厚煤层大采高智能化综采工作面关键技术研究与应用

针对付村煤矿井下综采装备落后、开采成本高的问题,综合考虑生产安全、经济效益、资源回收等多方面因素,提出了在付村煤矿建立厚煤层大采高智能化工作面的构想。根据付村煤矿3上煤层赋存条件,基于智能化工作面设备集成控制平台,结合大采高液压支架智能化电控系统、大采高采煤机智能化控制系统及移动互联网云存储系统,重点突破了工作面主要设备姿态监测、大采高工作面智能化开采工艺、远程控制与集中监控等技术,实现了采煤机自主定位、记忆截割、液压支架自动跟机移架、全工作面一键顺序启停、故障自动顺序停机、三机协同控制,优化升级了矿井信息化系统,建立了智能化综采工作面互联网云平台。结果表明:自2017年11月在付村煤矿3上1008工作面进行工程应用以来,工作面生产班工作人员从12人减少为5人巡视检查,减员率达50%以上,日采煤达6000 t,技术应用效果显著,建立了枣矿集团6 m厚煤层智能化开采的生产模式,为厚煤层大采高智能化生产系统的发展提供示范与实践基础。

切眼外错下孤岛工作面开采冲击危险性分析及防治措施

受矿井地质条件、开采布局及采掘接续不合理等影响,工作面布置时会留设孤岛工作面,严重影响矿井安全开采。为解决切眼外错下孤岛工作面开采冲击危险的难题,以高庄煤矿3_(上)1105孤岛工作面为例,采用理论分析、数值模拟、数据统计与分析相结合的研究方法,分析了孤岛工作面开采时覆岩结构特征、切眼外错区域应力分布规律以及巷道围岩稳定性。结果表明:切眼外错下3_(上)1105工作面开采期间超前支承应力峰值达到54.1 MPa,基于巷道围岩受力状态及变形量确定了冲击危险区域主要分布在3_(上)1107工作面切眼前后0~30 m范围。针对切眼外错区域采取了大直径钻孔卸压,通过现场监测及检验,微震、钻屑均未超过预警临界值,卸压解危效果良好。

采煤机数字孪生导航截割运动规划理论与方法

为进一步提高采煤工作面的智能化水平,实现采煤机导航截割的自主推演、自主学习和自主优化,基于采煤机自主导航截割技术和数字孪生智采工作面的概念,提出了采煤机数字孪生导航截割运动规划的理论与方法,包括数字孪生理论及基于该理论的采煤机数字孪生导航截割运动规划系统的构建方法。围绕数字孪生理论,探索了智采工作面的物理场景、数字孪生模型的构建及数字孪生驱动、交互和演化机制。为满足不同应用需求,将数字孪生模型分为物理实体、孪生模型和孪生数据模型,详细分析了这3类模型的特点。介绍了由模型驱动、数据驱动和服务驱动组成的3种运行机制,这3种机制通过虚实交互逻辑实现了从感知智能到认知智能的转变。构建了采煤机数字孪生导航截割运动规划系统,该系统通过物理感知层、综合数据层、数据融合分析层及数字孪生服务层,支撑采煤机截割状态数字孪生、动态导航地图数字孪生、数字孪生强化学习环境和强化学习运动规划的服务功能;通过数字化手段将现实中的采煤机导航截割过程复制到数字孪生操作环境中,通过系统内各模块的调用实现数据的自适应融合、智能分析和最优规划。最后,在构建的数字孪生环境中比较深度Q网络−归一化优势函数(DQN−NAF)算法与深度确定性策略梯度(DDPG)算法在采煤机运动规划任务中的效果,结果表明DQN−NAF算法在解决采煤机数字孪生运动规划任务时展现出更优的效果和稳定性。

长城六矿中硬顶板倾斜工作面切顶留巷关键参数研究

针对长城六矿1301S工作面沿空巷道围岩破坏失稳控制难题,首先,采用UDEC数值模拟方法揭示了1301S工作面侧向覆岩破断运动规律,发现侧向覆岩破断位置均位于巷道上方,且直接顶悬臂结构长度约为1.8m;其次,通过构建侧向覆岩结构力学模型,获得了切顶前后实体煤和矸石支撑体支承应力解析表达式,根据表达式进行算例分析得到切顶前后实体煤支承应力保持不变,均为1.27MPa,靠近巷道左侧矸石支撑体支承应力降低了56.89%;再次,通过理论计算确定了巷旁切顶参数,即切顶高度11m、切顶角度20°、切缝孔间距500mm;最后,设计了1301S工作面运输顺槽切顶留巷技术方案并开展了工业性试验。研究结果表明:切顶后巷道顶底板移近量和两帮移近量分别为1240mm和265mm,与未切顶相比分别降低了12.68%和70.22%,围岩整体稳定性较好。该研究可为相同或相似条件下切顶留巷技术应用及关键参数设计提供参考和借鉴。

