Back-and-forth mining for hard and thick coal seams—research about the mining technology for fully mechanized caving working face of Datong Mine

The article introduced the key technology, mining process, and back-and-forth mining method for the caving working face of hard-thick coal seams in Datong mine, and researched this innovations process, optimized the systemic design and working face out-play, tried to perfect the caving mining technology of hard-thick coal seams further.

Mechanical behaviors of coal measures and ground control technologies for China's deep coal mines-A review

This paper reviews the major achievements in terms of mechanical behaviors of coal measures,mining stress distribution characteristics and ground control in China’s deep underground coal mining.The three main aspects of this review are coal measure mechanics,mining disturbance mechanics,and rock support mechanics.Previous studies related to these three topics are reviewed,including the geo-mechanical properties of coal measures,distribution and evolution characteristics of mining-induced stresses,evolution characteristics of mining-induced structures,and principles and technologies of ground control in both deep roadways and longwall faces.A discussion is made to explain the structural and mechanical properties of coal measures in China’s deep coal mining practices,the types and dis-tribution characteristics of in situ stresses in underground coal mines,and the distribution of mining-induced stress that forms under different geological and engineering conditions.The theory of pre-tensioned rock bolting has been proved to be suitable for ground control of deep underground coal roadways.The use of combined ground control technology(e.g.ground support,rock mass modification,and destressing)has been demonstrated to be an effective measure for rock control of deep roadways.The developed hydraulic shields for 1000 m deep ultra-long working face can effectively improve the stability of surrounding rocks and mining efficiency in the longwall face.The ground control challenges in deep underground coal mines in China are discussed,and further research is recommended in terms of theory and technology for ground control in deep roadways and longwall faces.

煤矿井下非均匀照度图像去噪研究

煤矿综采工作面空间小、照明环境复杂多变,采煤过程中伴随着大量的粉尘、大雾,导致采集的图像出现曝光、细节特征减弱等问题,难以对井下照明区域光照强度过大的图像进行有效的特征提取。针对上述问题,提出了一种煤矿井下非均匀照度图像去噪算法。首先,将视频截取为图像,判断图像是否需要进行光照抑制,将需要进行光照抑制的RGB图像拆分通道,并计算每个通道的光照调节因子,实现图像的整体光照调节;然后,将未进行整体光照抑制的图像和经整体光照抑制的图像进行反射分量提取,即将输入的图像转换为HSV空间图像,使用单尺度Retinex(SSR)算法对V通道图像中的光照分量进行单独处理,将V分量中的入射分量去除,保留反射分量,并对反射分量使用直方图均衡算法实现光照均衡化处理;最后,使用基于引导滤波的暗通道先验算法对经过光照处理后的图像进行去雾处理,并使用伽马校正函数重新调节亮度不均的图像。主观评价结果表明:提出的煤矿井下非均匀照度图像去噪算法有效抑制了因光照导致整体亮度较高的问题,且由于大雾、粉尘等因素导致图像模糊的部分更加清晰,图像的细节特征更加突出。采用信息熵、均值、标准差、空间频率4种评价指标对提出的算法效果进行客观评价,结果表明,提出的算法在信息熵、均值、标准差、空间频率上较多尺度Retinex(MSR)算法分别平均提升了21.87%,-56.06%,153.43%,294.45%,较基于颜色保持的多尺度视网膜增强(MSRCP)算法分别平均提升了1.18%,-39.56%,33.29%,-4.71%,较带色彩恢复的多尺度视网膜增强(MSRCR)算法分别平均提升了38.06%,-55.27%,462.10%,300.96%,说明提出的算法能更有效地增加图像信息量、抑制光照强度、提升边缘信息及图像清晰度。

