足时，回风流中的瓦斯浓度必定超限。瓦斯涌出通过抽采和风排解决。结合《煤矿安全规程》相关规定中回风流中瓦斯浓度上限，瓦斯涌出量受到限制，瓦斯涌出量的上限受通风能力限制，因此煤炭掘进速度受风排瓦斯量影响。同时，瓦斯运移也会受煤炭掘进的影响。掘进煤量与掘进速度相关，与瓦斯涌出量也呈正相关关系。综掘工作面推进过快，煤层内瓦斯涌出量较多，使得停止掘进整顿瓦斯，制约了掘进进度，影响采掘衔接；推进速度过慢，瓦斯涌出量少，但过慢的回采速度会降低生产效率，最终影响矿井经济效益。这也使得需协调好综掘工作面煤炭掘进进度和瓦斯抽采量之间的工序衔接与时间、空间上的分配，使资源回收合理，二者协调开采最优。
4.现有技术的技术方案中，建立一个综掘工作面煤与瓦斯协调开采技术优化模型，确定最优的掘进速度与瓦斯抽排采量，使二者之间从无序到协调，达到综掘工作面煤与瓦斯协调开采收益最大化。
5.其缺点在于：煤炭开采与瓦斯抽采协调不充分，工作面开采成本高，资源回收利用不合理，缺少一套完整的具有针对性、科学性、有效性、切可实行的用来指导煤炭企业合理科学地开采煤与瓦斯资源开发的技术。


技术实现要素：

6.基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种建立综掘工作面煤与瓦斯协调开采技术优化模型的方法，求解得到最优的掘进速度与瓦斯抽排采量，使综掘工作面煤炭开采和瓦斯抽采二者之间从无序到协调，达到协调开采收益最大化。
7.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：
8.本发明提供的建立综掘工作面煤与瓦斯协调开采技术优化模型的方法，包括以下步骤：
9.s1：设定煤与瓦斯协调开采技术优化控制参数；
10.s2：设定煤与瓦斯协调开采技术优化目标函数；
11.s3：设定煤与瓦斯协调开采技术优化约束条件；
12.s4：建立煤与瓦斯协调开采技术优化模型并编制求解程序，计算综掘工作面最优的掘进煤量、掘进速度、综掘工作面抽采瓦斯量、综掘工作面风排瓦斯总量、煤炭资源最大采出率、瓦斯资源最大抽采率和综掘工作面煤与瓦斯协调开采最大利润。
13.进一步的，步骤s1中的控制参数包括：目标函数中的变量掘进煤量和综掘工作面瓦斯抽排采量、综掘过程中影响掘进煤量的变量掘进速度、影响瓦斯抽排采量的变量综掘工作面抽采瓦斯量和综掘工作面风排瓦斯总量。
14.进一步的，所述步骤2具体包括：
15.s21、煤炭资源采出率最大化：
[0016][0017]
式中，η
mmax
为煤炭资源最大采出率；xm为综掘工作面掘进煤量；m为综掘工作面煤炭资源总量；
[0018]
s22、瓦斯抽采率最大化：
[0019][0020]
式中，η
wmax
为瓦斯资源最大抽采率；xw为综掘工作面瓦斯抽排采总量；q为瓦斯资源总量；
[0021]
s22、经济效益最大化：
[0022]
将与掘进速度有关的煤产量和瓦斯抽采量作为变化量：
[0023]
p
max
＝(p
w-c
w-t
wi
pw sw)
·
xw (p
m-c
m-t
mi
pm sm)
·
xm[0024]
式中，p
max
为综掘工作面煤与瓦斯协调开采最大利润；pw为瓦斯的市场价格；cw为瓦斯的生产成本；t
wi
为每立方米瓦斯平均抽采税率；sw为政府瓦斯抽采政策补贴；pm为吨煤市场价格；cm为吨煤生产成本；t
mi
为吨煤开采税率；sm为政府煤炭开采补贴。
[0025]
进一步的，所述步骤s3具体包括如下步骤：
[0026]
步骤s31：煤炭掘进约束；
[0027]
步骤s32：瓦斯抽采约束。
[0028]
进一步的，所述步骤s31具体包括如下步骤：
[0029]
步骤s311：掘进煤量约束；
[0030]
步骤s312：矿井掘进机生产能力约束；
[0031]
步骤s313：瓦斯涌出量对掘进速度约束；
[0032]
步骤s314：风排瓦斯量限制掘进速度约束；
[0033]
步骤s315：瓦斯涌出量对掘进煤量约束。
[0034]
优选的，所述步骤s32具体包括如下步骤：
[0035]
步骤s321：瓦斯抽采量约束；
[0036]
步骤s322：瓦斯抽采率约束；
[0037]
步骤s323：瓦斯抽采安全约束；
[0038]
步骤s324：风排瓦斯安全约束；
[0039]
步骤s325：瓦斯涌出量对抽采量的约束。
[0040]
由上，本发明具有以下有益效果：
[0041]
