矿业系统工程60年发展与展望

矿业是以安全高效绿色开发和清洁高效低碳利用矿产资源为目的行业,也是经济社会发展的基础行业。为了使矿业开发更加经济、考虑的因素更加全面、设计和开发过程更加优化,20世纪50年代末期,将运筹学和计算机技术引入到了矿业工程,形成了矿业系统工程这一新的学科分支。早期的矿业系统工程主要是以采矿生产过程优化和计算机在矿山设计、采掘计划编制、信息处理、应用软件开发为主,且多以露天矿为研究对象。近年来矿业系统工程研究紧密结合大数据、人工智能、网络技术等,在矿山信息网络构建、运销系统、智能开采、设备管理、安全管理等方面取得了丰硕成果。详细阐述了矿业系统工程的起源和发展过程,并以运筹学和计算机在矿业中的应用国际会议(APCOM),尤其是已经举办的十五届全国矿业系统工程学术会议为脉络,客观地总结了矿业系统工程的发展过程和研究内容演变。以CNKI数据库为数据基础,通过聚类分析,研究了近20 a矿业系统工程的刊文量和研究对象及其变化。矿业系统工程的未来发展应聚焦于系统科学思想与现代采矿技术的结合,建立科学的系统及其边界,比如科学采矿系统、矿山全生命周期系统、智能矿山系统等八大系统,矿业系统工程的发展将更加注重数字化、智能化、可持续发展、信息化和自动化等方面的创新和应用,同时将不断拓展其应用领域,以实现矿业开发的最优化、高效化、绿色化和低碳化。

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。

非肝硬化背景下肝脏乏脂肪型血管平滑肌脂肪瘤的CT影像学表现、病理基础及鉴别诊断

目的探讨非肝硬化背景下乏脂肪型血管平滑肌脂肪瘤(fpHAML)的影像学特点,以提高对该类型病灶的认识。方法选取19例经病理证实的fpHAML患者的临床及影像学资料,所有患者均行CT平扫及动态增强检查。结果19例患者中16例(84.21%)无临床症状,3例(15.79%)仅有腹痛。患者均无肝炎、肝硬化和结节性硬化症的病史。19例患者中共20个病灶,所有病灶影像学表现均未见脂肪、钙化、出血、坏死及假包膜。所有病灶在动脉期显示出均匀/不均匀的明显强化,其强化程度明显高于周围正常的肝实质。8例门静脉期增强程度高于动脉期。病灶中可见多发的肿瘤血管,且直径大于3.0 cm的病灶更为常见。门静脉期或延迟期可见18个(90.00%)病灶的增强程度略高于或等于周围的正常肝实质。6个病灶(7.50%)显示存在早期引流静脉。10个(50.00%)病灶有强化范围逐渐增大的趋势。11个(55.00%)病灶显示血管样走行的延迟轻度强化区域。结论fpHAML的CT表现具有一定的特异性,有助于fpHAML的鉴别诊断。

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。

超高与超长工作面高效综采关键技术及装备发展现状与展望

煤炭作为我国经济发展的重要能源支撑,未来一段时间内,其在能源消费中仍将保持主导地位,随着相关技术装备的不断发展,我国部分矿井已实现单井单面产量突破千万吨,煤炭资源安全高效开发是我国未来科技发展的重要方向。依托国家重点研发计划项目“煤矿超高与超长工作面高效综采关键技术及装备”,以超高与超长工作面高效开采为核心,介绍了国内外超高与超长高效综采工作面的岩层控制理论、技术与综采装备发展现状,围绕“超大开采空间全覆岩三维动态破断规律与超高煤壁失稳破坏机理”“超大开采空间强矿压覆岩结构改造及其应力调控机理”“多重动载作用下超高与超长综采装备群动态响应及高效智能协同作业机制”三大科学问题,开展“超大开采空间全覆岩破断运移机理及围岩协同控制理论”“超大开采空间强矿压区域压裂卸压技术与装备”“超高与超长工作面智能开采成套装备”“超高与超长工作面装备群智能协同控制技术与装备”“超高与超长工作面高效综采工程示范”5项技术攻关。实践表明,我国部分超高与超长采煤工作面已形成成套技术及装备体系,为我国地质条件较为简单的厚煤层及中厚煤层矿区煤炭资源的安全、高效、绿色开采提供了可靠保障。指出了我国超高与超长高效综采工作面理论技术与装备及其控制的发展方向。