基于残差优化的综采工作面煤壁点云补全方法

煤矿综采工作面巷道的数字化三维重建过程中需要完整且密集的煤壁点云数据。受遮挡、视角限制等因素影响,采集的综采工作面煤壁点云数据往往不完整且稀疏,影响下游任务,需进行煤壁点云修复和补全。目前缺少针对井下点云补全任务的数据集和网络模型,现有模型用于煤壁点云补全时存在点云密度分布不均匀、点云特征信息丢失等情况。针对上述问题,设计了一种基于残差优化的煤壁点云补全网络模型,采用监督学习方式学习点云特征信息,通过最小化密度采样和残差网络迭代优化输出完整点云。采集煤矿井下真实综采工作面煤壁点云数据,预处理后筛选可用数据,通过模拟随机空洞制作煤壁点云缺失数据集,并用缺失数据集训练基于残差优化的煤壁点云补全网络模型。实验结果表明:与经典的FoldingNet,TopNet,AtlasNet,PCN,3D-Capsule点云补全网络模型相比,基于残差优化的煤壁点云补全网络模型针对构造的缺失煤壁点云和稀疏煤壁点云补全的倒角距离、地移距离及F1分数均能达到最优水平,整体补全效果最佳;针对实际缺失的煤壁点云,该模型能够实现有效补全。

厚硬顶板悬顶致灾机理及切顶控制技术研究

针对侧向厚硬悬顶下临空巷道围岩变形大、失稳风险高的问题,以大同马脊梁煤矿3810工作面运输巷为工程背景,建立了厚硬侧向悬顶力学模型,确定合理切顶位置理论值为内错煤柱3.98 m。建立UDEC数值计算模型,分析了厚硬悬顶长度、断裂位置对煤柱应力分布及3810运输巷围岩变形的控制效果,结果表明:降低悬顶长度、在煤柱上方合理位置断裂,能够有效降低煤柱侧向应力集中程度,减少巷道围岩的破坏范围及变形。根据分析结果,确定煤柱采空区侧厚硬悬顶进行切顶卸压控制,促使厚硬顶板及时垮落,提高采空区顶板垮落带高度,从而降低煤柱承载的载荷并为煤柱提供侧向约束,提高煤柱承载性能。提出了厚硬侧向悬顶水压致裂切顶卸压控制方案并应用于现场,结果表明:3810运输巷采取水力压裂切顶措施后,巷道围岩变形得到显著改善;切顶后巷道两帮最大值移近量为600 mm,顶板最大下沉量为277 mm;相对于未采取切顶方案的区段,巷道变形量分别降低39.6%(两帮)、31.8%(顶板),巷道有效断面能够满足矿井安全高效生产的需要。

基于三线性应变软化模型的综采工作面煤壁片帮深度解析预测

为预测综采工作面煤壁片帮深度,以煤壁为研究对象,煤壁煤体视作三线性应变软化材料;将直接顶和基本顶视作宏观顶板,建立了宏观顶板与煤层、支架相互作用的承载力学模型,结合边界条件推导了综采工作面煤壁片帮深度解析计算公式,利用该公式研究上湾煤矿12401工作面煤壁片帮情况,分析影响煤壁片帮的因素及影响规律,结果表明:①推导获得的煤壁片帮深度计算公式能够较准确计算综采工作面煤壁片帮深度,能够定量分析顶板特性和支架参数等对煤壁片帮深度的影响。②增加支架初撑力能够降低煤壁片帮深度;增加支架刚度能够降低煤壁片帮深度,但效果较差;增加支架护帮板支护强度,煤壁片帮深度近似线性减小。③顶板厚度和抗拉强度增加,煤壁片帮深度增长,但增长速率随顶板厚度和抗拉强度增加逐渐趋缓。这主要由于顶板厚度和抗拉强度增加,顶板破断步距增大,向采空区内旋转下沉角度增大所致。④综采采高对煤壁片帮深度有很大影响,综采采高增大,煤壁片帮深度近似线性增长。⑤煤体单轴抗压强度增大,煤壁片帮深度减小,顶底板与煤层界面之间的摩擦因数增大,煤壁片帮深度减小。⑥顶板动载系数增大,煤壁片帮深度近似线性增大。

