10m超大采高智能化开采关键技术及装备研究

通过调研陕西陕煤曹家滩煤矿业有限公司22煤层赋存条件,探究了超大开采空间矿压显现规律及超高煤壁片帮特点,总结了超大采高综采工作面围岩控制关键技术,分析了超大采高综采工作面端头区支护特点,提出“大梯度+小台阶”端头区过渡模式,实现了综采工作面中部到两端头巷道6 m高差的短缓过渡及端头区三角煤高回收率支护;基于综采工作面智能化成套开采装备选型配套,研发了适应10 m超大采高综采工作面的成套开采装备,实现了超大开采空间安全防护、特厚煤层高效截割、超大运量煤流顺畅运输;搭建工作面“采支运”一体化智能协同作业控制系统及多源系统集成与数据融合分析平台,支撑10 m超大采高综采工作面安全高效开采。

基于微震监测的浅埋8 m超大采高综采面矿压规律现场监测研究

以陕北矿区某矿2203浅埋超大采高综采面为工程背景,采用微震监测技术,对浅埋超大采高综采面矿压规律进行了研究。结果表明:单日微震事件数达到峰值后,综采面继续回采8.25~11 m内,能量大于103J的事件增多,微震事件能量及支架压力达到峰值,随后顶板出现垮落现象。综采面初次来压前,微震总能量为6.40×10^(3)J,矿压显现期间为1.07×10^(4)J,总能量增长67%;由于综采面矿压显现与微震最大能量峰值出现一致,通过2次最大能量峰值时综采面位置可以确定综采面周期来压步距。2203综采面初次来压步距为24.75 m,周期来压步距为27~35.25 m,由此确定,顺槽超前支护距离为36 m,实践表明,2203综采面采用ZCZY10300/31/55D型超前液压支架满足巷道超前支护的要求。微震监测是矿压显现规律分析的有效手段,采用液压支架压力变化与微震能量协同分析的方法研究超大采高综采面的矿压规律是可行的。

基于微震监测的浅埋8 m超大采高综采面末采阶段矿压显现规律研究

为了掌握浅埋超大采高综采面末采阶段矿压显现规律,以张家峁煤矿8 m超大采高综采面为研究背景,在工作面支架压力监测数据的基础上,引入微震监测技术手段,从微震事件数量和能量的角度对末采阶段矿压规律做出合理解释。得出如下结论:2203综采面末采最后90 m范围内共监测到微震事件66个,总能量1.75×10^(4)J,其中,中小能量事件合计占比达到92%。期间共来压5次,平均周期来压步距为19.5 m,来压持续距离2.9 m,动载系数1.46,周期来压具有来压步距短、持续时间长、局部动载矿压强烈的特点。来压期间微震的频次和能量明显高于未来压期间,微震频次和总能量的变化趋势呈现“M”形,表现为能量的“积聚-释放-积聚”的周期性变化,微震事件的周期性变化规律与工作面的周期来压保持一致。根据微震频次和能量的异常变化可对工作面的周期来压起到一定的预测作用。

8.8 m超大采高工作面巷道超前应力研究与实践

8 m以上特厚煤层超大采高综采工作面回采巷道高度超高、宽度超宽,顶板上覆岩层运移剧烈,两顺槽出口巷道顶板压力大,巷道超前支护难度比以往大采高工作面更加复杂,支护难度进一步增大。为解决超前支护难题,以国家能源集团神东上湾煤矿首个8.8 m特大采高工作面回采巷道为工程背景,对两顺槽出口顶板超前应力进行分析研究,确定超前支护长度及主要参数,并进行了工程实践,为类似地质条件特厚煤层两顺槽超前支护参数的确定提供借鉴。

采高1 m的薄煤层大功率采煤机研制

在分析了国内外现有1 m采高薄煤层采煤机的基础上,研制了一种适用于采高1 m的薄煤层大功率采煤机,详细介绍了该采煤机的主要技术参数、关键技术和使用情况,该采煤机成功解决了1 m薄煤层工作面的高效开采问题。