煤矿采场岩层运动与控制研究进展--纪念钱鸣高院士“砌体梁”理论40年

自1982年钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论得到国际公认以来,煤矿采场矿山压力研究实现从定性假说到定量理论的跨越式发展。40年来,我国的采场岩层运动与控制研究已形成较系统的理论与技术体系,服务于煤炭安全、高效、绿色开采。以“砌体梁”理论学术思想为主线,综述了我国煤矿采场岩层运动与控制研究进展,并提出了今后需要发展的研究方向。“砌体梁”理论采用“梁”“薄板”模型分析基本顶破断规律,揭示了顶板断裂线位于采场煤壁前方;煤壁和矸石支撑下基本顶破断岩块回转挤压,咬合形成“砌体梁”结构;发现了“砌体梁”结构的滑落(S)失稳和回转变形(R)失稳模式,建立了S-R失稳的力学条件,提出了基于“砌体梁”结构平衡的顶板压力计算方法,首次实现了支架-围岩关系的定量分析。“砌体梁”结构采场矿山压力力学模型突破了传统定性假说,为保障煤矿的安全和高产高效作出了历史性贡献。“砌体梁”理论指导煤矿采场顶板控制取得系列进展,如支架-围岩三耦合关系、顶板动载荷模型、支架阻力确定的二元准则、中厚板模型、大空间采场远-近场模型等。在“砌体梁”理论的基础上,钱鸣高院士于20世纪90年代中期提出了关键层理论,建立了下至采场、上至地表全覆岩运动过程的力学联系,实现了采场矿压、岩层移动和地表沉陷研究的统一。“砌体梁”理论与关键层理论指导了我国煤矿采场矿山压力与岩层控制研究,在采场矿压控制、覆岩裂隙分布、采动应力分布、岩层移动与开采沉陷等方面取得重要成果,为煤炭绿色开采与科学采矿奠定了基础。岩层运动与控制理论的进一步发展需集中到岩层运动统一场理论,基于采动岩层控制的灾害防治与减损技术,复杂条件岩层运动规律,岩层运动可视化技术和智能岩层控制技术等方面。

千米深井超长工作面顶板分区破断驱动机制与围岩区域化控制研究

我国煤矿开采深度和工作面长度不断增加,矿压显现剧烈程度逐年走高。为提高深部超长工作面围岩控制效果,以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析、室内试验等手段研究顶板微震活动规律,揭示顶板分区破断与动态迁移机制。结果表明:千米深井超长工作面支架阻力呈现“中间小、两端大”的谷形分布特征,顶板破断有异于常规采场的“O-X”模式;工作面不同推进阶段,顶板破断引起的高能级微震事件位置在工作面长度方向上动态变化,表明基本顶破断存在分区和动态迁移现象;工作面中部高能级微震事件携带能量小于工作面两侧,造成中部动载冲击效应弱,与支架阻力谷形分布吻合;将超前采动应力大于基本顶初始屈服强度的区域定义为峰值影响区,区内应力集中驱动超前裂隙萌生,应力释放和应力旋转促进裂隙扩展,揭示了旋转性采动应力驱动超前裂隙发育机理;构建了基本顶分区破断与动态迁移力学模型,原生裂隙和采动裂隙改变了基本顶局部边界条件,引发基本顶分区破断现象,由中部峰值影响区至工作面两侧,基本顶极限承载能力降低,导致分区破断动态迁移现象;峰值影响区基本顶破断尺寸小于非峰值影响区,解释了121304工作面支架阻力呈谷形分布的原因;根据千米深井超长工作面基本顶分区破断与动态迁移模式,提出了工作面围岩区域化控制方法,中部峰值影响区液压支架采用成组协同移架方式,其他区域采用独立移架方式,提高了121304工作面围岩控制效果。

我国综放开采40年及展望

我国应用和创新发展综放开采技术40 a来,取得了巨大成功和重大科技创新,实现了厚煤层一次采全高和高产高效低成本开采,综放开采技术已经成为我国开采厚煤层的主要方法,也是我国在世界煤炭开采行业的标志性技术。在综放开采技术发展过程中,先后试验了高位放煤、中位放煤、低位放煤,最终形成了我国的低位放煤综放开采技术。支架结构形式从早期的四柱支架发展到今天四柱与两柱并存的局面,对于智能开采工作面两柱支架更具优势。我国的综放开采技术可以分为2个阶段。在前20 a的探索和推广应用阶段,针对我国煤层条件,充分发挥了综放开采的技术优势,形成了高产高效综放开采模式、“三软”厚煤层综放开采模式、“两硬”厚煤层综放开采模式、急倾斜厚煤层综放开采模式等。在最近20 a的技术创新和输出阶段,我国创造性地开发了特厚煤层大采高综放开采技术、急倾斜厚煤层综放开采技术等,在智能化开采与智能放煤技术等方面取得了突破性进展,实现了综放开采技术从引进到输出的飞跃式发展。我国已经形成了一批专注综放开采技术研究的科技队伍,无论是综放开采的理论成果,还是技术成果都遥遥领先于世界其他国家。综放开采技术的进一步发展需要集中到综放工作面的全面智能化开采、智能放煤技术开发,提高工作面端头顶煤采出率技术,开发基于采动岩层运动的保水开采、绿色开采和减灾开采等技术,建立覆岩运动的统一场理论,研究综放开采低碳技术路径。

