煤层气是煤炭的伴生产物，煤层气赋存于煤层孔隙-裂隙中，煤层气既是资源也是煤炭开采过程中重点防控的致灾危险源。20世纪我国高瓦斯突出矿井均通过煤矿井下抽采瓦斯来保证煤炭安全开采，国内外传统的井下区域卸压瓦斯抽采技术存在抽采效率低的问题，无法保证在有限时间内使煤层开采区域抽采达标。进入21 世纪之后煤层气地面井抽采技术在我国逐步获得成功[1]，逐步被推广至我国高瓦斯突出矿井进行煤层气资源开发，同时也有效降低了煤矿井下瓦斯灾害事故的发生频率。目前我国已经进入了煤炭与煤层气两种资源同时开采利用阶段[2]，为了提高煤层气开采效率和瓦斯抽采效率，截止目前已形成了多种形式的煤层气地面井开采技术、井上下联合抽采技术、井下瓦斯抽采技术[3-4]，各矿区的煤层气和煤炭资源赋存条件存在一定差异，各矿区根据自身特点选择煤层气开发技术和煤炭开采技术，目前均已经形成了各自的煤与煤层气开发技术体系，由于采煤工程与采气工程在时间上与空间上存在相互制约关系，因此如何合理安排采煤工程与采气工程，实现煤与煤层气的安全高效协调开发是各矿区均面临的科学难题[5]。
晋城矿区地面井煤层气开采为单一厚煤层煤层气开采，开采煤层气的3号煤层具有瓦斯含量高、渗透性强的特点，适合进行煤层气地面井开采，晋城矿区内大部分矿井主采3号煤层煤炭资源，大部分属于高瓦斯矿井。“十一五”期间，晋城矿区初步形成了基于煤层气地质条件的煤与煤层气协调开发模式[6]。“十二五”期间，基于煤炭开采时空接替规律，晋煤集团将煤矿区划分为生产规划区、开拓准备区与煤炭生产区3个区间，创新地建立了三区联动抽采模式，根据煤储层瓦斯含量与瓦斯压力在不同的区域采用不同的抽采技术[7]，具体包括地面井抽采、井下钻孔抽采、井上下联合抽采三大类[8-9]，煤与煤层气协调开发取得了良好应用效果，在煤与煤层气协调开发效果评价方面已取得了一定成果，张学超[10]通过构建煤层气井下安全性评价体系划分了煤层气抽采后的安全级别，但局限于安全因素和井下抽采范围，经济因素等指标并未涉及;刘见中等[11]从经济、安全、资源回收率3方面构建了煤与煤层气协调开发评价方法，但现场可操作性存在一定不足。煤与煤层气协调开发效果评价的主要目的是对当前煤与煤层气协调开发模式进行进一步优化决策，目前尚缺乏煤层气与煤炭协调开发模式的优化决策方法。
为了进一步提高晋城矿区煤与煤层气协调开发效率，避免只注重地面煤层气开采而未充分考虑未来煤矿安全开采的问题，使得煤层气开采与煤矿井生产、井下瓦斯治理严重脱节，笔者在晋城矿区现阶段煤与煤层气协调开发三区联动基础上，深入总结三区联动各时区之间制约关系，以煤层气和煤炭同时高效开采为目标，以改进煤与煤层气共采过程中时间和资源开采量之间的合理协调程度为目的，探索建立晋城矿区煤与煤层气协调开发模式优化决策方法。
1 煤与煤层气协调开发模式优化决策理论基础
1.1 煤与煤层气协调开发模式优化决策思路
晋城矿区煤与煤层气开发三区联动抽采模式实施过程中，开采煤层的任何大小区域在时间上均必然经历规划区、开拓准备区、生产区3个阶段。生产区阶段采煤工作面为最小工程单元，是煤炭开采中最重要的生产活动阶段，是煤炭井工开采相关法律、法规、规程、规范中的重点管理对象，因此选择以采煤工作面回采煤层区域作为煤与煤层气协调开发研究的基本单元。以采煤工作面区域煤层的煤与煤层气协调开发模式优化决策为基础，对采区、矿井进行逐级规划设计，最终实现对煤矿区煤与煤层气协调开发模式的优化决策，如图1所示。
图1 煤与煤层气协调开发模式优化决策思路
Fig.1 Thought of optimization decision of coordinated development mode of coal and coalbed methane
1.2 煤与煤层气协调开发3区范围界定
