煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用

千米深井复杂条件煤层智能化开采是当前煤矿技术发展迫切需要解决的难题。以中煤新集口孜东煤矿140502工作面地质条件为基础,针对该工作面俯采倾角变化大、矿压显现剧烈、顶板煤壁破碎所致的采场围岩稳定控制难、液压支护系统适应性降低等问题,研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术,为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑。研发了基于LORA的工作面液压支架(围岩)状态监测系统,同时获取立柱压力和支架姿态数据。提出了基于大数据分析的矿压分析预测方法,采用FLPEM和ARMA两种算法组合预测提升精度和效率,采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题,模型预测精度达到92%以上。研发了基于Unity 3D的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统,支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策。现场试验表明:工作面在试验期开采高度达到6.5 m,在14°~17°俯采、顶板相对破碎、煤层硬度1.6的条件下,月产达到31.5万t。设备可靠性和适应性较之前该矿使用设备明显提升,工作面安全性大幅改善,实现了千米深井三软煤层的安全高效开采。

深部采场覆岩应力路径效应与失稳过程分析

针对深部采场上覆岩层三向采动应力变化规律不清晰、采动应力变化与上覆岩层破断失稳过程之间的关系不明确等问题,提出基于应力状态与强度变化关系的三向采动应力扰动系数计算方法,揭示深部采场上覆岩层采动应力的时空演化特征与破断失稳过程。基于莫尔–库仑强度准则分析不同加卸载条件下主应力的变换形式,提出以最大、最小主应力差值与莫尔应力圆圆心到强度曲线距离之比作为三向采动应力强扰动判别指标,推导得出三向采动应力扰动系数;基于弹塑性力学理论,采用3DEC数值模拟方法,分析深部采场沿工作面推进方向、工作面长度方向上覆岩层的三向采动应力大小、方向变化规律,得出工作面前方上覆岩层的采动应力扰动系数与扰动强度分区,揭示深部采场上覆岩层的采动应力时空演化特征;基于深部采场上覆岩层破断过程的采动应力与位移变化关系,将顶板岩层的破断过程细分为采动应力增加、离层、断裂失稳、顶板上部岩层断裂失稳、上覆岩层压实稳定等5个阶段,分析上覆岩层断裂过程中采动应力的变化规律,揭示垂直应力、水平应力在上覆岩层断裂失稳过程中的作用机制。以口孜东煤矿千米深井长工作面开采实践为工程背景,采用上述研究成果较好地解释了口孜东煤矿千米深井大采高长工作面矿山压力显现频繁、来压强度不大等现象。