6~10 m厚煤层超大采高液压支架及其工作面系统自适应智能耦合控制

厚煤层储量及产量占我国原煤总储量及产量的一半,通过梳理厚煤层开采历史沿革,总结了我国厚煤层开采40年来的技术及装备研发实践,系统分析了以高端大采高液压支架及围岩智能耦合理论为代表的6~10 m大采高综采高效智能化综采技术及装备研究进展,提出了大采高支护理论及围岩智能耦合控制的突破是厚煤层一次开采高度突破的首要因素,完善的感知体系建立是液压支架自适应支护的前提,数字技术的应用为大采高工作面高效推进及装备智能协同控制提供了新的技术途径;阐明了大采高综放液压支架与围岩耦合关系,剖析了采高增加对硬煤层冒放性的有利影响,提出了基于煤矸识别、放煤机构控制的“纯煤段记忆放煤+煤岩分界模糊段人工反馈式干预放煤”的智能放煤控制策略;分析了大采高开采“采–运”协同智能耦合控制关键技术,构建了基于采煤机牵引速度与刮板输送机链速间联动调节的工作面装备间多机异构耦合自适应协同控制模型;研发了厚煤层开采中10 m超大采高液压支架,分析了厚煤层开采不断突破开采高度极限的新认识,从开采装备、控制系统等方面提出厚煤层一次开采高度的突破的研发方向。

厚煤层大采高综放工作面覆岩断裂演化规律研究

大采高综放开采易形成强烈的矿压显现,上覆岩层的断裂演化规律对工作面安全生产至关重要。以羊场湾煤矿160206工作面为工程背景,运用相似模拟试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法,对大采高综放工作面覆岩的断裂过程与覆岩运移规律进行系统研究。研究表明:导水裂隙带内岩层随工作面推进表现为“台阶下沉”,同层岩层下沉趋势沿走向表现为“急剧下降—稳定(最大值)—快速上升—稳定(最小值)”。工作面覆岩运动场由两区分布(加速下沉区、缓慢下沉区)演化为三区分布(加速下沉区、缓慢下沉区、稳定区)。对离层演化与地表下沉规律进行了定量描述,运用理论计算表达式深入地剖析了地表的动态下沉机理及其相关因素。结合相似模拟与数值模拟的试验结果,提出了覆岩断裂演化的形态变化特征:覆岩断裂形态由“单等腰梯形”演化为“双等腰梯形”,表土层影响区由“矩形”演化为“倒梯形”。分析了覆岩中垮落区、离层区、压实区、裂隙富集区的动态演化过程:垮落区逐渐增大至一定程度,高度小幅度降低并趋于稳定,离层区由下至上逐渐发育并随工作面向前移动,离层区逐渐闭合形成压实区,且压实区逐渐增大并最终保持稳定,裂隙富集区位于采空区前后端部并随工作面向前移动。

松软煤层大采高工作面煤壁片帮机理及深浅孔交替超前预注浆加固技术研究

目的为探究松软煤层大采高工作面煤壁片帮机理,并对片帮严重的松软煤层大采高工作面煤壁进行有效控制,方法利用材料力学理论得到煤壁片帮的频发位置,引入煤壁剪切破坏准则,得出松软煤体煤壁片帮的主控因素。并以李村煤矿1305工作面为例,通过FLAC3D建立数值模型,以煤壁最大位移、煤体破坏深度、支承压力大小和支承压力峰值位置4个因素作为参考比较对象,通过引入正交试验法,研究了煤层埋深、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度以及支护强度对煤壁片帮的影响程度。结果结果表明:煤体自身的物理力学性质(内摩擦角和黏聚力)是影响煤壁片帮的主要因素,其次煤体的赋存条件(埋深)也是一个较为关键的影响因素。结论工业性试验基于正交试验结果提出了大采高综采工作面深浅孔交替超前预注浆加固技术,有效控制了李村煤矿1305工作面煤壁片帮严重情况,为其他类似地质条件大采高综采工作面煤壁片帮控制提供了借鉴。