7m大采高综采智能化工作面成套装备研制

为实现晋陕蒙地区7 m左右厚煤层的安全高效自动化生产,研制7 m大采高综采智能化成套装备。针对采高增加而带来的围岩控制、巷道与工作面过渡、工作面设备协调控制以及运输系统可靠性等难题,采用液压支架智能耦合控制、大梯度过渡、工作面直度调控、煤流平衡控制、设备参数在线监测等新技术,研制出7 m大采高液压支架,通过80 000次的循环加载寿命试验;工作面大功率运输设备运量达到4 500 t/h;工作面智能控制系统实现了350 m长工作面综采成套装备的精确控制和协调联动。成套装备在陕煤集团红柳林矿进行工业性试验,工作面作业人员由14人减少至5人,最高月产达111万t,工作面年生产能力达1 200万t。

8.8 m超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析

针对浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的问题,基于支架压力现场监测,对上湾煤矿8.8 m超大采高工作面矿压显现规律进行了研究。结果表明:8.8 m超大采高工作面基本顶初次来压步距为45 m左右,周期来压步距平均为13.5 m,动载系数平均为1.6;超大采高工作面周期来压具有来压步距短、来压持续时间长、来压区域性明显、动载矿压强烈等特点。根据工作面上覆顶板结构分析认为,工作面开采强度大、顶板活动剧烈,关键层结构单一、赋存层位低、易滑落失稳、上覆顶板整体性破断,是造成浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的主要原因。

底层大采高综放全厚开采20m特厚中硬煤层的物理模拟研究

根据酸刺沟煤矿6–1#煤层的赋存条件,运用1∶30的大比例物理模拟试验,研究底层4.5m大采高综放全厚开采20m特厚煤层顶煤和顶板垮落特征、采空区垮落矸石的碎胀特性和堆积角、支架的工作阻力、煤炭回收率以及煤壁前方支承压力作用特征等。研究结果表明:(1)底层大采高综放全厚开采20m特厚中硬煤层,在技术上是可行的。(2)根据顶煤、顶板垮落特征,工作面的开采过程可分为初采阶段、过渡阶段和正常放煤阶段。在初采与过渡阶段,煤炭回收率n随工作面推进距离L的增加呈对数规律提高。(3)进入正常放煤后,顶煤放出率可以达到70%,工作面采出率可以达到75%。顶煤放出率随顶板岩梁的垮落呈周期性变化。(4)在支架后方会出现大厚度顶煤悬伸,顶板周期性垮落时会发生大高度切顶现象,要求支架有足够的抵抗顶煤、顶板断裂产生的向后旋转作用力。(5)为确保安全和顶煤及时垮落,应实施预爆破或预注水弱化顶煤措施。

8.8 m超大采高工作面支架与围岩相互作用关系

8.8 m超大采高综采工作面一次开采高度及开采强度大,采场围岩控制困难。采用立柱压力传感器、位移传感器对工作面回采期间支架工作阻力、顶板下沉量进行了全程系统监测,对工作面矿压显现规律、支架工作阻力循环曲线、顶板下沉量及割煤循环内下沉曲线进行了分析,对支架工作阻力、初撑力、支架刚度与顶板下沉关系进行了研究。研究结果表明:超大采高工作面开采具有来压区域性明显、来压急增阻、非来压恒阻、大小周期来压的宏观特征;工作面顶板下沉具有明显的时空差异性,空间上呈现工作面“两端小-中部大”的特征,时间上呈现来压期间大、非来压期间小的特点;工作面支架ΔF-T和顶板下沉ΔS-T均化循环曲线具有高度的一致性,来压期间2者均呈对数-大斜率线性复合增长,非来压期间呈现近常数或小斜率线性增长;顶板下沉与支架工作阻力呈线性对应关系,随支架工作阻力的增加而增大,安全阀开启后,顶板下沉速度明显增大,最大下沉速度为安全阀开启前的4.3倍,安全阀长时开启时顶板下沉速度由急增逐渐过渡至缓增状态,ZY26000/40/88液压支架在来压期间一定时间内可以将顶板下沉控制在一定的范围内,但并不能阻止其继续下沉;初撑力及支架刚度大小对顶板控制影响较为明显,随着初撑力的不断增大,顶板下沉及下沉速度显著降低并趋于稳定,临界点为15 MN,顶板下沉与支架刚度呈现类双曲线关系,支架刚度达到14 MPa/m以上时,支架刚度对顶板下沉的抑制作用减弱,顶板下沉趋于平稳状态。