采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策是实现全矿区煤与煤层气协调开发的基础。以采煤工作面为研究对象的煤与煤层气开发3区界定如图2所示。生产规划区定义为从地面井开始建设到井下采气工程开始建设之间的时间段，该时区内回采煤层区域内不存在采煤活动，主要为地面采气工程，重点考虑煤层气开采经济效益，该时区划分需要综合考虑将来采煤工作面布置规划，一般至少提前10 a以上时间开始大面积地面预抽。开拓准备区定义为从井下采气工程开始建设到采煤工作面开始回采之间的时间段，该时区内掘进工程与井下采气工程同时存在，重点考虑井下安全效益和煤层气开采经济效益。煤炭生产区定义为从采煤工作面开始回采到采煤工作面回采结束之间的时间段，该时区内采煤工程与井下采气工程同时存在，重点考虑井下安全效益和煤炭开采经济效益。
1.3 煤与煤层气协调开发模式优化决策理论
理论上采煤工作面煤与煤层气共釆过程存在无数种开发方案，如图3所示，在“时间-煤炭资源量-煤层气资源量”坐标系中任意1条曲线均代表一种开发方案，每一种开发方案对应的协调开发程度必然存在差异，差异主要由规划区时间时长和产气量、开拓区时间时长和产气量、生产区时间时长和产气量、生产区产煤量等这些可量化变量体现。将上述变量作为采煤工作面煤与煤层气协调开发模式的优化决策主要内容。同时基于上述变量构建煤与煤层气协调开发效果评价指标体系，能够实现对采煤工作面煤与煤层气协调开发效果的真实客观评价，实现了采煤工作面煤与煤层气协调开发效果评价与协调开发模式优化决策的统一结合。
图2 以采煤工作面为研究对象的煤与煤层气开发3区界定示意
Fig.2 Schematic diagram of definition of three zones in coal and coalbed methane development with coal face as research object
图3 煤与煤层气协调开发模式优化决策主要内容示意
Fig.3 Main contents of optimization decision of coordinated development mode of coal and coalbed methane
采煤工作面煤与煤层气协调开发的本质是对采煤工作面区域进行煤层气高效开采，确保煤炭安全高效开采，实现采煤工作面煤炭资源与煤层气资源共同安全高效开采。采煤工作面煤炭开采量与煤层气开采量之间存在明确的定量约束关系，如图4所示，煤炭开采量、煤层瓦斯含量和采落煤炭瓦斯含量制约煤层气开采量，同时煤层气开采量、煤层瓦斯含量和采落煤炭瓦斯含量制约煤炭开采量。煤与煤层气协调开发模式优化决策理论是以可定量化的煤与煤层气共釆过程资源量守恒关系为本构模型方程、以可定量化的协调开发效果评价指标体系为求解约束条件，通过求解方程最优解，实现对煤与煤层气协调开发模式的优化决策。
图4 煤与煤层气开发过程资源量守恒关系
Fig.4 Conservation relationship of coal and coalbed methane resources in development process
2 煤与煤层气开发3区时空制约关系
2.1 煤与煤层气开发3区时长控制机制
在界定煤与煤层气开发3区范围的基础上，对煤与煤层气开发各时区进行了阶段细化，如图5所示。生产规划区具体包括地面井建设、地面井抽采、接替等待3个阶段，见式(1)。按式(1)计算地面井建设阶段时长。地面井抽采阶段时长由地面井抽采技术与煤层气赋存条件决定，无法直接给出定量计算公式。从规划区转换为开拓区主要取决于井下采掘抽生产规划。开拓准备区具体包括采气工程建设、回采煤层瓦斯区域预抽达标、回采巷道掘进、采煤设备布置、接替等待5个阶段，见式(2)。采气工程建设阶段具体以底抽巷掘进及穿层钻孔施工或者区域递进式顺层钻孔施工为主，还可能同时包括地面采动井建设和井上下联合抽采钻孔施工。按式(2)计算采气工程建设阶段、回采巷道掘进阶段、采煤设备布置阶段时长。回采煤层瓦斯区域预抽阶段时长由煤层气抽采技术与煤层气赋存条件决定，无法直接给出定量计算公式。从开拓区转换为生产区主要取决于井下采掘抽生产规划。煤炭生产区具体包括采煤工作面回采、采煤工作面封闭2个时间阶段，见式(4)。按式(4)计算采煤工作面回采阶段和采煤工作面封闭阶段的时长。
图5 煤与煤层气开发各时区内阶段划分
Fig.5 Stage division of three zones in coal and coalbed methane development
(1)
Tkt=Tkt1+Tkt2+Tkt3+Tkt4+Tkt-sc
