近直立煤层群水平分段综放开采充填卸压防冲研究

目前近直立煤层开采冲击地压防治措施主要有爆破、水压致裂、建立保护层等,或破坏层间岩柱和顶底板,或难以解决大采深情况下的层间岩柱应力集中问题,且会导致较大的地表沉降。以乌东煤矿为工程背景,针对近直立煤层群水平分段综放开采方法,提出了充填采空区技术,以支护层间岩柱及顶底板,降低开采分段周围煤岩体的应力集中现象。设计了3种充填方案:方案1为第一开采分段采空区使用高强度材料充填,其余分段采用普通材料充填;方案2为第一开采分段采空区使用高强度材料充填,其余分段交替采用高强度材料和普通材料充填;方案3为每一分段采空区均使用高强度材料充填。通过数值模拟研究了3种充填方案的卸压防冲效果,结果表明:与未充填相比,3种充填方案下层间岩柱最大垂直应力分别下降25.07%,26.57%,29.23%,下一分段煤体最大水平应力分别下降10.63%,10.79%,12.34%。综合考虑卸压效果和经济效益,优选间隔充填的方案3。指出可结合高应力区域实时智能监测技术,及时支撑层间岩柱,减少层间岩柱及下分段煤体的应力集中,防止冲击地压发生。

特厚煤层综放开采合理放煤工艺参数研究

针对不连沟煤矿特厚煤层综放开采放煤工艺参数确定的合理性问题,通过实测特厚煤层单轮顺序放煤时单个支架的连续放煤时间,在倾向方向基于“大、中、小、微”放煤理念确定了“大”放煤、“中”放煤、“小”放煤、“微”放煤的循环内位置和放煤间距;在走向方向通过布置多点位移计测试了不同顶煤高度、不同循环时的顶煤运移轨迹曲线,得出在倾斜方向的顶煤移动轨迹曲线方程,确定不同放煤步距时的工艺损失。研究结果表明:单放煤口充分放煤时,工作面倾向方向影响距离6~12架,倾向单架放煤影响半径平均7.6 m;循环内两端“大”放煤、中间“中”放煤、其余“小”放煤和“微”放煤交替;本架放煤在垂高12.3 m层位的走向影响距离平均4.9 m,在垂高8.3 m层位的走向影响距离平均3.8 m,拟合确定了不同放煤步距的顶煤走向运移方程,理论得出循环步距0.8 m比1.6 m减少煤炭损失694 t。研究结果为指导不连沟煤矿特厚煤层综放开采合理放煤和提高资源回收率提供依据。

综放工作面智能化开采工艺研究

以1303工作面为工程实例,对采面使用的智能化开采技术进行分析,并详细探讨开采设备控制方式以及人员防误入系统等关键子系统。1303工作面采用智能化开采工艺后,采面开采设备可实现远程控制,同时监控系统可实时掌握各设备、采面的现场情况,现场仅需要安排13人、地面安排3人即可实现开采设备控制。采用的智能化开采工艺在减少井下作业人员数量、提高煤炭开采效率及矿井生产效益等方面表现出明显优势。

特厚弱胶结顶板煤层综放开采覆岩破坏特征与强矿压机理

针对新疆准东二矿1101工作面,通过分析现场矿压和微震数据,研究了综放工作面矿压显现规律以及顶板破坏特征和矿压显现之间的关系。研究结果表明:(1)准东二矿特厚煤层弱胶结顶板1101首采工作面基本顶初次来压步距为43.37 m,关键层初次来压步距为81 m,基本顶和关键层交替破断形成大小周期来压,大周期来压步距为30~40 m,小周期来压步距为18~22 m。(2)截止到工作面推进至270 m,小能量微震事件主要发生在顶煤中,大能量微震事件主要发生在关键层及以上岩层,微震能量大小呈现周期性变化,顶板裂隙发育高度为距离煤层顶板258 m左右。(3)压架事故发生在基本顶和关键层周期来压阶段,压架事故往往伴随大能量微震事件的发生。(4)综放工作面顶板形成“组合悬臂梁-铰接岩块”平衡结构,组合悬臂梁断裂形成小周期来压,关键层断裂同时压断下方悬臂梁形成大周期来压,然而弱胶结顶板使得关键层破断后不易形成稳定的铰接结构,破断岩块发生滑落失稳,对工作面造成冲击动载荷,造成压架事故的发生。在此基础上,提出了提高液压支架初撑力至31.4 MPa,控制工作面推进速度在5 m/d左右的防治措施。

