智能放煤理论与技术研究进展

综放开采技术是厚及特厚煤层开采的有效方法,已成为我国在世界煤炭开采行业的标志性技术。综述了“四要素”放煤理论、顶煤采出率与含矸率关系、基于块度分布的采出率预测模型、煤流瞬时含矸率-累计含矸率关系等智能放煤理论研究进展。分析了智能放煤技术难点,指出含矸率是影响顶煤采出率和煤质的关键因素,放煤过程中含矸率的快速、准确计算是智能放煤技术突破的重点和关键。将智能放煤技术分为非图像识别智能放煤技术和图像识别智能放煤技术2类,对不同技术的研究进展、优缺点及使用条件进行了详细分析。非图像识别智能放煤技术包括记忆放煤技术、声音振动信号识别技术、γ射线探测技术、探地雷达技术、微波照射+红外探测技术、激光扫描放煤量监测技术等,图像识别智能放煤技术包括井下照度环境精准控制、放煤图像去尘算法、含矸率计算精度保障策略、煤岩红外图像识别等。

综放工作面围岩控制与智能化放煤技术现状及展望

分析了厚及特厚煤层智能化综放工作面围岩控制技术与智能化放顶煤技术发展现状及存在的问题,从巷道围岩高效支护、工作面超前支护、坚硬特厚顶煤冒放性、液压支架位姿监测及智能化放顶煤5个方面提出了工程实际需求。针对综放工作面实现安全、高效、智能化开采存在的技术难题与工程需求,对综放工作面围岩控制技术、智能化放煤技术进行了研究:构建了坚硬特厚煤层顶煤悬臂梁力学模型,研发了提高顶煤冒放性及放出率关键技术,实现了坚硬特厚煤层超大采高综放开采;研发了单元式超前液压支架顶梁可旋转自复位装置,实现了液压支架顶梁根据巷道顶板倾斜角度自动旋转支护,有效提高了单元式超前液压支架对巷道顶底板的适应性;提出了采用巷道支护液压支架替代传统锚网支护结构的思路,具有支护效率高、成本低、节省工作面超前支护等优点;开发了基于立柱与尾梁千斤顶行程的综放液压支架支护姿态监测装置与算法,提高了液压支架支护姿态解算效率与精度;提出了基于透明地质模型、煤量监测装置与煤矸识别装置融合的智能放煤控制方法,可有效解决多夹矸层特厚顶煤智能化放煤技术难题。提出智能地质保障技术、机器视觉精准测量与智能感知技术、综放工作面设备智能精准自适应控制技术、综放工作面数字孪生技术等是智能化综放开采技术与装备的发展趋势。

千万吨级综放工作面智能化放煤理论及关键技术

针对综采放顶煤工作面在智能放煤理论、智能感知与识别关键技术、智能放煤综合决策技术和远程放顶煤智能控制技术方面存在的问题,依托“十三五”国家重点研发计划——千万吨级特厚煤层智能化综放开采关键技术及示范,开展了千万吨级综放工作面智能化放煤理论及关键技术研究,取得如下成果:(1)开展了顶板顶煤组合体压缩试验、煤岩组合体破碎块度分布试验和不同顶板-顶煤条件下综放开采放煤相似模拟试验,阐明了顶板顶煤的破碎-运移的相互作用过程;开发了采空区三维激光空间探测技术,证明了群组放煤过程中顶煤“面接触块体成拱现象;开展以采放协调、高回收率、低含矸率为约束条件的特厚煤层多口群组智能放煤数值模拟,确定了群组放煤口数量;综上,为智能放煤工艺优化提供了可靠理论基础。(2)对工作面煤矸地质信息及物性特征、顶煤放落过程全周期感知要素进行探索研究,形成了包含“顶煤厚度在线探测-煤矸精准识别-煤流动态测量”的综合感知技术体系,为智能化放煤决策技术提供了充分的数据信息支撑。(3)建立了综放面“人-机-环”多源信息数据库,构建了基于采放时间协调、采放空间协调、采放运能协调的特厚煤层综放面采放协调决策模型,开发了基于Q-learning算法的智能放煤决策软件,形成了基于煤矸识别、顶煤厚度探测和过煤量监测感知,结合煤矸运移时序特征和经验数据的人工智能决策技术。(4)研发了智能综放面三机位姿高精度惯导监测与控制技术,实现了采煤机、液压支架、刮板输送机的实时定位、姿态监测及动作控制;开发了智能化矿山融合通信调度系统,构建了智能综放远程综合控制平台,成功实现了“远程一键启动”模式的智能放煤。(5)在塔山矿8222工作面,开展了基于探地雷达的顶煤厚度在线探测技术、融合振动-音频-高光谱的煤矸精准识别技术、基于激光三维扫描的放煤量实时监测技术和综放工作面智能化放煤决策软件的应用,现场顶煤厚度探测、混矸率和放煤量的误差分别控制在10.71%、9.32%和7.8%以内,平均每个放煤循环节省时间约30 min,实现了年产1500万t的综放工作面智能高效放煤。