大倾角大采高工作面煤壁失稳机理分析

大倾角大采高工作面煤壁灾变易诱使支架-围岩系统失衡,导致围岩稳定性控制复杂化,故煤壁灾变防控对保障工作面安全生产十分关键,而科学化防控技术的前提是明晰煤壁失稳孕育机制,为此采用数值计算及理论分析法展开研究。研究结果表明:大倾角大采高工作面煤壁承压倾向分区异化,下部区域应力集中程度较中部、上部高,集中区范围由下至上减小,垂向中部应力值较低,应力极值及走向位置与回采距具有正相关性,煤壁揭露前后邻域承压环境会突变,且承压态随煤体破坏演变异化,煤体承压结构会由非连续态经压实过渡为类连续状,而后整体移动至阈值后发生破断结构离散化。煤壁前方塑性区随采动作用不同幅度扩展,其稳定性受制于回采距及速度,低速回采、回采距离增加时煤壁稳定性逐步降低,塑性破裂发育区煤体为支承压力等动载、静载主承体,煤壁失稳是支承压力与扰动区内煤体自身抗压性能动态失衡,由运移、变形等承压行为量变诱发煤体结构质变而破断失稳,承压非对称性及多向耦合造成煤壁失稳分区及范围倾向扩展。

大采高综采工作面矿压显现及顶板活动特征研究

为了得到唐山某煤矿综采工作面的矿压显现及顶板活动特征,基于关键层理论、“悬臂梁-砌体梁”力学模型,通过现场观测、理论分析、数值模拟的方法对9煤层矿压显现特征、顶板结构、支架工作阻力开展了深入研究,建立了覆岩结构力学模型,得到了工作面支架工作阻力的合理计算式。研究结果表明:工作面来压步距和来压大小均有一定的规律性,呈现一大一小的周期来压现象,来压期间中部测区支架荷载最大,两边偏小;通过直接顶关键层判别方法,确定了第2层岩层和第7层岩层分别为亚关键层1和亚关键层2。亚关键层1破断后以“悬臂梁”结构形态垮落进入采空区,亚关键层2破断后形成了稳定的“砌体梁”结构,此时亚关键层1与亚关键层2共同组成了“悬臂梁-砌体梁”结构;第2层岩层和第7层岩层组成的双关键层结构的破断运移规律导致了工作面呈现一大一小的周期来压现象。当双关键层同步破断时,支架工作阻力为13 688 kN。

基于MATLAB大采高液压支架稳定性仿真研究

针对液压支架存在失稳等重大安全隐患,以某型大采高液压支架为研究对象,对支架前倾、后仰、侧翻、滑移4种失稳进行分析,运用MATLAB仿真的方法对不同采高、底座宽度、极限倾角、煤层倾角、加载载荷下的支架重心高度等进行仿真分析和研究。研究结果表明:随着支架极限倾角的增加,支架重心高度呈现逐渐减小的趋势;随着支架底座宽度增加,支架重心高度呈现逐渐增加的趋势;随着采高高度的增加,最大、最小煤层倾角呈现逐渐减小的趋势;随着支架底座宽度增加,最大、最小煤层倾角呈现逐渐增加的趋势;随着加载载荷增加,煤层倾角呈现逐渐减小的趋势。该研究为液压支架稳定性、安全可靠性提高等方面提供理论基础。

大倾角大采高工作面上出口行人防护研究与应用

采煤工作面上出口作为工作面压力显现集中区之一,不但是人员、设备、材料的集中区,还是人员、设备和材料进出工作面的交接口。上出口行人防护对人员和设备安全的至关重要。针对上出口顶板倾角大、巷道高度变化大、高帮与巷道底板高差大、空顶面积大等问题,研究一种新型行人防护支架,以达到保证行人安全的目的。

