基于網(wǎng)格化的綜采工作面安全分區(qū)方法

李 鵬，李冠華

（1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

隨著國家對煤礦安全生產(chǎn)工作的日益重視，宏觀管理舉措效果的逐漸顯現(xiàn)，對安全的漠然態(tài)度和粗放式管理有了很大改觀，煤礦事故死亡人數(shù)逐年減少[1-2]。但是，我國煤礦工傷死亡人數(shù)仍在遠超世界同行平均水平的高位上。為取得我國煤礦安全形勢的根本好轉(zhuǎn)，煤礦的精細化科學管理在很多煤礦企業(yè)得到了試用和推廣[3]?，F(xiàn)階段煤礦的精細化管理實施安全質(zhì)量標準化精細化管理，主要目標在于改進安全質(zhì)量標準化考核機制不嚴、不細、不精的現(xiàn)狀[4-5]。隨著煤礦機械化和智能化水平的不斷提高，工作面長度也在不斷增加，部分生產(chǎn)礦井的工作面長度已達到300 m左右。工作面長度增大，導致大型機械設(shè)備多且空間受限，采場環(huán)境復雜，綜采作業(yè)時粉塵大，設(shè)備操作人員視線、聽力受阻，對于現(xiàn)場作業(yè)人員存在諸多風險[6-7]。針對整個工作面區(qū)域的安全管理雖然依然意義重大，但是針對性不足的缺點就被暴露了出來。比如受采煤機割煤量及橫斷面大的影響，綜采面瓦斯、粉塵、礦壓等參數(shù)瞬時變化因素多，作業(yè)人員對區(qū)域化、實時性的感知和應(yīng)急反應(yīng)不及時，不利于作業(yè)人員職業(yè)安全與健康。為了推進綜采工作面區(qū)域化安全管理理念和水平的發(fā)展，根據(jù)工作面的地質(zhì)條件、裝備分布、回采工藝等特點，將整個回采空間劃分為若干安全管理區(qū)域，實現(xiàn)工作面區(qū)域化的安全狀態(tài)實時分析及預(yù)警，創(chuàng)新安全管理手段，提出了綜采工作面區(qū)域網(wǎng)格化安全分區(qū)的思路。

1 綜采工作面區(qū)域網(wǎng)格化方法

工作面區(qū)域網(wǎng)格化的基礎(chǔ)是工作面生產(chǎn)割煤、移架以及其他與生產(chǎn)人員直接相關(guān)的區(qū)域，也就是與采煤過程直接相關(guān)的區(qū)域，不同研究角度對區(qū)域的理解也會存在偏差，定義工作面區(qū)域為工作面面長區(qū)域、進風側(cè)設(shè)備列車超前10 m區(qū)域以及回風側(cè)端頭支架超前10 m區(qū)域，工作面網(wǎng)格化區(qū)域示意圖如圖1。

圖1 工作面網(wǎng)格化區(qū)域示意圖

工作面區(qū)域的網(wǎng)格化方法需要結(jié)合工作面生產(chǎn)過程和生產(chǎn)循環(huán)圖表來劃分，工作面不進行生產(chǎn)時，將根據(jù)空間區(qū)域及制定的生產(chǎn)循環(huán)圖表來靜態(tài)劃分空間網(wǎng)格。

結(jié)合綜采工作面網(wǎng)格化區(qū)域和生產(chǎn)過程，在作業(yè)循環(huán)圖表基礎(chǔ)上，定義靜態(tài)層面的網(wǎng)格化為5個區(qū)域，在面長方向?qū)⒐ぷ髅鎰澐譃?個區(qū)域，分別是上端頭區(qū)域、頭三角煤區(qū)域、中部采煤區(qū)域、尾三角煤區(qū)域和下端頭區(qū)域。具體劃分方法如下：①回風巷道一側(cè)的端頭支架及超前10 m范圍共同組成的區(qū)域，定義為上端頭區(qū)域；②進風巷道一側(cè)的端頭支架、設(shè)備列車及超前10 m區(qū)域共同組成的區(qū)域，定義為下端頭區(qū)域；③以圖2循環(huán)作業(yè)圖表中機頭側(cè)“三角煤”割煤長度為依據(jù)，進風巷道一側(cè)從機頭向工作面中心一定范圍，定義為頭三角煤區(qū)域，區(qū)域范圍與作業(yè)循環(huán)圖表所標長度一致；④以圖2循環(huán)作業(yè)圖表中機尾側(cè)“三角煤”割煤長度為依據(jù)，回風巷道一側(cè)從機尾向工作面中心一定范圍，定義為尾三角煤區(qū)域，區(qū)域范圍與作業(yè)循環(huán)圖表所標長度一致；⑤其余支架覆蓋區(qū)域靜態(tài)層面統(tǒng)稱為中部采煤區(qū)域。

按照如上所列方法，對工作面區(qū)域靜態(tài)層面進行網(wǎng)格化，原綜采工作面重新形成了5個新的區(qū)域。工作面區(qū)域靜態(tài)網(wǎng)格化示意圖如圖2。

