厚硬岩层结构调控低损开采方法及机理研究

为探究厚硬岩层采动结构对上覆岩层下沉破坏影响及新的低损开采方法,采用相似模拟、离散元数值模拟方法分析了厚硬基本顶采动破坏结构演化和堆积特征对覆岩下沉破坏的影响。相似模拟及数值模拟结果均表明,随采随垮的直接顶岩层和周期性破断的厚硬基本顶分别呈现小块度破坏杂乱堆积和大块度破断整齐堆积;受采动结构特征影响,直接顶岩层采动破坏产生的体积膨胀显著大于厚硬基本顶。根据模拟得到的采动岩层破坏堆积特征构建了厚硬基本顶条件下采动覆岩下沉计算模型。根据采动作用下随采随垮直接顶岩层采动破坏膨胀量显著大于周期性破断厚硬基本顶的规律,提出对厚硬基本顶进行采前大规模水力压裂并借助采动超前支承压力进一步破坏厚硬基本顶,降低厚硬基本顶采动破坏块度,使其随采随垮、杂乱堆积并充分充填采空区以控制上覆岩层下沉破坏,实现低损开采。采用数值模拟验证了压裂弱化厚硬岩层调控其采动结构,增大采动破坏岩层体积膨胀量,降低上覆岩层下沉的有效性。提出的厚硬岩层结构调控低损开采方法可为煤矿绿色高效开采提供一定的参考。

煤矿岩层压裂技术与装备的发展方向

1研究现状我国煤矿分布地域较广,岩层赋存特征呈多样化,开采深度跨度范围较大,不同煤矿的采掘工艺及施工技术也差异显著。随着煤矿开采深度、强度和广度的增加,与岩层控制相关的难题也越来越多。我国坚硬顶板赋存煤层约占30%,覆盖50%以上的矿区。

煤矿火灾智能预警系统研发与应用

目前煤矿火灾监测系统实现了对矿井煤自燃标志性气体、温度、烟雾、火焰等部分指标的单独监测,未对煤矿火灾相关因素进行有效、全面、统一的监测。针对该问题,从内因、外因2个方面分析了煤矿火灾潜在危险因素,提出一种分源分区监测火情态势的方法。内因火灾方面,主要针对较易发生火灾的工作面采空区、密闭采空区及人工自然发火观测点等进行监测;外因火灾方面,主要针对机电硐室及其配电点、带式输送机系统、电缆等方面进行监测。建立了煤矿火灾分源分区监测指标体系,采用人工监测或在线监测的方式定期采集或更新火灾特征参量数据,按数据采集方式及影响程度,将火灾监测指标分为动态指标、静态指标和关联指标。设计了火灾智能预警系统的总体架构和业务流程,采用基于多指标联合逻辑推理的预警方法实现内因火灾预警,采用基于D-S证据理论的多参量融合预警方法实现外因火灾预警。现场试验结果表明,火灾智能预警系统实现了对矿井火灾的有效监测预警,具有煤矿火灾风险预警“一张图”可视化展示功能,同时具备火灾智能模拟演示功能及避灾路线动态规划功能。

面向智能矿山的数字孪生技术研究进展

智能矿山领域数字孪生技术的应用需面对较多复杂性、特殊性的技术突破。阐述了数字孪生在智能矿山领域的适用性,归纳梳理了数字孪生技术在煤矿安全、生产及运营管理等方面的研究及应用现状:在煤矿安全管理方面,数字孪生技术主要应用于灾害预警、风险管控、灾害救援等;在煤矿生产方面,数字孪生技术主要应用于采掘工作面区域整体、单机机械装备状态监测及控制、机械装备预测性维护。从物理实体、虚拟实体、连接交互、数字孪生数据及功能服务5个维度入手探讨了智能矿山领域数字孪生亟待解决的关键共性问题:物理实体维度需重点突破全面感知及控制装备的研发,虚拟实体维度需深入进行物理、行为、规则模型的研究,连接交互维度需攻关煤矿井下5G网络传输关键技术,数字孪生数据维度需解决高性能计算等问题,功能服务维度需研发仿真软件及人工智能算法,以便更好地适应现场环境。从矿井规划设计、开发、建设阶段的灾害预防性设计、生产系统设计、地质环境预测,矿井生产运营阶段的灾害预警及防控、生产调度决策优化、生产设备全生命周期管理等方面展望了数字孪生技术在智能矿山领域的发展趋势,认为宜针对关键部件或装备,核心环节,重要或危险场所、区域等进行精细化孪生。

