一种煤与煤层气耦合协调开发装置及方法

本发明涉及矿山工程领域，特别涉及一种煤与煤层气耦合协调开发装置及方法。

背景技术：

我国大部分煤矿在成煤的过程中经历了剧烈的地质运动，这种地质运动严重破坏煤层原生结构，尤其在地质构造区域，煤层内部的渗透率降低。因此在煤层开采前对煤层进行地面预抽采的效果并不理想，对此根据我国实际情况提出煤与煤层气共采技术。煤与煤层气协调开发技术符合“煤矿绿色开采”的理念，不仅能够保障煤矿开采的安全生产，还能得到煤层气等洁净伴生能源，提高资源的利用率与经济效益。

煤与煤层气协调开发技术的建立目前尚处于初步阶段，在实际运用中仍存在一些问题。在煤炭开采的过程中，煤炭开采和煤层气抽采属于两个系统，这两个系统之间存在一种相互促进又相互制约的关系，同时两个系统在开采过程中又会相互干扰，在实现煤与煤层气两个系统充分耦合协调共采上还有相当大距离。因此煤炭开采与煤层气抽采两个系统在宏观上没有达到耦合协调共采。

因此，亟需设计一种煤与煤层气协调开发方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种煤与煤层气耦合协调开发装置及方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种煤与煤层气耦合协调开发方法，包括以下步骤：

1)构建煤与煤层气共采耦合协调度模型。

1.1)利用贝叶斯网络从技术角度分别对煤炭开采与煤层气抽采两个系统进行评价，得到技术权重ωi。其中，煤炭开采过程中的评价指标体系包括资源因素b1、技术因素b2和协调因素b33个一级指标。所述资源因素b1包括煤质评价c11、工作面煤物性c12、煤炭储量c13和煤炭开采量c144个二级指标。所述技术因素b2包括回采工作面通风量c21、割煤机的生产能力c22、液压支撑设备性能c23和刮板机的性能c244个二级指标。所述协调因素b3包括规划区时长比例c31、开拓区时长比例c32、生产区时长比例c33、掘进工作面煤层气浓度c34和回采工作面煤层气浓度c355个二级指标。煤层气抽采过程中的评价指标体系包括资源因素b4、技术因素b5和协调因素b63个一级指标。所述资源因素b4包括煤层气赋存量c41和煤层气压力c422个二级指标。所述技术因素b5包括煤层气抽采率c51、煤层气安全抽采技术c52、风排煤层气量c53和煤层气扩散量c544个二级指标。所述协调因素b3包括规划区煤层气含量降低率c61、开拓区煤层气初始含量c62、生产区煤层气初始含量c63、规划区时长比例c64、开拓区时长比例c65和生产区时长比例c666个二级指标。

1.2)利用经济学模型sbm模型从经济角度对煤炭开采与煤层气抽采两个系统分别进行评价，得到经济权重υi。

1.3)将步骤1.1)和步骤1.2)所得权重值进行组合，得出组合权重ηi。

1.4)计算煤炭开采的组合权重η1与煤层气抽采组合权重η2的耦合协调度d。

2)采用煤与煤层气共采耦合协调度模型对煤与煤层气共采耦合协调度进行评价。当煤与煤层气共采系统协调度低于预计目标，则转入步骤3)。当煤与煤层气共采系统协调度达到预设目标，则输出评价报告。

3)采用非线性约束优化模型对系统协调度进行优化，得到目标函数全局最优解。

4)将优化变量的最优解代入煤与煤层气共采的各个过程中得出各个过程的最优方式及对应参量。输出优化报告。

进一步，通过煤炭开采的组合权重η1与煤层气抽采组合权重η2的耦合协调度d对煤与煤层气共采系统的耦合协调性进行评价。当0≤d＜0.3时，耦合协调度等级划分为不耦合协调。当0.3≤d＜0.5时，耦合协调度等级划分为初级耦合协调。当0.5≤d＜0.80时，耦合协调度等级划分为中级耦合协调。当0.80≤d时，耦合协调度等级划分为高级耦合协调。

进一步，所述非线性约束优化模型根据《煤矿安全规程》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》和煤与煤层气抽采过程中各个流程的安全规定，对煤与煤层气共采的各个过程构建非线性约束条件。

本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有用于实现上述任意一种煤与煤层气耦合协调开发方法的计算机程序。