智能放顶煤技术在特厚煤层上覆含水层保护中的应用

我国内蒙古东部和新疆北部草原地区煤炭及地下水资源丰富,煤矿高强度开采形成的采动裂隙易导通强富水含水层,极易引起上覆岩层的地下水系统破坏,更容易发生突水溃砂事故,尤其含水层下综合机械化放顶煤开采的放煤高度难以控制。以特厚煤层上覆含水层系统保护为研究对象,以含水层保护和水砂灾害安全防控为研究目标,研发特厚煤层上覆含水层保护的智能放顶煤关键技术,应用井工煤矿动力突水溃砂防控技术,得出特厚煤层上覆地下水系统保护的根本途径。研发应用一种智能放顶煤技术,包括顶煤运移跟踪系统、多轮记忆放煤方法及系统。基于水文地质条件精细探查、覆岩破坏高度的实测、顶煤采放高度确定,应用多轮记忆放煤智能放顶煤技术,控制采动裂隙带高度。以应用工作面为例,应用水文地质精细探查与钻探验证、覆岩破坏高度获取、智能放顶煤技术后,在工作面回采过程中实现了上覆含水层水砂灾害的安全精准控制,有效保护了煤层上覆强富水含水层。

基于支架结构运动学的放煤机构精准控制研究

放煤机构的精准控制是实现智能化、无人化放顶煤开采的重要基础,放煤机构与后部刮板输送机的空间关系及支架姿态对空间关系的影响规律是构建放顶煤支架控制模型的关键。以ZF17000/27.5/42D型低位放顶煤支架为研究对象,阐述了支架顶板和底板不同俯仰姿态下放煤机构与后部刮板输送机的空间关系;基于液压支架放煤机构开口度控制逻辑,搭建了支架姿态感知系统,提出了液压支架放煤机构末端运动学分析方法;建立了基于D-H矩阵的低位放顶煤液压支架放煤机构末端运动学模型,并据此构建了液压支架放煤机构开口度计算模型,平均计算误差仅为1.71%,满足现场应用精度要求;提出了基于姿态反馈的支架放煤机构闭环控制方法,并将基于放煤机构开口度计算模型开发的放煤决策模型应用于现场。应用效果表明:自动放煤时各支架平均放煤时间的均方差仅为0.13 min,较人工放煤方式整体放煤效率提高20%~43.9%;顶煤采出率达89%,后部刮板输送机负载更加均衡,过载率仅为0.73%。

