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。

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%。

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。

特厚煤层综放开采合理放煤工艺参数研究

针对不连沟煤矿特厚煤层综放开采放煤工艺参数确定的合理性问题,通过实测特厚煤层单轮顺序放煤时单个支架的连续放煤时间,在倾向方向基于“大、中、小、微”放煤理念确定了“大”放煤、“中”放煤、“小”放煤、“微”放煤的循环内位置和放煤间距;在走向方向通过布置多点位移计测试了不同顶煤高度、不同循环时的顶煤运移轨迹曲线,得出在倾斜方向的顶煤移动轨迹曲线方程,确定不同放煤步距时的工艺损失。研究结果表明:单放煤口充分放煤时,工作面倾向方向影响距离6~12架,倾向单架放煤影响半径平均7.6 m;循环内两端“大”放煤、中间“中”放煤、其余“小”放煤和“微”放煤交替;本架放煤在垂高12.3 m层位的走向影响距离平均4.9 m,在垂高8.3 m层位的走向影响距离平均3.8 m,拟合确定了不同放煤步距的顶煤走向运移方程,理论得出循环步距0.8 m比1.6 m减少煤炭损失694 t。研究结果为指导不连沟煤矿特厚煤层综放开采合理放煤和提高资源回收率提供依据。

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。

煤矿综采工艺放煤步距的实验分析应用

煤炭作为我国重要的能源形式,进行煤炭综采过程中,提高放煤技术能够提高煤炭的产量及质量。放煤步距作为放煤过程中重要的工艺参数,必须针对不同的煤层选择合理的放煤步距。采用实验分析的形式对厚煤层的放煤步距进行模拟实验,采用不同颜色的石子模拟顶煤及直接顶的流动作用,经过实验对一采一放、两采一放及三采一放三种不同的放煤步距产生的顶煤进行分析,从而对煤矿的开采提供应用参考。

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。

厚煤层长壁综放工艺放煤间距的设置研究

长壁综采工艺可进行厚煤层一次全采,具有较高的开采效率及安全性,适用于对我国西部地区的厚煤层进行开采。在长壁综采过程中,放煤间距的选择对采出的效果具有重要的影响作用。针对长壁综采过程中放煤间距的选择设置进行研究分析,结果表明,放煤间距的增加,顶煤的放出率呈先增加后减小的变化,含矸率则呈先减小后缓慢增加的变化,同时放煤间距的设置与顶煤高度具有密切的关系,可以依据煤层顶煤的变化进行合理放煤间距的设置,实现较好的采出效果。

基于PFC的放顶煤放煤机理数值模拟

基于PFC颗粒流数值模拟软件,分别模拟了0.6 m、1.2 m、1.8 m这3种放煤步距,结果显示这3种放煤步距放出率分别为86%、83%、74%,含矸率分别为12%、6%、2%。从顶煤的运动特征和接触力场变化规律论述了放煤动态多层位拱结构的发育过程及机理,发现顶煤的放出过程是一个多层位拱结构不断形成、破坏的动态过程,会形成一个动态多层位拱结构;而不同位置的顶煤运移空间受限程度不同,导致不同位置顶煤运动状态不同,当拱结构上方矿山压力大于拱结构内顶煤颗粒之间摩擦力时,拱结构遭到破坏;由于位于拱顶的顶煤运移速度远大于两侧拱脚,导致拱结构的拱顶层位不断向上发育,从而形成高层位的拱结构,涌向放煤口的顶煤可能在放煤口形成低层位的拱结构。研究认为,沿工作面走向顶煤放出体应是一个连续的放煤椭球体,合理的放煤步距应为一个椭球体的宽度,并通过模拟试验证明了通过支架尾梁摆动破拱能够有效提高放煤效率。

低位综放工作面提高顶煤回采率的放煤方式优化

针对古城煤矿低位综放工作面顶煤回采率低的问题,以S1306低位综放工作面为背景,分析了现有放煤方式。首先,通过建立不同放煤方式与放煤口长度的PFC数值计算模型,分析了不同放煤口长度以及相同放煤口长度、不同放煤方式下顶煤回采率;其次,提出了双口间隔动态放煤方式,对比分析了单口顺序放煤、双口顺序放煤以及双口间隔动态放煤的顶煤回采率;最后,研究了不同采放比对3种放煤方式顶煤回采率的影响。研究表明:低位综放工作面顶煤回采率随着放煤口长度的增大而逐渐减小;放煤口长度一定时,单口顺序放煤顶煤回采率大于双口顺序放煤的顶煤回采率;双口间隔动态放煤顶煤回采率相较于单口顺序放煤提高了约8.44%,放煤时间节省了46%,且放煤均衡性优于单口顺序放煤与双口顺序放煤;双口间隔动态放煤和单口顺序放煤的顶煤回采率均随着采放比的增大而增大,当采放比小于1∶1时,双口间隔动态放煤顶煤回采率大于单口顺序放煤方式,当采放比大于1∶1时,两者之间差距明显减小,但双口间隔动态放煤的时间大大缩短。因此,双口间隔动态放煤方式结合了低位综放工作面条件下单口放煤方式顶煤回采率高和双口放煤方式放煤时间短的优势。

