500m超长工作面刮板智能输送技术研究

在中厚煤层开采领域,超长工作面智能开采是煤炭开采技术的发展趋势,而智能运输是其重要组成部分。在总结现阶段国内400~450 m工作面智能开采中刮板运输系统问题的基础上,探索了500 m超长工作面智能刮板输送系统装机功率与运量合理匹配的方法,提出了解决500 m超长工作面刮板运输技术难题的可行性方案。基于综采三机选型配套技术方案及2000 kW以上高端传动系统的应用实践,研制了国产2500 kW大功率变频一体智能传动系统,包括变频一体电机、减速器、限矩器等,关键技术、关键部件均实现了国产化。为解决因传动装置重心位置后移、中部槽槽宽参数不变,不利于端头设备顺利推移的技术难题,研究了中等槽宽配置大功率传动装置的防偏沉技术,建立了机头(尾)推移部多工况推移模型,并对推移部进行了结构优化,解决了因传动装置偏沉造成机头整体失衡、漂溜严重、推移难度加剧的问题。针对刮板链断链后,中部槽内煤量负荷较大时,液压马达难以带动、断链事故处理较为困难的问题,选用了大扭矩数字液压马达并研制了数字马达控制系统,减小了维护刮板链的工作强度。基于刮板运输设备安全运行对链条进行实时变形补偿的需求,提出了500 m运距链条张紧控制策略,开发了运行过程中链条张紧度随负荷梯度智能调节技术,解决了500 m运距链条弹性变形的动态补偿问题,并通过在机尾架盖板上端加装AI高清摄像仪来实现对链条运行状态的实时检测,为工作人员对链条运行状态的实时掌控提供了便利。此外,为了提高伸缩机尾对多种复杂工况的适应性,确保其在使用周期内能够伸缩自如,提出了从结构、材料、制造工艺三方面来提高伸缩机尾的强度和刚度的技术方案,并研制了液压缸防护罩、伸缩机尾滑道自动冲洗系统,进一步提升了伸缩机尾的可靠性。井下现场工业性试验表明:该设备运量与装机功率匹配合理,2500 kW变频一体智能传动系统占用空间较小、传递扭矩精准,斜推式机头(尾)推移部稳定可靠,数字液压马达处理断链问题方便省力,伸缩机尾按负荷分梯度自动张紧时未出现卡滞,保障了煤炭的安全、高效运输,为500 m超长工作面智能开采提供了技术保障。

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。

浅埋超长工作面矿压显现规律研究

为了研究浅埋超长工作面矿压显现规律,以青龙寺煤矿5-20311工作面为研究背景,采用FLAC 3D软件对其进行开采模拟,研究浅埋超长工作面顶板覆岩位移、地表沉降、裂隙以及工作面液压支架竖向位移与工作面阻力随开采推进距离的变化规律。数值模拟结果表明,浅埋超长工作面顶板覆岩易出现直接顶沿煤壁全厚切落,地表出现整体台阶下沉的现象;5-20311工作面开采过程中,顶板覆岩初次来压步距约为24 m,周期来压步距约为16~24 m,平均周期来压步距约为20 m,导水裂隙带平均发育高度约为50 m,最大发育高度约为72 m;开采推进距离为24 m时,工作面液压支架竖向位移以及工作阻力均达到最大,分别为320 mm和40.5 MPa;当工作面开采推进距离大于24 m时,液压支架竖向位移和工作阻力开始呈周期性的变化,变化周期约16~24 m。

大采高超长工作面调斜开采技术研究与应用

根据梁北煤矿11071综采工作面瓦斯地质情况和采煤工艺条件,通过对实中心调斜和虚中心调斜方案优缺点的分析比较结果,选择采取围绕虚中心旋转调斜开采的施工方案,并通过精确计算得出调斜开采的技术参数指标,同时确定了调斜开采的工艺流程和安全技术保障措施。实践证明,该调斜开采方案简化了机巷运煤系统,解决了调斜期间虚中心控制、支架姿态控制、运输机上窜下滑控制、转载机和运输机搭接控制和超前应力控制等难题,实现了工作面在调斜开采期间不间断推进,给矿井带来了巨大的技术进步和经济效益。

阳泉矿区大埋深超长工作面装备适应性研究

验证了数值模拟和现场实测矿压数据,分析了工作面加长后的矿压规律,合理确定了工作面支护强度和液压支架型号;计算了工作面加长带来的刮板机功率、链条破断负荷等,实现工作面装备的升级改造;通过工作面电液控制和矿压监测预警系统,保证了工作面支护质量。解决了阳泉矿区3#煤层采掘接替紧张等难题。

