深地煤炭资源安全高效智能化开采关键技术与实践

深地煤炭资源地质赋存复杂,智能化开采是深地资源安全、高效、绿色发展的必由之路。智能化开采成套技术与装备能否适应千米深井复杂地质环境、控制围岩稳定并驱动装备跟随煤层自动推进是影响煤炭安全高效开采、减少作业人员、降低劳动强度的关键。山东能源集团聚焦千米深井智能化开采围岩控制理论,提出了以强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合为核心的支架-围岩智能耦合关系,并形成与之相适应的智能耦合控制逻辑;为突破超大采高智能综采开采工艺及超高煤壁围岩控制技术瓶颈,提出了超大采高液压支架工作阻力“双因素控制法”,发明了三滚筒采煤机及其配套开采方法,研制了与超大采高智能综采相匹配的液压支架及配套系统;针对超大采高综放开采智能化放煤理论与围岩控制难题,提出超大采高综放支架-围岩耦合协调采放空间控制方法,创新了超大采高综放“马鞍形”开采工艺,研制了7 m超大采高智能综放开采液压支架及配套系统;研发了无反复支撑、快速循环自移的单元式超前支架,解决了回采巷道超前支护距离长、支护技术与装备适应性差的问题;开发了基于惯导和精准地质模型的智能采煤控制系统,解决了深部矿井工作面设备智能控制及困扰连续生产的难题;搭建了千米深井智能化开采综合管控平台,实现了千米深井重大灾害多源异构数据融合与管控。上述核心技术在山东能源集团赵楼煤矿7302工作面、东滩煤矿3308工作面等多个工作面进行了智能化开采示范建设,取得了良好的应用效果,所获成果整体推动了我国深地煤炭资源安全高效智能化开采水平,可以为类似矿井智能化工作面建设提供理论与技术借鉴。

煤矿液压支架与围岩强度耦合研究分析

针对大同机电装备有限公司中央机厂对7.0 m以上超大采高工作面开采时矿压显现剧烈、围岩控制困难、煤壁容易片帮、易发生顶板冒顶事故等问题,通过运用数值仿真、模型计算及实地测量方法对液压支架与围岩强度耦合性进行研究分析;通过对中央机厂15218工作面超大采高矿山压力测量分析,得出基岩厚度大、埋深浅的超大采高工作面具有明显的大小周期来压与动载矿压;通过对中央机厂15218工作面顶板的力学结构、支架支护阻力以及煤壁的力学结构、临界帮护力的研究,得出架型应选择两柱支撑掩护式液压支架,液压支架护帮结构应选择伸缩梁与护帮板分体结构;通过采用工程实践分析的方法对中央机厂15218工作面超大采高工作面液压支架进行了适应性评价分析,得出ZY21000/38/82D型液压支架可以满足中央机厂15218工作面超大采高工作面的实际生产要求。

挖金湾矿液压支架受力模型分析及简化

液压支架作为煤矿综采工作面的重要组成部分,对其支撑机理的研究有助于保障设备的可靠性和安全性,提高生产效率。实际采场的围岩损伤和运动变化很难通过现场测试的方法得到准确的数据,基于此,根据采区地质钻孔资料得到岩层岩性特征依据,并根据矿压理论进行综采工作面压力显现规律的推断,以此作为液压支架工作阻力参数的依据;对工作面围岩-支架间的耦合进行分析,得到液压支架与直接顶、基本顶之间力的相互作用情况。

基于支架-围岩耦合关系的煤壁弱化技术研究与应用

为解决1203工作面坚硬煤层采煤机破煤难题,对当前采煤机的割煤现状进行分析,发现存在截齿磨损及遗失严重、采煤机机身振动强烈、割煤速度慢、效率低等问题,并对采场支架-围岩耦合关系展开研究。在工业性试验阶段,针对来压期间和正常回采期间实施不同的围岩控制模式;截齿损耗及采煤机故障率显著下降,技术经济效益显著。

超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系

针对金鸡滩煤矿坚硬厚煤层赋存条件,提出了8.2 m超大采高一次采全厚开采方法,分析了超大采高工作面液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合关系及控制方法,研制了ZY21000/38/82D型超大采高液压支架及新结构。基于液压支架与围岩耦合作用关系,采用理论分析与数值模拟方法研究了超大采高液压支架合理工作阻力确定的"双因素"控制法;通过建立脆性坚硬厚煤层煤壁片帮的"拉裂-滑移"力学模型,得出了控制煤壁片帮发生滑移失稳的液压支架临界护帮力;分析了销轴铰接间隙对超大采高液压支架稳定性的影响及控制方法。通过创新研制大缸径抗冲击双伸缩立柱、三级协动护帮装置等新结构,保证了超大采高液压支架与围岩系统的稳定性控制。