急倾斜特厚褶曲煤层分层综放工作面俯斜旋转开采工艺实践

大倾角长壁综放工作面煤层赋存条件复杂,布置工作面、确定开采工艺受诸多因素制约,安全生产管理难度非常大,仍有许多难题尚待解决。尤其倾角在35°~55°这一过渡区间的急倾斜特厚褶曲煤层的综放开采技术,迄今在国内外尚未形成成熟的施工工艺。

特厚煤层综放开采小煤柱合理宽度留设及支护技术

特厚煤层综采工作面大、受采动影响面大、矿压显现特征明显,给工作面及回采工作面围岩调控的技术应用带来了较大的挑战。在特厚煤层的开采过程中,煤柱间距是影响矿山压力调控的关键之一,如果预留的煤柱间距过大,会导致矿山压力调控较为困难,进而导致矿山压力调控失常,因此必须保证其宽度在合理范围内。基于此,以韩家洼煤业工程为例,对特厚煤层综放开采小煤柱合理宽度留设及支护技术进行了研究。

厚煤层综放开采矿压显现异常治理研究

当前,厚煤层综放开采矿压显现异常已经成为回采作业顺利开展的主要影响因素,为解决这一问题,本文结合某煤矿情况展开综合分析,基于矿压显现类型,引入综合指数法,对该煤矿进行安全评估,针对存在的矿压显现异常现象及原因加以讨论,提出做好矿压显现异常预警以及采取良好的支护结构等针对性治理措施。

综放工作面围岩控制与智能化放煤技术现状及展望

分析了厚及特厚煤层智能化综放工作面围岩控制技术与智能化放顶煤技术发展现状及存在的问题,从巷道围岩高效支护、工作面超前支护、坚硬特厚顶煤冒放性、液压支架位姿监测及智能化放顶煤5个方面提出了工程实际需求。针对综放工作面实现安全、高效、智能化开采存在的技术难题与工程需求,对综放工作面围岩控制技术、智能化放煤技术进行了研究:构建了坚硬特厚煤层顶煤悬臂梁力学模型,研发了提高顶煤冒放性及放出率关键技术,实现了坚硬特厚煤层超大采高综放开采;研发了单元式超前液压支架顶梁可旋转自复位装置,实现了液压支架顶梁根据巷道顶板倾斜角度自动旋转支护,有效提高了单元式超前液压支架对巷道顶底板的适应性;提出了采用巷道支护液压支架替代传统锚网支护结构的思路,具有支护效率高、成本低、节省工作面超前支护等优点;开发了基于立柱与尾梁千斤顶行程的综放液压支架支护姿态监测装置与算法,提高了液压支架支护姿态解算效率与精度;提出了基于透明地质模型、煤量监测装置与煤矸识别装置融合的智能放煤控制方法,可有效解决多夹矸层特厚顶煤智能化放煤技术难题。提出智能地质保障技术、机器视觉精准测量与智能感知技术、综放工作面设备智能精准自适应控制技术、综放工作面数字孪生技术等是智能化综放开采技术与装备的发展趋势。

特厚煤层综放工作面智能化开采研究与实践

智能化开采是使我国煤炭工业质量发展的关键配套技术之一,对占我国煤炭产能绝大部分的中厚煤和特厚煤实现智能化开采具有重要意义。由于特厚煤层综放过程中工作面容易变形,为提高开采速度,减少安全事故,应加强对岩层的结构分析,通过引入智能化开采解决这一问题。本文主要介绍特厚煤层智能化综放,探讨阻碍特厚煤层智能化综放管理技术的三个主要制约因素。

