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。

综放工作面煤矸识别技术及其应用

综放工作面煤矸识别技术作为智能放煤开采的关键技术,已经成为煤炭智能开采领域的技术难题。首先介绍了综放工作面煤矸识别技术的重要性及其对生产安全和经济效益的影响。随后,指出了该技术目前存在的问题和挑战,如难以识别不同形状、颜色和深度的煤块和岩层;识别过程中噪声和复杂背景的影响等。详细阐述了综放工作面煤矸识别技术的主要方法如射线法、视觉法和振动与声音信号法。通过对煤矸识别方法的原理、技术特点和优缺点等方面进行分析,全面评估了当前综放工作面煤矸识别技术的应用现状以及各种方法的适用条件和存在的问题。最后,探讨了该技术的未来发展趋势,强调了多传感器融合、深度学习和智能决策与实时监测作为当前技术发展的主要方向。

近距离煤层采空区下综放工作面巷道合理位置研究

近距离煤层综放工作面开采空间大,采动强度高,下位煤层回采巷道受上煤层采动影响存在应力集中、巷道支护困难等问题,因此近距离煤层综放工作面巷道合理位置的选取对后期支护控制起到关键性作用。以西露天煤矿2煤层和1煤层1分层为研究对象,综合考虑了上煤层开采时的底板应力降低区域和下煤层开采时的极限平衡区域,确定了下煤层巷道的合理位置应在距离实体煤柱内错22.79 m以上的区域。基于上述理论计算结果,分析了上煤层开采后底板应力分布规律及不同内错距下巷道围岩变形破坏特征及规律,结果表明:①距离采空区底板越近,应力最大值与最小值相差越明显;②随着内错距不断增大,围岩应力和应力集中系数呈现急剧降低-缓慢增大-稳定的趋势,在内错距20~25 m内应力及应力集中系数相对较小;③巷道围岩塑性区范围呈现先减小后增大的趋势,当巷道处于内错20,25 m时巷道围岩破坏相对较小;④巷道变形量随着内错距增大而逐渐减小,当内错距增加至25 m时,巷道围岩移进量基本保持不变;⑤确定巷道合理内错距为20~25 m。工程应用结果表明:巷道采用内错距24 m布置时,巷道围岩松动破坏深度及变形量均在可控范围内,进一步证明了该内错距的合理性。

基于DeepLab v3+的综放工作面含矸率预测研究

针对综放工作面真实煤矸堆叠状态下的体积含矸率很难获取的问题,提出一种基于DeepLab v3+的综放工作面含矸率预测方法。构建了煤矸堆积体图像数据集,采用半自动的数据标注方法和限制对比度自适应直方图均衡化法对煤矸图像进行预处理。运用DeepLab v3+模型进行煤矸图像语义分割,进而计算煤矸图像的投影面积含矸率。利用PFC3D数值模拟软件,基于重建的三维煤矸块体建立数值模型,模拟顶煤放落和刮板输送机运煤过程,通过fish语言读取每个矸石或煤的体积,计算得到煤矸堆积体体积含矸率。通过分析不同顶煤厚度条件下刮板输送机上煤矸堆积体的投影面积含矸率与体积含矸率的量化关系,建立了煤流的体积含矸率预测模型。实验结果表明:DeepLab v3+模型的准确率、平均像素准确率和平均交并比分别为97.68%,97.72%,95.33%,均高于经典语义分割模型FCN8s和PSPNet,实现了煤矸堆积体投影面积含矸率的精准快速识别;体积含矸率预测模型的决定系数R^(2)为0.9828,预测效果较好。