煤炭科学开采理论与技术浅谈

【名家讲坛】应山西省煤炭学会邀请,中国矿业大学王家臣教授出席山西省煤炭学会煤炭绿色开采委员会成立大会暨“煤炭绿色开采”论坛,并为近300名煤矿总工程师作《基于采动岩层控制的煤炭科学开采》的报告。报告内容丰富,并具理论和实践价值,对于保障煤矿安全高效开采具有重要的指导意义。

水平分段综放开采顶煤放出体理论计算模型

水平分段综放开采是急倾斜特厚煤层的主要开采方法之一。水平分段综放开采工作面相对较短,导致顶、底板边壁对放煤规律的影响较大。基于BBR理论,采用Bergmark-Roos (B-R)模型分析了存在倾斜边壁影响时的顶煤运移规律及放出体形态变化机理;建立了水平分段综放开采受顶、底板侧边壁影响的放出体理论计算模型,推导了包含轴倾角参数的放出体边界方程;通过颗粒流离散元数值分析得出了轴倾角参数与边界条件的定量关系,采用物理相似实验数据对理论模型进行了验证,提出了不同煤层倾角范围内的合理分段高度及放煤方式优化建议。研究结果表明:倾斜边壁的存在使得散体顶煤受到更大的横向应力,从而改变了顶煤颗粒运移加速度的方向;近边壁处放煤口两侧散体顶煤递补潜力的差异,导致其运移加速度的大小不同;顶煤加速度大小和方向的改变导致放出体轴线方向偏离重力方向。受倾斜边壁影响,放出体形态在轴线两侧呈现非对称性,与近底板侧相比,近顶板侧放出体受边界影响的程度更大;放出体轴倾角β随着煤层倾角的增大呈线性增大关系。随着不放煤段长度的增大,近顶、底板侧放出体的轴倾角均逐渐趋近于90°。物理模拟试验结果验证了理论模型的准确性;采用“底板单轮、中部多轮”、端头逆序放煤方式可有效利用放出体形态特征,减少近顶、底板侧残煤损失。

急倾斜极软厚煤层走向长壁综放开采技术研究

以峰峰集团山西大远煤业1201急倾斜工作面为背景,系统研究了急倾斜厚煤层走向长壁综放开采的基本问题,指出支架的合理设计是该类煤层成功开采的首要条件,支架设计要充分考虑急倾斜厚煤层综放开采的顶板活动规律,以工作面上部顶板的冲击载荷确定支架的工作阻力。同时急倾斜支架要有足够的抗侧向挤压能力,结合工作面采放工艺确定侧护板的抗挤压能力。急倾斜厚煤层综放开采的顶煤放出体与煤岩分界面具有明显的不对称性。结合顶煤放出规律、支架稳定性等综合确定采放工艺,提出"下行动态分段、段内上行放煤"的采放工艺,适用于急倾斜厚煤层走向长壁综放开采,可最大限度地减少采放过程中对支架的不利影响,并可获得较高的顶煤采出率。工作面安装前需对软弱底板进行加固。

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。

露天矿节理岩体边坡稳定性研究

针对眼前山露天矿南帮节理岩体边坡的结构特征,通过现场节理调查及统计分析,采用Monte-Carlo随机模拟方法,进行了节理三维网络的计算机模拟,研究确定了南帮边坡的节理岩体强度和破坏模式。通过滑动面自动搜索及FLAC数值模拟,系统地计算分析了南帮节理岩体边坡现执行开采和调整方案随采场逐渐下延的稳定状况,指出将三并段边坡的台阶坡面角由65°调整为60°可以从根本上改善眼前山露天矿南帮边坡的稳定状况,在矿山服务年限内满足开采的稳定性要求。