圖2 工作面區(qū)域靜態(tài)網(wǎng)格化示意圖

一般三角煤區(qū)域不超過50 m范圍，長約300 m的工作面再去掉頭三角煤區(qū)域和尾三角煤區(qū)域，中部采煤區(qū)域大約在200 m左右，當工作面處于檢修狀態(tài)時，按照該網(wǎng)格化結(jié)果能夠基本清晰地對不同區(qū)域進行安全監(jiān)測和管理。但是工作面割煤生產(chǎn)中，中部采煤區(qū)域約200 m的范圍就顯得依然過于粗放。目前綜采工作面大多采用成組移架的方式進行生產(chǎn)，一般采用3架或者5架1組。按照5組支架操作一起操作來核算，較大的支架寬度在2～2.5 m，每5組支架連同操作來算，距離不超過12.5 m，所以有必要在生產(chǎn)過程中對中部采煤區(qū)域進行動態(tài)網(wǎng)格化劃分。

2 中部采煤區(qū)域動態(tài)網(wǎng)格化方法

依靠工作面區(qū)域靜態(tài)網(wǎng)格化的方法，工作面區(qū)域網(wǎng)格化后上端頭區(qū)域、頭三角煤區(qū)域、尾三角煤區(qū)域和下端頭區(qū)域都有了較好的針對性，但是中部采煤區(qū)域在采煤過程中則需要進一步細化。中部采煤區(qū)域的動態(tài)網(wǎng)格化方法是將生產(chǎn)過程中割煤、移架和推刮板輸送機3個工序結(jié)合起來，在生產(chǎn)過程中對中部區(qū)域進一步動態(tài)網(wǎng)格化分割。將中部采煤區(qū)域動態(tài)劃分為割煤區(qū)域、移架區(qū)域、推溜區(qū)域和過渡區(qū)域。實際生產(chǎn)過程中，有些礦井采用成組推刮板輸送機，每組執(zhí)行推刮板輸送機程序的支架的數(shù)量為5架到10架不等，這種情況下推刮板輸送機區(qū)域相對穩(wěn)定，中部采煤區(qū)域動態(tài)網(wǎng)格化的具體步驟如下：①根據(jù)當前采煤機所處位置，找出對應(yīng)的支架編號，定義當前時刻采煤機所處位置對應(yīng)的支架區(qū)域為割煤區(qū)域；②查詢綜采工作面的實際操作流程，查詢采煤機經(jīng)過多少支架后開始推刮板輸送機工序，查詢成組執(zhí)行推溜槽程序的支架數(shù)量，沿采煤機的運動軌跡，定義當前成組執(zhí)行推溜槽工序支架所對應(yīng)的區(qū)域為推溜區(qū)域；③推溜區(qū)域和割煤區(qū)域之間的區(qū)域定義為移架區(qū)域；④靜態(tài)中部采煤區(qū)域除割煤區(qū)域、移架區(qū)域和推溜區(qū)域以外區(qū)域，統(tǒng)稱為過渡區(qū)域。

當前有些工作面依然采用單支架或雙支架推刮板輸送機的方法，這種情況下按照上面所述方法劃分推刮板輸送機區(qū)域，容易造成1架或者2架就是推刮板輸送機區(qū)域的問題，明顯不符合現(xiàn)場管理需求，也不符合網(wǎng)格化區(qū)域管理的初衷。對于5架及以上的成組推刮板輸送機工作面，按照上面所述步驟對中部采煤區(qū)域進行動態(tài)網(wǎng)格化，對少于5架推刮板輸送機的工作面生產(chǎn)的中部采煤區(qū)域進行動態(tài)網(wǎng)格化，步驟如下：①采煤機在生產(chǎn)過程中，將當前時刻采煤機所覆蓋的支架所對應(yīng)的區(qū)域定義為當前時刻的割煤區(qū)域；②采煤機經(jīng)過之后，執(zhí)行推刮板輸送機程序的首套支架所對應(yīng)的區(qū)域定義為當前時刻的推刮板輸送機區(qū)域首端，推刮板輸送機區(qū)域的范圍與采煤機的移動速度相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場跟蹤及統(tǒng)計，根據(jù)采煤機的移動速度定義了推刮板輸送機區(qū)域的范圍，推刮板輸送機范圍與采煤機速度對應(yīng)表見表1；③推溜區(qū)域和割煤區(qū)域之間的區(qū)域定義為移架區(qū)域；④中部采煤區(qū)域其他區(qū)域統(tǒng)稱為過渡區(qū)域。

