8.8m智能超大采高综采工作面关键技术与装备

为解决浅埋煤层8.8 m特厚煤层一次采全高安全高效开采的问题,以上湾煤矿首个8.8 m超大采高综采工作面12401工作面为研究对象,利用数值模拟、现场实践以及工程类比等手段,在设备配套、围岩控制、回采技术以及信息化方面进行技术攻关,形成了一套8.8 m超大采高一次采全高综采关键技术。实践证明:采取的巷道支护、采场矿压监测、三角区顶板控制、支架自动增压补液、防片帮、防漏矸、回采工艺、工程质量控制以及信息化等技术,保证了综采面安全高效回采。8.8 m超大采高一次采全高综采设备选型及配套合理,不仅能够满足综采面生产、支护以及运输需要,而且生产能力显著提升。该综采工作面与同煤层7 m大采高综采工作面相比,可多回采煤炭405万t,采出率提高了20.2%。该成套装备、工艺及关键技术的研发和应用,为类似条件下特厚煤层的开采提供技术指导和借鉴。

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。

8.8m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。

8.8m超大采高工作面盘区规划与设计要点研究

上湾煤矿1-2煤四盘区综采面设计采高8.8m,回采设备均为重型设备,当前在用巷道系统已无法满足综采面安装回撤的需求。8.8m超大采高综采工作面在巷道设计及掘进施工方面与普通大采高工作面也存在诸多不同,针对上述问题,结合采掘设备配套参数,上湾煤矿创新了1-2煤四盘区大巷布置形式,解决了超大断面煤巷两端头过渡及顶帮支护问题,保障我国首个8.8m超大采高综采面顺利安装投产。

8.8m超大采高综采工作面设备安装干涉性分析

为了保证上湾煤矿12401超大采高综采工作面设备顺利入井及综采工作面安装后正常运行,通过结合巷道及设备尺寸进行动态干涉分析,保证最大尺寸的综采设备在巷道拐弯处等关键区域正常通过;将所有综采设备按实际尺寸布置在工作面中,进行平、剖面对比分析,保证综采工作面机头、机尾等特殊区域的通过性。在综采工作面投产前,对综采设备的运输、运行进行图纸预分析,有力保障了我国首个8.8m超大采高综采工作面的顺利安装和投产。

8.8m超大采高综采工作面围岩控制关键装置优化设计

根据上湾煤矿8.8 m超大采高工作面围岩稳定性控制要求,对顶板支护、煤壁片帮防治和漏矸导流等关键装置进行了优化设计。结果表明:通过采用φ600 mm大缸径立柱和分级泄液大流量安全阀相互配合,实现了对顶板控制和缸体安全的统一;优化设计的伸缩梁与三级护帮板非随行式机构降低了响应延时,减少了煤壁及顶板的空顶时间,降低了冒顶、片帮事故的发生概率;L形防漏矸装置有效杜绝了因移架和相邻支架缝隙过大造成的漏矸伤人风险。通过优化设计的围岩控制关键装置为8.8 m安全回采提供了可靠保障。

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。

超大采高综采工作面支护技术及装备研究现状

超大采高一次采全厚开采具有开采效率高、资源回收率高等特点。为探求超大采高综采技术进一步突破,分析其工作面围岩稳定性控制可行性,在调研超大采高综采发展历程的基础上,总结了超大采高综采工作面围矿压显现及煤壁片帮规律,分析了现有超大采高液压支架整体技术特征及其适用性能,并介绍了10 m超大采高工作面液压支架基本情况。通过分析发现:工作面矿压显现强度与采高基本呈现正相关关系,采高越大,工作面支护阻力越大,且煤壁片帮是困扰超大采高开采高效推进的主要因素之一,通过提高工作面液压支架的初撑能力能有效减小煤壁应力;液压支架随工作面采高增加,选型工作阻力增大,支架中心距加宽,大梯度过渡方式在提供可靠支护的同时,能有效提升端头区资源回收率;为适应大体量开采装备运输,超大采高工作面煤巷断面增加,超前支架工作阻力增大;工作面配套液压支架通过设计手段、整体结构、制造工艺等方面优化升级以提升可靠性及适应性;相对较低采高工作面支护,超大采高开采更注重支护过程中的安全技术需求,需要完善架前煤矸防护、架间防尘降尘、安全的后期维检等安全措施;工作面围岩稳定性控制及其配套装备是超大采高综采技术发展及推广的重点,从支护参数选择、支护结构设计到液压支架制造、后期维检的超大采高液压支架全寿命开发是支撑超大采高开采高效推进的基础。

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。

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。

超大采高综放采场智能控制关键技术研究

大采高综放开采引起围岩的强扰动,造成矿压显现明显对支护设备和人员安全造成危害,金鸡滩煤矿通过在液压支架的相关位置上布置压力传感器和倾角传感器,将相关数据传输到监测系统平台,做到对液压支架的实时监测预警;非直线排布的运输机加大了齿轨的磨损,损伤支架与运输机连接部位造成安全隐患;结合井下实际情况对运输机、采煤机等设备进行惯性导航直线度控制,使工作人员可以随时掌握设备的位置、速度、姿态和方位等信息;为了更好地控制放顶煤冒落的过程中后部液压支架的开启和关闭时间,开发了基于电液控制的时序化放煤工艺及自动化放煤控制系统,实现了对放顶煤冒落的实时控制,建设了动态感知、自动分析、智能处理的高效、节能、安全、少人的智能化工作面。