大倾角厚煤层综放工作面智能化开采方案构建研究

为实现煤炭高效回采,以12308综放工作面为例,根据现场情况以及智能化构建目标,提出了采面智能化开采方案。文章对智能化开采设备配备情况、控制系统结构、采煤机、液压支架、运输设备以及供液设备等智能化控制方案等进行了阐述。在12308综放工作面现场应用后,智能化开采方案实现了减人增效的目标,圆班工作人数由100名减少至75名,工效由145 t/工提升至193 t/工,取得了较好的应用成果。研究成果在综放设备防滑以及放煤智能化控制方面仍有较大的提升空间,对类似的大倾角综放工作面智能化开采设计具有一定的借鉴作用。

深部特厚煤层综放沿空掘巷煤柱优化及巷道支护

为研究深部大采高综放工作面窄煤柱沿空掘巷巷道矿压控制问题,以国能宁煤集团枣泉煤矿2^(-2)特厚煤层130203大采高综放工作面回风巷道为背景,基于实用矿山压力理论,建立了巷道围岩内、外应力场动态结构力学模型,运用理论计算和数值计算针对不同尺寸煤柱煤体应力对比分析,将原留设15 m护巷煤柱缩小至5 m进行了煤柱优化。结果表明:在稳定的内应力场掘巷有利于巷道的稳定性,避免了顶板事故及冲击地压相关灾害的发生,现场5 m小煤柱护巷工程应用中,130203回风巷道小煤柱侧变形量为1050 mm,实体煤帮变形量为400 mm,两帮呈现不对称性变形,底板局部底鼓量为1400 mm;深部特厚煤层综放开采沿空掘巷采用5 m小煤柱护巷方案设计正确,极大改善了巷道围岩的应力环境,整体设计满足生产要求,现场应用良好。130203工作面小煤柱沿空掘巷技术成功应用,为矿井开采提供了可靠的科学依据。

特厚煤层综放开采顶煤遗失机理及放煤步距优化数值模拟研究

为确定特厚煤层综放开采的合理放煤步距,探究放煤步距对顶煤遗失和回收率的影响机理,以塔山煤矿8222综放工作面为工程背景,采用CDEM颗粒-块体单元耦合数值模拟方法,建立考虑液压支架支撑作用的二维走向开采数值模型,研究特厚煤层综放开采放煤步距对遗煤形态、放煤漏斗、煤岩分界线等的影响,揭示“见矸关门”条件下的顶煤遗失机制,探索顶煤在采空区内随综放工作面循环推进的遗失规律。结果表明:随着综放工作面不断推进,液压支架上方的矸石提前到达放煤口,采空区一侧部分顶煤未能放出而留在采空区内,造成顶煤遗失;放煤步距对煤岩界面形态和煤岩相互侵入有显著影响,进而影响顶煤回收率和混矸率;通过数值分析、顶煤回收率和总回收量指标确定了塔山煤矿8222综放工作面12 m顶煤厚度下最佳放煤步距,为0.8 m。

特厚煤层综放开采多口同时放煤三维实验研究

为提高特厚煤层综放工作面顶煤回收率及放煤效率,重点研究了多口同时放煤的放煤方式。根据塔山煤矿8222工作面实际情况,进行了多口同时放煤三维相似模拟实验。结果表明:首次放煤时,单口放煤放出体大致呈下窄上宽的漏斗状,多口同时放煤放出体呈现中部宽、两端窄的特点,放煤量呈现单口>双口>三口的现象。首次放煤时,开口数目越多煤岩分界线的斜率越大,对顶煤的扰动范围越大,煤岩分界线的最低点越高,损失的低位顶煤越多,且煤岩分界线最低点基本在该组支架的中心位置;放煤结束后,三口组放出更多支架上方及前方的中低位顶煤,放煤量总体呈现三口>双口>单口的现象。

