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。

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。

浅埋深综放工作面采空区“三带”分布研究

为研究浅埋深综放工作面采空区“三带”分布规律,在串草圪旦煤矿6101综放工作面采空区埋设束管,对采空区“三带”进行了现场实测。实测结果表明:由于煤层埋深浅、地表起伏大、进风侧存在地表漏风,进风侧采空区“三带”明显滞后于回风侧,进回风两侧氧化带宽度分别为87.8 m和61.4 m。利用FLUENT软件对实测条件下该工作面采空区“三带”进行了数值模拟,模拟结果和现场实测结果基本一致。同时模拟了不漏风条件下该工作面采空区“三带”分布,此时采空区散热带、氧化带范围大幅度减小,进风侧采空区氧化带稍大,而工作面中部和回风侧“三带”分布基本一致。

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。

综放面采空区漏风规律及防治技术研究

综放工作面采空区漏风易导致遗煤自燃,危及矿井安全。以大南湖一矿1305综放工作面为研究背景,采用数值模拟和现场试验的方法,研究了综放工作面采空区漏风规律,提出了综放工作面端头封堵采空区防漏风技术方案,并在现场进行了试验。结果表明,工作面端头是综放工作面采空区漏风的主要通道,其中进风巷侧端头漏风率达19%;风流在采空区内渗透深度约160 m;工作面端头封堵后,风流在采空区内渗透深度缩减至100 m左右;1305综放工作面端头封堵后,采空区漏风率降低17个百分点。

综放工作面煤矸识别技术及其应用

综放工作面煤矸识别技术作为智能放煤开采的关键技术,已经成为煤炭智能开采领域的技术难题。首先介绍了综放工作面煤矸识别技术的重要性及其对生产安全和经济效益的影响。随后,指出了该技术目前存在的问题和挑战,如难以识别不同形状、颜色和深度的煤块和岩层;识别过程中噪声和复杂背景的影响等。详细阐述了综放工作面煤矸识别技术的主要方法如射线法、视觉法和振动与声音信号法。通过对煤矸识别方法的原理、技术特点和优缺点等方面进行分析,全面评估了当前综放工作面煤矸识别技术的应用现状以及各种方法的适用条件和存在的问题。最后,探讨了该技术的未来发展趋势,强调了多传感器融合、深度学习和智能决策与实时监测作为当前技术发展的主要方向。

近距离煤层采空区下综放工作面巷道合理位置研究

近距离煤层综放工作面开采空间大,采动强度高,下位煤层回采巷道受上煤层采动影响存在应力集中、巷道支护困难等问题,因此近距离煤层综放工作面巷道合理位置的选取对后期支护控制起到关键性作用。以西露天煤矿2煤层和1煤层1分层为研究对象,综合考虑了上煤层开采时的底板应力降低区域和下煤层开采时的极限平衡区域,确定了下煤层巷道的合理位置应在距离实体煤柱内错22.79 m以上的区域。基于上述理论计算结果,分析了上煤层开采后底板应力分布规律及不同内错距下巷道围岩变形破坏特征及规律,结果表明:①距离采空区底板越近,应力最大值与最小值相差越明显;②随着内错距不断增大,围岩应力和应力集中系数呈现急剧降低-缓慢增大-稳定的趋势,在内错距20~25 m内应力及应力集中系数相对较小;③巷道围岩塑性区范围呈现先减小后增大的趋势,当巷道处于内错20,25 m时巷道围岩破坏相对较小;④巷道变形量随着内错距增大而逐渐减小,当内错距增加至25 m时,巷道围岩移进量基本保持不变;⑤确定巷道合理内错距为20~25 m。工程应用结果表明:巷道采用内错距24 m布置时,巷道围岩松动破坏深度及变形量均在可控范围内,进一步证明了该内错距的合理性。