智能工作面采煤机与液压支架协同控制研究

为进一步提升智能工作面开采设备协同控制效果,在对采煤机与液压支架控制过程分析的基础上,对生产工序进行细化并重新匹配,达到提高协同控制效果的目的。同时给出协同控制工序控制逻辑,提高协同控制效果。将协同控制技术在30209工作面进行工程应用,结果表明,协同控制技术较人工干预控制耗时减少27 min,有助于提升煤炭生产效率及设备智能化控制程度。

突出煤层回采面CO_(2)致裂二次增透后高效回采技术研究

天池煤矿15号煤层瓦斯含量高,难抽采,在回采割煤时,存在瓦斯超限隐患,且一个割煤循环需要6h以上,严重制约了工作面的回采速度。为提高开采效率,利用CO_(2)致裂煤岩的技术方法,提出了突出煤层回采面CO_(2)致裂二次增透高效回采技术。通过试验发现:CO_(2)致裂后,瓦斯涌出量平均减少了16.7%,并能实现密集钻孔条件下的瓦斯高效抽采,提高回采速度。割煤速度从致裂前2.11~2.91刀/d提高到3.38~4.59刀/d,平均提高了1.63倍。

坚硬顶板厚煤层工作面停采线预留回撤通道切顶护巷技术

针对义棠煤矿开拓巷道受工作面采动影响变形大、维修工程量大、工作面停采线煤柱留设宽、煤炭资源浪费大的情况,在矿井100505工作面试验了停采线预留回撤通道切顶护巷技术。在停采线预先留设回撤通道,运用恒阻大变形锚索围岩控制技术及定向预裂切缝爆破技术,来控制回撤通道围岩的稳定性,切断回采动压力向附近大巷的传递。通过项目的实施,回撤通道稳定,满足了工作面回收的要求;停采线附近大巷变形量降低,不需要维修工程;停采线煤柱宽度明显缩小,有效地提高了煤炭资源采出量。该技术经济效益可观,值得推广应用。

永智煤矿综采工作面智能化技术研究与应用

智能化无人开采是煤矿发展的趋势。文章以永智煤矿5101工作面为背景,对综采工作面智能化建设展开了分析探讨。通过采煤机智能控制系统、电液智能控制系统、集控系统、集成供液控制系统、工作面自动找直系统等实现了采煤机记忆割煤、液压支架跟机运行、自动补液、设备监控与故障监测,使工作面初步达到了智能化水平。

18405工作面巷旁充填沿空留巷技术分析

屯兰矿拟定在18405工作面运输顺槽应用高水材料巷旁充填沿空留巷技术。通过理论分析、数值模拟、工程经验等手段对巷旁充填、补强支护、切顶卸压等工艺技术进行分析与探讨。经理论计算,得到所需的充填体宽度值为1.96 m,拟定了运输顺槽沿空留巷各项补强支护参数以及坚硬顶板切顶卸压的各项参数,现场应用取得了良好效果,提高了资源回收率。

厚煤层工作面切眼支护设计与应用分析

以古城矿N1306工作面切眼为工程背景进行支护系统研究分析;基于围岩自稳平衡拱理论和悬吊理论分别确定切眼巷道顶板和两帮破坏深度分别为2.28 m和2.39 m,计算确定锚杆和锚索有效支护长度分别2.4 m和10.3 m,并确定支护系统的有效性。得到数值模拟得到,在两帮位置应力较为集中,应力集中系数1.92,底板变形较大,最大变形量为140 mm。设计的支护系统通过工业性试验确定切眼巷道围岩变形快速增长周期为60天,其中两帮变形量和顶板下沉量最大值分别为162 mm和200 mm,说明支护系统能有效控制切眼巷道围岩变形要求。