(2)
Tsc=Tsc1+Tsc2
(3)
(4)
式中,Tgh为规划区时长，d;Tgh1为地面井建设阶段时长，d;Tgh2为地面井预抽阶段时长，d;Tgh-kt为规划区向开拓区转换的接替阶段时长，d;Msc为采煤工作面回采过程中煤炭总产量，t;ρ为煤的密度，kg/m3;h为回采煤层平均煤厚，m;C为采煤工作面回采过程中回采丢煤量、回采巷道保护煤柱压煤量之和与煤炭总产量的比值，%;ρgh为地面井布置密度，口/m2;vdm为地面井建设速度，d/口;Tkt为开拓准备区时长，d;Tkt1为井下采气工程建设阶段时长，d;Tkt2为回采煤层瓦斯区域预抽达标阶段时长，d;Tkt3为采煤工作面回采巷道掘进阶段时长，d;Tkt4为采煤工作面采煤设备布置阶段时长，d;Tkt-sc为开拓区向生产区转换的采掘抽接替阶段时长，d;ρkt-yc为采煤工作面回采煤层的吨煤瓦斯钻孔量，m/t;Vkt-yc为井下钻孔工程施工速度，m/d;L为采煤工作面长度，m;mhc为采煤工作面回采巷道布置方式，对于“一进一回”型通风系统，该系数取2，对于“两进一回”型通风系统，该系数取3;Vhc为采煤工作面回采巷道(煤巷)掘进速度，m/d;nhc为采煤工作面回采巷道(煤巷)掘进速度系数，对于双巷掘进方式，该系数取2，对于单巷掘进方式，该系数取1;Tface-bz为采煤工作面采煤设备布置时间，d;Tsc为煤炭生产区时长，d;Tsc1为采煤工作面回采阶段时长，d;Tsc2为采煤工作面密闭阶段时长，d;Vsc为采煤工作面推进速度，m/d;Ck为采煤工作面采出率，%;τ为回采煤层最短自然发火期，d。
根据各区内各阶段时长计算公式，分析总结了煤与煤层气开发各式区内各阶段时长的控制关键因素，见表1。
2.2 煤与煤层气开发过程特殊阶段转换指标分析
在上述煤与煤层气开发各时区内阶段划分基础上，个别阶段之间转换必须满足煤矿瓦斯灾害防治规范规程要求。开拓准备区内回采巷道掘进阶段回采巷道(煤巷)掘进工作面为人员集中作业地点，从安全、规程规范2方面考虑，进入回采巷道掘进阶段之前必须满足3个条件:① 回采煤层区域瓦斯压力必须低于0.74 MPa、瓦斯含量必须<8 m3/t;② 回采煤层区域必须瓦斯抽采达标;③ 掘进工作面回风流瓦斯体积分数<1%，如图5所示。采煤工作面为人员集中作业地点，从安全、规程规范2方面考虑，在进入采煤工作面回采阶段之前必须满足采煤工作面回风流瓦斯体积分数<1%，如图5所示。
表1 煤与煤层气开发各区内各阶段时长控制关键因素汇总
Table 1 Summary of key factors of time control of each stage in three zones of coal and coalbed methane development
所属时区阶段符号各阶段时长控制关键因素重点优化阶段资源开采规划区Tgh1地面井建设地面井建设速度Tgh2地面井抽采煤层气抽采效率、煤层气赋存条件是煤层气Tgh-kt规划区向开拓区转换井下采掘抽生产规划安排是煤层气开拓区Tkt1Tkt2Tkt3Tkt4Tkt-sc底抽巷掘进及穿层钻孔施工回采煤层区域顺煤层预抽钻孔施工地面采动井建设井上下联合抽采钻孔施工回采煤层瓦斯区域预抽达标回采巷道掘进采煤工作面采煤设备布置开拓区向生产区转换岩巷掘进速度、钻孔施工速度钻孔施工速度钻孔施工速度钻孔施工速度煤层气抽采效率、煤层气赋存条件煤巷掘进速度突出危险性局部验证治理掘进工作面瓦斯不超限采掘布置安排井下采掘抽生产规划安排是是煤层气煤炭与煤层气煤层气煤层气生产区Tsc1采煤工作面回采阶段Tsc2采煤工作面密闭煤炭开采速度采煤工作面瓦斯不超限煤层最短自然发火期/45 d煤炭与煤层气
3 煤与煤层气协调开发效果评价方法
3.1 煤与煤层气协调开发效果评价指标体系构建
在满足2.2节中煤与煤层气开发过程特殊阶段转换指标条件的前提下，深入分析了各区煤与煤层气开发效果在安全、经济、资源效益之间相互作用影响关系，如图6所示，在总结单一型指标基础上构建了复合型指标，形成了包含18项评价指标的煤与煤层气协调开发效果评价指标体系。通过对晋城集团多个主力矿井采煤工作面煤与煤层气开发数据总结分析，确定了每个评价指标的考核标准，具体指标及其考核标准见表2，其中5项经济类评价指标虽然能够实现定量评价考核，但因经济政策原因无法公开发表，因此下文中的采煤工作面煤与煤层气协调开发效果评价过程中暂不考虑上述5项经济类评价指标。