西部大采高工作面保护煤柱宽度优化研究

保护煤柱尺寸一直是三下开采研究的热点问题,特别是在西部大采高软弱覆岩特厚煤层开采条件下,其对地表建筑物安全的影响有待进一步研究。以榆树湾井田20119工作面为例,综合利用数值模拟和概率积分法确定了合理保护煤柱宽度,并进行现场验证。结果表明:随着煤柱宽度的减小,地表沿X方向的水平移动呈现倒“S”型趋势,沿Y方向的移动呈现倒“U”型趋势,地表的最大下沉量随煤柱宽度的减小而不断减少;结合概率积分法对保护煤柱宽度进行预计,确定优化后的煤柱宽度为180 m;对现场村庄进行实时监测,地表下沉和倾斜值均满足现场施工要求,验证了保护煤柱宽度的合理性。

大采高工作面柔模沿空留墙掘巷技术

柔模混凝土沿空留巷技术已应用多年,在中厚煤层和薄煤层开采下均取得了较好的支护效果,但在厚煤层大采高工作面,因巷道高、巷旁支护压力大、混凝土早期强度低易受压损坏难以有效支撑顶板。大采高工作面矿压显现剧烈,巷旁维护难度大,故此提出一种新型的预浇墙柔模混凝土沿空留墙掘巷新技术,即在上工作面回采前,刷煤扩帮后提前预浇柔模混凝土墙体,提高煤帮整体支撑力的同时,解决柔模混凝土墙短期无法有效承载顶板来压的难题;待回采一定距离后,再沿墙滞后掘进下工作面回采巷道,且掘进方向与上工作面回采方向一致,缓解接续紧张,最终实现无煤柱开采。以王庄煤业3503工作面回采留设预浇墙为工程背景,建立了沿空留墙掘巷围岩结构力学模型,理论计算得出墙体力学支护参数,并通过现场应用验证了该技术的可实施性。结果表明:理论计算分析确定了墙体高宽比为5 m×1.5 m,混凝土强度C30即可满足留墙支护要求;沿墙掘进巷道总体变形量小,顶底板和两帮最大移近量仅为260 mm和125 mm,墙体最大受压18 MPa,小于墙体自身承载力;下工作面临近巷道掘进115 m后即趋于稳定。该技术应用全阶段效果良好,满足巷道使用要求,有效解决了大采高工作面沿空留巷重大技术难题,也可为相似工况无煤柱开采提供技术借鉴。

梁北矿松软大采高工作面高水充填沿空留巷技术研究

以高水材料适应性研究为基础,通过分析梁北煤矿厚硬顶板大采高工作面沿空留巷围岩控制难点,提出“预裂切顶-高水充填-超前加固”沿空留巷技术。通过室内试验确定了高水充填材料最佳水灰比、早强剂掺量和用水温度;采用理论分析和工程类比确定了预裂切顶、超前加固和高水充填支护方案;采用数值模拟分析了沿空留巷方案的可行性。工程实践效果表明,围岩变形滞后工作面100~150 m趋于稳定,变形整体可控,留巷效果较好。

大倾角大采高软弱顶底板工作面分区矿压规律研究

为研究内蒙古长城二矿大倾角大采高软弱顶底板复杂开采地质条件下,1305S工作面正常区、过渡区、卸压区的矿压显现规律及特征,建立了倾斜煤层采空区冒落矸石滑移充填数值模拟模型,采用数值模拟和现场实测相结合的研究方法进行研究。研究结果表明:沿倾斜方向,1305S工作面中上部所受垂直应力呈现出过渡区>正常区>卸压区的特点,工作面下部呈现出卸压区>过渡区>正常区的特点;1305S工作面推进过程中,平均周期来压步距为13.3 m,周期来压时支架工作阻力在26.75~33.05 MPa之间,沿工作面倾斜方向顶板所受垂直应力总体呈现出工作面上部>中部>下部的特点;巷道工作面一侧的边帮变形量较大。现场实测结果表明,回风巷顶板监测最大移进量为860.18 mm,运输巷顶板监测最大移进量为367.84 mm,两巷围岩移进量呈现出回风巷>运输巷的特点。