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。

综放面强动压区巷道变形破坏特征及锚索强化支护机理研究

针对山西宁武榆树坡煤业有限公司5107综放工作面开采强度大、超前支护劳动强度高、动压区巷道变形严重等问题,监测分析综放工作面超前段巷道围岩变形破坏特征,建立了巷道顶板锚索支护力学结构模型,基于冒落拱理论与悬吊理论精准量化动压区回采巷道所需强化支护强度,建立数值模拟模型分析综放工作面超前支承压力分布规律,优化综放面强动压区回采巷道锚索强化支护参数并进行工业性试验。结果表明,综放工作面动压区回采巷道超前支护强度整体不足,巷道顶板起伏剧烈,侧帮严重鼓出,严重制约安全生产;结合冒落拱理论与悬吊理论分析了巷道厚煤层开采顶煤破坏冒落特征,精准量化了动压区回采巷道超前段所需强化支护强度为33.74 kN/m^(2);通过数值模拟确定了“3根全长锚固补强锚索”,最外侧锚索向外倾斜15°的补强支护方式可有效控制动压区回采巷道围岩变形;进行了现场工业性试验,试验表明5107工作面回风巷顶底板、左右帮变形分别为81、189、134、145 mm,锚索补强支护条件下回风巷超前段围岩平整规则、整体稳定性良好。

厚硬顶板刀把形采空区下综放工作面冲击地压机制研究

不规则的开采空间结构可增大煤矿冲击地压危险,研究多煤层复杂开采空间结构下工作面冲击机制对煤炭资源安全采出具有重要意义。综合采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究了某矿井W1123综放工作面的动静载分布特征,分析了冲击显现机制,提出了针对性的防冲措施并进行现场应用。结果表明,上覆刀把形采空区和厚硬顶板综合作用下W1123工作面动静载分布具有区域性特征,当工作面仅受到刀把形采空区的“刀柄”作用或同时受“刀柄”和“刀身”作用时,工作面中下部和区段煤柱静载集中、动载扰动剧烈,工作面回风巷围岩也存在动静载集中,且距离刀把形采空边界越近则围岩动静载越高;仅受“刀身”作用时,工作面回风巷围岩静载集中受动载扰动。工作面静载集中区和动载扰动区重合,动静载叠加造成冲击显现。依据刀把形采空区结构特征,W1123工作面回采期间冲击类型依次为强动载型、高静载强动载型、高静载型。数值模拟和现场监测揭示的冲击危险区与理论分析结果一致。针对W1123工作面静动载分布特征,优化设计了冲击地压防治措施,增大了厚硬顶板处理高度和破碎程度、增加了工作面运输巷煤体爆破和煤柱切顶以降低顶板和煤体应力和能量集中;优化措施实施后,工作面微震事件日均能量总体下降54%,大能量事件大幅减少,冲击地压危险显著降低。该研究结果可为相似条件矿井的冲击地压防治提供借鉴。

胡家河煤矿综放工作面矿压显现规律预测及主控因素研究

现有工作面矿压显现规律预测方法中,基于数值模拟与统计回归的方法无法实现对工作面矿压显现规律的实时精准预测,深度学习方法存在超参数较多且难以设置、模型训练速度慢等问题。针对上述问题,以胡家河煤矿402102回采工作面采动过程中监测到的煤体内部应力变化时序数据为基础,将基于粒子群优化的门控循环单元(PSO-GRU)应用到回采工作面矿压显现规律预测中。采用PSO算法对GRU进行优化,构建PSO-GRU模型,实现对超参数的自动寻优,从而提高GRU的训练速度和预测精度。以预测结果为依据,采用层次分析法建立402102回采工作面矿压主控因素评价指标体系,将顶板条件、回采工艺、煤层赋存、地质构造确定为影响工作面矿压的一级指标,进一步细分出具有代表性的14个二级指标。测试结果表明:(1)与未经优化的GRU模型相比,PSO-GRU模型的均方误差(MSE)降低了83.9%,均方根误差(RMSE)降低了59.8%,平均绝对误差(MAE)降低了59.0%,决定系数R2提升了28.9%。(2)PSO-GRU模型对矿压数据预测的拟合度达0.980以上,具有良好的非线性拟合能力和泛化能力。(3)地质条件中的煤层赋存因素对回采工作面矿压的影响最大,权重为0.47;可人为干预的影响因素中工作面推进速度对矿压的影响最大,权重为0.13。