特厚煤层综放开采邻空动压巷道围岩变形机理及卸压控制

受工作面采动叠加影响,特厚煤层综放开采邻空动压巷道极易发生冲击地压、巷道大变形等强矿压显现现象,是采掘过程中的重点防控区域。以榆神矿区曹家滩矿井特厚煤层综放开采为工程背景,分析了邻空动压巷道强矿压显现机理,研究了邻空巷道围岩倾向和走向支承压力分布力学机制,提出于邻空巷道进行定向张拉爆破切顶卸压巷道围岩控制,并运用数值模拟及现场试验等方法对该技术的作用效果进行了综合研究。结果表明,特厚煤层综放开采条件下,工作面开采大空间采空区长悬臂结构断裂后形成台阶岩梁块体长度较大,其滑落失稳或关键层失稳均会引发强动压,该动压作用在煤柱上并进一步传递至超前区邻空巷道围岩是造成底鼓大变形的主要原因。于邻空巷道内进行定向切顶卸压后,可减弱本工作面后方采空区顶板与煤柱间的承压,邻空巷道围岩应力向远离巷道方向转移,应力峰值降低,应力范围减小。现场开展了不同切顶方式下的现场工程试验,基于定向张拉爆破的深孔切顶卸压技术可有效减小特厚煤层工作面端头区邻空动压巷道的围岩压力,定向切顶后邻空动压巷道超前支架平均荷载降低11%,巷旁煤柱体应力峰值降低10%,巷内底鼓严重段平均变形减小65%,有效提高了巷道稳定性,为特厚煤层综放开采邻空动压巷道强矿压大变形控制提供了一种有效手段。

综放工作面智能化升级改造与应用

智能化不仅是煤矿转型升级的新途径,也是新时代背景下煤炭开采技术革新的前进方向,更是煤炭工业高质量发展的必由之路。以山西中煤东坡煤矿915综放工作面为智能化升级改造对象,结合工作面开采技术条件和现场设备实际配置情况,按照智能化采煤工作面建设指南及验收管理办法的相关要求,在合理控制投资的前提下提出了具有针对性的中级智能化综放工作面改造目标、系统架构和升级方案,完成了对采煤、支护、供液、人员定位及视频监控等子系统的智能化升级。升级改造后实现了工作面采煤机记忆截割、支架一键放煤、自动跟机、实时视频监控、地面及井下远程可视化控制、各系统协同控制等功能,达到了“增安、减人、提效”的目的,对类似条件下智能化采煤工作面建设具有一定的参考意义。

冲击性煤层综放面采空区漏风区域识别及控制方法研究

矿井煤层发生冲击失稳易诱发矿压灾害,且工作面间煤柱破碎形成漏风通道,采空区自燃危险性增强。以孟村煤矿401103深埋冲击倾向性超长工作面为工程背景,通过分析工作面开采时漏风及煤自燃诱因,测定工作面及相邻采空区的漏风规律并数值模拟验证煤自燃危险区域,从而制定漏风控制及煤自燃防控措施。结果表明:401103工作面受冲击矿压影响较大,漏风供氧增加了采空区遗煤自燃的风险;漏风观测数据表明面间煤柱存在漏风通道,使得两工作面采空区形成了复合漏风采空区;在401103工作面推进过程中,煤自燃危险区域主要集中于工作面后部采空区,工作面进风隅角与其临近的401102采空区产生明显的漏风涡流区。采用束管监测、漏风封堵、材料阻化与调节风量等综合防控措施,有效控制了工作面及相邻采空区的遗煤自燃,保证了工作面的安全开采。