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。

图像识别智能放煤技术原理与应用

煤炭智能开采是煤炭行业高质量发展的必由之路,放顶煤工作面的智能化滞后于综采工作面。智能放煤是实现智能放顶煤开采的关键核心技术,低照度、小空间、高粉尘、煤矸叠压、声振信号干扰、夹矸误识别等问题严重制约智能放煤技术开发。在探索尝试图像、声音、振动等多种煤矸识别技术的基础上,提出了图像识别智能放煤技术。精准快速识别混矸率与适应恶劣环境是图像识别智能放煤需要攻克的主要技术难题。针对混矸率识别问题,将混矸率细化为投影面积混矸率、表面体积混矸率、内部体积混矸率。建立了轻量级的放顶煤工作面矸石识别及边界测量模型,实现了投影面积混矸率的精准快速识别。提出了快速写意重建和精准重建等2种煤矸块体三维重建方法,研究了煤矸块体三维形态特征与二维形态特征关系,揭示了后部刮板输送机上煤矸块体堆积特征。在此基础上,提出了“由表及里”的混矸率高精度预测2步走策略,以实现透明化煤流,达到混矸率高精度测量的目的。针对低照度、高粉尘等恶劣环境适应问题,提出了立体视觉照度智能监测与自适应调节方法,为图像采集实时提供最优照度环境。基于人体仿生学以及边缘AI技术开发了智能图像采集系统,提出了基于频域先验的单通道Retinex去粉尘算法以及空频域联合强化去粉尘算法,为图像识别持续提供高质量图像。形成了“三位一体”夹矸智能识别技术,对放煤过程中可能出现的夹矸进行了精准识别,减少了由于夹矸放出而引发的误识别、误操作。图像识别智能放煤技术可以提高放煤工序的智能化水平,提高资源回收率、降低含矸率,保证矿井安全生产,研究成果的科学应用将有助于高质量实现智能化放顶煤开采。

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.

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现:支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。

深井超长工作面基本顶分区破断模型与支架阻力分布特征

开采深度和工作面长度增加导致采场矿压显现程度和空间分布特征发生改变,增加了该类采场围岩失稳类型的不确定性及控制难度。针对深井超长工作面异常矿压现象发生频率高、预测难度大等问题,采用理论分析、室内实验和实测等方法分析了该类采场基本顶破断类型和支架阻力分布特征。结果表明:开采深度增加提高了岩体中裂隙发育程度,裂隙尺寸服从对数正态分布,裂隙倾角和倾向服从正态分布;基于蒙特-卡罗模拟方法实现深井超长工作面基本顶三维重构,工作面长度增加导致基本顶中部存在裂隙的概率升高,增大了基本顶在工作面中部发生局部破断的可能性;建立深井超长工作面基本顶分区破断力学模型,采用上限定理推导出完整基本顶的整体承载能力以及基本顶中存在1条和2条原生裂隙时的局部承载能力,获得基本顶在裂隙影响区发生局部分区破断和迁移现象的力学判据;基本顶分区破断现象导致破断岩块在空间上呈非均匀分布,表现为工作面中部块度小、两端块度大的特征;分区破断模型预测结果同相似模拟实验结果吻合,解释了深井超长工作面开采实践中发现的顶板压力沿工作面方向的非均匀分布现象。

金川镍矿二矿区矿石自然崩落规律研究

运用三维 FLAC数值软件研究了金川镍矿二矿区采用自然崩落法时的合理拉底方案、初次崩落的拉底面积、崩落速度等 .基于现场调查 ,运用蒙特卡罗随机模拟方法生成了三维节理网络 。

急倾斜煤层开采技术现状与流态化开采构想

急倾斜煤层开采难度大,迫切需要研发新的安全、高效、绿色开采方法。总结分析了目前急倾斜厚煤层开采常用的水平分段综放、走向长壁综采和走向长壁综放3种技术现状,指出水平分段综放技术还需要在采放工艺、合理分段高度、顶煤冒放性与端头放煤、智能开采等几个方面进行深入研究,以进一步提高顶煤采出率和开采效率;走向长壁综采技术还需继续研究工作面布置、设备的防倒防滑与开采工艺等问题;走向长壁综放技术需要科学合理地利用放煤规律并制定合理的采放工艺,以提高工作面支架稳定性和顶煤采出率。根据急倾斜煤层的赋存特点,提出了现代煤炭地下气化开采技术、新式水力采煤技术2种流态化开采技术构想。以创造有效气流运动、理想反应强度及最高能量利用效率为思想,提出了针对急倾斜煤层的2种气化炉型:单气化面线性开采气化炉和双气化面U型地下气化炉,总结了急倾斜煤层气化开采仍需深入研究的关键技术,包括气化过程的控制与强化、气化反应空间管理、气化工作面探测技术、地下水污染防治与控制。针对煤层厚度较大但不能进行水平分段开采的急倾斜煤层,尝试水力开采并提出了该种条件下水力机械化开采的巷道布置构想;在厚度较小的急倾斜煤层中,探索类似于煤炭地下气化的流态化开采技术以实现不掘进巷道和井下无人的远程水力采煤,是未来难采急倾斜煤层流态化开采的重要研究方向。