本发明还公开一种计算机程序，存储于计算机可读存储介质中。被处理器执行时实现上述任意一种煤与煤层气耦合协调开发方法。

本发明还公开一种煤与煤层气耦合协调开发装置，包括数据输入模块数据采集、微处理器、显示器和存储器。

所述数据输入模块将输入的实测指标值传递给微处理器。微处理器对输入指标值进行分析与评估，并输出评价报告或优化报告至显示器显示。所述存储器中存储有计算机程序。所述计算机程序包括煤与煤层气共采耦合协调度评价模型和非线性约束优化模型。所述非线性约束优化模型的目标函数为煤与煤层气共采耦合协调度模型。所述非线性约束优化模型的优化变量为煤与煤层气开采过程中的煤炭资源开采量、开拓煤量、准备煤量、回采煤量、煤层气抽采量，采前预抽采量、采中抽采量和采后抽采量。所述非线性约束优化模型的求解变量为日开采量、回采时间、预抽采时间、采后抽采时间和风排煤层气量。所述计算机程序在被微处理器执行时用于实现上述任意一种煤与煤层气耦合协调开发方法。

进一步，还包括键盘。通过键盘可对存储于存储器中的计算机程序进行调整。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

a.实现了在煤与煤层气共采总系统中考虑煤炭开采子系统与煤层气抽采子系统之间的耦合度和协调度。通过优化两个子系统耦合度和协调度，使两个子系统更好地进行配合，从而实现煤与煤层气高效共采；

b.从经济角度和技术角度综合评价煤炭开采子系统与煤层气抽采子系统，避免只注重煤与煤层气共采在技术上的可行性而忽略共采过程产生的经济效益，使得模型对煤与煤层气共采耦合协调度评价更具有可行性；

c.对煤与煤层气共采的两个子系统各个过程进行非线性优化，从而提高煤与煤层气共采系统的耦合协调度。

附图说明

图1为一种煤与煤层气耦合协调开发方法技术路线；

图2为煤炭开采贝叶斯网络评价模型；

图3为煤层气抽采贝叶斯网络评价模型；

图4为煤与煤层气协调共采优化模型设计路线；

图5为一种煤与煤层气耦合协调开发装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例提供一种煤与煤层气耦合协调开发方法，包括以下步骤：

1)构建煤与煤层气共采耦合协调度模型。

1.1)利用贝叶斯网络从技术角度分别对煤炭开采与煤层气抽采两个系统进行评价，得到技术权重ωi。其中，

参见图2，煤炭开采过程中的评价指标体系包括资源因素b1、技术因素b2和协调因素b33个一级指标。所述资源因素b1包括煤质评价c11、工作面煤物性c12、煤炭储量c13和煤炭开采量c144个二级指标。所述技术因素b2包括回采工作面通风量c21、割煤机的生产能力c22、液压支撑设备性能c23和刮板机的性能c244个二级指标。所述协调因素b3包括规划区时长比例c31、开拓区时长比例c32、生产区时长比例c33、掘进工作面煤层气浓度c34和回采工作面煤层气浓度c355个二级指标。

其中，煤质评价可以通过煤岩特征、煤的煤化程度、煤的工业分析、元素组成、发热量等数据进行判识。工作面煤物性可以通过煤的孔隙大小、发育程度、结构形态、真密度、水分、灰分与挥发分等数据进行判识。煤炭储量可以通过可采煤量进行判识。煤炭开采量可以通过作业过程中所开采的煤炭总量进行判识。工作面通风量可以通过风排煤层气量和风流中煤层气量等数据进行判识。割煤机生产能力可以通过割煤机现场工作功率是否达到额定功率和割煤机单位时间内割煤量与采煤量的比值等数据进行判识。液压支撑设备性能可以通过液压支撑设备的承重能力和设备的使用寿命等数据进行判识。刮板机性能可以通过其最大输送量、刮板机倾角、中板耐磨性和链速等数据进行判识。规划区时长比例可以通过规划区作业时长占三区作业总时长的比值进行判识。开拓区时长比例可以通过开拓区作业时长占三区作业总时长比值进行判识。生产区时长比例可以通过生产区作业时长占三区作业总时长比值进行判识。掘进工作面煤层气浓度可以通过掘进工作面的煤层气浓度是否达到可以进行掘进作业的合理标准进行判识。回采工作面煤层气浓度可以通过回采工作面煤层气浓度是否可以进行回采作业的合理标准进行判识。