煤矿多参数复合风险智能分级决策预警系统

井下人员携带设备过多、设备功能单一及智能化程度较低,无法实时监测井下人员身体状态及周边环境情况,且井下环境参数超限或井下人员身体出问题后无法及时预警。针对上述问题,设计了一种煤矿多参数复合风险智能分级决策预警系统。该系统包括地面控制平台、矿井传输网络和智能穿戴设备(包括智能手环和智能矿灯),智能穿戴设备收集环境参数及人员体征参数,并通过传输网络上传至地面控制平台,平台可实时展示、存储、分析数据,并发送不同级别的预警信息。该系统实现了通话调度、人员定位、环境参数检测、健康数据监测、拍照摄像、风险分级预警等功能,将环境参数和人员体征参数进行融合,并对数据进行智能分析并及时预警,有效降低了人员在井下工作的风险程度,同时可辅助管理人员进行分析决策,提高了煤矿安全管理水平。

煤矿井下外因火灾智能防控系统设计

防灭火工作关系到煤矿财产安全和全体员工的生命安全。目前,我国矿井的防灭火部署技术手段相对滞后,主要依赖于人工操作,无法实时掌握灭火设施的存放和运行状态,且防灭火装置的完好性、井下工人对灭火器材的使用熟练度难以保证。针对上述问题,提出了一种基于DTS分布式光纤测温和联动控制技术为基础的煤矿井下外因火灾智能防控系统,系统以分布式感温光纤、烟雾、火焰等传感器对井下火灾参数进行监测,利用上位机软件实现火情分析和超前预警,并通过监测控制分站进行参数采集和联动控制喷淋电磁阀和喷粉灭火装置,实现了自动灭火系统智能化。

煤矿排水系统防结冰控制方法

针对北方煤矿冬季气温低导致排水系统地面管道结冰问题,提出了一种煤矿排水系统管路防结冰方案。在原有排水系统上设置放水管,放水管连接排水主管路与水仓,通过放水管上的电动阀门将主管路的水排入水仓,防止主管路结冰。排水逻辑:先判断液位,液位达到水仓排水水位即开启水泵,没达到水仓排水水位则对比下次排水时间与结冰预测时间,如果下次排水时间大于结冰预测时间,说明在排水之前管道将会有结冰风险;之后判断管道温度,当水温低于2℃时,进一步判断液位,若此时液位大于最低液位,则开启排水泵至最低液位,若此时为最低液位则开启放水管,将主管路的水排至水仓。应用结果表明,该方案实现了煤矿排水系统的无人化,节约了能源。

基于5G的电液控设备邻架控制方法

针对综采工作面电液控设备支架远程控制实时性较差、成本高等问题,分析了5G在电液控设备邻架控制中的适用性,提出了基于5G的电液控设备邻架控制方法。结合5G高速、低延迟和大容量连接的特性,实现了对邻架控制的高效、精确和可靠控制。介绍了电液控设备和邻架控制的基本原理,详细阐述了5G在电液控设备邻架控制系统的应用与架构,通过实验对基于5G的电液控设备邻架控制方法的可行性和有效性进行了验证。