大采高放顶煤液压支架围岩耦合三维动态优化设计

分析了大采高综放顶煤破碎规律、直接顶和基本顶的破断规律,揭示了大采高综放开采矿压显现剧烈的原因;建立了大采高放顶煤支架围岩耦合的组合悬臂梁模型,提出大采高综放支架支护强度的确定方法;提出基于支架围岩耦合模型和有限元分析的大采高放顶煤液压支架三维参数优化动态设计方法,发明了大采高放顶煤液压支架新型放煤结构;进行了大采高放顶煤支架总体配套与工作过程仿真研究。

布尔台煤矿厚煤层大采高液压支架适应性分析

为得到神东矿区北部中等埋深厚煤层大采高工作面矿压显现规律、液压支架合理工作阻力及分析支架适应性,对布尔台煤矿42102-1大采高综采工作面的矿压显现及液压支架工作阻力进行观测,计算得到该工作面顶板结构及运动特征参数,提出了考虑支架实际使用效果的"三因素法",即从"支"、"护"、"采"三方面评价支架适应性,应用岩石自重经验估算法、实测支架循环末工作阻力加1倍均方差和传递岩梁理论这3种方法,计算得出该工作面的支架合理工作阻力均为16 000 kN,应用结果表明:现有ZY10800/28/63支架工作阻力过小不能适应该矿中等埋深大采高的开采条件,须重新选择合理支架。

液压支架与围岩耦合关系及应用

基于"砌体梁"理论力学模型,对支架所受顶板岩层载荷进行分类,采用理论分析方法对支架与围岩耦合作用关系进行研究,提出支架与围岩之间存在刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系,并分析了酸刺沟煤矿大采高综放液压支架失稳破坏原因。认为顶板动载荷主要受破断基本顶岩块与随动岩层自身质量、回转空间共同影响,直接顶(含顶煤)-支架-底板的整体刚度可以影响基本顶的断裂位置,从而降低基本顶来压对支架的作用力与作用时间;合理的支架支护强度可以降低顶板下沉量与下沉速度,减轻顶板动载冲击对支架的影响,支架支护强度还对底板及煤壁片帮冒顶产生影响;支架自身稳定性及对围岩失稳的适应性是支架-围岩系统稳定性耦合的关键。

特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理

针对厚煤层综采(放)开采过程中遇到的技术难题,提出了大采高综采(放)开采面临的3个科学问题,建立了基于技术经济分析的厚煤层开采方法适应性评价指标体系与评价模型。基于液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合原理,建立了液压支架与围岩的耦合动力学模型及煤壁片帮的"拉裂-滑移"力学模型,提出了大采高综采(放)液压支架合理工作阻力确定的"双因素"控制法。基于大采高综放工作面顶煤冒放性与煤壁稳定性控制的矛盾,提出了增大液压支架的初撑力及优化液压支架架型结构等方法缓解2者之间的矛盾。通过开发厚煤层大采高综采(放)关键技术与装备,实现了厚煤层的安全、高效、高采出率开采。

皖北矿区综采工作面软弱围岩液压支架耦合性能分析

针对皖北矿区软弱围岩特性,分析了不同位置软弱围岩的运移规律,得出其对工作面支护的影响作用从强到弱依次为直接顶、底板、煤层和基本顶;基于综采工作面软弱围岩液压支架强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合分析,得出了软弱围岩综采工作面支护强度确定需要考虑顶板支护、围岩完整性控制两个方面,提出合理的液压支架初撑强度确定方法,完善了软弱围岩综采工作面液压支架设计要求。开采实践可知,液压支架设计合理能够满足软弱围岩综采工作面开采要求。

特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系

针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6.0 m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定性耦合的基础上,提出超大采高综放开采支架-围岩结构耦合理论。从液压支架与围岩相互作用机理角度,阐释了支架-围岩支护系统“小结构”初次耦合主动支撑和“大结构”二次耦合被动承载概念和理论,分析了围岩“大、小结构”耦合对工作面围岩支护效果和适应性的影响,指出综采放顶煤液压支架结构设计除需满足“小结构”支护系统适应“大结构”周期性破断失稳形成的强动载矿压外,还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)对顶煤冒放运移规律和支架载荷演化过程的影响,通过支架结构与顶煤冒放结构耦合实现顶煤顺利放出,提高顶煤采出率。采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研等研究方法,分析了坚硬顶煤冒落和放出结构以及冒放过程的成拱机理,讨论了液压支架结构高度对矿山压力显现强度、顶煤冒放结构和资源采出率的影响,研究了放煤机构结构对顶煤成拱结构的影响,以及放煤机构结构对顶煤的二次破碎作用,提出了强力放煤机构结构改进和优化策略,并对破煤机理和效果进行探讨,以期为相似坚硬特厚煤层综放开采支架-围岩耦合提拱理论指导和借鉴。

岩体裂隙结构面的温度-应力-水力耦合本构关系

进行了单、正交裂隙岩体的渗透实验 ,并针对单、正交裂隙岩样在不同温度及应力下的渗流试验特点 ,分析了裂隙结构面变形规律 ,并以此实验成果为基础 ,给出了岩样裂隙结构面温度 -应力 -水力的耦合本构关系式。