参见图3，煤层气抽采过程中的评价指标体系包括资源因素b4、技术因素b5和协调因素b63个一级指标。所述资源因素b4包括煤层气赋存量c41和煤层气压力c422个二级指标。所述技术因素b5包括煤层气抽采率c51、煤层气安全抽采技术c52、风排煤层气量c53和煤层气扩散量c544个二级指标。所述协调因素b3包括规划区煤层气含量降低率c61、开拓区煤层气初始含量c62、生产区煤层气初始含量c63、规划区时长比例c64、开拓区时长比例c65和生产区时长比例c666个二级指标。

其中，煤层气赋存量可以通过可抽采煤层气含量数据进行判识。煤层气压力可以通过煤层中煤层气压力数据是否在安全范围内进行判识。煤层气抽采率可以通过煤层气抽采量与可抽采煤层气量的比进行判识。煤层气安全抽采技术可通过所选用的地面抽采技术和井下抽采技术是否适应相应地质条件进行判识。风排煤层气可以通过风流中煤层气量和风排煤层气量等数据进行判识。煤层气扩散量可以通过煤层气渗透性和卸压增透技术等数据进行判识。煤层气含量降低率可以通过采后煤层气量与采前煤层气量的比值进行判识。开拓区煤层气初始含量可以通过开拓区作业前煤层气含量进行判识。生产区煤层气初始含量可以通过生产区作业前煤层气含量进行判识。规划区时长比例可以通过规划区作业时长占三区作业总时长的比值进行判识。开拓区时长比例可以通过开拓区作业时长占三区作业总时长比值进行判识。生产区时长比例可以通过生产区作业时长占三区作业总时长比值进行判识。

1.2)利用经济学模型sbm模型从经济角度对煤炭开采与煤层气抽采两个系统分别进行评价，得到经济权重υi。

s.t.xro＝xr+s^-

yro＝yr-s⁺

r≥0,s^-≥0,s⁺≥0,m＝1,2...r

式中s^-表示投入冗余量，s⁺表示产出的不足量，xr表示前沿投入量(既目前现有先进工艺最小投入量)，xr0实际投入量，yr表示前沿产出量(既目前现有先进技术所能得到的最大产出)，yro表示实际产出量，m表示投入的数量，s表示产出的数量。

1.3)将步骤1.1)和步骤1.2)所得权重值进行组合，得出组合权重ηi。

ηi＝λωi+(1-λ)vi

式中λ为技术因素的组合权重，(1-λ)为经济因素的组合权重。

1.4)计算煤炭开采的组合权重η1与煤层气抽采组合权重η2的耦合协调度d。

t＝αη1+βη2

式中c为耦合度，t为协调度，d为耦合协调度，α、β分别为衡量煤炭开采系统与煤层气抽采系统在煤与煤层气共采总系统中的重要程度的待定参数。当煤炭开采系统与煤层气抽采系统高度耦合时，煤与煤层气共采系统才能得到高水平的耦合协调。而实现高水平的耦合协调主要分为两种，一种是提高欠发达系统的耦合度，一种降低较发达系统的耦合度。可见，在这两种方法种提高欠发达系统的耦合度是最好的选择，基于上述原则α和β的取值公式为α＝η1/(η1+η2)和β＝η2/(η1+η2)。

对上述耦合协调度d(η1,η2)在可行域内的凹凸性进行判断，求耦合协调度在可行域内的二阶连续偏导数，分别记为当在可行域内恒有a>0,且ac-b²≥0，则在可行域内为凹函数，耦合协调度最大值在可行域的边界处；在可行域内恒有a<0,且ac-b²≤0,则在可行域内为凸函数，耦合协调度最大值在可行域内部。

2)采用煤与煤层气共采耦合协调度模型对煤与煤层气共采耦合协调度进行评价。当煤与煤层气共采系统协调度低于预计目标，则转入步骤3)。当煤与煤层气共采系统协调度达到预设目标，则输出评价报告。

