煤矿防冲钻孔机器人全自主钻进系统关键技术

针对高地应力矿井钻孔卸压作业智能化程度低的技术难题,总结分析了国内外钻孔卸压技术和装备的研究现状,指出研发高性能、高可靠、高效率的防冲钻孔机器人全自主钻进系统是破解冲击地压防治难题的重要发展方向。为此,凝练了影响钻进系统性能的“孔位精准识别、钻具姿态精确感知、无线电磁随钻智能检测、钻具运行状态智能识别和钻进系统精确控制”五大关键技术,并给出了解决思路和方法。针对在复杂恶劣环境下卸压孔的精确识别问题,设计了融合图像尺寸调节和多阶段训练模式的卸压孔图像样本扩充SinGAN模型,引入多层特征融合优化的FasterRCNN,构建了基于改进SqueezeNet轻量级网络架构的孔位识别模型,以实现卸压孔位的准确快速识别;针对钻具姿态精确感知问题,提出了基于改进梯度下降法算法优化无迹卡尔曼滤波的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)初始对准方法,设计了多个IMU的空间阵列布局方式,研究了基于BP神经网络的钻具姿态误差补偿方法,旨在提高钻具姿态的解算精度,实现精准钻孔卸压;针对复杂地质环境下钻进工况的精确检测问题,搭建了煤矿井下随钻测量无线电磁传输系统架构,探讨了微弱电磁波信号自适应调制和随钻高速双向电磁传输技术原理,研究了孔底地质参数、几何参数和工程参数的测量原理和实现过程;针对钻进系统运行状态识别问题,构建了钻进信号时域、频域、时频域的多域特征和深度网络高级特征提取架构,提出了钻进系统关键零部件健康状态评估和故障诊断技术,构建了基于改进蝙蝠优化长短期记忆网络的卡钻风险因子预测模型,实现对卸压钻具卡钻状态的准确预测;针对钻进系统的精确控制问题,分析了钻进系统的液压系统工作原理,构建了考虑煤岩性状的钻进系统精确控制方案,探讨了基于转矩和位置的钻进系统最优控制参数求解原理,旨在实现钻进回转系统和给进系统的智能协同控制和并行作业。

下保护层开采扰动卸压效应及瓦斯与煤自燃协同治理技术

为提高深部高瓦斯易自燃煤层灾害治理水平,探索合理的下保护层开采条件下瓦斯与煤自燃协同治理方法,以平煤十二矿己18煤层为研究对象,分析开采扰动被保护层的移动破坏特征,阐明扰动效应对被保护层煤岩体及瓦斯渗流产生的影响规律,制订相应的瓦斯治理与煤自燃防治协同技术。结果表明:在己18煤层开采扰动影响下,被保护层卸压效应显著,煤层沿垂直方向膨胀变形量大于0.300%,煤层透气性增大,突出危险性降低;矿井采用的穿层仰孔、顺层长钻孔、高抽巷穿层钻孔、采空区埋管等下保护层工作面立体全覆盖瓦斯抽采技术能够有效解决矿井瓦斯问题;同时配合通风管理优化、预测预报、隔离降温的综合防灭火技术,可以有效控制煤层自然发火危险性。

新上海一号煤矿软岩回采巷道预裂卸压技术研究

基于新上海一号煤矿软岩巷道支护薄弱的特点,提出了一种新的预裂卸压技术,旨在解决软岩巷道围岩大变形控制难题。该技术主要采用超前预裂卸压为主、NPR锚索协同支护为辅的方式,通过预裂卸压切断采空区顶板与巷道顶板之间的联系,加速顶板垮断,减小悬臂长度及传递至临空巷道顶板的覆岩荷载。同时,采用NPR锚索提前对巷道进行补强加固,确保了沿空巷道在超前应力影响下的稳定性。实地应用表明,采用预裂卸压技术回采巷道围岩变形量得到有效控制,验证了预裂卸压技术的有效性。为软岩巷道稳定性控制提供了一种新的解决方案。

多关键层窄煤柱冲击地压发生机理与三级协同防治技术

以门克庆煤矿11-3106工作面为背景,建立了11-3106工作面上覆厚硬覆岩结构破断模型,研究了深部厚硬顶板高强度开采条件下多关键层窄煤柱临空巷道冲击地压发生机理,提出了“钻-爆-压”三级协同卸压防治技术并现场应用,采用震波CT技术、微震监测、支架压力监测和地表沉降观测等多种手段进行了卸压效果验证。研究结果表明:11-3106工作面上覆存在高、低位关键层,当两关键层破断时,均可能造成覆岩大范围运动,临空巷道围岩受动载扰动影响大;窄煤柱承载能力低,使得覆岩载荷向巷道实体煤侧传递,实体煤侧应力增高,是冲击启动的主要区域;在侧向固定支承压力和本工作面移动支承压力叠加作用下,实体煤侧应力集中程度不断升高,受坚硬顶板周期性破断影响,“动静”加载容易诱发临空巷道冲击显现;坚硬顶板既是11-3106工作面系统内高静载力源,又是系统外强动载荷来源。对于11-3106工作面的冲击地压防治,应同时从3个方面入手:(1)弱化煤体,形成冲击发生的缓冲隔离带;(2)预裂低位顶板,减弱煤岩体致密程度,破坏系统内外的蓄能条件;(3)预裂高位顶板,人为诱发中高位关键层破断。开发了“钻-爆-压”三级协同卸压防治技术,现场实施后,降低了高、低位厚硬顶板破断带来的冲击动载,减弱了煤体内高应力区的应力集中程度,高能量微震事件大幅减少,降低了工作面回采期间的围岩活动性,工作面顶板来压强度降低,地面沉降值增加200%,表明“钻-爆-压”三级协同卸压具有良好的“释能减冲”效果,可为类似厚硬顶板条件下窄煤柱工作面的冲击地压防治提供借鉴。