图6 煤与煤层气协调开发效果评价指标类型间的逻辑关系
Fig.6 Logical relationship between evaluation index types of coordinated development effect of coal and coalbed methane
表2 采煤工作面煤与煤层气协调开发效果评价指标体系及指标考核标准
Table 2 Evaluation index system and evaluation standard of coordinated development effect of coal and coalbed methane in coal face
指标类型协调开发优化指标期望类型各指标值评价考核标准A级别(10分)B级别(7分)C级别(4分)D级别(1分)安全类单一型复合型规划区吨煤瓦斯含量降低率/%极大值≥60≥40,<60≥20,<40<20开拓区开始时刻瓦斯含量/(m3·t-1)极小值≤8>8,≤12>10,≤16≥16生产区开始时刻瓦斯含量/(m3·t-1)极小值≤2>2,≤4>4,≤6>6,≤83区时长中规划区时长占比/%极大值≥85≥70,<85≥55,<70<553区时长中开拓区时长占比/%极小值≤7.5>7.5,≤15>15,≤22.5>22.53区时长中生产区时长占比/%极小值≤7.5>7.5,≤15>15,≤22.5>22.5经济类单一型复合型开采煤炭总价值/亿元极大值开采煤层气总价值/百万元极大值采气-掘进-采煤工程成本投入/亿元极小值3区时长和/月极小值≤120>120,≤160>160,≤200>240开采煤炭总价值与3区时长和比值/(万元·月-1)极大值开采煤层气总价值与3区时长和比值/(万元·月-1)极大值3区采气量中规划区采气量占比/%极大值≥65≥50,<65≥35,<50<35资源效益类单一型复合型煤炭开采量/Mt极大值≥3≥2,<3≥1,<2<1煤层气开采量/Mm3极大值≥60≥45,<60≥30,<45<30煤层气开采量与煤炭开采量比值/(m3·t-1)极大值≥20≥15,<20≥10,<15<10煤层气开采量与3区时长和比值/(Mm3·月-1)极大值≥0.4≥0.3,<0.4≥0.2,<0.3<0.2煤炭开采量/3区时长和比值/(t·月-1)极大值≥20 000≥16 000,<20 000 ≥12 000,<16 000 <12 000
根据各项评价指标值进行考核评分，累加得到采煤工作面煤与煤层气协调开发效果评价总得分，根据评价总得分确定煤与煤层气协调开发效果级别，协调开发效果级别考核标准见表3。采用该指标体系既可以对已开采完毕的采煤工作面的煤与煤层气开发过程的协调开发效果进行定量评价，也可用于对煤与煤层气协调开发模式优化决策过程中采煤工作面的煤与煤层气开发方案的协调开发效果进行定量评价。
表3 煤与煤层气协调开发效果评价考核标准
Table 3 Assessment criteria for the effect evaluation of
coordinated development of coal and coalbed methane
煤与煤层气协调开发效果级别评价考核得分标准(满分130)优秀≥110良好≥90,<110一般≥70,<90较差<70
3.2 煤与煤层气协调开发效果评价方法实际应用
以寺河煤矿东五盘区5301采煤工作面的煤与煤层气开发过程为评价对象，收集该采煤工作面的煤与煤层气开发3区时长及开采资源量数据，见表4，利用采煤工作面的煤与煤层气协调开发优化指标体系及指标考核标准对该工作面实际的煤与煤层气协调开发效果进行定量评价，煤与煤层气协调开发效果级别为良好，具体评价结果见表5。
表4 5301采煤工作面煤与煤层气开发3区时长及开采资源量
Table 4 Time length and resources of coal and coalbed methane development in three areas of coal face of No.5301