8.8m超大采高综采面矿压显现规律及围岩控制技术

针对8.8 m超大采高工作面在超大采出空间下矿压显现强烈、围岩控制难度大的问题,以上湾煤矿12401工作面为工程背景,基于现场实测手段对8.8 m超大采高开采矿压显现规律和围岩控制技术进行了全面研究。研究得出:8.8 m超大采高工作面矿压显现具有来压步距短、持续时间长、动载矿压强烈等特征,但工作面超前支承压力影响不显著。采用三维激光扫描手段对超大采高工作面煤壁片帮特征进行了分区域、全方位、高精度探测,并根据工作面支架立柱压力和护帮力对煤壁片帮的影响关系,确定了超大采高工作面煤壁片帮预警指标和阈值。在矿压规律研究的基础上,探索出了一套超大采高工作面顶板灾害综合预警与防治技术,保障了8.8 m超大采高工作面的安全回采。

8.8 m超大采高综采工作面设备回撤工艺应用研究

超大采高工作面的设备体积大、重量大,工作面回撤难度加大。上湾煤矿12401综采工作面为8.8 m超大采高智能工作面,其工作面的快速回撤是亟待解决的问题。为保证12401综采工作面8.8 m超大采高智能工作面设备安全高效回撤,降低对生产接续的影响,开展超大采高工作面设备智能化安全快速回撤工艺实践,针对上湾煤矿12401综采工作面为8.8 m超大采高智能工作面的设备配置,提出了超大采高综采工作面液压支架、采煤机、液压支架等大型设备回撤方案及工序安排,提出了回撤空间顶板“锚杆+网片+锚索+钢带+隐形托盘”联合支护技术。实践表明:上湾煤矿12401综采工作面8.8 m超大采高智能工作面设备安全高效回撤仅用时15 d,提高了安全系数和回撤效率,工艺应用效果较好,为8.8 m智能超大采高综采工作面的安全高效回撤提供理论依据和技术借鉴。

8.8m超大采高工作面煤自燃防治经验探讨

超大采高工作面煤自燃监测数据包括气体浓度、温度等,研究方法包括实验、数值模拟、现场观测等。现有研究大多未考虑各指标之间的关系,研究手段及数据分析方法单一。针对该问题,以上湾煤矿采高为8.8 m的12401工作面为例,通过煤自燃实验、现场“三带”实测及数值模拟相结合的方式,分析煤自燃火灾过程中气体浓度与温度之间的关联关系,总结采空区内因火灾发火规律和特征。建立地面钻孔注氮模型,反演了采取注氮措施前后O_( 2)浓度场、CO浓度场、温度场和“三带”分布变化规律;针对高温异常区域,根据数值模拟结果选取注氮位置,采用地面与井下一起注氮的方式降低火灾危险性。研究结果表明:CO可作为预测煤自燃的指标气体,CO_( 2)和CH_( 4)不能作为指标气体,C_( 2)H_( 6),C_( 2)H_( 4),C_( 2)H_( 2),H_( 2)可作为辅助指标气体;采取注氮措施后,氧化升温带的宽度大大减小,CO体积分数明显降低,最高点温度迅速下降,惰化效果显著;高温异常区域CO体积分数及温度有逐渐下降的趋势,验证了注氮位置的合理性和注氮措施的有效性。

最小采高1m的薄煤层大功率采煤机的设计

介绍了薄煤层开采和综采技术的现状,分析了最低采高1 m的薄煤层综采的技术难点和国内主要薄煤层采煤机的技术特点,设计了一种适合1 m采高的大功率薄煤层采煤机,并详细介绍了该采煤机的主要技术参数和主要特点以及市场应用情况。

8.8 m超大采高综采面回采巷道合理支护参数研究

神东煤炭集团上湾煤矿12401综采工作面为全国首个8.8 m超大采高综采工作面,为满足采掘、运输和通风需求,该工作面回采巷道需要相对较大的设计尺寸。为确保该综采工作面安全回采试验,采用工程类比、理论计算、数值模拟和现场监测等综合研究手段,确定了超大采高综采工作面回采巷道支护方式为“锚网索带”联合支护,并确定了关键支护参数。通过数值模拟和现场实测,结果表明围岩变形量均小于10 mm,支护效果良好,验证了回采巷道支护参数的合理性。

