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。

基于能量法的工作面端面冒顶机理及“支架-围岩”耦合关系试验研究

为研究综采工作面顶板稳定性及其影响因素,结合能量法和“顶板-支架-煤壁”系统模型,建立了端面顶板稳定性力学模型,利用分布式支架顶梁压力监测系统和数字图像监测技术,开展了端面冒顶相似模拟试验,分析了端面冒顶影响因素、顶板破坏形态和支架顶梁压力分布演化特征。研究表明:根据端面顶板稳定性力学模型,距煤壁1 m范围内直接顶稳定性系数小于0,该区域为端面冒顶高发区;距离煤壁越远,顶板垂直位移和水平位移也随之增大;提高支架工作阻力能有效减小顶板下沉量;顶板黏聚力和内摩擦角越大,顶板稳定性越好;相似模型试验中直接顶依次经历了端面冒落、顶板破断、顶板破碎等阶段,液压支架顶梁压力表现为中部>前部>后部;当顶板完整时,模型支架初撑力和支护阻力充足,“支架-围岩”耦合关系良好;当顶板破碎导致支架位态不佳时,模型支架降阻或偏载现象明显,容易造成顶板裂隙发育、端面冒顶、支架压架等事故,“支架-围岩”耦合关系恶化;利用数字图像监测技术获得了端面冒顶阶段直接顶最大剪应变集中于端面顶板附近。研究显示支架与围岩相互作用关系与端面顶板稳定性互相影响,维持良好的“支架-围岩”耦合关系有助于提高工作面顶板稳定性。

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。

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。

基于支架与围岩耦合关系的支架适应性评价方法

基于支架与围岩的动态失稳规律,分析了支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合关系,建立了以支架与围岩适应性综合指数为核心的评价模型,研究了评价指标的获取方法及评价流程。研究结果表明:顶板来压形成的冲击动载荷由顶板岩层自重及顶板运移空间共同影响,通过提高顶板来压前支架、直接顶、底板的组合刚度可促使基本顶断裂位置向采空区移动,降低顶板对支架的冲击,利用三维立体防护装置维护支架自身稳定是支架与围岩保持动态平衡的关键。针对不同煤层赋存条件对围岩控制效果的要求,确定各评价指标的优先关系系数矩阵,采用模糊综合判断矩阵计算支架与围岩适应性综合评价指数。通过分析支架对围岩适应性评价结果,有助于进行支架改进优化设计。

基于耦合动力学模型的围岩-支架相互作用分析

液压支架处于与围岩相互作用的工作环境中,因此掌握其耦合作用规律,对于液压支架的抗冲击、自调适设计具有十分重要的意义。以ZY12000/28/64支顶掩护式液压支架为研究对象,运用拉格朗日第二类动力学理论建立6自由度围岩-支架耦合动力学方程。应用该动力学方程,分析了基本顶质量、基本顶初始高度及断裂点位置对液压支架动力学响应的影响。结果表明,立柱千斤顶、平衡千斤顶的受力随着基本顶质量和基本顶初始高度的增加呈线性增大;随着断裂点位置的前移,立柱千斤顶受力增大、平衡千斤顶受力减小。

综放工作面支架与围岩耦合关系及端面顶板稳定性研究

针对综放工作面支架-围岩耦合关系及端面冒顶问题,运用有限元极限分析和模型试验,研究了支架俯仰角、端面距、割煤高度及覆岩破断对端面顶板稳定性及支架-围岩耦合关系的影响,获得了顶煤位移、支架偏载及端面冒顶演化规律。结果表明:顶梁上方顶煤垂直位移呈中间大两端小,水平位移由梁端向采空区方向逐渐增大,而端面无支护区顶煤位移由煤壁向梁端降低;当顶梁俯角为3°时,支架对顶煤提供水平支撑力,顶煤位移更均匀,支架偏载情况更好;端面距和割煤高度均与端面顶板稳定性呈负相关;覆岩回转破断会恶化支架-围岩耦合关系,降低支架支护效果,导致端面冒顶。因此,综放工作面应合理调整支架位态及割煤高度,尽量减小端面距。