厚硬顶板刀把形采空区下综放工作面冲击地压机制研究

不规则的开采空间结构可增大煤矿冲击地压危险,研究多煤层复杂开采空间结构下工作面冲击机制对煤炭资源安全采出具有重要意义。综合采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究了某矿井W1123综放工作面的动静载分布特征,分析了冲击显现机制,提出了针对性的防冲措施并进行现场应用。结果表明,上覆刀把形采空区和厚硬顶板综合作用下W1123工作面动静载分布具有区域性特征,当工作面仅受到刀把形采空区的“刀柄”作用或同时受“刀柄”和“刀身”作用时,工作面中下部和区段煤柱静载集中、动载扰动剧烈,工作面回风巷围岩也存在动静载集中,且距离刀把形采空边界越近则围岩动静载越高;仅受“刀身”作用时,工作面回风巷围岩静载集中受动载扰动。工作面静载集中区和动载扰动区重合,动静载叠加造成冲击显现。依据刀把形采空区结构特征,W1123工作面回采期间冲击类型依次为强动载型、高静载强动载型、高静载型。数值模拟和现场监测揭示的冲击危险区与理论分析结果一致。针对W1123工作面静动载分布特征,优化设计了冲击地压防治措施,增大了厚硬顶板处理高度和破碎程度、增加了工作面运输巷煤体爆破和煤柱切顶以降低顶板和煤体应力和能量集中;优化措施实施后,工作面微震事件日均能量总体下降54%,大能量事件大幅减少,冲击地压危险显著降低。该研究结果可为相似条件矿井的冲击地压防治提供借鉴。

胡家河煤矿综放工作面矿压显现规律预测及主控因素研究

现有工作面矿压显现规律预测方法中,基于数值模拟与统计回归的方法无法实现对工作面矿压显现规律的实时精准预测,深度学习方法存在超参数较多且难以设置、模型训练速度慢等问题。针对上述问题,以胡家河煤矿402102回采工作面采动过程中监测到的煤体内部应力变化时序数据为基础,将基于粒子群优化的门控循环单元(PSO-GRU)应用到回采工作面矿压显现规律预测中。采用PSO算法对GRU进行优化,构建PSO-GRU模型,实现对超参数的自动寻优,从而提高GRU的训练速度和预测精度。以预测结果为依据,采用层次分析法建立402102回采工作面矿压主控因素评价指标体系,将顶板条件、回采工艺、煤层赋存、地质构造确定为影响工作面矿压的一级指标,进一步细分出具有代表性的14个二级指标。测试结果表明:(1)与未经优化的GRU模型相比,PSO-GRU模型的均方误差(MSE)降低了83.9%,均方根误差(RMSE)降低了59.8%,平均绝对误差(MAE)降低了59.0%,决定系数R2提升了28.9%。(2)PSO-GRU模型对矿压数据预测的拟合度达0.980以上,具有良好的非线性拟合能力和泛化能力。(3)地质条件中的煤层赋存因素对回采工作面矿压的影响最大,权重为0.47;可人为干预的影响因素中工作面推进速度对矿压的影响最大,权重为0.13。

注氮条件下大采高综放工作面采空区自燃“三带”的分布规律

为解决大采高综放工作面因采高大、回采率低、开采扰动强等造成采空区遗煤自燃危险性增大的问题,以宁夏某煤矿大采高综放工作面为研究对象,应用渗透率演变方程和气体流动模型,分析注氮前后氧浓度时空演化规律及采空区自燃“三带”分布特征。结果表明:采空区氧浓度在注氮条件下呈现出中部大,两侧小的倒“U”型分布;在氧浓度划分下,氧化带范围呈现出先增大后减小的半月形,最大宽度由未注氮时的100 m缩小到50 m;在风速划分下,氧化带较未注氮时整体向工作面方向前移了15 m左右,有效降低了自燃危险区范围。

综放工作面过陷落柱底板注浆厚度研究

针对综放工作面过陷落柱等地质构造带时极易出现煤壁片帮、架前冒落、支架陷入底板等生产难题,为优化底板注浆加固厚度,结合某矿实际地质条件,通过UDEC数值模拟对比不同注浆厚度时的支架陷底量,推导了注浆加固厚度与支架载荷和加固体强度等参数的本构关系,计算结果显示:加固厚度应随着支架载荷的增大而增大,随着注浆体强度的增大而减小;综合分析确定:当注浆厚度为1m时,支架能够适应底板的条件。依据数值模拟和理论计算结果,设计了注浆主要参数,并完成施工,实现综放工作面安全经济通过陷落柱。