用科学的方法去界定合理的掘进速度和瓦斯抽采量，达到综掘工作面煤与瓦斯协调开采社会与经济效益最大化；量化研究认识两系统间的复杂相互关系，建立了综掘工作面煤与瓦斯协调开采技术优化模型并编制了优化求解程序。
[0042]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
[0044]
图1为本发明的建立综掘工作面煤与瓦斯协调开采技术优化模型的方法的流程图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
[0046]
如图1所示，本发明的建立综掘工作面煤与瓦斯协调开采技术优化模型的方法，包括以下步骤：
[0047]
1、设定煤与瓦斯协调开采技术优化控制参数
[0048]
将目标函数中的变量掘进煤量xm和综掘工作面瓦斯抽排采量xw、综掘过程中影响掘进煤量的变量掘进速度vm、影响瓦斯抽排采量的变量综掘工作面抽采瓦斯量xc和综掘工作面风排瓦斯总量qf作为优化变量，共5个控制参数。
[0049]
2、设定煤与瓦斯协调开采技术优化目标函数
[0050]
综掘工作面煤与瓦斯协调开采优化目标函数分为以下三个部分：
[0051]
(1)煤炭资源采出率最大化：
[0052][0053]
式中，η
mmax
为煤炭资源最大采出率；xm为综掘工作面掘进煤量，t；m为综掘工作面煤炭资源总量，t。
[0054]
(2)瓦斯抽采率最大化：
[0055][0056]
式中，η
wmax
为瓦斯资源最大抽采率；xw为综掘工作面瓦斯抽排采总量，m3；q为瓦斯资源总量，m3。
[0057]
(3)经济效益最大化：
[0058]
将与掘进速度有关的煤产量和瓦斯抽采量作为变化量，以经济效益(销售额与成本之差)作为两者之间的纽带，考虑煤炭和瓦斯的市场价值、生产成本、应缴纳的税金、政府政策性补贴奖励及潜在安全事故与生态环境破坏维护的其它费用。
[0059]
p
max
＝(p
w-c
w-t
wi
pw sw)
·
xw (p
m-c
m-t
mi
pm sm)
·
xm[0060]
式中，p
max
为综掘工作面煤与瓦斯协调开采最大利润，元；pw为瓦斯的市场价格，元/t；cw为瓦斯的生产成本，元/t；t
wi
为每立方米瓦斯平均抽采税率，％；sw为政府瓦斯抽采政策补贴，元/m3；pm为吨煤市场价格，元/t；cm为吨煤生产成本，元/t；t
mi
为吨煤开采税率，％；sm为政府煤炭开采补贴，元/t。
[0061]
3、设定煤与瓦斯协调开采技术优化约束条件
[0062]
(1)煤炭掘进约束条件
[0063]
1)掘进煤量约束条件
[0064]
掘进煤量小于综掘工作面巷道设计掘进量，即
[0065]
0≤xm≤aj[0066]
式中，xm为掘进煤量，t；aj为综掘工作面巷道设计掘进量，t。
[0067]
2)矿井掘进机生产能力约束条件
[0068]
掘进机的效率约束综掘工作面的掘进速度。掘进机在一定的工作效率下，实际掘进煤量小于在同一时段t内，理想状态下以额定速率ve、进尺d掘进的平均工作效率η
p
工作的掘进煤量，由此可得掘进速度上限为：
[0069][0070][0071]
式中，vm为掘进速度，m/s；l为掘进宽度，m；h为掘进高度，m；ρ为煤密度，kg/m3；t为割煤时间，d；d为进尺，m/刀；为掘进机工作效率。
[0072]
3)瓦斯涌出量对掘进速度的约束
[0073]
综掘工作面瓦斯涌出量qj主要包括暴露煤壁涌出瓦斯量qc与破落煤块涌出瓦斯量qv，即
[0074]
qj＝qc qv[0075][0076]qv
＝svmγ(w
0-wc)
[0077]
式中，qj为掘进面绝对瓦斯涌出量，m3/min；qc为掘进巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min；qv为掘进巷道落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min；dm为巷道断面内暴露煤壁面周边长度，m，dm为巷道断面内暴露煤壁面周边长度，m，dm＝2h (0.171m-0.3365)b；q0为掘进面煤壁瓦斯涌出初速度，m3/(m2·
min)，v
daf
为掘进煤层原煤挥发分，％；lm为掘进煤巷长度，m；s为掘进煤巷断面积，m2；γ为原煤容重，t/m3；w0为煤层原始瓦斯含量，m3/t；wc为煤层残存瓦斯含量，m3/t。