阶段参数取值未规划原始煤层气含量/(m3·t-1)23.68规划区时长/月129.87结束时刻煤层气含量/(m3·t-1)10.51煤层气开采量/Mm339.22采气工程地面直井布井密度/(口·m-2)1.25开拓区时长/月14.03煤层气开采量/Mm317.24结束时刻煤层瓦斯含量/(m3·t-1)3.52采气工程顺煤层区域递进式抽采钻孔吨煤钻孔量/m0.207掘进工程回采巷道掘进掘进工艺综掘掘进巷道总长度/m7 788.5掘进速度/(m·d-1)14.01生产区时长/月9.83煤炭产量/Mt2.77煤层气开采量/Mm31.11采煤工程采煤工艺倾斜长壁式综采采出率/%93工作面回采速度/(m·d-1)5.28
4 煤与煤层气协调开发模式优化决策
4.1 煤层气开采量预测方法
科学地预测地面井煤层气产量、井上下联合抽采煤层气开采量、井下钻孔瓦斯抽采量是煤与煤层气协调开发模式优化决策的基础，非均质结构煤层内复杂的煤层气渗流过程使得采气过程远比采煤过程复杂，文献[12-13]中采用数值模拟方法对煤层气渗流过程进行定量计算;文献[14-15]中采用数值模拟方法对地面井井网间距进行了优化设计;文献[16-17]中采用数值模拟方法对采动影响下地面井煤层气产量进行了定量预测;文献[18-19]中采用数理统计方法对地面井煤层气产量进行了定量预测;文献[20-22]中采用人工智能方法对地面井煤层气产量进行了定量预测;文献[23-25]中采用现场实测数据分析或数值模拟方法在一定程度上预测了井下钻孔瓦斯抽采量。但由于煤层气渗流机理目前尚未完全揭示，以煤层气渗流机理为理论基础的数值模拟方法在煤层气开采量预测方面存在准确度有限、预测时间长等不足。以实际煤层气开采数据为基础、以数值分析理论为核心思想的人工智能方法在煤层气开采量预测效率方面具有更加明显的优势，同时煤层气开采量预测准确性随着煤层气开采数据扩充而不断提高。现阶段晋城矿区煤与煤层气开发各时区煤层气开采技术体系如图7所示。
表5 5301采煤工作面煤与煤层气协调开发效果评价结果
Table 5 Evaluation results of coordinated development
effect of coal and coalbed methane in coal face of No.5301
协调开发优化指标指标值考核得分评价总分评价级别规划区吨煤瓦斯含量降低率55.627开拓区开始时刻吨煤瓦斯含量10.517生产区开始时刻吨煤瓦斯含量3.5273区时长中规划区时长占比0.8473区时长中开拓区时长占比0.1073区时长中生产区时长占比0.06103区时长和153.737100良好3区采气量中规划区采气量占比0.6810煤炭开采量2.777煤层气开采量57.567煤层气开采量与煤炭开采量比值20.7810煤层气开采量与3区时长和比值0.377煤炭开采量/3区时长和18 013.527
图7 现阶段晋城矿区煤与煤层气开发三区联动各区煤层气开采技术体系
Fig.7 Technical system of coalbed methane exploitation in three zones of coal and coalbed methane development in Jincheng mining area at present
采用BP神经网络算法构建各时区的各种煤层气开采技术的煤层气开发量预测模型，具体包括BP神经网络预测结构和学习训练构建2个过程，其中BP神经网络预测结构构建具体包括确定预测模型输入信号集、确定输出神经元、确定合理的隐层神经元数量，BP神经网络结构如图8所示，各时区的各种煤层气开采技术的煤层气开采量BP神经网络预测模型的构建流程如图9所示。
xj—输入层第j个属性;yk—输出层第k个输出结果;vji—输
入层第i个属性与隐层第j个元素之间的连接权;wik—隐层第i个
元素与输出层第k个元素之间的连接权;θi—隐层第i个元素
的阈值;ak—输出层第k个元素的阈值
图8 BP神经网络结构示意
Fig.8 Structure of BP neural network