基于MES−YOLOv5s的综采工作面大块煤检测算法

综采工作面的目标具有高速运动、多尺度、遮挡等特点,现有的目标检测算法存在精度低、模型占用的内存大、硬件依赖强等问题。针对上述问题,提出了一种基于MES−YOLOv5s的综采工作面大块煤检测算法。采用轻量化设计,将MobileNetV3作为主干网络,以减小模型占用的内存,提高CPU端的检测速度;在颈部网络添加高效多尺度注意力(EMA)模块,融合不同尺度的上下文信息,并进一步减少计算开销;采用SIoU损失函数代替CIoU损失函数,以提高训练速度和推理准确性。消融实验结果表明:MobileNetV3大幅减少了模型占用的内存和检测时间,但mAP损失严重;EMA模块和SIoU损失函数可在一定程度上恢复损失的精度,同时保证模型在CPU上具有较高的检测速度,满足煤矿井下目标实时检测需求。对比实验结果表明,与DETR,YOLOv5n,YOLOv5s,YOLOv7模型相比,MES−YOLOv5s模型综合性能最好,mAP为84.6%,模型占用的内存为11.2 MiB,在CPU端的检测时间为31.8 ms,在高速运动、多尺度、遮挡和多目标的工况环境下能够保持较高的召回率和精度。

基于数组的刮板输送机运载模型及煤量计算算法研究

目前针对煤量检测的研究大多侧重于煤矿井下带式输送机的煤量检测和识别,对综采(放)工作面刮板输送机的煤量检测仅停留在转载机处安装红外扫描装置,检测技术单一,且由于转载机位于刮板输送机卸煤处,红外扫描装置检测的是转载机的载煤量,不能直接反映刮板输送机上的实时载煤量,存在较大滞后性。针对上述问题,提出一种基于数组的刮板输送机运载模型及煤量计算算法。该算法将刮板输送机设定为连续装煤的载体,通过连续数组建立刮板输送机运载模型,并表征单位长度的装煤量,结合综采(放)工作面采煤机运行速度、滚筒高度、截割深度、位置及刮板输送机运行速度与装煤系数等参数,通过多参数数学建模的方法,实现对刮板输送机单位煤量的实时模拟,进而直观反映煤矿井下采煤工艺并准确计算出刮板输送机的实时载煤量。井下工业性试验结果表明,该算法连续可靠,可以精确计算出刮板输送机实时载煤量,载煤量分布接近于理想状态,具有较高的收敛性和鲁棒性。

基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定

延安子长矿区极薄煤层分布广泛,因赋存煤炭为稀缺配焦煤,回采价值较高,但该矿区未有过开采极薄煤层的先例,开采过程中面临支架选型不合理的问题,且国内在该方面的研究成果较少,因此,以禾草沟二号煤矿极薄煤层综采工作面为背景,通过数值模拟、理论分析等研究了极薄煤层综采工作面顶板覆岩结构破断特征及其演化过程,建立了采场顶板岩梁断裂前后力学解析模型,获得了极薄煤层综采工作面直接顶周期破断距,确定了合理支架工作阻力。结果表明:极薄煤层工作面开采初期顶板垮落后会较快的对上覆岩层形成支撑,至顶板极限跨距后,直接顶与基本顶周期破断,且基本顶破断位置位于直接顶破断线前方,两者间存在离层空间,共同回转下沉;工作面液压支架主要受直接顶回转载荷作用,其作用载荷为3 980.89 kN,确定支架选型为ZZ4000/6.5/13D四柱支撑掩护式液压支架;现场应用后,可以有效发挥支架支护性能,满足采场围岩控制要求。研究成果为国内极薄煤层开采工作面支架选型提供了一定的参考。