超长工作面采空区分段阻隔自燃防治研究

为有效解决超长工作面采空区遗煤自燃问题,本文探讨了中鸡煤矿20105工作面采空区采用分段阻隔自燃防治技术解决浮煤自燃的可能性,采用注浆方法在采空区平行于工作面方向形成注浆体,在进、回风侧靠近注浆体附近堆积沙土袋,通过注浆体和沙土袋在采空区形成隔离墙。结果表明,未采用分段阻隔自燃防治技术前,氧化带范围运输侧为68.49~198.31 m,回风侧为52.56~175.21 m。采用分段阻隔自燃防治技术后,氧化带宽度运输侧降低至分段阻隔前的41.5%,回风侧降低至分段阻隔前的43.8%,分段间距为45 m,可大幅降低采空区氧化带宽度,可有效抑制采空区浮煤自燃。

近水平煤层超长工作面合理宽度取值范围研究

为了研究超长工作面开采覆岩两带变形破坏特征以及矿压差异性变化规律,以袁大滩煤矿为背景,采用数值模拟软件建立不同工作面长度的数值计算模型,研究不同宽度工作面条件下的围岩的破坏情况,为工作面合理宽度选择提供一定的科学依据。结果表明,工作面开采的宽度与覆岩两带发育高度、位移变化范围、应力大小形呈正比关系,同时随着开采宽度增加应力区域范围扩大,弹性能峰值普遍增加,尤其是开采宽度达到450 m后,其弹性能的能量增幅明显;工作面面宽越大时,宽度增加引起两带高度的增幅逐渐减小、位移变化区域范围增量相对越小,同时应力区域范围的增加幅度逐渐减小;在合理的现场防控措施下,400 m工作面宽度能较好地满足工作面的安全高效生产。研究成果可为袁大滩煤矿工作面宽度取值范围的合理选取提供指导。

超长工作面刮板输送机关键技术研究

井工煤矿布置超长工作面能够提高工作面单产、降低巷道掘进率、减少工作面搬家倒面次数、减少资源损失,降低开采成本。通过调研分析国内外超长工作面使用情况,归纳总结实际使用过程中存在的问题,开展刮板减磨降阻、链条张力动态管理、多电机功率协同控制等关键技术研究,显著提升了超长工作面刮板输送机的适应性和可靠性。

超长工作面液压支架关键参数设计及效益分析

为解决超长工作面回采过程中出现的剧烈矿压显现问题,以魏墙煤矿400m超长工作面为工程背景,通过类比分析陕北地区数个煤矿超长工作面液压支架基本参数,结合载荷估算法、FLAC^(3D)数值模拟和普式拱理论等方法综合确定液压支架支护强度和工作阻力。利用现有300 m工作面液压支架压力监测数据,校核修正超长工作面主要参数,并进行300 m工作面和400 m超长工作面的经济效益和优缺点对比分析。结果表明,400 m超长工作面选用的液压支架支护强度应不低于1.2 MPa,工作阻力不低于17 000 kN,可实现顶板稳定性控制,具有减小巷道掘进工程量、提高综采工作面工效、解决采掘接续难题等显著优点,可满足年产700万t煤炭资源的开采要求,具有良好的经济效益和社会效益。

超长工作面开采下区段煤柱留设合理宽度分析

为确定超长工作面开采下区段煤柱合理留设宽度,分析超长工作面侧向支承压力在煤柱中的分布特征,利用数值模拟软件研究区段煤柱中的应力分布,并在现场区段煤柱不同深度中布置钻孔应力计,监测侧向支承压力的变化规律。结合巷道围岩稳定性综合监测分析,研究超长工作面采动影响下巷道围岩的变形破坏特征,进而优化支护参数,以保障超长工作面回采巷道的通畅与安全。研究结果表明,在11205工作面右端、11207工作面左端及其煤柱区域位置煤柱内部应力分布呈现出明显的3处应力集中,其煤柱位置的应力集中效应更为明显;增大煤柱宽度能够有效改善煤柱应力分布状态,但当煤柱宽度超过16 m后,应力变化不大。工作面开采后,11207工作面采空区顶板位移量明显增大,整体位移变为以煤柱为中心的扇形沉陷,说明煤柱对上覆岩层起到了支撑作用。根据数值计算结果,得出煤柱留设宽度在16 m煤柱较为合适;由煤柱顶底板破坏强度可知,留设16~20 m的煤柱较为合适。

袁大滩煤矿超长工作面覆岩两带发育规律研究

针对超长工作面采动影响下覆岩两带发育规律,以袁大滩煤矿工作面为背景,采用理论分析与离散元的3DEC数值计算软件相结合的方法,研究该条件下覆岩裂隙的分布特征与两带发育规律。结果表明,根据理论计算,得到2号煤层工作面不同采高下2种经验公式的两带发育高度,得出随着工作面采高的增加,工作面采后的导水裂隙带高度逐渐增加,但其裂隙高度的递增幅度逐渐减小的规律;通过3DEC数值模拟,11207超长工作面采高每增加0.2 m所得导水裂隙带高度约增加2.01~3.05 m,超长工作面采高越大,开采高度增加引起裂隙发育高度增幅越小。数值模拟与理论计算基本一致且相互印证。工作面实际开采过程中工作面的开采高度逐渐减小,裂隙带发育高度逐渐降低,覆岩位移量逐渐减小,集中应力逐渐减弱,开采初期需要加强监测,增强防护措施。