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。

同忻矿山小煤柱工作面矿压综合治理技术试验研究

同忻矿8210小煤柱巷道虽处于采空区侧向应力降低区内,围岩应力环境较好,但同时也伴随着巷道围岩整体松软破碎,小煤柱整体完整性较差,承压能力弱,不利于巷道维护,也为矿山工作面安全管控带来一定隐患。因此,同忻矿山决定开展小煤柱工作面矿压综合治理研究,采用初采切眼爆破放顶、尾巷爆破切顶卸压及头巷水力致裂工艺降低矿压影响,提升初采期间顶煤回收率,控制巷道变形。试验结果表明,初采切顶爆破效果良好,初次来压步距及来压强度得到有效缩短弱化,初采可放煤距离大大缩短。尾巷切顶卸压成功爆破400个孔,围岩控制率提高了37%。头巷超长孔定向水力压裂效果良好,裂隙发育充分,达到预期效果。

基于高精度三维动态地质模型的采煤机自适应智能截割技术研究

采煤机使用“记忆截割”技术割煤时,需要进行人工领刀,且对煤层赋存条件要求较高,当煤层起伏较大时需要频繁示教领刀。“记忆截割”技术仅针对下一刀煤层顶板截割路径进行优化,在采煤机推进方向无法根据煤层的赋存形态对采煤机俯仰采路线进行精确规划与控制。本文基于采煤机自适应智能截割理念,设计了综采工作面采煤机智能截割系统运行模式,利用煤层精细化物探数据构建工作面高精度三维地质模型,而后利用地质模型对采煤机的未来截割路径进行规划,并在开采过程中根据工作面揭露的最新地质资料动态修正高精度三维地质模型。将高精度三维动态地质模型与采煤机开采规划算法耦合,提出可自适应煤层变化的采煤机开采控制基线规划算法,实现对采煤机推进方向的俯仰采控制与牵引方向的截割控制,以及地质模型更新、开采基线规划与采煤机滚筒调整之间的高效协作。设计了智能截割系统内滚筒调整参量的计算服务接口,以及智能截割系统与采煤机控制系统间的通讯协议,实现了采煤机滚筒基于规划截割路径的精准控制。实践表明,采煤机智能截割系统适用于底板倾角各种变化程度的煤层,采煤机截割线更好地贴合煤层顶、底板线,节约资源,提高生产效率。

基于金刚石串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层无人工作面开采方法探索

为解决贵州省的“难以实现机械化开采的关键4%煤层”,主要是倾角大于60°的急倾斜薄及中厚煤层机械化开采的难题,首次提出了倾角大于60°的急倾斜薄及中厚煤层基于金刚石串珠绳锯的工作面无人化巷道放顶煤开采方法。系统阐述了改造广泛应用于地面采石场、桥梁工程等的金刚石串珠绳锯为液压动力的方法,以便满足煤矿井下瓦斯环境的使用要求;分析了基于金刚石串珠绳锯的无人工作面巷道布置系统及通风系统;详细介绍了应用于采煤工作面的金刚石串珠绳的结构特点、安装工艺、切割方法以及回采工艺;研究了金刚石串珠绳锯对倾角大于60°的急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤工作面煤体与顶底板的分离切割、对煤体内部进行预切割、预破碎的方法,从而达到提高巷道放顶煤无人工作面的区段高度,提高采出率,降低含矸率的目的,进而实现急倾斜薄及中厚煤层的安全高效开采;研究了巷道放顶煤液压支架与金刚石串珠绳锯的工序配合关系以及巷道放顶煤液压支架沿走向布置时与刮板输送机的配合关系;通过与倾角大于60°的急倾斜薄及中厚煤层的其他开采方法的比较,论证了基于金刚石串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层工作面无人化的高效、安全、机械化开采的可行性及优越性,为后续急倾斜薄及中厚煤层智能化开采方法的研究提供了机械化基础。

回撤工作面倾向切顶卸压关键参数研究

切顶卸压技术有效地提高了煤炭的回收率并减少资源浪费,已在我国进行了大量的试验推广,目前研究集中在切顶卸压沿空留巷技术方面,缺少对于倾向切顶卸压减小系统巷道保护煤柱的研究。为解决工作面回撤阶段巷道承载力大、两帮及顶板变形严重等问题,提出预先在回撤通道顶板打切顶眼,阻断落山侧应力传导,以辛置煤矿2-20工作面为研究对象,结合理论分析、数值模拟、现场实测方法对切顶钻孔关键参数进行研究。结果表明:当切顶钻孔的仰角和深度分别为75°和9 m时,护巷煤柱应力峰值达到最小,钻孔卸压效果明显,巷道稳定性较好;通过现场试验发现煤柱左侧最大位移量减60 mm,降幅14.46%,右侧降幅33.71%,对比相邻巷道围岩变形情况可知,切顶钻孔对系统巷道起到较好的卸压保护效果。