浅埋双硬特厚煤层放煤规律分析及参数研究

新疆地区煤炭资源埋藏较浅、煤层较厚、煤层与顶板坚硬而导致顶煤冒放性较差,无法实现安全高效放顶煤开采,并且目前针对浅埋双硬特厚煤层综放工作面高效放煤的相关研究较少。针对上述问题,以榆树岭煤矿110501综放工作面为工程背景,对浅埋双硬特厚煤层放煤规律进行研究,从而确定合理的采放比及放煤工艺,提高采出率。采用FLAC3D软件分析了综放工作面回采过程中煤岩破坏规律,以设计合理采放比。结果如下:①随着工作面采高不断增大,顶煤及煤帮的屈服破坏系数不断增大,且工作面煤帮超前支承应力峰值和影响区域逐渐增大。②综合考虑顶煤、煤帮的稳定性和冒放性,设计采高为4.0 m,放顶煤高度为4.6 m,采放比为1∶1.15。利用PFC2D软件分析了综放工作面顶煤冒放规律,以设计合理放煤工艺(包括放煤步距和放煤方式)。结果如下:①“一采一放”含矸率比“两采一放”“三采一放”高,但由于放煤步距较小,整体放出率高于“两采一放”“三采一放”,因此选用“一采一放”的放煤步距。②单轮放煤相比于2轮放煤,放煤速度高,但含矸率较大,放出率较小;2轮间隔放煤与2轮顺序放煤相比,放出率较高,因此选择2轮间隔放煤方式。将设计的采放比和放煤工艺应用于110501综放工作面工程实践,结果表明:该工作面顶煤放出率为82%~87%,平均放出率大于82%,放煤效果较好。

大倾角综放工作面顶煤损失分布特征及放煤步距优化

为提高唐山矿0291综放工作面的顶煤回收率,针对生产过程中的端头、架间、初采等7个方面的顶煤损失问题,理论计算了顶煤损失量,分析了工作面顶煤损失分布特征,将步距间损失作为优化对象,选用PFC2D软件对放煤步距进行优化,按照“见矸即停”原则,比较不同放煤步距的顶煤放出量,模拟结果表明:顶煤放出量随着支架的推移呈现明显的波动性,“一刀一放”的放煤量在80~560块之间,“二刀一放”的放煤量在50~680块之间,“三刀一放”的放煤量在100~1100块之间,从放出总量来看,放煤效率最高的是“一刀一放”,其顶煤放出总量为3832块,因此放煤步距优化为“一刀一放”时,可有效降低放煤步距间损失。

液压支架放煤机构安全过煤临界准则及放煤口精准控制方法研究

综采放顶煤技术已成为我国特厚煤层高产高效开采的主流方式,放煤机构的精准控制是实现放顶煤开采自动化与智能化的重要基础,掌握放煤机构的空间运动规律是实现对其精准控制的前提。液压支架放煤机构的即时形态受支架支撑高度、支架姿态、插板伸出长度、后部刮板机相对位置共同控制,对放煤机构安全过煤高度和放煤口开口度有重要影响。以ZF15000/27.5/42型支架为研究对象,采用有限元分析软件ABAQUS建立了三维四柱式放顶煤液压支架多体动力学仿真模型,分别采用Hinge,Translator连接器模拟支架各铰接点的旋转行为及支架立柱、插板的伸缩行为。以支架支撑高度H、尾梁摆动角度α、插板伸出长度l为控制变量,开展了三因素多状态数值模拟试验,研究了掩护梁–尾梁铰接点、插板末端的空间运动规律,运用Levenberg-Marquardt拟合迭代法得出了放煤机构安全过煤临界准则,建立了插板末端坐标、放煤口开口度与H、α、l的标定关系数据库。推荐了用于感知与控制放煤机构姿态的传感器类型及安装位置,推导了基于行程传感器的尾梁角度计算方法,提出了放煤口开口度精准控制方法。通过现场验证对比放煤机构开口度计算值与现场放煤口实测值,得出两者相对误差符合现场精度要求。该控制方法为智能决策与控制系统(软件)研发提供了理论支持,在现场得到成功应用。

倾斜煤层放煤工艺参数的选择分析

倾斜煤层在我国具有较大得到储量,如何对倾斜煤层进行有效的开采,提高开采效果对我国煤炭资源的使用具有重要的影响。针对倾斜煤层放煤工艺参数的选择设置,采用PFC仿真模拟的形式进行分析。结果表明,随着放煤步距的增加,顶煤的放出量呈逐渐增加的趋势,经过分析,选择合理的放煤参数为采高4m时进行两采一放的放煤方式。

腾晖煤业综放工作面放煤参数设计及应用

针对放顶煤采煤参数对顶煤回收率影响较大的问题,以腾晖煤业2#煤层工程背景,采用理论分析、数值模拟等方法,确定了合理的放煤参数如下:割煤高度为3 m,采放比为1∶1.03,放煤步距为0.8 m,放煤方式为单轮间隔放煤。在2-202工作面进行现场试验,现场监测结果显示,在前述放煤参数条件下,顶煤回收率为89.5%,含矸率为7.6%,前述设计方案合理、可行,可保证工作面安全、高效生产。