综放工作面过地垒构造采动影响及矿压控制技术研究

本文以梁宝寺煤矿5304工作面为研究背景,以F6、DF319断层组成的地垒构造区域为研究对象,借助相似模拟实验、FLAC3D数值模拟、现场实测,研究综放工作面过地垒构造区域时采动影响分析,并采用顶板预裂爆破切顶、大直径钻孔协同卸压技术,提出地垒构造条件下综放工作面矿压监测方案与解危卸压方案。现场矿压实测数据表明工作面矿压得到了有效的控制,能够满足工作面安全生产的需求。

煤矿动压巷道围岩稳定性协同卸压控制技术研究

煤矿动压巷道围岩的稳定性对矿井安全生产至关重要。为有效控制采动压力影响下的巷道失稳变形,以德通煤矿2201工作面动压巷道为工程背景,对动压巷道破坏现象及围岩应力演化规律等进行分析,结果表明:开采动压周期性叠加使巷道围岩垂直应力集中并呈双峰拱形非对称分布,巷道变形呈抛物线形,应力集中和位移最大区域巷道易失稳。因此,提出以双向聚能预裂爆破切顶卸压和恒阻大变形锚索让压支护为基础的动压巷道协同卸压围岩稳定性控制技术。对动压巷道实施双向聚能预裂爆破切顶卸压后,可有效切断动压传递路径,巷道峰值应力差降低19.6%;再实施恒阻大变形锚索让压支护继续卸压,巷道断面收缩率由60%降至13%,开采动压对巷道稳定性的影响明显削弱,协同卸压围岩稳定性控制技术应用效果良好,可为类似矿山提供有益指导。

多重采动煤柱留巷累积损伤特征及围岩协同控制

采动应力影响下煤柱护巷呈现复杂的非稳定和非线性变形特征,煤体结构损伤导致支护系统失效现象频发。以寺河煤矿双侧开采扰动下盘区大巷留设问题为工程背景,数值模拟分析大巷从掘巷至双侧工作面回采全过程的围岩应力及变形破坏特征。结果表明双侧采空后大巷应力集中系数达3.55。基于巷道累积损伤破坏特征针对性提出“三主动”围岩协同控制方法,水力压裂主动切顶卸压,缩短侧向支承压力的作用时间,改变煤柱应力分配比例;注浆加固主动围岩改性,重塑煤岩体完整性,提升围岩承载能力;锚杆锚索主动高强支护,确保预应力向围岩深部传递,形成稳定的承载结构。井下工作面超前支护应力、围岩表面位移监测评价分析显示,协同方案有效控制了多重回采扰动下大巷围岩变形,确保了工作面安全高效开采。

冲击地压煤层复合多灾协同防治技术及应用

矿井深部开采过程中呈现出冲击地压、瓦斯、自然发火等多灾害共生、耦合等特点,灾害之间具有诱发、转化、耦合等关联现象,且致灾机理复杂。不同灾害的单项治理措施隶属于不同部门,导致治理措施协同效果差及治理尚缺乏针对性的技术方法。基于此,讨论了冲击地压多灾害共生及致灾的现状,提出了冲击地压复合多灾的概念及灾害复合方式,结合各灾害治理中用到的水力化措施及其时空关系,提出了冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法并在唐口煤业6304工作面进行了工业性试验。通过对顺层长钻孔顺序实施钻进、水力割缝、水力压裂、瓦斯抽采、煤层注水、压注阻化剂等技术措施,实现局部高应力的有效释放、煤岩力学性质的改变,煤层透气性的大幅度提高,煤体注水湿润半径的增大和煤体含水率的增加,降低煤炭自燃的危险性,实现了多种灾害协同防治。

不同卸压措施下“双能量”指标协同预警及调控机制分析

现有的煤矿冲击地压防治措施实施均与卸压工程息息相关。基于广泛认可的冲击地压能量理论,提出利用不同卸压措施,降低冲击危险区域岩体高应力集中程度,有效规避众多冲击地压的产生,但即使在现场卸压工作较为充分的情况下,其仍然发生冲击地压,此外冲击地压防治和巷道支护本身作为一对矛盾体,更加剧理论研究工作的复杂程度。为进一步细化卸压措施的合理性,从工程尺度将卸压措施转化为实验室尺度的卸压手段。通过,单轴压缩方式施加静载,在室内尺度下分别得出2种常用卸压手段承载煤样的损伤演化规律,分析“双能量”指标一致性,并构建协同预警机制。试验结果表明:注水卸压措施可以很好的降低整体煤样的冲击倾向性,而钻孔卸压措施,虽然增大了煤样的冲击倾向性,其主要目的是人为引导能量释放,因此需要结合实际情况确定自适应卸压措施;此外单纯通过能量理论的“计算能量”具有一定的单一性,通过引入声发射破坏全过程的“监测能量”指标,数据统计发现两者具有跨尺度一致性。因此,基于上述理念,将承载煤样破坏过程“双能量”指标尝试引入到承载煤样破坏前兆判别思路,最终形成协同预警机制。其中,注水卸压过程中水-孔隙-裂隙耦合介质与完整煤基质形成较为稳定的弹性体,表现为稳定储存弹性应变能和耗散应变能缓慢增加,此外由于高孔隙水压力的存在以及水对煤基质的润滑等多种协同作用,促进孔隙-裂隙均快速扩展,出现耗散应变能短时间迅速回弹上升,快速破坏。而钻孔卸压措施均对承载煤样起到了应力转移作用,且大小孔径呈现出明显差异性,这对工程尺度上合理提出钻孔参数提出要求,进而确保达到合理有效卸压效果。