8 m大采高综采工作面成套装备研发及应用

针对8 m大采高工作面围岩控制、液压支架可靠性保证、超大煤量自适应连续运行、工作面配套存在的问题进行研究,建立液压支架与围岩的耦合力学模型,采用"双因素控制法"确定超大采高液压支架合理工作阻力,设计伸缩梁与护帮板分离的三级协动护帮装置、大缸径抗冲击双伸缩立柱,有效控制片帮及顶板压力;采用高强度结构钢及智能焊接新工艺提高8.2 m大采高液压支架可靠性;基于无极软启动、超大规格链条及传动系统和电直驱齿辊式连续破碎装置,研制超大煤量自适应刮板输送机;综合对采煤机行走传动、带式输送机可折叠机身、超前液压支护等多个方面进行研究,研发了首套8 m大采高综采成套装备,并在兖矿集团金鸡滩煤矿108工作面进行工业性试验。试验表明:成套装备能有效地控制顶板和煤壁,具备良好的稳定性及可靠性,煤流运输顺畅,无大块煤堵塞,试验期间工作面最高日产5.7万t,月产达到150万t以上。

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。

8.2 m大采高综采工作面超前支护技术研究及应用

针对金鸡滩煤矿8.2 m大采高工作面大断面回采巷道超前支护难题,综合地质条件和推进效率等因素,确定了双列多节自移式超前支架架型。采用低初撑力、高工作阻力的支护理念和初撑力自动保证技术,开发了避锚护顶、行走调控和斜坡式连接梁等新结构,研制出回风巷和运输巷超前支架组。井下试验表明超前支架抗周期来压能力强,推进效率高,超前巷道顶板完整好,具有良好的适应性;进一步分析了超前支架整体顶梁对顶板的反复支撑作用,提出了柔性顶梁的方解决案,为超大采高工作面超前支护技术提供了示范和参考。

深部大采高超长工作面开采技术研究及展望

基于浅部大采高超长工作面应用的成功经验,在深部大采高超长工作面回采实践的基础上,分析了深部大采高超长工作面回采可能遇到的矿压显现、煤壁片帮、巷道变形和超前支护问题。分析表明,液压支架支护技术能够满足深部大采高超长工作面回采要求,煤壁片帮、巷道大变形与超前支护的适应性仍需加强研究。

特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征

针对大采高综放工作面覆岩活动空间大、开采扰动强烈的特点,以不连沟煤矿特厚煤层大采高综放开采为背景,采用现场实测和理论分析等方法对大采高综放采场矿压及顶板运移破断特征进行分析,建立了大采高综放采场周期来压岩层破断的力学模型,得出了液压支架工作阻力的计算方法。结果表明:大采高综放工作面来压时安全阀开启频繁、顶板快速下沉,额定工作阻力13 800 kN的液压支架不能满足顶板控制的需要;开采空间的增大、直接顶厚度增大,低位基本顶转化为直接顶成为悬臂结构、高位基本顶形成砌体梁,二者形成"上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂结构";工作面来压强烈、动载明显、持续时间短的矿压现象是由于高位砌体梁结构滑落失稳造成的,据其力学特征确定了液压支架的工作阻力。

8.2 m大采高液压支架设计配套关键技术研究

为完善一次采全厚成套装备技术,提高特厚煤层开采效率,在总结国内外综采装备使用经验基础上,研制出适用于8.2 m工作面的超大采高液压支架,针对支架稳定性、防片帮措施、抗冲击性能、过渡配套方式及所使用材料的焊接性能等关键技术进行了研究,分析了支架失稳角度及销孔配合对支架稳定性的影响,开发了支架三级协动护帮装置,发明了大缸径能量耗散抗冲击立柱,完成了新型拼装式锻造柱窝设计,解决了3.5 m大梯度过渡配套难题,研发了Q890新材料及其焊接工艺,在此基础上,解决了超大采高液压支架大尺度高动压敏感结构稳定性和可靠性难题,实现了液压支架轻量化设计,有效提高了煤炭回采率。

8 m以上大采高综采工作面综合防尘关键技术

基于超大采高工作面开采高度远超出了传统喷雾降尘有效作用的距离,导致易出现跑尘、漏尘的问题,研究了超大采高工作面的产尘特点及运移规律,探讨了相应的综合防尘关键技术,优化了影响防尘效果的关键元部件的相关参数,提出了8 m以上大采高工作面综合防尘新方法。井下应用表明,综合防尘新方法有效覆盖了产尘区域,解决了8 m以上大采高工作面跑尘、漏尘的问题,保障了工作面生产安全,避免了煤尘对工人健康造成的危害,具有很好的应用推广价值。新方法的提出奠定了8 m以上大采高工作面综合防尘技术理论体系基础,对相关综合防尘技术的研究具有一定的借鉴意义。

超大采高工作面覆岩断裂结构及稳定性控制技术

针对超大采高工作面超大空间、强扰动岩层运动带来的围岩稳定性控制难题,以金鸡滩煤矿8.0 m大采高开采实践为基础,采用理论分析、数值模拟等方法分析了超大采高工作面顶板岩层破坏的应力路径效应,提出了超大采高工作面顶板岩层断裂的"悬臂梁+砌体梁"结构及稳定性控制技术,并进行了超大采高工作面矿山压力实测分析。研究结果表明,不同层位顶板岩层的峰值应力、差应力及强度-应力比存在较大差异,直接影响顶板岩层的断裂状态及破断结构形式。金鸡滩煤矿8 m大采高工作面顶板岩层易形成"悬臂梁+砌体梁"结构,通过开发ZY21000/38/82D型超大采高液压支架、提高液压支架的强度及支架与围岩的组合刚度,实现了8 m大采高工作面的安全高效开采。