煤矿井下综采工作面瓦斯治理及效果研究

针对某煤炭井下综采工作面实际情况,制定了瓦斯治理方案,结合了开采保护层、网格式上向穿层钻孔、地面钻井、高位穿层拦截钻孔、小曲率梳状长钻孔、高位钻孔、老塘埋管等先进技术,之后逐项完成了抽采技术的实施方案设计与实施。监测了11832工作面回采过程中的瓦斯浓度变化情况,结果表明,回采期间回风巷瓦斯平均浓度小于《煤矿安全规程》限值,未出现瓦斯超限情况,满足井下作业人员安全工作要求。

左云长春兴煤业22309工作面综采工艺优化研究

陷落柱是制约煤矿工作面顺利推进的重要地质构造。以左云长春兴煤业22309工作面为分析对象,对综采工作面过陷落柱面临的技术难题进行了针对性分析,并结合工作面实际,提出了采取深孔预裂爆破工艺,同时,为了确保工作面推进的安全性,设计了注浆加固和超前管棚支护相配合的复合型顶板支护措施。从现场应用情况来看,深孔预裂爆破后,采煤机破岩的整体工作难度下降明显,采煤机故障概率从15%下降到了4%,各类型设备维修费用下降了接近5×10^(5)元,工作面推进速度提升至7 m/d左右。从综采工作面支护情况来看,工作面通过陷落柱时,支架初撑力和支架工作阻力均超过了最大载荷的95%。整个工作面过陷落柱的过程中,没有出现顶板破碎垮落的问题,有效确保了工作面回采的安全性。

特厚煤层综放工作面超前支护评价分析

针对特厚煤层综放工作面巷道超前支护难题,以古城煤业有限公司Z107综放工作面为工程背景,对该工作面超前支护25 m范围内单体支柱工作压力进行计算分析。分析结果表明,在该工况条件下,工作面超前10 m范围内采用“一梁三柱”支护方式;工作面超前后15 m范围内,采用“一梁两柱”的单体支护形式。经验证,该支护方式满足现场安全生产需求。

某综采工作面破碎顶板注浆加固技术研究

综采工作面遇地质构造时,受构造应力和采动影响,采场煤壁和顶板常出现片帮、冒顶现象。某综采工作面过火成岩和断层构造期间,顶板破碎,易发生冒顶、片帮事故,通过分析顶板事故原因和注浆加固作用机理,结合现场实际工作条件,对工作面冒顶片帮严重区域采取马丽散化学注浆加固、充填方案。实践证明,通过对构造破碎带区域的注浆充填、加固,改善了采场破碎煤岩体的物理力学性质和煤体的整体性,工作面最大片帮深度由1.8 m降低至0.4 m,最大冒顶高度由2.9 m降至0.6 m,提升了工作面回采安全性和高效性。

山西三元煤业4302工作面开采地表移动变形规律研究

留设安全煤柱是为了保护建筑物、主要井巷和地面生态环境。分析了三元煤业开采的地质条件,并选取了有代表性、周边无采空区的四采区4302工作面,建立了地表移动观测站,通过现场实测和计算获取了综采放顶煤开采条件下地表的移动变形规律及各种移动变形角的参数,其移动与变形曲线基本符合开采沉陷的移动与变形曲线基本形态,最大下沉的开始阶段为27 d,活跃期为210 d,衰退阶段因受邻近工作面开采影响,地表沉陷变形主要集中在沉降活跃期。

瓦斯抽放孔“一孔两用”注水降尘技术研究

为了解决潞安集团郭庄煤业3308工作面粉尘浓度高的问题,基于煤层注水降尘技术,开展工作面瓦斯抽采孔进行动静压联合注水降尘实验研究。实验结果表明,煤层注水过程中,距离钻孔越近增水量越大,平均增水率为55.6%,煤层注水前后粉尘质量浓度最大降幅可达78%,“一孔两用”钻孔布置以及注水方式能够减少煤层注水二次打孔周期及投资,取得一定的经济效益。