表1 推刮板輸送機范圍與采煤機速度對應(yīng)表

基于以上中部采煤區(qū)域動態(tài)網(wǎng)格化方法，中部采煤區(qū)域動態(tài)網(wǎng)格化示意圖如圖3。

3 綜采工作面區(qū)域網(wǎng)格化安全分析示例

從綜采工作面整體來說，綜合安全保障需要結(jié)合“人、機、環(huán)、管”等方面綜合監(jiān)測并評估安全性，要綜合頂板災(zāi)害、煤塵災(zāi)害、水火災(zāi)害、有害氣體、設(shè)備狀態(tài)及人員狀態(tài)，建立多因素綜合評判模型，運用數(shù)學模型方法判斷工作面安全狀態(tài)指數(shù)[8-10]。按照綜采工作面區(qū)域的網(wǎng)格化方法，將綜采工作面細分成不同的區(qū)域，不同的區(qū)域的安全影響因子也是有所區(qū)別的，各區(qū)域安全水平評價側(cè)重點就明顯不同，比如煤自然發(fā)火傾向在上、下端頭區(qū)域的影響遠遠高于其他區(qū)域[11-12]。由于篇幅有限，選取網(wǎng)格化后的中部采煤區(qū)域、頭三角煤區(qū)域和尾三角煤區(qū)域，在礦壓特征分析結(jié)果上的區(qū)別來說明網(wǎng)格化后某區(qū)域?qū)Ρ裙ぷ髅嬲w區(qū)域安全分析更強的針對性。

圖3 中部采煤區(qū)域動態(tài)網(wǎng)格化示意圖

某工作面基本支架總共128架，移架步距0.865 m，按照網(wǎng)格化方法后，頭三角煤區(qū)域和尾三角煤區(qū)域各占機頭機尾的20架，中部采煤區(qū)域為剩余的88架。從3個區(qū)域分別選取3個支架來統(tǒng)計工作阻力，據(jù)此研究各區(qū)域的工作面礦壓變化規(guī)律。實測該工作面2017年2月份的生產(chǎn)過程中礦壓數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的礦壓數(shù)據(jù)分析技術(shù)及軟件，對1個月時間內(nèi)對工作面整體來壓特征以及3個區(qū)域來壓特征分別進行分析，分析的主要是參數(shù)有：頂板周期來壓步距、頂板穩(wěn)定步距、顯著運動步距和支架動載系數(shù)[13-15]。統(tǒng)計得出工作面推進過程中頭三角煤、尾三角煤區(qū)域和中部采煤區(qū)域分別經(jīng)歷了27、25、24次基本頂周期來壓。工作面網(wǎng)格化區(qū)域來壓特征分析表見表2。

表2 工作面網(wǎng)格化區(qū)域來壓特征分析表

如表2，頭三角煤、尾三角煤區(qū)域、中部采煤區(qū)域和工作面整體在礦壓統(tǒng)計特征上有所不同，頂板周期來壓步距、頂板穩(wěn)定步距整個工作面區(qū)域整面均值接近尾三角煤區(qū)域分析值，而顯著運動步距整面均值更接近中部采煤區(qū)域分析值。支架動載系數(shù)3個區(qū)域更存在較大的區(qū)別，中部采煤區(qū)域1.5，尾三角煤區(qū)域支架動載系數(shù)為2.0，尾三角煤區(qū)域與中部采煤區(qū)域動載荷系數(shù)差異達到33%。由工作面來壓特征分析結(jié)果可以看出，工作面不同區(qū)域范圍內(nèi)，各影響因素權(quán)重和分析結(jié)果會有較大的區(qū)別。

4 結(jié)語

從綜采工作面生產(chǎn)的機械化和管理的精細化需求入手，提出了綜采工作面區(qū)域網(wǎng)格化安全分區(qū)的思路。以生產(chǎn)過程及設(shè)計的正規(guī)作業(yè)循環(huán)圖為依據(jù)，提出了工作面區(qū)域利用網(wǎng)格化方法實現(xiàn)靜態(tài)區(qū)域的劃分方法，在靜態(tài)層面將工作面區(qū)域劃分為上端頭區(qū)域、頭三角煤區(qū)域、中部采煤區(qū)域、尾三角煤區(qū)域和下端頭區(qū)域。在生產(chǎn)過程中將割煤、移架和推刮板輸送機3個工序和網(wǎng)格化思路結(jié)合起來，進一步提出了對中部采煤區(qū)域動態(tài)分區(qū)的方法，按照生產(chǎn)工序，中部采煤區(qū)域被動態(tài)劃分為割煤區(qū)域、移架區(qū)域、推刮板輸送機區(qū)域和過渡區(qū)域。

以工作面區(qū)域范圍的礦壓安全分析為例，選取網(wǎng)格化后的中部采煤區(qū)域、頭三角煤區(qū)域和尾三角煤區(qū)域，利用礦壓特征分析結(jié)果上的區(qū)別，對比說明網(wǎng)格化后某區(qū)域礦壓分析結(jié)果對比整面區(qū)域分析結(jié)果具有更強的針對性。結(jié)合現(xiàn)場分析認為，在工作面區(qū)域安全分析中，網(wǎng)格化能夠針對性反映更精細區(qū)域范圍內(nèi)的安全影響因素，體現(xiàn)各安全影響因素的區(qū)域化特征，突出少數(shù)關(guān)鍵的安全影響因子，其分析結(jié)果在現(xiàn)場安全管理中更為適用。