3)采用非线性约束优化模型对系统协调度进行优化，得到目标函数全局最优解。

4)将优化变量的最优解代入煤与煤层气共采的各个过程中得出各个过程的最优方式及对应参量。输出优化报告。

本实施例涉及煤与煤层气共采各个过程，并从技术角度与经济角度对两个系统进行耦合协调程度评价，并根据评价的结果对煤与煤层气耦合协调开采进行优化使得煤与煤层气共采耦合协调程度达到理想范围，从而提高煤与煤层气共采耦合协调程度至目标水平。

实施例2：

本实施例主要结构同实施例1，其中，通过煤炭开采的组合权重η1与煤层气抽采组合权重η2的耦合协调度d对煤与煤层气共采系统的耦合协调性进行评价。由于所计算的ηi值在0～1之间，因此，所得到的耦合协调度值也在0～1之间。当d＝0时，耦合协调度极小，系统之间或系统内部之间处于无关不协调的状态，系统将向无序的方向发展。当d＝1时，耦合协调度最大，两系统之间相互配合，协调发展，处于最理想状态。因此，采用中值分段法对耦合协调度进行等级划分，当0≤d＜0.30时，耦合协调度等级划分为不耦合协调。当0.30≤d＜0.50时，耦合协调度等级划分为初级耦合协调。当0.50≤d＜0.80时，耦合协调度等级划分为中级耦合协调。当0.80≤d时，耦合协调度等级划分为高级耦合协调。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例1，其中，所述非线性约束优化模型根据《煤矿安全规程》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》和煤与煤层气抽采过程中各个流程的安全规定，对煤与煤层气共采的各个过程构建非线性约束条件。

关于煤炭开采过程中的开拓煤量、准备煤量、回采煤量则需根据国家煤矿安全监察局所印发的《防范煤矿采掘接续紧张暂行办法》中所规定的开拓煤量x1至少需要开采5年、准备煤量x2至少需要开采1年、回采煤量x3则需要开采4月～6月。由文件规定对煤炭开采过程中三量进行约束。

x1≥5×365×a

x2≥365×a

120a≤x3≤180×a

式中，a为日开采量，x1为开拓煤量，x2为准备煤量，x3为回采煤量。

回采速度非线性约束，工作面回采过程中会有煤层气扩散。在工作面进行回采作业时，回采速度的加快，将会导致煤层气扩散量增大；回采速度减慢，煤层气扩散量随之减少。煤层气的扩散则是通过抽采、通风来解决的，煤层气扩散量的上限受通风能力约束，工作面确定后其通风能力一定，而回风巷道煤层气体积分数上限有规定限制，在风排煤层气量一定的条件下，要协调好回采速度和煤层气扩散量的关系。因此建立煤层气扩散量与回采速度和巷道风速的非线性约束条件。

qpth≤ρhl1vhthqb+qyi-(x4+x5)

式中，qp为工作面风排煤层气含量，th为回采时间，vh为回采速度，ρ为煤的密度，l1为工作面倾向长度，h为回采高度，qb为本煤层绝对煤层气涌出量，qy为邻近层涌出煤层气总量，x4为预抽煤层气量，x5为采中抽煤层气量。

割煤机生产能力非线性约束，矿山所选用的割煤机设备的能力会对回采速度产生影响。其回采速度与设备理想化平均工作效率，额定速率，每次开采深度以及每次开采规定的时间有关，从而对回采速度进行约束。

式中，vqy为采煤机牵引速度，d为采煤机每次切割深度，ηx1为采煤机工作效率，vh为回采速度。

煤炭采出率非线性约束，煤炭开采过程中采出率的理论值与煤层的厚度有关，厚煤层不能低于93％，中厚层不能低于95％，薄煤层不能低于97％。

式中，xc为煤炭开采量，m为煤炭地质储量，ηe为采出率理论值。

煤炭产量非线性约束，煤炭开采量不能超过矿区所能开采的最大煤炭资源量。

式中，m为煤炭地质储量，为所能开采煤炭资源量的系数。

煤层气扩散量非线性约束，煤与煤层气共采的前提是进行安全地开采，安全开采的前提即为煤层气的扩散量不能超过允许的煤层气扩散量。

式中，a为工作面日开采量，vf为巷道允许最大风速，smin为巷道最小断面积，d’为一天，(24×60×60)s，k为矿井煤层气涌出不均衡系数，；qx为矿区平均相对煤层气涌出量。