8.8m超大采高综采工作面防漏矸装置研究与应用

针对超大采高综采工作面在作业中可能存在的架间漏矸伤人、煤尘扬散等问题,研究了一种防漏矸装置,分别从防护位置确定、防护方式设计、制造材料选择、安装尺寸分析等方面对防漏矸装置进行设计与加工制作,并在上湾煤矿12401工作面现场应用,应用结果表明,在不影响支架正常使用的情况下,实现了导矸降尘,为员工创造了更加安全健康的作业环境。

特厚煤层采煤方法选择及工作面参数优化设计

采用文献查阅和现场调研的方式分析了我国特厚煤层开采现状,分析了不同开采工艺的适应性和适用条件,针对曹家滩煤矿不同区域煤厚分布情况,结合产量提高及煤质提升的要求,设计了10 m超大采高综采工艺,提出了合理采高范围,通过经验类比法提出了10 m超大采高液压支架技术参数,可有效提高煤炭的回收率。

煤矿超大采高液压支架力学特性分析

为探寻煤矿超大采高液压支架运行质量的提升路径,研究人员基于有限元分析方法,以某煤矿超大采高液压支架运行过程中的实际问题为基础展开研究,首先明确了造成煤矿超大采高液压支架出现运行问题的力学因素,然后基于这些因素针对性地优化了液压支架中的掩护梁,并对优化结果进行了仿真分析。分析结果显示,本次优化方案取得了一定成效。

超大采高综采工作面过地表石灰沟综合技术研究

超大采高综采工作面在经过不同地质条件岩层时矿压显现规律存在差异,为了深入研究顶板压力不同对煤壁及生产组织的直接影响,以上湾煤矿12403综采工作面过地表石灰沟为工程背景进行研究,通过分析过石灰沟期间生产情况、比较过石灰沟前和过石灰沟期间不同的矿压显现规律,并得出煤壁塑性破坏程度变小的根本原因是工作面埋深在变小。研究表明:煤壁塑性破坏程度小,煤机割煤阻力大,要做好检修保养工作,保护好煤机;煤壁齐直无片帮时,可采取护帮板不贴煤壁的办法,降低对煤壁的支护强度;煤机在两端头斜切进刀时,煤机要退到合适位置,避免煤机进刀不力;煤机司机控制好底板提卧量,避免损耗煤机;水力压裂技术措施在宏观上应能降低煤壁发生塑性破坏的程度,减小煤机的割煤阻力;为保证两端头三角区采空区顶板能够及时垮落,两端头均进行超前退锚。

超大断面回风顺槽超前支架的研制

针对神东煤炭集团上湾煤矿8.8 m特大采高综采工作面开采地质条件和回风顺槽布置特点,研制了ZFDC81100/30.5/55D型大型迈步分体式超前支架组。应用结果表明:该支架满足特大采高工作面回风顺槽支护要求,解决了超高动压巷道顶板、煤帮的支护问题,为8.8 m特大采高工作面顺利推进提供了安全保障。

煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践

2030年之前我国以煤为主的能源格局难以改变,煤炭资源安全高效开采仍然面临一系列技术挑战。基于不同层位围岩破断的应力路径效应研究成果,研究了液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合作用原理,提出了液压支架适应围岩失稳的"三耦合"动态优化设计方法;针对厚煤层超大采高综采,建立了顶板岩层断裂失稳的"悬臂梁+砌体梁"力学模型,分析了"悬臂梁"破坏失稳的空间条件与力学条件。通过数值模拟方法分析了煤壁破坏的主要影响因素,得出了各影响因素对煤壁破坏的敏感度排序。研发了增容缓冲抗冲击立柱、液压支架群组协同控制系统及"大梯度+小台阶"配套方式,实现了金鸡滩煤矿8.0 m超大采高工作面安全高效开采;针对特厚煤层大采高放顶煤开采,研发了三级强扰动高效放煤机构与尾梁冲击破碎装置;针对薄煤层研发了调高范围为0.5~1.4 m的超大伸缩比液压支架,在黄陵一号煤矿实现了常态化远程监控、工作面无人操作的智能化开采。对未来需要突破的安全高效开采关键技术进行了展望,提出了稳定割煤与连续推进、高可靠性设计、综采设备机器人化及透明开采4个技术方向。