图像特征与振动频谱多源融合驱动的煤矸识别技术研究

针对目前图像与振动信号融合的方法在煤矸识别领域应用存在特征融合困难、实时性和模型复杂度不满足实际应用要求等问题,设计了基于多头注意力(MA)的多层长短期记忆(ML-LSTM)模型MA-ML-LSTM。采用经粒子群优化(PSO)算法优化的变分模态分解(VMD)算法对振动信号进行处理,将能量、能量矩、峭度、波形因数与矩阵奇异值作为特征量,并采用一维卷积网络获取振动信息;在多分类网络ResNet-18基础上删除最后的全连接层,用于对煤矸图像进行深度特征提取;通过MA机制和ML-LSTM网络实现图像与振动双通道特征融合,强化各通道重要特征信息的表达。实验结果表明:MA-ML-LSTM模型的平均识别准确率达98.72%,相比传统单一的ResNet,MobilenetV3,1D-CNN,LSTM模型分别高4.60%,7.96%,5.37%,6.11%,相比EMD-RF,IMF-SVM,CSPNet-YOLOv7分别高4.18%,4.45%,3.46%,验证了图像特征与振动频谱多源融合驱动的煤矸识别技术的有效性。

基于GSL-YOLO模型的综放工作面混矸率检测方法

针对现有基于深度学习的综放工作面混矸率检测方法在井下低照度、高粉尘、煤矸堆叠等复杂条件下存在煤矸识别精度低、分割效果差、模型参数量和运算量大、未实现混矸率的实时检测等问题,提出了一种基于GSL-YOLO模型的混矸率检测方法。GSL-YOLO模型在YOLOv8-seg的基础上进行以下改进:在主干网络中引入全局注意力机制(GAM),通过减少信息弥散和放大全局交互表示提高模型特征提取能力;选用具有高效局部聚合网络的空间金字塔池化(SPPELAN)模块,提升模型处理不同尺寸目标时的检测性能;采用轻量级非对称多级压缩检测头(LADH),降低模型的训练难度,同时提高推理速度。提出了一种基于类别分割掩码的混矸率计算方法,该方法基于煤流图像处理结果中的分割掩码信息,计算其中矸石的像素面积与总像素面积的比值,作为瞬时混矸率。实验结果表明:(1)GSL-YOLO模型的m AP@0.5∶0.95达96.1%,比YOLOv8-seg模型提高了0.8%。(2)GSL-YOLO模型的参数量为2.9×10^(6)个,浮点运算次数为11.4×10^(9),模型权重为6.0MiB,比YOLOv8-seg模型分别降低了12.1%,5.8%,11.8%,实现了模型的轻量化。(3)GSL-YOLO模型在测试集上的帧率为12帧/s,基本满足实时检测要求。(4)与YOLO系列模型相比,GSL-YOLO模型分割效果最好,检测精度最高,参数量和运算量较少,综合性能最佳。(5)基于截取的综放工作面后部刮板输送机上煤流视频中的3帧图像,计算了瞬时混矸率,结果表明,提出的混矸率计算方法基本实现了综放工作面混矸率的实时计算。

厚煤层内掘巷过小断层构造期间顶煤控制研究

以20322大采高工作面掘巷期间横穿小断层地质构造为工程背景,通过现场监测的方法揭示了巷道掘进横穿小断层构造导致的冒顶来压事故影响范围较大,并通过RFPA数值模拟的方法指明了提高顶板内煤岩体的强度和刚度值能够有效防止冒顶事故的发生。后续理论计算表明对顶板悬露段表面通过对称式布置的3根锚索进行锚固后,弯矩在1.2 m≤x≤4.4 m区域内减小量显著,且当将顶板内两侧锚索调整为锚索桁架系统并在20322回风巷横穿小断层构造F_(322-2)前后50 m范围进行应用后,其顶底板移近量仅为掘巷高度的3%左右,实现了对于顶板内煤岩体的良好控制。