煤层气抽采量非线性约束，煤层气最大抽采量不能超过研究区域最大资源总量，既本煤层中所含有的煤层气量。

0＜xx≤ζq

式中，q为煤层煤层气总量，ζ为所能抽采煤层气资源量的系数，x为煤炭开采量。

煤层气抽采率非线性约束，煤层气抽采率与绝对煤层气扩散量有关，由绝对煤层气扩散量确定的理论抽采率，才能保证安全回采。

式中，qfp为风排煤层气总量，η′g为理论煤层气抽采率。

煤层气安全抽采非线性约束，开采结束后的煤层气是难以解吸的，而且如果煤层气能够解吸，但却没有使其流动的通道其也难以涌出，因此将本煤层煤层气资源总量和邻近层可解吸煤层气量中排除煤层残余煤层气作为抽采煤层气上限。

xx≤q-mxgcb

式中，xgcb为开采煤层煤层气可能残存量。

通风安全条件非线性约束，根据《煤矿安全规程》中的规定，回风流中煤层气体积分数不能超过1％。

式中，qfp为风排煤层气总量，qf为通风总量。

煤层气扩散量非线性约束，开采引起煤层气涌出，煤层气扩散量、风排煤层气量和煤层气抽采量之间相互联系。涌出煤层气靠通风和抽采解决。

xx≥qy-qfp

式中，qy为煤层气涌出总量。

煤层气预抽采非线性约束，开采层位于突出煤层时，评价范围内测点残余的煤层气量或者煤层气的压力都小于既定的达标值，且现场测定时钻孔无喷孔现象、顶钻现象或其他动力现象时，才能判定预抽达到标准。

式中，xob为开采煤层原始煤层气含量，xbj为可解吸指标上限值，ty为预抽时间。

回采煤层气抽采非线性约束，单位时间内采出一部分煤后，煤层所失去的煤层气总量就是产出的煤含有的煤层气总量，即原始煤层气含量乘以产煤量，而运送出采煤工作面的煤炭中包含的煤层气总量为残余煤层气含量乘以运送出采煤工作面采煤量，二者之差为回采工作面涌出的煤层气量。

qb≤(x0b-xgcb)ρhl1vh

式中，qb为本煤层绝对煤层气涌出量，vh为回采速度。

采空区煤层气抽采非线性约束，回采速度对煤层气涌入采空区具有约束作用，采空区内的煤层气主要有煤层遗留在采空区中的煤层气和从邻近层涌出的煤层气两部分。同时，采空区抽采时掉落的煤块涌出的煤层气量与回采的速度，煤块中的煤层气含量有关。因此，需要考虑推进速度对邻近层煤层气向采空区涌出的影响。

x6＝qby+mjρjl1vh(x0lj-xgclj)

式中，x6为采后抽煤层气量，mj为邻近层厚度，ρj为邻近层煤的密度，x01j为邻近层原始煤层气含量，xgclj为邻近层残存煤层气含量。

抽采时间非线性约束，工作面开采后45天内，要在已经开采区域现连通的各个巷道中设置防火墙，使采区完全封闭。

t≤45d

式中，t为回采结束后抽采时间。

实施例4：

本实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有用于实现实施例1～3中任意一种煤与煤层气耦合协调开发方法的计算机程序。

实施例5：

本实施例提供一种计算机程序，存储于计算机可读存储介质中；被处理器执行时实现实施例1～3中任意一种煤与煤层气耦合协调开发方法。

实施例6：

参见图5，本实施例提供一种煤与煤层气耦合协调开发，包括数据输入模块1、微处理器2、显示器3、键盘4和存储器5。

所述数据输入模块1将输入的实测指标值传递给微处理器2。微处理器2对输入指标值进行分析与评估，并输出评价报告或优化报告至显示器3显示。所述存储器5中存储有计算机程序。所述计算机程序包括煤与煤层气共采耦合协调度模型和非线性约束优化模型。所述非线性约束优化模型的目标函数为煤与煤层气共采耦合协调度模型。所述非线性约束优化模型的优化变量为煤与煤层气开采过程中的煤炭资源开采量、开拓煤量、准备煤量、回采煤量、煤层气抽采量，采前预抽采量、采中抽采量和采后抽采量。所述非线性约束优化模型的求解变量为日开采量、回采时间、预抽采时间、采后抽采时间、采后抽采时间和风排煤层气量。参见图4，所述计算机程序在被微处理器2执行时用于实现实施例1～3中任意一种煤与煤层气耦合协调开发方法。