基于PLC通信的矿山应急微电网控制策略

应急微电网在主电网停电情况下为关键设备提供后备电源,对保障煤矿安全生产具有重要意义。在现有的配电设施基础上设计了一种交流微电网系统架构,为保障在1个或多个分布式发电机(DG)发生故障或输出功率不足情况下电网供电的可靠性,提出了一种基于固定频率电力线载波通信(PLC)的孤岛微电网控制策略,实现在DG之间提供自动和公平的负载共享,从而显著增加微电网供电的灵活性和可靠性。分布式微电网所有DG和电池存储系统(BSS)均通过逆变器连接到公共交流母线,所有负载在公共点处连接。除了电池充电外,所有DG电流为单向电流。PLC采用高频信号进行通信,该信号通过与电源电流相同的介质(电力线)传输。分析了PLC的注入、检测和抑制方法,以及总体通信逻辑。仿真结果验证了基于PLC的DG功率动态调整策略的有效性。

大断面大压差远程控制平衡风门技术研究

随着煤矿开采逐渐向深部延伸,平衡风门作为重要的通风设施在井下的应用越来越广泛。然而,当大断面风门两侧存在较大压差时,会导致一系列问题,容易使风门受到破坏。为解决这一问题,对平衡风门进行了重新设计,增加了抗变形、三维可调节、就地智能控制和远程解锁短路排烟等功能。研究结果显示,在外形尺寸不变的情况下,新设计的风门自重减轻了约50%,但其强度得到增强,能够适应巷道变形量达到200mm。通过有限元分析对门扇、门框、迎风面等三个部件进行数值模拟计算,发现在16000N载荷下,门扇出现了局部失效,且最大位移发生在距离合页轴最远端的门扇受载荷面上。当巷道四周受到压力使门框产生最大变形量达到200mm后,风门仍能继续承受3000N的压力,未出现失效情况。当井下风压达到1000Pa时,最大位移出现在左门扇受载荷面的右下角位置,出现了局部失效,但并不影响风门的使用。经现场试验验证,平衡风门在一定矿压和大风压的情况下,正常使用且满足调风需求。研究结果表明,这种具备远程自动控制功能的大断面大压差的新型平衡风门能够提高风门的稳定性,确保通风系统的高效稳定运行。

煤矿采煤机自动拖缆装置及控制方法研究

采煤工作面是煤矿生产系统最重要的环节之一,是煤矿实现高效生产的基础,因此,与采煤机配套的拖缆装置,也成为了影响生产效率的关键因素。针对传统工作模式下工作面线缆的卷缆、偏离、掉落等问题,提出了一种基于模糊自适应扰动补偿控制(ADRC)方法的矿用采煤机自动拖缆系统。该系统由拖缆小车、束笼拖绳装置、导向等装置组成,可带动采煤机电缆沿既定方向反复排缆,使采煤工作面的电缆在高强度、频繁运动的工作环境下得到有效的保护。同时,该系统由控制装置主机下发控制指令,通过模糊ADRC控制方法控制拖缆装置伺服电动机,实现卷筒卷缆速度与采煤机设备行走速度的同步,确保矿山的安全和高效生产。

基于知识图谱的矿山系统智能问答运维服务

矿山系统的运维和售后服务对于设备的高效运行和及时维护至关重要。然而,传统的运维服务模式存在信息不对称、专家资源有限以及响应时间长等问题。为了解决这些挑战,提出了一种基于知识图谱的智能问答运维服务。该服务平台利用知识图谱的优势,结合专家知识和用户需求,提供运维服务的智能问答,以提高矿山系统的维护效率和用户满意度。介绍了矿山系统售后服务的背景和问题,然后详细描述了基于知识图谱的智能问答运维服务的设计和实现,包括知识图谱构建、用户需求建模、问答模型训练。通过研究,形成了一套低成本、易维护、能智能支持运维工作的运维服务。