基于工艺引擎的规划放煤控制系统

目前对综放智能化的研究主要聚焦于感知方面,对放煤过程智能化的研究较少,自动放煤控制技术存在自适应性不足、效率较低、放煤质量难以把控等问题。为了提升放煤过程的智能化水平与运行效率,设计了一种基于工艺引擎的规划放煤控制系统。该系统由放煤管控单元和窗口决策单元组成:规划放煤管控单元通过异步递进的放煤调度策略、柔性切换技术及规划放煤工艺编辑引擎,实现采煤机位置弱关联的自动顺序放煤及工艺在线编辑,通过关联后部刮板输送机负载,动态调整工艺启停,保障刮板输送机安全作业;窗口决策单元通过PID控制算法动态调节尾梁角度,实现放煤窗口反馈控制,采用遗传算法优化BP神经网络对放煤窗口大小进行智能决策,以适应不同工况,提高放煤质量。现场应用结果表明:基于异步递进的放煤调度策略与柔性切换技术提升了单刀自动运行效率,无需再手动接管;每一班组自动化运行刀数提升了33.3%;系统关联的后部刮板输送机负载、泵站等设备可动态调整工艺启停,每班后部刮板输送机平均停止次数下降了61.1%,可保障作业安全;工艺编辑引擎能适应多种场景下的应用,工艺调整用时大幅度降低;后部动作与前部动作相互叠加,使得单刀平均用时缩短了9.3%,提升了开采效率;倾角传感关联控制与规划放煤窗口智能决策将每日发热量提升了10.3%,改善了放煤质量。

特厚煤层综放开采顶煤回收率影响因素及措施

为解决特厚煤层综放开采煤炭资源回收率低的问题,以不连沟煤矿6号煤层为研究对象,分析影响特厚煤层综放开采煤炭资源回收率的因素,得出不连沟6号煤冒放性较好,采放高度合理,顶煤夹矸对放煤有一定影响。放煤工艺参数是影响顶煤回收率的主要因素。针对提高顶煤回收率的关键因素,提出优化放煤方式、放煤步距参数和精益化放煤技术措施,并进行现场应用,优化后F6207工作面顶煤回收率比原来提升了2.7%,应用效果良好。

煤层群上行开采对上覆煤层运移的影响

综合运用理论计算、现场实践、UDEC数值模拟分析等方法对赵各庄煤矿煤层群上行开采选择不同首采厚度时上覆煤层的运移破坏特征及对上煤层瓦斯的卸压效果进行了分析,并结合现有开采技术条件,最终确定首先开采12号煤4 m顶分层,然后开采9号煤,最后利用放顶煤工艺开采12号煤的下分层是科学合理的开采方式。

顶煤放出散体介质流理论的现场观测研究

研制了观测顶煤移动和放出规律的专用顶煤运移跟踪仪,用于观测现场顶煤放出率。在室内进行了顶煤放出规律的模拟试验,通过在顶煤不同层位放标志点的方法,详细研究了不同层位顶煤放出率和颗粒移动轨迹,得出靠近支架的下位顶煤受移架步距等影响采出率偏低,靠近顶板的上位顶煤由于窜矸影响,采出率明显低于其他部分。结合标志点在放出过程中的坐标变化,运用回归分析,得出了不同层位顶煤颗粒运移轨迹的曲线方程,表明顶煤颗粒在放出过程中分3个阶段:先沿二次曲线轨迹向后下方移动,然后垂直下降,最后顶煤颗粒会以二次或三次曲线的轨迹向前下方流出放煤口。

综放开采顶煤放出规律三维数值模拟

综放开采中支架上方顶煤在矿山压力作用下破碎成散体,其力学特性与均质岩体相比有较大差异。基于离散元的三维颗粒流程序(PFC3D)能真实地反映顶煤放出过程,建立了综放开采顶煤放出的三维数值模拟模型,进行了不同采放比、放煤步距和放出体形态等的模拟。初始放煤过程中,顶煤颗粒会形成稳定的速度场及二次松散区域;顶煤放出体呈现出支架限定的类偏转椭球体,放出体轴偏角随放煤时间增大呈指数关系减小,放出体高度随放煤时间增大呈幂函数关系增大;顶煤放出体切割煤矸分界面所形成的漏斗面是一个中心轴朝采空区偏移的三维漏斗曲面;不同采放比与放煤步距下,顶煤采出率随工作面的推进呈现出典型的渐进稳定效应。

综放开采顶煤放出散体介质流理论的试验研究

通过模拟试验,系统地研究了综放开采顶煤移动与放出规律、煤岩分界线形状,不同采放比、不同放煤步距、不同煤岩粒径比条件下的顶煤采出率与含矸率等,在理论上提出了顶煤采出率的预测方法.放煤的煤岩分界线为二次曲线,运用放煤前后分界线所围成的煤量减去放煤工艺损失量可预测放出煤量,采放比为1∶2、"二刀一放"时,放煤效果较好.