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。

千米深井超长工作面采动应力旋转特征及应用

千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂,围岩破坏程度和控制难度升高,威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果,采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段,从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结果表明:千米深井超长工作面围岩裂隙发育程度升高,稳定性受到采动应力大小和方向的双重影响,含裂隙围岩存在优势裂隙扩展角,采动应力旋转造成围岩承载能力降低,采动应力旋转角度愈大,围岩稳定性愈差;采动后,121304工作面采动应力发生旋转,旋转轨迹与采动影响程度、工作面推进方向密切相关,距采空区边界愈近,采动应力旋转速度和旋转角度愈大;煤层和低位岩层最大主应力在平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,倾角减小,最小主应力则首先向平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,然后在上述平面内与最大主应力同步旋转,倾角增大;岩层位态升高,采动应力旋转角度先增大后减小,高位岩层采动应力旋转轨迹受121303工作面采空区影响,采动应力旋转轨迹向临近工作面采空区偏转;根据工作面推进方向与采动应力旋转轨迹的关系,提出围岩中存在一组、多组优势裂隙及裂隙随机分布条件下工作面推进方向确定原则,并分析了采动应力旋转现象对覆岩“砌体梁”结构稳定性的影响。

深部大采高超长工作面开采技术研究及展望

基于浅部大采高超长工作面应用的成功经验,在深部大采高超长工作面回采实践的基础上,分析了深部大采高超长工作面回采可能遇到的矿压显现、煤壁片帮、巷道变形和超前支护问题。分析表明,液压支架支护技术能够满足深部大采高超长工作面回采要求,煤壁片帮、巷道大变形与超前支护的适应性仍需加强研究。

浅埋超长工作面裂隙梁铰拱结构稳定性分析及数值模拟研究

以超长工作面基本顶初次断裂所成铰拱结构为力学模型,在铰接端接触面按照应力指数分布规律,得出新的水平推力公式。通过严格几何变形推导出铰接端变形量与下沉量,结合数值模拟与现场实例进行验算,应用新的推力公式对结构稳定性进行判断。与传统近似建模方法相比,经研究发现:针对浅埋超长工作面,在回转角小于3°时,块度i>0.40的断块所受推力随工作面长度、回转角变大而以微小变化率增加,块度i<0.45时断块不发生滑落失稳;块度i≤0.30的断块所受水平推力T增幅明显,若回转角?超过6°,断块易因T过大而发生变形失稳;新公式代入实例得出的回转稳定区范围比传统范围至少大12%。给出了浅埋裂隙梁结构允许埋深公式,对浅埋超长工作面裂隙结构失稳预测有参考价值。

超长工作面顺槽保护煤柱合理尺寸的确定

针对神华集团海渤湾矿业有限责任公司路天矿300 m综采放顶煤工作面的生产试验,应用FLAC3D来确定顺槽煤柱在受到采动影响时的合理尺寸,通过建立模型模拟计算得出结论：随着工作面的加长,周期来压缓和,在一定程度上减小了对顺槽煤柱的影响;距工作面后方100~110 m处对煤柱的影响范围最大,侧向明显影响范围可达10 m左右,塑性破坏深度为7 m;由于保护煤柱还要受下一工作面回采时的影响,在相同地质条件下浅埋深超长工作面的保护煤柱确定为15 m。

神东大采高超长工作面矿压显现强度预测研究

运用采场顶板冒落带岩柱重量估算采场平时矿压显现强度,运用矿区相关实测数据计算基本顶来压动载系数,并在此基础上通过回归总结采场因工作面采高和长度变化的矿压显现强度预测公式,得出了采场矿压显现强度随工作面采高和长度变化的单因素预测及综合预测公式,为神东矿区的安全高效开采提供了技术保障。

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。

超长工作面综放开采矿压显现规律研究

文章应用FLAC3D模拟计算超长工作面的矿压显现规律。工作面加长以后,来压步距缩短,周期来压缓和,工作面中部的压力大于两端的压力。随着工作面的推进,上方压力拱逐渐变大,超前压力越来越大。工作面后方40m左右,老顶以上岩层垮落下沉。矿压对顺槽保护煤柱的影响也减小。

复杂环境下大采高超长工作面综采工艺实践与探讨

以神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿为实例,介绍了大采高超长工作面(Y120202工作面)开采工艺、设备的配套选型、超长工作面矿压显现规律等。通过现场实践,总结了大采高超长工作面综采工艺的宝贵经验,这对于宁东矿区类似埋藏条件下采场管理有十分重要的指导意义和借鉴价值。