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.

Support-surrounding rock relationship and top-coal movement laws in large dip angle fully-mechanized caving face

When mining the fully-mechanized longwall caving face along strike, the unstable equipment, the low top-coal recovery ratio and the difficulty in controlling surrounding rock may occur due to large dip angle. Considering the effects of strike angle on support stability, the ‘‘support-surrounding rock"mechanical models of support topple and support slip were established in this paper. On the basis, the influencing factors of support stability were analyzed and the technical measures of controlling support and surrounding rock stability were put forward. Then the loose particles simulation experiment was conducted to analyze the impacts of caving directions and methods on the top-coal recovery in large dip angle fully-mechanized caving face. Finally, the ‘‘upward sequence and double-openings doublerounds" caving technology was determined. The research results are of great scientific significance and practical values to improve large dip thick seam mining technology.

Statistic constitutive equation of top-coal damage for fully mechanized coal face with sublevel caving

Under the action of abutment pressure in front of fully mechanized coal face with sublevel caving(CFSC),top-coal over CFSC deformed.In the process of whole de- formation of top-coal,it changed from continuum elastic mass to non-continuum plastic mass contained fissures,become a loose body.According to its bearing characteristics and mechanical properties,top-coal mass can be divided into four deformation zones along the winning direction of CFSC,i.e.initial stress zone,elastic zone,plastic zone and loose zone.Top-coal in plastic zone located in the post-peak zone of the stress-strain curve for top-coal.With equivalent strain principle of damage mechanics and mathemati- cal theory of statistic,combining the movement law of top-coal,set up a constitutive equa- tion with damage statistics for top-coal in different position in CFSC.The equation illus- trated the mathematical relationship among top-coal bearing capacity,horizontal confining pressure along the winning direction of CFSC and mechanical properties of top-coal mate- rial.The conclusions not only provide a basis for numerical computer simulations on damage deformation and failure mechanism for top-coal,but also further promote the ap- plication of damage mechanics in CFSC.

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。

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。

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。

大倾角综放采场遗留顶煤运移规律及防灭火技术

为研究大倾角综放采场遗留顶煤运移规律及裂隙扩展情况,以王家山煤矿中二401工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验与数值模拟实验相结合的方法,深入分析大倾角综放采场遗留顶煤运移及裂隙发育规律。结果表明,大倾角综放采场遗留顶煤破碎和运移具有非对称性,工作面倾斜中下部应力与位移量均大于倾斜上部。遗留顶煤在采空区内沿倾斜方向呈现“顶煤—直接顶—顶煤”交替堆积形态,倾斜下部堆积量大于倾斜中上部。围岩裂隙发育范围广,随工作面推进最终可扩展至3号煤层。针对遗煤特征综合提出此类采场的“两阶段”防灭火技术措施,达到良好的防灭火效果,确保工作面安全高效生产。

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。

中厚煤层综采工作面产尘扩散规律及治理技术研究

针对中厚煤层综采工作面采煤机截煤、液压支架降柱移架产尘污染严重的问题,以青龙寺煤矿5-20109综采工作面为研究对象,采用数值模拟的方法研究了两大尘源共同作用时呼吸性粉尘的扩散规律,并结合现场实测对人员作业区域的粉尘进行了溯源分析,提出了一种滚筒喷雾密闭+跟踪喷雾隔离+机载喷雾引射除尘+支架喷雾侧吸净化的综合治理措施。现场应用结果表明,采煤机司机及采煤机下风侧10 m处的呼吸性粉尘浓度降尘效率可达到91.12%以上,液压支架降柱移架下风侧5 m处和回风巷端头15 m处的呼吸性粉尘浓度降尘效率可分别达到85.75%和90.63%,综采工作面的作业环境得到了明显改善。

厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度及巷道支护研究

为解决常村煤矿轨道顺槽护巷煤柱宽度不合理、支护效果差的问题,通过数值模拟、矿压监测、理论分析等手段,研究最优煤柱留设宽度及支护方案,并进行工业性应用试验。结果表明:宽度大于30 m煤柱内存在稳定的弹性区,合理煤柱宽度为30 m,矿压监测结果表明,优化后的煤柱尺寸和支护方案可保证2106轨道顺槽围岩稳定,满足了工作面安全回采的需要。

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。

复合煤层综放工作面瓦斯涌出分析及精准瓦斯治理技术

综放工作面由于开采强度大、回采率低,导致在回采过程易出现回风隅角瓦斯异常,受顶板来压影响,其回风隅角瓦斯比较难控制。为了解决复合煤层综放工作面开采过程回风隅角异常问题,首先,对复合煤层综放工作面进行瓦斯涌出量预测,结合现场实际瓦斯涌出情况,分析工作面的瓦斯涌出规律和来源,分析了工作面回风和回风隅角瓦斯涌出的主要影响因素,最后结合工作面煤层、瓦斯赋存情况,制定了精准的瓦斯综合防治技术措施。研究表明,某低瓦斯矿井复合煤层综放工作面瓦斯涌出主要来源于本煤层,其采空区、邻近层瓦斯涌出及顶板周期来压是影响回风隅角瓦斯异常的主要因素。根据瓦斯涌出来源及影响因素分析,最终采取工作面合理配风、采空区进回风隅角封堵、采空区埋管+插管抽采、顶板走向钻孔抽采及局部高瓦斯赋存区域的本煤层顺层钻孔抽采等综合治理技术措施实施精准治理后,回风瓦斯浓度最大值控制在0.5%以下,回风隅角瓦斯浓度控制在0.4%以下,实现了复合煤层综放工作面安全回采。

司马煤业薄煤层工作面设备选型分析

为了实现对司马煤业薄煤层煤炭资源的有效回收,以8-2号煤层8101首采工作面为工程背景,在对地质赋存条件进行分析的基础上,首先确定工作面的参数,并对工作面综采设备进行选型,使采煤机、液压支架、刮板输送机“三机”配套满足技术要求,并选择适合的转载机及胶带输送机,组成完整的运输系统,满足工作面安全生产的需要。

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。

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。

推移偏差补偿下的煤层倾斜综采面液压支架控制方法设计

倾斜综采面液压支架控制参数由二自由度的液压支架运动学模型求解得到,容易受到液压支架支护效率和摩擦系数、掩护梁外载荷、作用位置、立柱千斤顶倾角、水平千斤顶倾角等因素影响,同时,不可直接测量的内部状态变量影响力扩大,产生推移偏差,控制效果和效率不佳。提出推移偏差补偿下的煤层倾斜综采面液压支架控制方法。通过建立液压支架底座笛卡尔坐标系并分析液压支架的初始状态变量和位姿偏移情况,可以确定控制参考线的位置。通过状态方程和观测方程来描述液压支架在控制参考线上的位姿状态,分析液压支架的最优推移距离,计算轨迹预测的推移距离补偿量。利用最大熵卡尔曼滤波方法,根据增益矩阵和推移距离误差协方差矩阵,通过推移距离补偿量补偿控制误差,从而实现高精度控制。实验结果表明,支架位姿控制信号与实际位姿控制信号的波动程度相似度较高,稳定性较好,液压支架控制时间在89.5~95.1 ms之间,保证经过补偿后的液压支架控制精度更高,控制响应快,效率高,适合于实际应用。

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。