巨厚硬岩下综放工作面超前效应失效机制研究

以河南义马煤田上赋巨厚硬岩综放工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析和数值模拟等方法,探索工作面开采中的超前效应失效机制,并提出了相应防控策略。研究表明,低位大厚度软岩的易垮性、高位巨厚硬岩的整体性和超前高强卸压是导致超前效应失效的根本原因,低位大厚度软岩随推采即时垮落,高位巨厚硬岩未达到极限跨距时以整体静载作用于下方煤体,煤体所承受的覆岩自重应力被均化,进而导致超前效应显现不明显;超前高强卸压不但阻断了传力路径,同时降低了应力集中程度。据此提出了设计合理推采长度、留设合理隔离煤柱以减少远场悬露岩层的生成,近场实施超前强卸压降力的防控策略,将大幅减少或消除巨厚硬岩下工作面超前效应的影响,对冲击地压防治具有重要意义。

大水易淤综放工作面泄水巷煤泥淤积物临界流速研究

高家堡煤矿综放工作面面前淋水,水源主要来自采煤工作面顶板,矿井涌水量达到4000~5000 m^(3)/h。结合开采工作面泄水巷煤泥淤积的特点,利用罗宾诺维奇—莫纳方程和哈根—泊肃叶(Hagen-Poiseuille)等公式,确定了煤泥混合物的流变类型和本构方程;采用大型环管实验法建立了煤—泥—水混合物的流动模型,理论分析了工作面泄水巷煤泥淤积物分别在高低压段和不同剪切速率下的沉降特性;计算得到动水条件下煤泥淤积物发生流动的临界流速为1.1~1.5 m/s,从而得出煤泥淤积物的临界流速。研究煤泥在矿井水流动过程中的淤积机理,可为科学合理的清淤工作提供理论依据。

煤矿大倾角综放工作面采煤参数及采煤工艺优化分析

以A煤矿26514工作面为例,介绍了一种基于有限元分析的煤矿大倾角综放工作面采煤参数及采煤工艺优化方法。该方法根据煤矿大倾角综放工作面参数构建相应的有限元模型,通过有限元模型的分析寻找现有工作面采煤参数与采煤工艺的缺陷,进而以此为基础制定工作面采煤参数与采煤工艺优化方案。研究对大倾角综放工作面的开采具有重要意义。

特厚煤层综放工作面顶板破断及围岩应力分析

针对特厚煤层综放工作面矿压显现强、顶板治理的难题,以梨园河煤矿51104综放工作面为背景,通过理论和数值仿真,对工作面推进过程中的顶板破断特性及围岩应力演化进行了研究。极限跨距计算求得基本顶初次破断步距为33.7 m;通过FLAC3D软件分析工作面推进过程中围岩应力规律及塑性区变化,得到基本顶初次破断步距为30~35 m,与理论分析结果相符。

综放工作面“以孔代巷”瓦斯治理技术应用

针对王家岭矿采煤工作面“厚煤层、高产量、瓦斯低含量”的特点,拟定采用顶板走向长钻孔代替高抽巷的瓦斯治理技术。以该矿18103工作面为工程实例,通过施工定向顶板走向长钻孔进行抽采试验,以验证“以孔代巷”瓦斯治理的可行性及有效性,应用取得显著效果。

综放工作面智能化升级改造与应用

智能化不仅是煤矿转型升级的新途径,也是新时代背景下煤炭开采技术革新的前进方向,更是煤炭工业高质量发展的必由之路。以山西中煤东坡煤矿915综放工作面为智能化升级改造对象,结合工作面开采技术条件和现场设备实际配置情况,按照智能化采煤工作面建设指南及验收管理办法的相关要求,在合理控制投资的前提下提出了具有针对性的中级智能化综放工作面改造目标、系统架构和升级方案,完成了对采煤、支护、供液、人员定位及视频监控等子系统的智能化升级。升级改造后实现了工作面采煤机记忆截割、支架一键放煤、自动跟机、实时视频监控、地面及井下远程可视化控制、各系统协同控制等功能,达到了“增安、减人、提效”的目的,对类似条件下智能化采煤工作面建设具有一定的参考意义。