综采放顶煤开采不同放煤工艺的影响作用分析

综采放顶煤开采是广泛使用的重要的放煤工艺,特别是针对急倾斜煤层的开采,可以提高煤矿的开采水平。针对放顶煤开采中不同的放煤工艺对煤炭产量及质量得到影响作用进行理论及实验分析,结果表明,多轮间隔放煤是急倾斜煤层综采放顶煤开采中最佳的放煤方式,此时的回采率及原煤产量最高,含矸率也相对较低。

智能化放顶煤开采的精确放煤控制技术

综放工作面液压支架引入电液控制系统后,实现了定时放煤和记忆放煤。要适应顶煤层地质变化,还需要引入放煤过程全方位监控技术和装备,实时监测放煤前、放煤中和放煤后的顶煤层静态和动态变化情况,精确控制放煤过程,做到随放随探,才能保证回采率和煤质的最优平衡。首先分析放煤过程监控的技术难点,在于放煤时煤岩粉尘造成视觉成像的信号严重衰减;其次根据放煤量数据判断煤矸放落比例的信号处理时间要求达到秒级,才能满足“见矸关门”决策对控制放煤实时性的要求。按照放煤过程分“放煤前、放煤中和放煤后”3阶段采用不同的感知技术和装备,放煤前采用支架顶梁前部安装透地雷达测量顶煤厚度作为放煤量的基准;放煤中采用在支架顶梁和掩护梁结合处安装三维雷达扫描未放顶煤空间,测量出剩余顶煤体量,与放煤前的放煤量基准进行比对,来确定放煤过程何时终止;放煤后将识别后部刮板运输机上已放落的煤炭体量和煤矸比例,提高煤矸检测的鲁棒性。放煤前测量煤层厚度的雷达采用超宽带无线脉冲信号,能够穿透3~6 m的煤层,测量煤层厚度精度达到厘米级;放煤中对顶煤体量的动态变化检测采用激光雷达或毫米波雷达,能够满足空间测量范围、精度和处理实时性要求;放煤后对煤矸的识别采用高清宽动态摄像机辅以透尘光源,通过图像灰度卷积来计算煤矸混放比例参数,用以判断全煤下放、煤矸混放和全矸下放的3个过程数字量化问题,实现实时反馈控制精确放煤。通过放煤前、中和后3阶段的技术综合,研制相应的传感装备,将测量数据实时传输给工作面自动化系统,经过系统数据计算分析和智能化处理,把放煤控制决策数据发送给液压支架电液控制系统,实现对应支架的放煤口大小及时调整和关闭控制。经过具备条件的智能化综放工作面现场工业试验,验证了采用放煤前中后全过程实时监测手段能够精确地控制放煤口大小和关闭,实现了将现场放煤工人解放到安全条件好的巷道或地面监控中心,达到了综放工作面放煤现场无人操作的智能化目标。

综放面放煤工艺技术优化研究

针对综放工作面开采过程中因开采环境特殊性和围岩结构复杂性导致的运行能力受限问题,通过实测某煤矿大采高综放工作面工艺参数,并分析综放工作面各个工序所用时间和工作面系统开机率,进一步提高综放工作面生产效率和安全性。通过一系列的工艺优化,开采效率约提高1.8~2.4倍。

大倾角厚煤层开采不同采高与放煤步距的影响分析

大倾角厚煤层是我国面临的重要的煤层开采形态,由于煤层的倾角较大,造成开采难度的增加。采用放顶煤综采过程中,不同的采高及放煤步距对顶煤的放出具有重要的影响作用。针对大倾角厚煤层开采过程中,不同采高及放煤步距对顶煤采出率的影响采用PFC仿真模拟的方式进行分析。建立了不同参数的开采模型,对开采过程进行仿真模拟,得到采高为4 m放煤步距为1.6 m(两采一放)的开采工艺为最佳的开采参数,此时顶煤的采出率最高,且具有较好的操作性。

黄玉川煤矿无人干预自动化放煤研究

以黄玉川煤矿226_(上)02综放工作面为工程背景,采用PFC数值模拟软件,对单轮顺序放煤、单轮间隔放煤和多轮顺序放煤工艺进行了模拟分析,比较了放煤过程中放出体大小和煤岩分界面变化情况,结果显示多轮顺序放煤工艺下顶煤采出率比单轮放煤工艺高5%~8%。为实现黄玉川煤矿226_(上)02综放工作面放煤效率、顶煤采出率最大化,提出了多轮顺序记忆放煤控制技术,并在开采装备的配套上,采用煤矸图像识别和顶煤跟踪仪实时监控等手段,将软件和硬件形成有机整体。煤矸图像识别软件可很好地区分煤和矸石,并能够实时显示顶煤放出体的矸石含量,起到监控放煤效果的作用;顶煤跟踪仪信号采集装置和处理软件可实时反映不同位置顶煤放出情况,为无人干预自动化放煤技术的实现提供了途径。