导水断裂带发育高度的数值模拟

结合工程实例,采用ANSYS-2D,FLAC-2D和FLAC-3D程序对导水断裂带发育规律进行了大量计算和分析,认为:ANSYS-2D宜采用主应变指标来确定;FLAC-2D宜采用塑性区范围来确定;FLAC-3D宜采用应变增量(曲率)指标来确定.

综放开采顶煤破断冒放的块度理论及应用

以顶煤破断块度为特征量,建立了顶煤破断冒放的块度理论框架,分析了不同顶煤块度以及顶煤块度和矸石块度相对差异时的煤矸流动场特征,分析了顶煤放落流动过程中的成拱形态、成拱机率、影响因素、成拱条件和煤矸块度差异对混矸程度的影响,提出了用顶煤可放出系数和极限顶煤块度描述顶煤的可放出性,为坚硬难冒放煤层的弱化设计提供了依据.以该理论为指导,现场应用取得了良好的技术经济效果.

厚煤层放顶煤开采采高对顶煤破坏性分析

厚煤层放顶煤开采中,开采高度作为重要的工艺参数对顶煤的破坏性具有重要的影响,从而影响煤层的采出率及质量。采用数值分析的形式对不同采高对顶煤的破坏性进行模拟,从而得到合理的采高参数,提高顶煤的破坏性,提高煤矿的开采效率及质量。

德菲斯矿综放成套设备应用实践

土耳其德菲斯煤矿位于马尼撒省的索马盆地,因地质构造复杂,断层较多,而且工作面走向存在一定的倾角,导致在工作面开采过程中,存在刮板机与液压支架“上窜下滑”、漂溜等问题,严重地制约了产能。通过对设备的受力进行理论分析,在矿井下对采煤工艺进行针对性的调整,保证了“三机”成套设备在P01工作面的顺利使用。对于矿方复购的第2套设备,通过对工作面刮板输送机、液压支架的结构改进,从配套层面优化设备布局及连接方式,从而极大提升设备的生产适应性,顺利解决了“上窜下滑”、漂溜等问题,达到了工作面产能300万t/a的目标。

智能化综放工作面自动化放煤工艺分析

为解决综放工作面自动化放煤常态化应用难题,以枣泉煤矿120305工作面为例,通过对120305综放工作面放煤工艺和放煤方式进行理论计算和现场试验,获得最佳的放煤参数。在此基础上,提出一种自动放煤控制设计思路,建立与下行/返机自动化放煤工艺相匹配的20工艺段自动放煤程序,工作面支架可分区独立控制,实现动态和静态情况下支架控制范围的设置。该设计提高了综放自动化水平和生产效率,促进了工作面的安全生产,同时避免超放和欠放的问题,提高回采率,为智能化综放工作面的推进打下坚实的基础。

错层位巷道布置放顶煤开采关键层的稳定特征

通过理论分析错层位巷道布置关键层的稳定特点,发现接续工作面的长度对上一工作面关键层的稳定性有影响.借鉴已有成熟的关键层理论公式,在计算中采用四边固支薄板并结合固支梁的力学特性,对错层位巷道布置关键层的稳定性进行公式推导,得出关键层跨度的极限临界值.通过相似模拟实验,验证了错层位巷道相邻工作面关键层稳定的特点.结果显示,错层位巷道布置随着接续工作面长度的增加造成接续工作面之间公共关键层的位置不断升高,直至地表,多个工作面之间显现出单一超长工作面关键层的特点.