130203综放工作面综合防灭火技术研究与实践

130203工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤法,所采2#煤层属于易自燃煤层。为预防在回采期间工作面出现自燃发火的现象,结合130203综放工作面实际开采情况,采用预测、治理及效果监测的全过程研究方法,确定了自燃发火预测预报,封堵采空区漏风,工作面上、下段采空区灌注防灭火材料,采空区灌浆、注惰性气体等综合防灭火技术方案,并制定了近距离、远距离、小面积、大面积应急灭火方案。经实践证明130203综放工作面回采期间,工作面煤层未出现自燃迹象及险情,达到了预期的防治效果,保障了工作面的安全生产。

近冲积层下综放工作面水煤分离技术研究

葛泉矿东井主采煤层为9#煤,东二采区工作面基本为近冲积层布置,第四系底砾含水层作为补给水源,通过裂隙涌入工作面,水量较大,并且二采工作面绝大多为俯采,在回采1295工作面时,采空区最大出水量为100m3/h,此时,水煤全部淤积在运料巷,并且出水点基本在采空区,无法实现堵水和疏水,水流将支架后方的煤和工作面运输机中的煤全部冲走,形成大量水煤,1295运料巷坡底沉淀分离系统分离、外运能力不足,泵窝淤满,24小时就将东二采区水仓淤满,导致排水系统瘫痪,最终停止回采作业,被动进行治水工作。通过源头堵、疏、排水结合后路水煤沉淀、分离系统实现水煤分离外运,使工作面能够安全高效的进行回采作业,还能避免煤炭资源浪费。

基于对比度 区域均匀性图分析的综放工作面上隅角瓦斯超限预警算法研究

综放工作面上隅角通风困难,瓦斯难以有效排出,容易导致瓦斯积聚。当浓度达到一定程度时,容易诱发瓦斯超限事件甚至瓦斯爆炸事故,对井下作业人员和设备造成严重威胁。为应对此问题,提出了基于对比度区域均匀性图分析的综放工作面上隅角瓦斯超限预警算法。该算法使用时空克里金插值法,构建综放工作面上隅角瓦斯数据点插值模型,利用综放工作面已知数据,获取瓦斯采样点的信息,根据时空变异函数、时空协方差函数表征各采样点间的时空相关关联性,估计瓦斯未知采样点的时空信息,利用马特隆模型拟合所有采样点,以得到综放工作面上隅角瓦斯对比度区域均匀性图,通过此图明确综放工作面上隅角瓦斯浓度,通过评估标准确定其风险等级,进而启动相应的防范措施。实验结果表明,对比度区域均匀性图分析可准确预测上隅角瓦斯浓度及其变化特征,且预警精度高。

近距离采空区下综放工作面安全高效回撤工艺研究

综放工作面由于设备多、设备型号大,末采期间工作面顶板管理较综采工作面复杂,对于采空区下综放工作面,在回撤期间对顶板要求更高,国内外没有可以借鉴的经验。内蒙古福城矿业有限公司1502N为近距离采空区下放顶煤工作面,通过对工作面停采位置、层位、工作面顶板支护方案等方面进行全面论证,保证工作面末采及回撤期间的顶板安全。

马兰矿18504综放工作面顶板水防治技术研究

含水层对煤矿安全生产造成了严重威胁,为做好顶板水防治以实现安全回采。以马兰矿18504综放工作面为工程背景,由于顶板含水丰富,回采期间矿井最大涌水量达到900m3/h以上,威胁矿井安全回采,为防治水害,制定了综合物探探测、疏排和底板注浆改造等综合防治水技术方案,现场实践取得良好效果,有效地降低工作面水害的威胁程度,确保了工作面回采后的安全生产。

急倾斜煤层综放工作面顶煤超前预裂爆破工艺研究

为保证综放工作面安全回采,减轻急倾斜工作面劳动强度,并实现连续生产,避免发生瓦斯事故,对急倾斜煤层高阶段综放开采危险源、顶煤超前预裂爆破技术理论和爆破弱化数值等进行分析,并提出顶煤超前预裂爆破技术参数设计。实施效果证明,相关技术参数合理,技术作用显著,可实现预期目标。