我国煤矿绿色开采与生态修复技术发展现状及展望

绿色开采是我国煤炭开发的必然发展方向。基于中国煤炭科工集团与国家能源集团主持和参与的科研项目,总结凝练分析了我国井工和露天煤矿绿色开采与生态修复方面取得的研究成果及技术现状。包括传统井工煤矿采动损害控制技术、基于开采工艺参数优化和覆岩承载结构稳定性维持的现代源头减损开采技术;露天煤矿生态型优化设计与规划、靠帮开采、沿帮开采与强化内排及生态修复窗口期协同利用等生态减损绿色开采技术;坚硬主控岩层预裂弱化控制导水裂缝带、顶板含水层控水开采、采动裂隙引导修复及采后导水主通道注浆封堵、分布式地下水库、露天煤矿采场注浆帷幕等矿区水资源保护技术;多源固废充填开采技术以及CO_(2)矿化及粉煤灰资源化利用技术;采煤沉陷区井上下协同治理及功能化利用技术;地表裂缝及沉陷区植被分区修复技术;露天煤矿土壤改良与提质增容、内排土场生态型地层立体重构、高效粉尘阻控、植物优选保育与联合修复、景观生态功能提升等技术;煤矿区采动损害协同监测技术,绿色开采的研究与实践表明,我国煤矿已初步形成了以低损害开采、充填开采、保水开采、生态修复等为主的绿色开采理论与技术体系,为绿色矿山建设与煤炭高质量发展提供了可靠的技术保障。最后,提出了我国煤炭绿色开采技术的发展方向和建议。

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC-2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明:①在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力-应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快-慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹-剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。②揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律:孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地压巷道钻孔卸压机理,为冲击地压防治提供理论支持。

煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统,将传统树脂锚固锚杆安装6道工序简化为1道连续工序,实现了锚杆自动化“一键”打设,单根锚杆作业时间由原来5~6 min减少为3 min。研发出自动化喷涂支护技术与装备,包括高强、速凝、抗变形喷涂护表材料,抗拉强度超过9 MPa,断裂伸长率超过100%,黏结强度高于3 MPa;研发出6自由度喷涂系统,可实现随掘自动化快速喷涂作业。研发出巷道随掘变形动态监测技术与系统,实现随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面变形监测,监测精度能够满足围岩稳定性评价要求。提出煤巷掘支锚运分区并行协同快速掘进新模式,研制出钻锚一体化快速掘进成套装备。对试验矿井陕西陕煤曹家滩煤矿回采巷道掘进过程中围岩位移和稳定性进行了监测,在时间上,巷道掘出2~3 h后80%以上的围岩位移已经发生;在空间上,距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置,90%以上的围岩位移已经完成。快速掘进引起的巷道围岩位移在很短时间内就基本完成,要求支护必须及时且快速。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道完成近6000 m的巷道掘进工程,打设钻锚一体化锚杆60000余根。锚杆施工时间、支护用工人数及作业人员劳动强度大幅降低,掘进速度、效率及自动化水平显著提高。试验巷道顶板位移量小、完整稳定,支护效果良好。煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备井下试验取得成功,具备了特大断面煤巷月掘进进尺1500~2000 m的能力。

高延伸率锚索动态力学特性及工程应用

传统锚索延伸率低、抗冲击能力差,在强冲击载荷作用下易出现脆性破断失效,导致巷道出现冒顶、冲击地压事故等问题。基于此,自主开发了具有高强度、高延伸率及高抗冲击等特性的锚索,采用实验室试验、理论分析及现场试验等综合手段,分析了高延伸率锚索的静、动载力学性能,研究了高延伸率锚索化学成分、金相组织和夹杂物与普通锚索的差异,提出了高延伸率锚索支护吸能原理,并将高延伸率锚索在现场进行了应用。研究结果表明:静载作用下,高延伸率锚索抗拉强度为1790 MPa,最大力总延伸率8.1%,是普通锚索的1.61~2.25倍;动载作用下,高延伸率锚索钢丝不易散开,破断载荷与普通锚索基本相同,断后伸长率分别是锚索A、B、C的1.82倍、1.68倍和1.52倍,单位长度吸能量分别是锚索A、B、C的2.54倍、1.99倍和1.70倍,高延伸率锚索塑性变形能力更强,吸能能力更高。高延伸率锚索通过在冶炼和轧制工艺过程中控制有害化学元素和有益化学元素含量、细化金相组织及减少夹杂物尺寸和数量等方式提高了钢丝的塑性变形能力,进而提高锚索整体的抗冲击性能。高延伸率锚索在现场应用过程中经受了多次大能量冲击后,巷道支护效果良好,高延伸率锚索未出现破断,有效控制了巷道冲击破坏。