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。

基于“支架—围岩”关系的大倾角工作面液压支架稳定性分析

针对大倾角综采工作面的液压支架失稳难题,首先对2313工作面进行现场调研,分析其具体地质生产条件下的液压支架失稳特性,然后建立液压支架—围岩耦合模型并分析其耦合特性,进而提出液压支架稳定性控制对策,高度重视液压支架—围岩的协同控制,在控制液压支架及围岩稳定性方面取得了较为成功的经验,安全生产得到保障。

基于数值模拟的浅埋煤层综采工作面覆岩移动和矿压规律研究

为直观研究煤矿采场支架与围岩之间的作用关系,基于CDEM数值模拟软件,建立与“工作面推进-顶板岩层运动”实际物理过程相符的数值模型,实现采煤工作面液压支架与围岩耦合的二维动态数值模拟。以大湾煤矿12311综采工作面为工程背景,直观地研究浅埋煤层综采工作面覆岩结构运动和矿压规律。结果表明,工作面基本顶初次和周期来压期间,支架工作阻力相差不大;工作面超前压力影响区域为工作面前方采高大小的2.0~3.0倍范围内;工作面基本顶初次和周期来压时,支架平均工作阻力为9.0~11.0倍采高的岩层重量载荷。模拟结果与现场监测数据一致,为研究支架-围岩关系提供了新的方法。

深部高应力巷道弯曲D型钢管混凝土支架支护分析

以贵州某矿30 m水平为背景,通过理论计算弯曲D型钢管混凝土支架和圆形钢管混凝土支架钢管的抗弯截面系数,对比分析了2种支架的抗弯性能;使用ABAQUS构建了围岩支架耦合模型,研究了不同侧压力系数下2种支架的受力特点和变形特征。结果表明,弯曲D型钢管抗弯截面系数是圆形钢管抗弯截面系数的1.47倍,弯曲D型钢管混凝土支架的抗弯性能强于圆形钢管混凝土支架;2种支架受力均呈对称分布,顶拱变形量大于底角变形量;侧压力系数一定时,弯曲D型钢管混凝土支架最大应力和变形量均小于圆形钢管混凝土支架的相应值。

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。

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。

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。

煤炭安全高效开采技术与装备发展

基于我国煤炭工业＂黄金十年＂安全高效开采技术发展成就,阐述了液压支架与围岩刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系理论的创立与应用;提出了大倾角煤层液压支架＂自撑—邻拉—底推—顶挤＂的稳定性控制策略及成套技术;解决了薄煤层超大伸缩比立柱、智能化开采技术难题,研发0.6~1.3m复杂薄煤层自动化综采成套技术与装备,实现工作面有人值守无人操作;开发了7m特大采高综采成套装备及大梯度过渡配套技术,实现大采高综采技术新突破;研发了特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备,成功实现14~20m特厚煤层安全、高效、高回收率开采。基于煤炭市场发展趋势和技术发展要求,展望＂十三五＂煤炭安全、高效、集约、智能化开采技术与装备发展方向。

深部综掘巷道机器人化超前支护方案与最佳支护时机研究

综掘工作面为顶板垮落、片帮等事故多发区,且随着煤炭开采深度的增加,安全问题更为严峻,严重威胁着煤矿工人的人身安全。超前支护是事故预防和安全保障的有效途径之一。基于自主设计的机器人化自移式支锚联合机组,提出了综掘巷道超前支护方案和支护时机的概念,阐述了支护机器人的结构与工作原理。以旗山矿地质条件为例,建立了巷道围岩-超前支架力学耦合模型,采用数值模拟分析了不同支护时机下巷道围岩变形与支架受力情况。结果表明:顶板下沉10~15 mm时,巷道围岩承载能力较强,平衡后顶板最大下沉量最小,约29.64 mm,超前支架顶部受力最小,约0.13 MPa,有利于超前支架的设计与巷道安全支护,为最佳支护时机。总结了综掘巷道最佳支护时机的确定方法,为利用巷道围岩的自承载能力、减小巷道围岩变形、降低巷道支护成本、提高巷道支护效率和安全性提供了思路。