煤炭开采等地下工程问题的数字岩石力学解决方案

煤炭开采等地下工程的可观测性极为有限,导致很多复杂的工程问题难以获得可靠的事前分析依据,尤其在面临深部作业和高强度开采所带来的全新工程环境时,现有理论体系和技术方案的适用性面临着严峻的挑战。基于数字化时代的技术发展特点,提出了融合数据规律、力学逻辑和工程经验的数字岩石力学解决方案;充分利用工程数据中包含着真实工程规律的客观特点,建立了理论成果、工程经验与数据规律挖掘进行底层融合的具体模式;借助煤岩物理力学参数无损推断场景,验证了上述技术路径的可行性,实现了兼具可靠性和可解释性的数据挖掘利用。进一步构建了以煤岩物性、矿井结构和空间应力为基本要素的数字岩石力学理论体系,提出了以“工程素描—物理嵌入—业务融合—决策生成”为步骤的数字岩石力学地下工程通用作业模式,并通过在复杂工程现场的应用检验了数字岩石力学解决方案的可靠性,为煤炭开采等地下工程的数字化转型、智能化升级提供了切实可行的实现路径。

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。

采煤机智能化发展现状及关键技术展望

介绍了国内外采煤机智能化发展的现状:采煤机目前正朝着智能机器人化的方向发展,处于智能化初级阶段。阐述了采煤机智能化发展历程及趋势:英国远程操作长壁工作面(ROLF)计划、采煤工作面自动化系统(MINOS)、美国航空航天局(NASA)长壁自动化合作项目、澳大利亚煤炭工业研究计划(ACARP)、澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)项目、欧盟长壁钻井设备新型机械化与自动化(NEMAEQ)等6项科研项目在采煤机智能化发展中扮演了重要角色;采煤机发展趋势在于利用不断发展的监测传感及远程控制技术代替人工干预及操作,不断提高工作面设备的生产效率及可靠性,朝信息化、一体化、无人化、智能化的方向发展。从采煤机智能感知、智能控制和智能通信3个方面介绍了采煤机智能化关键技术,指出基于煤岩识别的智能截割技术、智能滚筒调速技术、采煤机精确定位技术和基于三维地质模型的采煤机规划开采技术是亟待突破的关键技术。从采煤机降尘和降噪2个方面对采煤机智能化发展过程中不可忽视的人机关系进行了论述。

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。

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。

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。

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。

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。

自移机尾控制系统设计及自动导航控制方法研究

针对目前自移机尾输送带跑偏量和自移机尾相对输送带架的位置无法精确检测、推移过程中仍然需要人为干预调整、无法真正实现无人化操作的问题,设计了一种电液控制系统,引入内置式位移传感器、双轴倾角传感器、行程传感器和视觉检测系统,用来检测自移机尾自身状态、输送带跑偏及与输送带架相对位置,实现了自移机尾的手动、遥控、远程及自动控制。同时提出了一种自动导航控制方法,并完成了初步的测试验证,促进了自移机尾自动化、无人化水平的提升。

基于5G的煤矿智能视频分析系统的研发与应用

为强化煤矿井下安全管理,提出了基于5G的煤矿智能视频分析系统。基于煤矿黑光夜视成像与井下复杂背景图像增强技术、神经网络轻量化动目标检测技术以及轻量化煤矿智能视频分析平台开发技术,集成智能分析处理芯片与监控设备,构建了基于5G的煤矿智能视频分析系统,依托5G大带宽、低时延的优势,实现了视频数据的实时采集、智能分析与高效处理。基于5G的煤矿智能视频分析系统在国能神东煤炭集团上湾煤矿应用,成功实施了采煤机视频追踪、人员“三违”预警等多种智能分析场景,大幅提升了井下安全管控效率,克服了传统监控的局限性,提高了煤矿生产的安全性与管理水平。