面间保护煤柱片帮特征及控制技术实践

综采工作面回采过程中,面间保护煤柱的稳定性直接影响矿井的安全生产,分析面间煤柱的片帮特征和控制技术至关重要。通过对片帮面间煤柱的应力分布规律和塑性区分布状态进行分析,揭示工作面回采过程中面间煤柱的片帮显现特征,理论分析覆岩结构破断诱发面间煤柱片帮的影响因素,确定面间煤柱片帮的控制技术并进行现场工程实践。结果表明,面间煤柱在单侧、双侧工作面回采过程中,面间煤柱片帮呈不对称分布,回采工作面侧面间煤柱片帮程度明显大于回采巷道侧片帮程度,双侧工作面回采面间煤柱片帮程度大于单侧工作面回采时片帮程度,最大网兜直径约为1.25 m。上覆岩层形成的走向、倾向、砌体梁关键块B的长度和破断线位置,是工作面回采过程中面间煤柱片帮的主要影响因素。通过改变面间煤柱上覆岩层走向和倾向破断线位置和长度,有效控制了面间煤柱不规律性片帮并减小了片帮程度,现场实践效果良好。

车村煤矿一号井综采工作面沿空留巷技术实践

为了提高煤炭回采率,实现煤炭完全、绿色开采,车村煤矿一号井综采工作面借鉴临近煤矿的成功经验,进行了预裂切顶沿空留巷技术实践。运用放炮预裂,控制炮眼位置、角度及装药量,增加单体液压支柱临时支护,切断“砌体梁”“传力岩梁”的应力传递,改变老顶位态,优化围岩应力分布。将3101综采工作面运输顺槽留做3102综采工作面回风顺槽使用,取消上下工作面间预留煤柱,排除煤柱引发的煤层自然发火隐患,减少煤炭资源浪费,缓解工作面接续,从而实现综采工作面沿空留巷的安全高效开采。

浅埋厚煤层综采工作面采空区自燃“三带”划分

采空区中氧气作为助燃物质,是造成采空区遗煤自燃的主要因素,而其主要来源为采空区漏风。为了探究采空区自燃“三带”和漏风规律,检测了氧气和一氧化碳的浓度分布情况。对苏家沟煤矿4109南工作面和4109工作面自开切眼至开采到一定范围内采空区氧气、一氧化碳等5种气体浓度变化的规律进行检测观察,根据现场生产实际和地质条件,对综采工作面推进速度、采空区自燃“三带”分布范围、5种气体的浓度关系和自燃危险区域的主要参数进行了分析和计算。研究结果为苏家沟煤矿综采工作面及相似工作面采空区自燃“三带”划分研究和遗煤自燃防治工作提供了一定借鉴。

长壁综采工作面采煤机定位定姿技术研究

分析了现有的采煤机支架传感定位技术、轨道里程计定位技术、自主定位技术的研究现状及其存在的问题;提出了以采区绝对坐标为参考坐标,采煤机在开采煤层内绝对定位的研究内容;探讨了采煤机定位技术在长壁综采工作面自动化中的作用。

综放工作面连续注氮下采空区气体分布及“三带”变化规律

介绍了同煤集团塔山矿8202综放工作面开采过程中,采用埋管、连续注氮方式向采空区注氮,防止采空区遗煤自燃。同时在采空区预埋束管,测量连续注氮前后各测点氧气和一氧化碳浓度的变化,并结合采空区遗煤自燃理论,得出了采空区自燃"三带"的分布变化。结果表明:综放工作面采空区在连续注氮下,氧气浓度随采空区深度的增加明显降低,最终稳定在5%左右;一氧化碳浓度随采空区深度的增加稳定在50×10-6以下;注氮量越大,氧气和一氧化碳浓度下降的幅度越大;由于工作面供风量和漏风量都较大,对散热带宽度影响不大,氧化带在注氮后缩短了约60 m,窒息带前移了约70 m。