注氮条件下大采高综放工作面采空区自燃“三带”的分布规律

为解决大采高综放工作面因采高大、回采率低、开采扰动强等造成采空区遗煤自燃危险性增大的问题,以宁夏某煤矿大采高综放工作面为研究对象,应用渗透率演变方程和气体流动模型,分析注氮前后氧浓度时空演化规律及采空区自燃“三带”分布特征。结果表明:采空区氧浓度在注氮条件下呈现出中部大,两侧小的倒“U”型分布;在氧浓度划分下,氧化带范围呈现出先增大后减小的半月形,最大宽度由未注氮时的100 m缩小到50 m;在风速划分下,氧化带较未注氮时整体向工作面方向前移了15 m左右,有效降低了自燃危险区范围。

综放开采下组煤首采面上覆老空水探查及突水危险性评价

为了探究左权五里堠煤业上组煤老空区富水性及其对下组煤首采工作面突水的危险性,以下组煤首采面为研究背景,系统分析了研究区上下2组煤层顶底板岩性组合及水文地质条件;根据物探探测结果,在下组煤首采面巷道先后施工了20个探放上组煤老空水钻孔,发现上组煤老空水存在局部水量大、水压高、富水性分布不均的特点。在此基础上,建立了上下组煤层开采顶底板的工程地质数值模型,采用数值模拟方法对上组煤和上下组煤开采完毕后的应力场及塑性区场变化特征进行了对比分析,得到上组煤层开采后底板破坏深度为11 m,下组煤开采后导水裂隙带高度为112 m,没有波及上组煤底板破坏深度范围,与首采面实测涌水量反映的规律是一致的。根据首采面及附近2个钻孔的资料,采用2种相关经验公式类比计算了下组煤开采导水裂隙带高度,优选了可靠性较高的经验公式。

深埋薄基岩下区段煤柱工作面综放开采可行性研究

赵固二矿在对二1煤层回采过程中,使用分层开采并留设较宽的区段煤柱。矿井拟对区段煤柱进行回采,以赵固二矿二盘区里侧煤柱工作面为工程背景,通过岩石物理力学测试、煤体裂隙观测及顶煤冒放性评价对工作面综放开采适应性进行综合分析,得出煤柱受临近工作面回采影响,裂隙发育,顶煤强度低,顶煤冒放性评价为好;针对深埋薄基岩等条件下煤柱综放开采进行了安全论证,得到了二盘区里侧煤柱工作面可实施综采放顶煤工艺的结论,并进行现场工业性试验,目前已实现安全回采。该研究可为实现区段煤柱综放开采提供成熟方案。

近距离煤层厚硬顶板综放开采强矿压显现规律研究

针对厚硬顶板大采高综放工作面回采过程中强矿压的现象,以神东矿区某矿井近距离煤层厚硬顶板综放工作面为背景,通过现场实测和室内试验等方式,研究工作面矿压显现规律及覆岩破断特征。研究表明:(1)42105综放工作面老顶初次来压步距大,来压强度高,远超工作面支架额定工作阻力,工作面呈现出中部来压集中、强度高且较为频繁的特征;(2)近距离厚硬顶板下回采工作面时,重复采动下工作面覆岩破坏高度更大,尤其是上位关键层破断后带动下位关键层同时破断,并带动其控制的上覆岩层及上方采空区同步下沉,岩层载荷逐层向下传导至工作面,上下位关键层破断的协同作用,从而造成了工作面来压强烈。

