煤矿工作面作业环境及煤与瓦斯突出危险综合评价研究

摘要

煤矿开采活动中会因各种作业而衍生大量产物，例如瓦斯、煤尘、辐射、热、爆炸、火、水、噪音等，对作业人员的职业健康带来危害的同时，往往也会引起事故危险（爆炸、突出、火灾、辐射），给煤矿工人生命财产带来巨大威胁。与世界发达产煤国家相比，我国煤矿安全生产形势一直存在较大差距，这除了与开采条件复杂、生产技术落后有关外，总体管理水平不高也是主要原因之一。研究更为科学的煤矿工作面环境评价方法，进而提升工作面作业环境管理水平，对于保障煤矿的安全高效生产至关重要。
　　本文首先针对目前工作面环境评价多针对单一因素，对环境各要素间的相互关联性和对工作面环境影响的综合性缺乏考虑，评价手段过于依赖于专家打分等存在的问题。从职业健康视角对煤矿工作面环境评价进行了研究。在对现有煤矿采掘工作面环境评价方法进行充分调研分析基础上，提出了随机模拟评价理论与模式，考虑指标的随机变化特征，在贫权重和缺乏专家打分信息的情况下实现对采掘工作面环境的综合评价与分级。此外，针对部分指标具有多维性，存在二级指标的问题，对基于投影寻踪法评价工作面热环境、粉尘、照明、气体环境的方法进行了研究。然后，从事故安全视角，以煤与瓦斯突出为研究对象，在收集、整理与分析煤与瓦斯突出事故的典型案例，以及对煤与瓦斯突出机理，孕育及演化特征进行深入研究分析的基础上，构建了综合考虑瓦斯地质、开采工艺、生产过程等因素的预警指标体系，开发了煤与瓦斯突出危险评价与预警信息系统。并对突出危险预警信息管理、应急处置策略和应急响应机制等进行了系统研究。
　　本论文得到了以下成果和结论:
　　1.煤矿开采过程环境复杂且相对封闭，影响因素包括瓦斯、粉尘、有害气体、热环境、爆炸、火、水、噪音、照明等，本文以对工作面作业人员心理和生理起重要影响作用为选取原则，在对煤矿开采过程环境进行系统分析的基础上，考虑二级指标，建立了包括有害气体、煤尘、热环境、噪声、照明和作业条件等的综合指标体系，并统一采用5级标准，按照Ⅰ（优）、Ⅱ（良）、Ⅲ（中）、Ⅳ（合格）和Ⅴ（不合格）分级。
　　2.部分环境指标如粉尘、噪声和湿度等具有随机变化特征，取固定位置或单次测定值给指标赋值不尽合理。针对此提出首先确定评价指标的取值范围和分布状态，并基于分布状态在相应的值域内随机取样的解决思路，使指标赋值更贴近实际。并基于随机模拟评价理论，结合MonteCarlo随机模拟和反转排序算法，建立了煤矿采掘工作面作业环境综合评价模型。评价过程考虑了指标的随机波动特征，在指标取值范围内采取均匀分布或正态分布模型随机取值，利用随机模拟仿真的方法，多次充分求解，在众多可能性排序中得到最大可能性排序结论，可避免一次排序就得到最终结论，导致求解结论不客观的问题。
　　3.现有采掘工作面作业环境评价方法如模糊综合评判、灰色关联法等，均属于CDA法（证实性数据分析思维法），缺点是要求数据具有明确的结构或特征，而当评价数据结构与假设不符时，评价精度将难以保证。此外，采煤工作面部分作业环境评价指标如光照、有害气体等包含二级指标，按照一级指标处理将可能影响指标系统性和客观性。针对此提出基于遗传投影寻踪法的作业环境评价模型，并进行了应用验证，评价结论与实际相符，且因指标保持了原有的层级结构，可为管理者提供更为精细化的决策支持。
　　4.建立了以实时指标、动态指标、预测指标和基础信息相结合的，煤与瓦斯突出危险综合评价指标体系，其中，实时指标体系反映了瓦斯涌出异常的本质和现象，具体包括波动率、频率、浓度瞬时增幅和均值线指标;动态指标反映了瓦斯压力和地应力异常，包括打钻异常、地应力显现、集中应力、地质构造、生产工艺和煤层特性等;预测指标和煤层基础信息反映煤层和瓦斯地质异常，具体有钻屑量和钻孔瓦斯涌出初速度等。三类指标体系全面反映了煤与瓦斯突出机理、在早期孕育阶段的演化过程中的动态，相互结合实现对煤与瓦斯突出危险的准确、实时评价。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 职业健康视角下的煤矿采掘工作面环境评价