循环微波改性对无烟煤渗透率的影响

微波增透是提高煤层气抽采效率的潜在可行性储层改造技术之一。采用微波炉对沁水盆地晋城地区15号无烟煤样进行3次循环微波改性实验,通过自主研发的固气耦合渗流平台测试了自然煤样及每次改性后煤样的气体渗透率;经显微CT扫描及图像处理技术表征煤样的孔隙属性,并基于分形理论探讨了改性前后煤样孔裂隙网络的复杂程度。研究结果表明:无烟煤样气体渗透率循环次数增加而增大,3次循环后增加了8.8倍,微波辐射引起无烟煤孔裂隙的扩展和连通是气体渗透率增大的根本原因;3次循环后煤样总孔隙率由3.48%增大至6.19%,其中,连通孔裂隙占比由27.0%升高至77.4%,而孤立孔占比由73.0%降低至22.6%;连通孔裂隙的孔数量、孔体积、孔表面积和喉道数量、喉道表面积及孔喉配位数随循环次数的增加而增大,而最大喉道长度有所减小,证实了微波改性对孔隙的“扩展、连通”作用;煤样3处典型截面孔裂隙二维分形维数都随循环次数增加而增大,3次循环后分别由1.25、1.16、1.09增大至1.46、1.54、1.37;循环微波改性会使煤样内孔裂隙网络(气体渗流通道)发育得更为复杂。

密闭采空区不同惰化置换方案效果仿真

针对密闭采空区瓦斯抽采过程中在负压作用下外界O_(2)通过裂隙进入采空区易引发煤自燃的问题,常采用抽采的同时注惰性气体以置换抽出的瓦斯的方案,此法可平衡气压、防止外界空气进入采空区,达到防治煤自燃的目的。采用数值模拟的方法研究置换过程中相关物理参数流场变化规律,并提出了自由混合置换法、正压置换法、负压置换法、正压-负压置换法4种方案;以O_(2)最大体积分数低于2%为置换达标标准,对比了4种方案下耗费总时长、消耗氮量、通风机运转时间、累计注氮时长等置换成本评价指标,找出可用于置换方案决策的方法,并给出不同地质条件下密闭采空区适用方案。

时间敏感网络在煤矿的应用

时间敏感网络(TSN)技术引入了多点接入、多路径传输和冗余配置等功能,极大地提高了煤矿通信网络的可靠性,能够满足智能矿山多元化应用的差异化网络需求。介绍了TSN技术原理,详细分析了时间同步技术和数据调度技术,提出了基于TSN+5G的PLC远程实时控制方案,并结合已有矿用工业环网技术,构建了矿用TSN系统架构。TSN在以太网的基础上引入了时钟同步、流量调度和网络配置等关键特性,可为时间确定性数据提供低时延、低抖动和低丢包率的传输服务,为无人矿卡、远程控制、高清视频传输、定位等场景提供可靠的数据传输网络。

基于UWB与RT-Thread的矿用低功耗便携式读卡器设计

针对传统的矿用便携式读卡器存在功耗高、携带不便等问题,设计了一种基于UWB与RT-Thread的低功耗便携式读卡器,用于在发生紧急情况对佩戴定位卡的人员进行搜救及日常对人员位置快速、准确读取和定位。UWB技术具有高精度定位和高速数据传输特性,使得RT-Thread操作系统实时获取和处理读卡器采集的数据,提高读卡器的数据处理速度和定位精度,满足矿井环境下对读卡器的实时性和可靠性的要求。RT-Thread操作系统具有轻量级、可裁剪的特性,通过结合UWB技术,根据实际需求对RT-Thread操作系统进行裁剪和优化,降低系统功耗,进一步提高读卡器的能效。测试结果表明:低功耗便携式读卡器能准确读取人员位置信息,在静止状态下位置误差最大值为0.22 m,符合煤矿实际应用需求。该设计对于煤矿灾后的科学救援行动及日常系统维护工作具有实际应用价值。