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。

冻结立井井筒机械化掘进现状及发展趋势

针对我国“富煤贫油少气”的能源赋存结构及煤炭未来一段时间将长期占据能源消耗主导地位的特点,回顾了我国煤炭井工开采领域冻结立井井筒机械化掘进发展历程。钻爆法凿井作为我国立井井筒施工的主要工法,炸药的应用大幅提高了冻结井筒的掘进效率,配套的伞钻打孔、抓岩机装岩、大型井架及设备提升、大模板砌壁等大型机械化设备的应用,大幅提高了井筒成井速度;竖井钻机、反井钻机及竖井掘进机作为特殊地层条件下立井井筒特殊凿井方式,也有各自应用范围。面对我国西部富水弱胶结地层特点及智慧矿山发展趋势,采用冻结+钻爆法施工难以满足千米级弱胶结岩层立井井筒智能化无人化的建设需求,而采用冻结+竖井掘进机钻井是未来超深立井井筒技术发展方向之一。结合国外冻结+竖井掘进机凿井工程案例,针对我国西部富水弱胶结岩层立井井筒建设,提出了冻结+竖井掘进机凿井在冻结壁厚度和强度设计理论、双层钢筋混凝土井壁永久支护、低温环境下竖井掘进机掘进破岩形式以及分级上排渣方式等冻-掘-支-运协同作业方面提出了合理化建议;明确了井壁结构与弱胶结围岩相互作用机理,优化双层井壁结构方法,构建竖井掘进机掘-支-运同步作业模式等,提升井筒建设综合效率,提高信息化水平,推动立井井筒向机械化、绿色化和智能化发展。

强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化研究进展

【目的和方法】巷道围岩时效变形破坏、蠕变型冲击地压等灾害是深井面临的重大威胁,加之深部采动与结构变化的影响,亟需研究强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化规律,系统回顾煤岩体力学性质的尺度效应、非连续结构与多物理场效应,以及煤岩体长时稳定性、蠕变演化规律与力学模型。【结果和结论】强调不同尺度(细观-宏观-工程尺度)、不同尺寸(REV范围内)煤岩变形破裂过程中非连续结构(包括裂隙和矿物)与物理力学性质存在密切的关联特征。指出煤岩体跨尺度非连续结构导致应力场非均匀分布,造成力学各向异性、尺度效应及尺寸效应,进而出现非协调宏观破裂现象。透明解析与推演煤岩变形破裂过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化规律,是认识煤岩灾变内禀机制的关键。明确指出现有蠕变实验与蠕变模型在煤岩表面变形及破裂方面具有优势,但无法预测煤岩内部变形与非连续结构;为此提出了全尺寸CT扫描重构、数字体图像相关(DVC)、跨尺度等效岩体-等效晶质建模(SRM-GBM)相结合的破解方法。对扰动煤岩体蠕变前沿问题进行了讨论,阐明了非连续结构与应力引起内部变形损伤诱发蠕变这一新观点,指出非连续结构和应力是煤岩非协调蠕变的主控因素,最后建立了强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化的精细化建模及透明解析新方法。研究成果为相关矿山灾害的发生机理、预警与防控提供理论基础。

矿物对无烟煤力学非均质性影响的分子动力学研究——以沁水盆地南部主要黏土矿物高岭石为例

煤是由有机显微组分和矿物组成的混合物,矿物的存在会导致煤的大分子结构存在差异,使得煤的力学性质具有明显的非均质性,进而影响区块内整体的煤层气产量、压裂改造效果和成熟技术的规模化应用。以沁水盆地典型的无烟煤和高岭石矿物作为研究对象,通过分子动力学的方法定量研究高岭石及其含量对无烟煤力学性质的影响规律,分析不同矿物含量下无烟煤的分子结构和孔隙特征,从能量和有序化的角度揭示其微观机理。结果表明:①煤有机质与高岭石相互结合过程中同时存在范德华力和氢键作用,且氢键作用强度要高于范德华力,煤有机质周围出现高岭石分子的概率、相互作用强度和有序性均随着矿物质量分数的增加而增大。②无烟煤的孔隙率φ随高岭石质量分数a的增大呈线性规律(φ=−0.2293a+9.6295)降低,而无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量均随高岭石质量分数的增大呈线性规律增强,泊松比随高岭石质量分数的增大呈二次多项式规律降低。③无烟煤的力学非均质程度整体上随着高岭石质量分数增加而增大,其中不同高岭石质量分数下体积模量、弹性模量和剪切模量的变异性可分为很低、低、中等、高和很高5个部分,而泊松比的变异系数均小于0.1,变异性很低。④随着高岭石质量分数的增加,煤有机质与高岭石的相互作用能呈线性规律(Einteraction=4.5585a+443.929)增大,与纯有机质相比,当高岭石质量分数达到20%时,无烟煤的键能和范德华能分别增加了63.86%和48.06%。⑤高岭石增强煤力学性质的内在原因是高岭石进入煤有机质后占据一定的孔隙空间,且与煤有机质的芳香碳骨架和不同官能团进行相互作用,高岭石质量分数越大充填煤大分子结构孔隙的程度越高,煤大分子结构的能量越大,导致煤大分子结构的孔隙率降低,有序性增大,使得力学强度和抵抗变形的能力增强。