超前液压支架与围岩耦合支护系统及其适应性研究

为解决工作面采动应力影响范围内动压巷道的支护难题,采用数值模拟和现场监测相结合的研究手段,分析采动应力影响范围和分布规律,得出了东滩煤矿深部综放工作面沿空巷道超前支承压力影响范围宽为45-68 m;榆神矿区坚硬完整围岩大断面巷道超前影响距离为20-30 m,相对剧烈影响段在20 m内。提出＂低初撑、高工阻＂非等强耦合支护理念和超前支护设计原理,并采取凹凸型顶梁结构、增大移架步距、带压擦顶移架、交替迈步自移、增设调架机构等措施,使超前加强支护系统与锚网索支护系统相匹配,实现超前支护系统与围岩强度耦合、结构耦合以及稳定性耦合,增强系统适应性,达到协同支护的目的。同时,研制出适应不同开采技术条件、不同开采方式的一系列超前液压支架,并在多个矿区推广应用,取得了良好使用效果。

大倾角综采工作面液压支架参数设计及其与围岩关系

基于云南观音山煤矿已有的煤层地质条件,确定了合理的支架高度、支护强度及合理的额定工作阻力。在顶板分类原则基础上选定支架为ZQY4400/17/36型大倾角掩护式液压支架。采用数值模拟软件FLAC3D,建立了大倾角软顶底板煤层数值模型,模拟研究了所选支架在工作面的支撑应力分布规律,分析了工作面回采时煤壁内应力分布,顶板下沉及底板鼓起情况。采用AN-SYS数值模拟软件,建立了支架与围岩关系的力学模型,模拟研究了支架所受载荷情况,对支架与围岩的力学关系进行了分析。结果表明:根据实际地质情况选择的ZQY4400/17/36型大倾角掩护式液压支架使用时,顶板下沉量和底板鼓起量能满足安全开采要求,支架以前梁变形为主,支架顶梁变形较小,支架底板尖端比压满足支护要求,支架整体选择适合实际条件。

液压支架随机载荷历程及Monte Carlo法的应用

为较准确地预测液压支架的使用寿命,利用支架与围岩的相互作用关系,通过围岩的运动规律,分析出了液压支架外载荷的来源及特征.应用Monte Carlo法进行随机抽样获取载荷谱,统计得到其载荷幅值服从形状参数为1.31,尺度参数为216.96的威布尔分布,而载荷均值服从均值为1 200 N·m,标准差为51.96N·m的正态分布,进而模拟出了液压支架在井下真实的载荷历程.为进一步研究和编制程序载荷谱,进行实验室模拟试验和疲劳寿命预测做好准备.

大倾角综放工作面支架与围岩相互作用关系研究

针对大倾角煤层综放开采工作面的复杂地质条件,分析了大倾角条件下综采工作面支架与围岩相互作用关系,阐述了围岩特性对液压支架的性能影响,对大倾角煤层开采过程中,支架的受力及稳定性情况进行了研究,为大倾角煤层综放工作面液压支架的设计提供了较好的借鉴作用。

综采成套技术与装备集成配套设计创新与实践

基于液压支架与围岩的耦合作用原理,分析了综采工作面围岩与液压支架的"能量积聚-耗散-释放-传递-响应"过程,通过对液压支架的内生能量与外生能量进行统一换算,可以得出基于能量原理的综采支架工作阻力计算方法。系统阐述了不同薄煤层开采方法的适用条件及薄煤层自动化集成配套关键技术与装备,分析了中厚煤层年产千万吨综采装备配套模式及关键技术,研究了厚煤层超大采高工作面综采装备关键技术及集成配套设计,论述了特厚煤层大采高综放开采技术的适用条件,分析了不同综放液压支架架型及配套方法,提出了大型矿区综采装备系列型谱及全生命周期管理系统。

杨家村矿弱胶结软岩煤巷变形机制与围岩控制技术研究

为解决杨家村矿弱胶结软岩裂隙水影响下煤巷支护难题,综合采用现场调研、室内实验、数值模拟、现场实测研究手段,研究了该巷道围岩水理性质,揭示了巷道围岩变形机制。研究结果表明:1围岩含易吸水粘土矿物,遇水易产生塑性软化变形与体积膨胀;2岩石软化系数约为0.17,属于软化岩石;3随着含水量的增加,岩石试件单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角、抗拉强度、凝聚力等物理力学指标值逐渐降低,但泊松比逐渐增加;4受顶板围岩裂隙水影响,围岩物理力学性质劣化较为显著,岩层层间胶结能力差,围岩承载能力降低,致使顶板变形严重;5直墙半圆拱形巷道与锚网索喷支护技术能有效改善围岩物理力学性质,提高围岩承载能力。现场应用表明:顶板最大下沉量为48mm,最大离层量为22mm,满足了矿井安全高效生产要求。