智能化无人开采系列关键技术之一——综采智能化工作面调斜控制技术研究

为解决智能化无人开采关键难题之一的调斜控制问题,采用现场调研、力学分析和工业性试验相结合的方法,得到了工作面调斜控制的内在根本原因及外在诱发原因;阐明了综采工作面刮板输送机的力学行为,得出了刮板输送机发生上窜、下滑和不发生上窜或下滑的力学条件;指出了工作面调斜控制技术中的单向割煤、反向推移刮板输送机、加刀、减刀及加刀减刀联合控制技术原理;提出了综采智能化工作面基于实时推进度监测的调斜控制技术,实时监测运输巷推进度、回风巷推进度及伪斜角度,同时利用安装在机头和机尾的推进度测量装置进行自动对比分析,以达到对综采智能化工作面实时调斜的智能控制。现场工业性试验表明,基于实时推进度监测的工作面超宽带测距最大误差125.0 mm,最小误差0,平均误差25.9 mm,此误差范围内满足综采智能化工作面调斜控制技术的现场需要,可以进行精确的智能调斜控制。

综掘工作面智能化开采技术研究

基于现场调研、统计分析和数值计算相结合的方法,研究了综掘工作面智能化开采技术现状及发展趋势,确定了综掘工作面智能化无人开采技术分2个阶段,即可视远程干预型智能化无人开采和自适应型智能化无人开采;指出了综掘大断面巷道围岩变形的极值宽度为4.5 m,且综掘智能化工作面断面宽度不宜超过4.5 m;得到了综掘工作面智能化开采工序、控制系统(围岩探测系统、生产控制系统和视频监控系统)和技术路线;提出了大断面巷道变形智能控制技术、掘进机智能化技术、锚杆支护智能化技术、运输系统智能化技术和视频监控智能化技术是综掘工作面智能化开采的关键技术。研究成果可为综掘工作面智能化开采技术的后续长足发展提供借鉴和参考。

基于Ethernet/IP综采机器人一体化智能控制平台设计

为提供煤矿综采装备成套解决方案,联合相关采、支、运等制造及控制厂家,集成综采工作面成套装备、技术和Ethernet/IP通信协议,设计了综采机器人一体化智能控制平台系统;研究了综采机器人控制技术,建立了三维环境复杂约束条件下的综采工作面控制模型,提出了综采工作面内"1人巡视、无人操作"的采煤模式;建立了综采一体化控制中心,设计了综采设备通信接口和协议标准方案,实现了综采机器人控制设备安全生产。最后,通过在煤矿综采过程中运行该系统平台,使基于Ethernet/IP综采机器人一体化智能控制平台较好地实现了安全、高效生产。

基于遗传算法与BP神经网络的支架跟机自动化研究

针对综采工作面液压支架跟机自动化过程中移架动作存在的丢架、推移不到位等问题,提出了基于遗传算法(GA)与BP神经网络组合模型的控制方法。通过建立BP神经网络控制器为主体的反馈控制,将支架的运动参数输入模型,神经网络控制器计算实际输出与理想输出之间误差,判别是否需要回调控制,并添加遗传算法来优化更新模型的各层阈值和权值,从而得到网络模型的最优解,最终由执行部分来完成输出动作。组合网络模型具有良好的非线性特性,可以更好的满足非线性环境,利用神经网络的预测值与实际输出的差值来得到拟合曲线。通过对BP神经网络模型、GA模型、GA-BP组合模型的均方误差(MSE)分析,判断出GA-BP组合模型具有更快的训练速度和更高的预测准确率。相比较于单一的BP神经网络模型和GA模型,GA-BP组合模型可以很大程度地提高液压支架跟机过程中的推移精度,从而更好地适应综采工作面的环境和设备变化。基于对模型稳定性的分析,绘制组合网络的适应度曲线,种群在第5次迭代后趋于收敛,在第5次到第15次迭代的适应度值就已基本达到稳定,在迭代第15次后种群已达到最优参数集且恒定不变。采用上述方案的液压支架电液控制系统能够自主感知设备各项运动参数的变化,实现支架自身的静态调整和动态演化,可为综采工作面无人化建设提供技术支撑。

断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理研究

针对具有断层构造特征的生产地质条件,运用相似模拟、数值分析和现场工业性试验相结合的研究方法,通过相似模拟试验,得到了采动影响断层作用下距工作面28 m断层发生滑移活化,此过程分失稳期、滑移期和活化期;断层易失稳滑移破碎区域是交界区、直接顶区和基本顶区,断层失稳滑移加剧巷道变形,断层活化致使巷道底鼓突变,甚至发生底板冲击。通过数值计算分析,得出了断层下盘围岩比断层上盘围岩应力易转移,能量易积聚和释放;断层下盘巷道底鼓约为断层上盘的1.8倍;指出了断层滑移活化过程中巷道底鼓变形最为严重,右帮变形次之,顶板下沉和左帮变形较小。最后提出了断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理。