8.8 m大采高工作面主运巷超前支护技术研究与应用

为解决8.8 m大采高工作面主运巷强动压、大变形等超前段支护问题,采用理论分析计算与现场实测相结合的研究方法,对上湾煤矿12403大采高工作面主运巷超前段锚索主动式支护技术开展研究。基于锚索主动式超前支护技术建立了大采高工作面主运巷支护力学模型,计算并校核了8.8 m大采高条件下主运巷超前支承压力影响范围和锚杆(索)及围岩支护强度。同时开展了现场试验,结果表明,从距离工作面45 m位置开始,锚杆和锚索受力开始缓慢增加,但增速较小,从距离工作面20 m位置开始,锚杆和锚索受力以较大幅度增加,累计增加15~25 kN后开始趋于稳定,平均影响范围42 m左右,平均应力集中系数为1.4;在距工作面45 m时开始出现围岩变形,但前期变形量较小,随着工作面不断推进,围岩变形量逐渐增大,在测站与煤壁距离小于30 m时变形量增速较大,但围岩整体稳定且变形可控;钻孔窥视结果表明主运巷超前支护段围岩裂隙总体发育程度较低,围岩、煤层的整体性较好,锚索超前支护方式对顶板围岩起到很好的支护效果。

深部大采高工作面沿空留巷围岩控制技术

综采工作面沿空留巷经历多次采动影响,矿压显现较为强烈,围岩变形量大,极易造成巷道围岩失稳。为了研究大采高工作面沿空留巷围岩控制问题,以某矿1313工作面留巷为研究背景,通过理论分析、数值模拟、现场实践等方法,分析沿空留巷围岩运动特征,提出“支-卸平衡”巷道围岩协同控制技术;加强了巷道围岩支护强度,改善了巷道围岩的应力环境。通过现场工程实践验证,1313工作面留巷的巷道顶底板变形量为246 mm,两帮变形量为442 mm,巷道表面没有明显的鼓出现象,巷道围岩变形量满足作业规程的相关规定。

大采高大中心距液压支架选型设计

根据陕西小保当矿业有限公司一号井132202工作面煤层地质条件,完成了大采高大中心距中部液压支架与过渡液压支架主要技术参数及结构设计,实现了高产高效,为陕西小保当矿业有限公司大采高超长工作面开采技术的发展提供了宝贵经验。

大采高工作面覆岩运动与煤壁片帮规律

为探究大采高工作面顶板运动规律及煤壁破坏机理,建立3种不同采高的UDEC数值模型,分析采高和支架护帮板位置对顶板垮落步距、形态及煤壁破坏深度的影响,建立煤壁滑移破坏力学模型。研究结果表明:初次来压步距受采高的影响较小,均为45 m,周期来压步距随着采高的增大而减小;大采高工作面由于垮落矸石无法充满采空区,顶板易形成悬臂梁结构;采高增大会增大煤壁片帮的风险。计算得出了大采高工作面煤壁能承受的最大顶板压力,给出了煤壁滑移破坏判据。通过建立不同护帮板位置的数值模型,确定了8.8 m大采高工作面的护帮板最佳支护位置。提出了增加护帮板水平推力和支护面积的煤壁控制方法,现场应用该方法使煤壁稳定性得到了有效提升。