[0078]
为了保证综掘工作面煤炭安全掘进，绝对瓦斯瓦斯涌出量必须小于允许瓦斯涌出量qj≤qy，则有：
[0079][0080]
式中，vf为巷道允许的最大风速，m/s；s
min
为风流通过的最小断面积，m2；s
min
为《煤矿安全规程》允许的风流中瓦斯体积分数，％，c为矿井或工作面瓦斯涌出不均衡系数，％，为给定时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min，q
max
为给定时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min，k值按1.0～1.5取值。
[0081]
4)风排瓦斯量限制掘进速度
[0082]
综掘工作面的掘进速度与瓦斯涌出量呈正相关关系，瓦斯涌出量随掘进速度的加快而增加，随掘进速度的减慢而降低。过快地掘进会使瓦斯涌出量过大，抽采不足必定导致回风流中瓦斯超限，风流中瓦斯体积分数存在上限限制，因此，掘进速度受工作面风速限制，即风排瓦斯量制约掘进速度。在掘进过程中，风排瓦斯量与掘进速度的关系为：
[0083][0084]
式中，q
fm
为工作面风排瓦斯量，m3/s；tm为掘进时间，s；xc为工作面瓦斯抽采量，m3；vm为掘进速度，s；qv为相对瓦斯涌出量，m3/t。
[0085]
5)瓦斯涌出量对掘进煤量的约束
[0086]
安全掘进必须满足工作面瓦斯绝对涌出量不超过工作面瓦斯绝对涌出量的最大值，则有：
[0087][0088]
(2)瓦斯抽采约束条件
[0089]
1)瓦斯抽采量约束条件
[0090]
瓦斯抽采量小于工作面煤层瓦斯储量。即
[0091]
0≤xc＜q
[0092]
式中，q为煤层瓦斯总量，m3，q＝xc qj qz，qj为煤层瓦斯涌出量，m3，qz为煤层残存瓦斯含量，m3。
[0093]
2)瓦斯抽采率约束条件
[0094]
工作面瓦斯抽采率受工作面瓦斯绝对涌出量影响，由《煤矿瓦斯抽采基本指标》可以确定工作面瓦斯抽采率的下限。工作面瓦斯抽采率的实际值必须大于理论值，即
[0095][0096]
式中，qf为工作面风排瓦斯总量，m3，qf＝qfc，qf为工作面通风总量，3m。
[0097][0098]
3)瓦斯抽采安全约束条件
[0099]
煤层中含有部分瓦斯不能被完全解析出，这部分残存瓦斯量也难以通过现有的抽采技术采出，由此建立工作面瓦斯抽采量上限：
[0100]
xc≤(q-mwc)k
′
[0101]
式中，k
′
为安全系数，理想状态下取1。
[0102]
4)风排瓦斯安全约束条件
[0103]
为了保证煤矿的安全生产及采掘作业的正常进行，根据《煤矿安全规程》中相关规定，采掘工作面回风流中的瓦斯浓度不得超过1％，否则停止工作；采掘工作面与其它作业地点、电动机或其开关安设地点附近20m内风流中瓦斯浓度不得超过1％，否则禁止爆破；工作面及其它巷道内体积大于0.5m3的空间内瓦斯积聚的浓度达到2％时，附近20m以内停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理。因此，建立风排瓦斯量上限的约束条件以保证掘进工作的安全进行，即
[0104][0105]
式中，qf＝vfsftfc，sf为进、回风巷净断面的最小面积，m2，《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中达到采掘工作面瓦斯抽采达标，需采掘工作面风速小于4m/s且回风流中的瓦斯浓度小于1％，即4m/s且c≤1％；tf为通风总时间，s。
[0106]
5)瓦斯涌出量对抽采量的约束
[0107]
瓦斯的涌出量还与抽采量有关。掘进时涌出的瓦斯通过通风和抽采处理，则有：
[0108]
xc≥q
j-qf[0109]
式中，qj为工作面瓦斯涌出总量，m3。
[0110]
4、建立煤与瓦斯协调开采技术优化模型并编制求解程序，计算综掘工作面最优的掘进煤量xm、掘进速度vm、综掘工作面抽采瓦斯量xc、综掘工作面风排瓦斯总量qf、η
mmax
煤炭资源最大采出率η
mmax
、瓦斯资源最大抽采率η
wmax
和p
max
综掘工作面煤与瓦斯协调开采最大利润p
max
。
[0111]
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。