图9 各时区的煤层气开采技术的煤层气开采量BP神经网络预测模型构建流程
Fig.9 Construction process of prediction model for coalbed methane production volume of coalbed methane production
technology in three areas linked with each other
表6 晋城矿区煤与煤层气开发三区联动各时区的煤层气开采技术的煤层气开采量预测模型输入层属性集
Table 6 Attribute set of input layer of prediction model for coalbed methane production volume of coalbed methane production technology in three areas linked with each other
规划区煤层气开发技术参数煤层气赋存参数开拓区煤层气开发技术参数煤层气赋存参数生产区煤层气开发技术参数煤层气赋存参数井网布置形式初始地层渗透率钻孔布置方式煤层渗透率钻孔布置方式瓦斯含量井网密度原始储层压力吨煤钻孔量瓦斯压力钻孔负压瓦斯压力地面井直径临界解吸压力抽采负压瓦斯含量吨煤钻孔率煤层渗透率地面井采排制度煤层含气量钻孔直径煤层孔隙率钻孔直径煤层厚度煤层厚度钻孔封孔工艺煤的密度钻孔封孔工艺兰氏体积埋藏深度钻孔压裂工艺兰氏体积钻孔压裂工艺兰氏压力构造条件兰氏压力煤层孔隙率水文地质条件煤层空隙率煤层含水率煤层倾角煤层含水率煤层厚度煤的密度煤层厚度煤层气成分兰氏体积煤层采动卸压程度煤的密度兰氏压力煤层温度煤层采动卸压程度初始割理孔隙度煤层温度煤坚固性系数煤层含水率
通过查阅文献资料总结概括各时区的各种煤层气开发技术参数和煤层气赋存条件参数，形成三区联动各区煤层气开采技术的煤层气开采量BP神经网络预测模型输入层属性集，作为预测模型的输入信号集，见表6。每个属性在预测过程中均参与具体计算，需要对每个属性进行赋值。对于井网密度、吨煤钻孔量这类能够直接准确定量描述的属性，以实际值进行属性赋值;对于构造条件、水文地质条件这类无法准确量化描述的属性，根据该属性的不同等级程度规定相应的具体数值，完成对该属性的定量赋值;对于井网布置形式、地面井采排制度、钻孔压裂工艺、钻孔封孔工艺这类无法进行量化描述的属性，对该类属性的每一种属性状态情况规定1个相应的具体数值，完成对该属性的定量赋值。随着煤层气开采机理的不断深入研究，将会有新的煤层气开采影响因素被纳入输入层属性集，以不断提高预测模型的预测准确性。
以各种煤层气开采技术的实际煤层气开采数据为基础，采用函数拟合方法确定可用于表征各种煤层气开采技术的煤层气开采量与时间之间关系的最佳函数形式，以最佳函数中的拟合系数作为BP神经网络预测模型的输出层结果集，作为预测模型的输出神经元。通过对寺河煤矿地面垂直井煤层气开采数据进行函数拟合，拟合结果表明表征地面垂直井煤层气开采量与时间之间关系的最佳函数形式为二次多项式函数，拟合曲线如图10所示。通过对寺河煤矿井下顺煤层区域递进式钻孔瓦斯抽采数据进行函数拟合，拟合结果表明表征井下顺层钻孔瓦斯抽采量与时间之间关系的最佳函数形式为负指数项式函数，拟合曲线如图11所示。综上所述，采用函数拟合方法方法寻找各种煤层气开采技术的煤层气开采量与时间之间定量关系的最佳函数形式的研究思路是可行的。
图10 寺河煤矿地面垂直井煤层气开采量与时间之间关系的拟合曲线
Fig.10 Fitting curves of the relationship between coalbed methane production and time of the surface vertical well in Sihe Mine
图11 寺河煤矿井下顺煤层递进式区域抽采钻孔瓦斯抽采量与时间之间关系的拟合曲线
Fig.11 Fitting curves of relationship between gas drainage volume and time of bedding drilling in Sihe Mine