大采高综采工作面尘源跟踪喷雾降尘关键技术及其应用

为提高煤矿井下大采高综采工作面粉尘捕获、沉降效率,针对大采高工作面空间分布广、粉尘运移范围大、传统喷雾方式不能有效覆盖产尘源等问题,在分析大采高综采工作面喷雾降尘效率影响因素的基础上,通过激光雾径测试平台、流量监测装置及多谱勒激光粒度分析仪测试喷嘴雾化参数,研发尘源跟踪喷雾降尘系统,实现了采煤机截割滚筒“三维立体”跟踪喷雾降尘。研究结果表明:大采高综采工作面喷雾降尘效率与喷嘴耗水量、喷雾覆盖面积和雾滴粒径等参数有关,并以此建立降尘效率公式;风速对喷嘴雾化降尘效率有重要影响作用,对每个单独喷嘴而言,风速的增加会降低喷嘴的降尘效率;根据计算得出不同风速条件下各喷嘴的降尘效率结果,优先推荐的喷嘴是SS1507;研制了一种具有流量控制功能的尘源跟踪喷雾降尘系统,实现跟踪喷雾降尘的可控及减少耗水量;并在三道沟煤矿85219大采高综采工作面进行现场应用,应用后上滚筒采煤机位置总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率分别为91.15%和81.96%,下滚筒采煤机位置总粉尘和呼吸性粉尘降尘效率分别为90.61%和83.54%,该喷雾降尘技术显著降低85219大采高综采工作面空间的粉尘浓度,对矿山安全生产以及改善职工作业环境具有重要的意义。

超长大采高回撤通道破坏特征及主被动协同控制技术

针对超长大采高工作面预掘回撤通道大变形失稳导致巷道破坏、设备回撤受阻等安全问题,采用理论分析、数值模拟、现场试验等方法,基于回撤通道破坏特征分析,提出“控顶固帮”主被动协同控制技术。建立了超长工作面采动支撑压力顶帮联合失稳力学模型,基于超长大采高顶板断裂位置与围岩稳定关系,揭示回撤通道破坏机理。利用UDEC数值模拟对超长大采高回撤通道区域环境进行验证,提出了“实时断顶+垛式支架+锚杆索”协同控制方案,保障回撤通道稳定。该技术在黄玉川煤矿226_(上)03综采工作面回撤通道成功应用,监测结果表明:工作面贯通后,回撤通道顶板下沉量为75.6 mm,底板鼓出量95.7 mm,两帮变形量103 mm,变形量小、支护效率高、成本低,实现了黄玉川煤矿超长大采高工作面回撤通道稳定安全高效的目的。

煤矿大采高智能开采工作面设备选型与关键技术研究

针对红庆梁煤矿现有采煤工艺装备效率低、人员劳动强度大、工作面接续紧张等问题,结合近年来国内采煤工艺装备发展应用情况,对采煤机关键技术、液压支架、刮板输送机、选型配套等进行了新工作面设计分析。分析总结了自动化顺槽集中控制、工作面视频监控自动跟机切换、工作面自动调直等大采高智能采掘工作面应用的关键技术。实践应用结果表明,新型智能采掘工作面减员增效效果明显,为企业带来了明显的经济效益和社会效益。

大采高松软煤层柔性充填沿空留巷技术应用研究

针对梁北矿厚煤层沿空留巷围岩稳定性问题,本文提出“预裂切顶-超前加固-高水充填”三位一体沿空留巷围岩协同控制技术。通过室内试验、理论分析、工程类比、数值模拟等方法,确定了梁北矿21051东工作面机巷沿空留巷预裂切顶、超前加固和高水充填支护参数。现场监测结果表明:梁北矿21051东工作面沿空留巷在滞后工作面120 m范围内围岩变形呈增长趋势,120 m后趋于稳定,最终变形量在可控范围,留巷取得成功。相关技术方法可为类似矿井沿空留巷工程提供一定参考。

厚煤层大采高综采面顶板破断规律及机理研究

以杭来湾煤矿首个大采高30201工作面为例,通过数值模拟、理论分析和现场实测的方法,分别对工作面开采过程中顶板破断规律进行研究。基本顶以“悬臂梁”、“砌体梁”的结构形式周期发生破断,造成工作面大、小周期来压显现。建立了工作面顶板力学模型,给出来压步距的计算方法。现场实测表明最大步距67.6 m是平均步距34.4 m的1.97倍,说明约2次小周期来压才有1次大周期来压。