高瓦斯综放面开切眼架前膨胀预裂坚硬顶板切顶技术研究

针对高瓦斯坚硬顶板综放工作面初采期来压步距大及顶煤损失的问题,提出代替火药爆破的开切眼架前及两顺槽煤柱侧静态膨胀预裂切顶技术;采用数值模拟方法确定了静态膨胀预裂切顶的关键参数,设计了切顶方案及工艺,并通过现场工程应用验证了静态膨胀预裂切顶技术的有效性。结果表明:综放工作面初采前在开切眼架前及两顺槽煤柱侧实施静态膨胀预裂切顶,既保证了开切眼设备安装期间的安全性,又可在后续采动应力的作用下顶板及时破断,减小坚硬顶板初次来压步距和强度;当综放工作面初采推进至开切眼宽度时发生初次来压,人工减跨效果良好,不仅提前回收了工作面的顶煤资源,而且还消除了坚硬顶板大面积悬顶带来的诸多重大安全隐患,研究成果可在类似条件下代替炸药爆破进行推广应用。

双临空综放面巷道变形能量时空演化机理及防治技术研究

以塔山矿8204-2特厚煤层综放不规则双临空工作面工程地质条件为背景,基于数值模拟揭示了不同煤柱宽度下采动应力及煤柱应变能密度分布特征。结果表明,双临空工作面回采期间,30~60 m宽的煤柱处于高应力状态,峰值超过25.96 MPa,为原岩应力的2.09倍;当煤柱宽度在30~60 m时,煤柱表现出高应力、高应变能密度的“两高”特点,发生强动压的危险性高。为防止三角变宽煤柱动力失稳,现场成功实践了“超深高密大直径卸压钻孔+补丁锚索加强支护”的强动压治理技术,使得巷道掘进和回采期间均未发生冲击地压及显著动压事故,实现了不规则综放面的安全回采。

综放工作面过陷落柱底板注浆厚度研究

针对综放工作面过陷落柱等地质构造带时极易出现煤壁片帮、架前冒落、支架陷入底板等生产难题,为优化底板注浆加固厚度,结合某矿实际地质条件,通过UDEC数值模拟对比不同注浆厚度时的支架陷底量,推导了注浆加固厚度与支架载荷和加固体强度等参数的本构关系,计算结果显示:加固厚度应随着支架载荷的增大而增大,随着注浆体强度的增大而减小;综合分析确定:当注浆厚度为1m时,支架能够适应底板的条件。依据数值模拟和理论计算结果,设计了注浆主要参数,并完成施工,实现综放工作面安全经济通过陷落柱。

巨厚硬岩下综放工作面超前效应失效机制研究

以河南义马煤田上赋巨厚硬岩综放工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析和数值模拟等方法,探索工作面开采中的超前效应失效机制,并提出了相应防控策略。研究表明,低位大厚度软岩的易垮性、高位巨厚硬岩的整体性和超前高强卸压是导致超前效应失效的根本原因,低位大厚度软岩随推采即时垮落,高位巨厚硬岩未达到极限跨距时以整体静载作用于下方煤体,煤体所承受的覆岩自重应力被均化,进而导致超前效应显现不明显;超前高强卸压不但阻断了传力路径,同时降低了应力集中程度。据此提出了设计合理推采长度、留设合理隔离煤柱以减少远场悬露岩层的生成,近场实施超前强卸压降力的防控策略,将大幅减少或消除巨厚硬岩下工作面超前效应的影响,对冲击地压防治具有重要意义。

大水易淤综放工作面泄水巷煤泥淤积物临界流速研究

高家堡煤矿综放工作面面前淋水,水源主要来自采煤工作面顶板,矿井涌水量达到4000~5000 m^(3)/h。结合开采工作面泄水巷煤泥淤积的特点,利用罗宾诺维奇—莫纳方程和哈根—泊肃叶(Hagen-Poiseuille)等公式,确定了煤泥混合物的流变类型和本构方程;采用大型环管实验法建立了煤—泥—水混合物的流动模型,理论分析了工作面泄水巷煤泥淤积物分别在高低压段和不同剪切速率下的沉降特性;计算得到动水条件下煤泥淤积物发生流动的临界流速为1.1~1.5 m/s,从而得出煤泥淤积物的临界流速。研究煤泥在矿井水流动过程中的淤积机理,可为科学合理的清淤工作提供理论依据。