在构建BP神经网络结构之后，收集煤层气开采技术参数数据、煤层气赋存参数数据、以实际煤层气开采量数据构建的煤层气开采量与时间之间最佳拟合关系函数的拟合系数值作为训练样本集，选择Sigmoid 函数作为隐层神经元激活函数，选择Pureline函数作为输出神经元激活函数，通过学习训练获得预测模型中神经元连接权值和神经元阈值，从而建立完整的煤层气开采量BP神经网络预测模型，训练过程如图12所示。
图12 BP神经网络预测模型学习训练流程
Fig.12 Training process of BP neural network prediction model
利用煤层气开采量BP神经网络预测模型能够快速获得给定的煤层气开发技术参数和煤层气赋存参数条件下的煤层气开采量与时间之间关系函数的拟合系数值，得到完整的煤层气开采量预测模型，预测模型直接用于构建煤与煤层气开发3区时空关系制约方程。综上所述阐明了采用BP神经网络算法构建三区联动各时区的各类煤层气开采技术的煤层气开采量BP神经网络预测模型，构建煤层气开采量BP神经网络预测模型是进行煤与煤层气协调开发模式优化决策的重要基础。
4.2 煤与煤层气协调开发模式优化决策模型
以晋城矿区现有三区联动煤层气开采技术和生产区煤炭开采技术为基础，针对规划区、开拓区、生产区分别选择一种或多种煤层气抽采技术，并给定相关技术参数，针对生产区选择一种采煤技术，并给定相关技术参数，形成一种煤与煤层气开发技术方案，针对每一种技术方案，根据煤与煤层气共釆过程资源量守恒关系本构模型构建煤与煤层气开发全生命周期资源量守恒模型，如图13所示。在此基础上，结合各区时长控制机制、煤层气逸散量定量模型、各区的煤层气开采技术所对应的煤层气开采量BP神经网络预测模型，构建得到煤与煤层气开发3区时空关系制约方程:
qkt-d(t)dt+
qkt-f(t)dt+
qsc-d(t)dt+qsc-f(t)dt
(5)
式中,C0为未规划阶段原始煤层气含量，m3/t;Ct为采煤工作面采落煤炭的煤层气含量,m3/t;qgh-d(t)为规划区地面井煤层气开采量与时间关系函数，采用煤层气开采量BP神经网络预测方法构建，m3/d;qkt-d(t)为开拓区煤层气开采量与时间关系函数，采用煤层气开采量BP神经网络预测方法构建，m3/d;qkt-f(t)为开拓区煤层气逸散量与时间关系函数，m3/t;qsc-d(t)为生产区煤层气开采量与时间关系函数，采用煤层气开采量BP神经网络预测方法构建，m3/d;qsc-f(t)为生产区煤层气逸散量与时间关系函数，m3/d。
图13 采煤工作面煤与煤层气开发全生命周期资源量守恒模型
Fig.13 Conservation model of resource development in the whole life cycle of coal and coalbed methane development
式(5)直接建立起煤炭开采量、煤层气开采量、开发时间3者之间的密切耦合关系。将式(1)～(4)代入式(5)中，得到以地面井抽采阶段时长、回采煤层区域抽采达标阶段时长、采煤工作面回采阶段时长、规划区向开拓区转换阶段时长、开拓区向生产区转换阶段时长为待求解变量的采煤工作面的煤与煤层气开发3区时空关系制约方程，根据方程解集计算各项协调开发效果评价指标值，对采煤工作面的煤与煤层气协调开发效果进行定量评价，以采煤工作面煤与煤层气协调开发效果评价结果极大值、煤与煤层气开发过程特殊阶段转换临界指标作为方程的求解约束条件，构建得到采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策模型，具体构建过程如图14所示。
图14 煤与煤层气协调开发模式优化决策模型构建流程
Fig.14 Construction process of optimization decision model for coordinated development mode of coal and coalbed methane
4.3 煤与煤层气协调开发模式优化决策流程构建