1．2．2 事故安全视角下的煤矿采掘工作面环境评价

1．3 主要研究内容

1．3．1 煤矿采掘工作面作业环境综合评价研究

1．3．2 事故安全视角下的煤矿采掘工作面环境评价—煤与瓦斯突出危险评价

2 煤矿采掘工作面作业环境评价若干关键问题

2．1 采掘工作面作业过程环境及评价指标体系

2．1．1 有害气体

2．1．2 粉尘

2．1．3 热环境

2．1．4 噪声

2．1．5 光环境(照明)

2．1．6 作业条件

2．1．7 综合评价指标体系

2．2 指标数据收集与处理方法

2．2．1 指标数据收集方法

2．2．2 指标数据处理

2．2．3 指标权重

2．2．4 信息集结

2．3 具有波动变化特征的指标值的处理

2．4 小结

3 煤矿采掘工作面作业环境评价理论与方法

3．1 随机模拟评价基本原理及数学模型

3．2 考虑评价指标值波动变化特征的随机评价模式

3．2．1 随机评价模式概述

3．2．2 数学模型

3．3 矿山工作面作业环境随机模拟评价(不考虑指标的变化特征)

3．3．1 煤矿掘进工作面作业环境评价

3．3．2 煤矿综采工作面作业环境评价

3．3．3 金属矿山井下工作面环境等级评价分析

3．4 基于随机模拟的煤矿综采工作面作业环境评价(考虑指标变化特征)

3．4．1 指标选取、处理及分级标准

3．4．2 煤矿综采工作面作业环境评价分析

3．5 基于遗传投影寻踪法的煤矿采掘工作面作业环境综合评价

3．5．1 投影寻踪法的基本原理

3．5．2 基于遗传算法寻最佳投影方向

3．5．3 实例分析

3．6 小结

4 煤与瓦斯突出发生机理及工作面瓦斯涌出规律研究

4．1 煤与瓦斯突出发生的机理

4．2 瓦斯在煤与瓦斯突出孕育过程中的作用

4．2．1 煤与瓦斯突出的各阶段

4．2．2 瓦斯在煤与瓦斯突出中的作用

4．3 工作面瓦斯涌出规律研究

4．3．1 正常时期采掘工作面瓦斯涌出规律

4．3．2 煤与瓦斯突出前瓦斯涌出规律分析

4．4 小结

5 煤与瓦斯突出危险综合评价与预警研究

5．1 煤与瓦斯突出危险动态评价指标及其数学模型

5．1．1 动态评价指标体系

5．1．2 预测指标和基础信息

5．2 评价指标数学模型及危险等级划分标准

5．2．1 波动率指标危险等级划分数学模型

5．2．2 频率指标危险等级划分数学模型

5．2．3 浓度增幅指标危险等级划分数学模型

5．2．4 均线指标危险等级划分数学模型

5．3 煤与瓦斯突出危险分级

5．3．1 煤与瓦斯突出危险等级设置

5．3．2 动态评价指标等级划分与辨识方法

5．3．3 预测指标等级判别表

5．3．4 工作面突出危险等级划分与辨识方法

5．4 突出危险预警信息系统设计

5．4．1 预警系统设计目标与原则

5．4．2 预警系统网络结构

5．4．3 预警系统工作模式

5．4．4 突出危险报警技术与方法

5．4．5 系统软件设计

5．5 小结

6 煤与瓦斯突出危险预警管理与应急决策

6．1 预警管理与应急响应决策技术研究

6．1．1 预警管理体制

6．1．2 预警管理层次与职责

6．1．3 预警管理组织与职能

6．1．4 各预警等级的处置策略

6．2 煤与瓦斯突出危险应急预案

6．3 应急决策与应急救援

6．3．1 应急决策

6．3．2 应急响应

6．3．3 煤与瓦斯突出时的应急救援措施

6．4 系统应用与案例验证

6．4．1 浓度增幅、波动率、频率指标异常预测突出

6．4．2 均线指标、频率、波动率指标异常预测突出

6．4．3 均线指标、频率指标异常预测突出

6．5 小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 展望

致谢

附表

参考文献

作者简介及读博期间主要科研成果