厚松散层下高强度综放开采地表沉陷规律研究

在陕北地区浅埋厚煤层、厚松散层地质条件下,以某大型煤矿大采高综采工作面采动地表沉降监测数据为基础,选取沿工作面走向、倾向两条观测线为研究对象,分析研究各观测点全周期下沉变化及对应时空关系,采用数理统计、公式计算、数据拟合等方法确定地表移动动态变化相关参数,探讨采动工作面的地表沉降特征和变化规律。结果显示:工作面采动初期上覆岩层的运动范围已波及到地表,随着工作面不断推进,其地面影响范围一直在超前;当工作面回采完成时,下沉量迅速衰减,逐步趋于稳定。走向线最大下沉值3 715 mm,倾向线最大下沉值3 327 mm,工作面推进在400~600 m,下沉速度超过200 mm/d,最大可达268 mm/d。地表沉降系数0.58,起动距102.6 m,超前影响角54.9°,最大下沉速度滞后角71.8°。地表移动持续时间282 d,起动阶段时间短,仅为18 d,活跃阶段移动速度大、变形剧烈,衰退阶段持续时间较长达199 d,反映了浅埋厚松散层综放高强度开采条件下,地表移动发展快、稳定也快的特征。

经坊煤业厚煤层综放工作面窄煤柱护巷技术应用

为实现精采细收、提高生产效益,经坊煤业进行窄煤柱沿空掘巷工艺应用试验。以3-509综放工作面为工程背景,借助数值模拟、工程类比等手段进行煤柱留设及巷道支护方案研究,结果表明:煤柱宽度为7 m时沿空巷道围岩应力情况有利于其稳定,表面变形量总体较小,依照数值模拟结果设计的“锚杆+锚索”联合支护方案实践阶段围岩控制效果显著,锚杆支护性能得到充分发挥,可保证沿空巷道围岩的整体稳定。

厚煤层综放工作面智能化协同控制方案设计与应用

针对厚煤层综放工作面智能化控制系统整体协调运行适应能力差问题,结合综放工作面生产工艺将智能化控制子系统进行融合,设计了一套综放工作面智能化协同控制方案,分析阐述了综放工作面各智能化子系统的构成、功能及不同设备之间的协同关系。在布尔台煤矿42204综放工作面进行应用,结果表明,该方案能够实现工作面各设备及生产工序的智能化协同作业,极大提高设备故障诊断效率,实现工作面高效开采,为类似条件下综放工作面智能化开采技术应用提供了技术思路,具有较高的推广应用价值。

特厚煤层智能化综放开采理论与关键技术架构

综放开采方法是我国特厚煤层矿区实现高产高效的主要技术途径,智能化综放开采是未来综放开采技术发展的重要方向。在分析千万吨级特厚煤层智能化综放开采技术和问题的基础上,围绕安全、高效、智能这一主题,综合考虑特厚煤层顶煤体和上覆岩层的相互作用,以掌握特厚顶煤冒放理论,实现综放工作面放煤智能化,降低含矸率、提高顶煤采出率为主导,提出要解决的关键科学问题和技术构想。针对综放开采存在的煤矸智能识别、智能放煤控制、"采-支-放-运"系统智能协调等主要难题,凝练出特厚煤层智能综放开采大尺度顶煤体破碎与冒放机理,特厚煤层智能化采放协调控制机理与方法,特厚煤层智能综放开采群组放煤过程控制原理三大科学问题。攻克特厚煤层群组协同智能放煤工艺决策技术,特厚煤层顶煤厚度与放煤量实时监测技术,冲击振动和高光谱融合的煤矸识别技术,多模式融合的智能化放煤装备及控制技术,综放工作面"采-支-放-运"系统智能协调控制技术五项关键技术。突破特厚煤层智能化综放开采技术与装备瓶颈,研发煤矸识别装置、开发智能放煤控制系统及软件,解决采放协调、煤矸识别、群组放煤等难题,创建年产1 500万t智能化综放开采示范工程。最终实现特厚煤层智能化综放开采,为我国特厚煤层的安全、高效开发提供可靠的技术支撑。