煤与煤层气开发过程中煤层气开采技术类型或技术参数改变、煤炭开采技术类型或技术参数改变均可形成不同的煤与煤层气开发技术方案，每一种煤与煤层气开发技术方案均能构建一个3区时空关系制约方程。根据现阶段晋城矿区三区联动煤层气开采技术体系可以构建得到多个煤与煤层气开发3区时空关系制约方程。3区时空关系制约方程为多元方程，理论上该方程为无群组解集，通过设置求解变量取值范围、求解变量取值范围内分段取值处理的方法将该方程由无群组解集转化为有限的多组解集。每组方程解集均代表当前煤与煤层气开发技术方案下的一种具体的煤与煤层气开发方案，每组解均对应一套完整的具体的三区联动煤与煤层气开发技术和开发效果，包括煤层气开发技术类型及技术参数、煤炭开采技术类型及技术参数、3区时长、煤层气产量、煤炭产量等详细的数据。针对每组解集计算其煤与煤层气协调开发效果评价指标值，进行评价考核，从多组解集中优选协调开发效果最佳的1组解集，该组解集就是当前煤与煤层气开发技术方案下的最佳开发方案。从大量解集中确定煤与煤层气协调开发最优解集(煤与煤层气协调开发效果评价得分最高的解集)需要经过大规模计算，需借助计算机编程计算实现。
基于上述分析构建了煤与煤层气协调开发模式优化决策的具体流程。首先根据煤层气和煤炭资源赋存条件，初步确定1套完整的煤与煤层气开发技术方案，构建相应的3区时空关系制约方程，求解得到该煤与煤层气开发技术方案条件下的最优方程解集;通过调整煤层气开采技术参数或煤炭开采技术参数改变3区时空制约关系方程，重新求解方程，获得该方程的最优方程解集;重新选择煤层气开采技术或煤炭开采技术来改变3区时空关系制约方程，重新求解以获得该方程的最优解集;重复上述过程，获得所有煤与煤层气开发技术方案的最优方程解集，从中优选出协调开发效果评价得分最高的解集，该解集就是该矿区煤层气和煤炭资源赋存条件下的采煤工作面煤与煤层气协调开发的最佳开发方案，具体决策流程如图15所示。
图15 煤与煤层气协调开发模式优化决策具体流程
Fig.15 Specific process of optimizing decision-making for coordinated development mode of coal and coalbed methane
根据“采煤工作面→采区→矿井”3层级煤与煤层气协调开发模式优化决策思路，以采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策为基础，对采区、矿井的煤与煤层气协调开发模式进行逐级规划设计，最终实现对整个矿区的煤与煤层气协调开发模式的优化决策，该方法能从根本上解决晋城矿区煤层气开采与煤炭开采的时空矛盾问题。
5 结 论
(1)以晋城矿区煤与煤层气协调开发三区联动理论为基础，提出了以采煤工作面作为煤与煤层气协调开发决策基本单元的“采煤工作面→采区→矿井”3层级煤与煤层气协调开发模式优化决策思路，界定了采煤工作面煤与煤层气开发3区范围，基于非线性规划数学方法建立了采煤工作面煤与煤层气协调开发决策理论，基于3区内各阶段时长公式构建了煤与煤层气开发3区时长控制机制，明确了各区时长关键控制因素以及特殊阶段之间转换临界指标，揭示了3区时长控制机制。
(2)以采煤工作面煤与煤层气协调开发决策具体内容为基础，从安全性、经济性、资源效益性3方面构建了采煤工作面的煤与煤层气协调开发效果评价指标体系及指标考核标准，对寺河煤矿东五盘区5301采煤工作面的煤与煤层气协调开发效果进行定量评价，论证了该评价方法具有良好的现场操作性。
(3)提出了煤层气开采量BP神经网络预测模型的构建方法，以寺河煤矿地面垂直井和井下顺层长钻孔为煤层气开采技术代表分析论证了其现场可操作性;结合3区时长控制机制，以煤与煤层气共采资源量开发守恒方程为本构模型，建立了以3区时长为基本待求解变量的3区时空关系制约方程，将评价指标体系和特殊阶段之间转换临界指标作为方程求解约束条件，构建得到了采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策模型，建立了以最佳开发方案为目标解、以计算机编程语言可实现求解的采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策流程。
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