切眼外错布置对工作面见方垮落影响研究

坚硬顶板的失稳下沉是工作面矿压显现的主要来源。在切眼外错布置条件下工作面的回采阶段,对顶板见方垮落时顶板垮落步距提出不同的计算方式。可明确出在切眼外错布置的条件下,当顶板的初次破断步距远大于“见方”来压时的步距大小,所计算求得“见方”垮落步距远高于以往计算出的垮落步距,其步距大小与两工作面切眼垂直距离相近。通过现场所收集的微震事件数据和支架阻力来验证,找到顶板见方垮落发生的时期和明显的特征变化,通过比对后可发现在外错条件下,工作面来压等异常现象有向后推延的现象。运用FLAC3D有限差分值计算方法来分析不同采动条件下支承压力的不同情况,证实切眼外错布置条件下工作面顶板见方垮落具有一定的“延迟”作用,从而为矿井在工作面见方期间,为防治动力灾害现象提供有针对性的指导。

随采随掘小煤柱巷道稳定性控制实践研究

基于晋能控股煤业集团晋华宫矿12#层8712工作面的地质条件,针对大采高工作面随采随掘条件下,安全高效实施小煤柱巷道掘进的问题进行深入研究。结合理论计算及分析结果,同时借鉴邻近工作面矿压控制经验,提出了“邻巷切顶卸压+本巷分段支护+辅助控制技术”的治理思路,在现场就相关参数及关键技术进行了相应的试验。实践表明:选择合理参数实施治理技术后,现场小煤柱巷道围岩得到了有效控制,提供安全工作环境的同时也大大降低巷道二次维护工程量,经济效益显著。研究成果为其他类似条件下巷道的优化、维护、矿压控制等方面工作提供了可参考的基础数据。

透明工作面采煤机规划调高策略研究

基于透明工作面地质模型,提取规划截割曲线,制定采煤机调高策略是煤矿智能开采的核心;其中研究采煤机如何利用截割曲线实现高效截割是打通地质模型与综采设备智能联动的关键;采煤机通过控制摇臂进行规划截割,摇臂的控制是通过调节油缸的高度决定的,如何将透明地质模型的采高、俯仰角、倾伏角等参数转化为调节采煤机油缸高度的参数是实现透明工作面规划截割的关键。分析了基于透明地质模型的截割曲线规划原理,建立了透明工作面自动调高模型,分析了截割曲线与油缸调节高度之间的映射关系,并在此基础上进行了采煤机规划调高的工程应用,验证以地质模型指导采煤机规划调高的可行性。研究结果表明:基于透明地质得到的截割曲线能够指导采煤机实现高效采煤;从截割曲线计算得到的采高、卧底和坡度等关键参数可控制采煤机油缸的自动调高;在构建采煤机自动调高模型和分析相关影响因素的基础上,通过提高模型精度可达到精准控制油缸高度的目的,为实现透明工作面智能开采提供了坚实的技术支撑。

大采高工作面端头静态胀裂切顶技术研究

大采高工作面回采过程中,端头后方顶板不易及时垮落。优选适应性高、安全高效的大采高工作面端头切顶技术与工艺,对于煤矿安全生产具有一定现实意义。通过对高效煤岩静态胀裂剂性能和现场工程应用实践的不断探索和深入,以大柳煤矿1405大采高工作面隅角悬顶问题为研究背景,采用高效煤岩静态胀裂切顶卸压技术,通过优化设计钻孔关键参数及数值模拟分析等技术手段,构建一套适用于大采高强矿压工作面的静态胀裂切顶技术与工艺,使端头顶板实现定向垮落。经实践表明,高效煤岩静态胀裂切顶卸压技术保证了顶板及时垮落,有效防止了端头处坚硬顶板悬顶距离过长对巷道内超前支护段造成强矿压影响。

薄煤层综采工作面智能化控制技术应用

针对寺河二号井薄煤层工作面开采效率低下、设备故障率高等诸多问题,在充分调研薄煤层赋存条件与现有采煤装备基础上,进行薄煤层综采工作面智能化开采关键技术研发,实现采煤机记忆截割、液压支架红外定位、液压支架多方位信号采集与多网融合功能。