矿井煤层冲击危险性多层次综合评价研究

为了更合理评价矿井煤层冲击危险性,减少不同指标之间的相互影响,避免造成评价结果的不准确,应用模糊综合评价模型对矿井煤层进行冲击危险性综合评价,提出了基于层次分析法的矿井煤层冲击危险性模糊综合评价模型;得到了基于层次分析法的矿井煤层冲击危险性影响因素,即:开采深度、冲击倾向性、煤层顶底板性质、地质构造、开采技术;确定了评价因素集,建立了模糊综合评价关系矩阵,进行了模糊综合评价,创建了矿井煤层冲击危险性模糊综合评价模型;最后对矿井煤层冲击危险性做出无冲击危险性、弱冲击危险性、中等冲击危险性和强冲击危险性的定量评价,提高了评价结果的精确度。以内蒙古某矿评价应用为例,选取2-1煤层进行模糊综合评价,通过应用基于层次分析法的矿井煤层冲击危险性模糊综合评价模型,得出2-1煤层最大隶属度指数x=0.43,评价结果为中等冲击危险性,与采用综合指数法评价得到的结果一致,表明了该模型可以用于评价矿井煤层冲击危险性。应用该模型在对矿井煤层进行模糊综合评价时,更注重各影响因素之间的相互关系对结果的影响,因而得到的评价结果更合理。研究为矿井煤层冲击危险性模糊综合评价研究提出一种新的评价角度。

纯水液压系统在综采工作面应用中的关键技术研究

介绍了综采工作面纯水液压系统在煤矿开采应用中的独特经济优势,分析研究了该技术在实际应用中存在的关键技术难题。通过采用新材料、特殊表面处理方法及新结构,成功解决了由纯水介质引起的系统元件腐蚀、磨损等关键性问题。综采工作面纯水液压系统从根本上解决了应用乳化液充当传递介质带来的环境友好性差、成本高等一系列问题,充分发挥了纯水的自然特性,节约了生产成本,提高了矿井水的综合利用率,为推动我国煤矿绿色、高效、健康发展提供了有力技术支撑。

构造与巨厚砾岩耦合诱发冲击地压发生规律研究

针对具有构造与巨厚砾岩特征的生产地质条件,首先,对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,结合冲击地压的发生时序和发生位置,得出义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,共发生51次,占57.3%。其次,指出冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主,并伴随上帮移出、下帮肩角鼓出等破坏。

顶板走向高抽巷合理位置研究

根据屯留矿1202工作面的具体地质条件,通过理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,确定了裂隙带的高度范围。通过数值模拟研究了不同位置时高抽巷的围岩变形量,确定了高抽巷布置的合理位置。现场矿压观测结果表明,该高抽巷的布设位置合理,巷道变形量对抽采瓦斯的影响不大。

煤矿用纯水介质高压大流量柱塞泵关键技术研究

为推动煤炭安全、高效、绿色开采的发展,加快纯水液压技术在工作面的推广应用,在分析国内外纯水液压技术的技术现状和发展趋势基础上,采用科学试验和工程应用相结合的方法,研制了国内首套纯水介质大流量柱塞泵。重点解决了5个方面的关键技术难题:即高强度抗腐耐蚀材料、纯水介质吸排液阀可靠性技术、纯水介质高压密封技术、高强度高耐磨性陶瓷柱塞技术、大流量泵阀故障诊断技术。研制的纯水介质BRW(630/40)型柱塞泵成套应用于国家能源集团神东公司锦界煤矿31408综采工作面,应用结果表明:纯水柱塞泵在该工作面吸排液阀寿命约为2500 h,盘根密封寿命约为3000 h,满足工作面纯水液压系统对动力源的要求。

基于嵌入式软PLC的掘进机控制系统设计

针对现有以普通PLC和专用控制器为核心的煤矿掘进机控制系统存在开发成本高、维护量大、跨平台移植难等问题,设计了一种基于嵌入式软PLC技术的掘进机控制系统,分析了系统的功能需求和实现原理,提出了以嵌入式软PLC为核心的控制系统架构。该系统通过实时操作系统的定制、软PLC运行时系统的移植及驱动组件的开发,实现了掘进机基本逻辑控制、全功能遥控和自动截割功能,可对掘进机状态进行实时监测,通过遥控器实现全功能远程遥控,通过设定断面形状、路径类型、巷道高度、巷道宽度和截割间距等参数实现巷道断面的自动截割成形等。相比于以PLC和专用控制器为核心的控制系统,采用嵌入式软PLC的掘进机控制系统可更好实现掘进机装备的标准统一和系统的组态开发,跨平台移植性好。测试结果证明该系统基本控制功能和遥控操作性能良好,自动截割断面边界最大误差小于10 cm。

煤矿采掘装备核心控制技术现状和发展趋势

为解决煤矿采掘装备控制系统存在平台和标准不统一的问题,探讨装备核心控制急需突破的关键技术,通过分析采掘装备核心控制架构、嵌入式软件系统及嵌入式软PLC的应用、井下通信协议标准、集控系统组态软件4个方面的国内外技术现状,提出了平台化、标准化的采掘装备核心控制技术方案:基于标准化的核心单元硬件,统一的应用软件和集控系统软件组态开发平台,通信协议标准,形成软件开发、测试、发布平台。分析得出实现方案的关键核心技术为本安化、抗扰、散热、防护技术,基于嵌入式实时操作系统的相关开发技术,嵌入式软PLC平台技术,互联互通协议相关技术,集控系统标准化组态开发技术等。提出采用EIP通信标准实现通信一致性、通信互操作的网络接入架构及采掘系统通信架构,最后指出煤矿采掘装备核心控制技术的发展方向:平台化和标准化,装备的统一管理、互联互通、网络化和多媒体化,核心控制技术的功能安全、网络安全和控制实时性,控制智能化。提出的方案便于采掘装备集成智能化核心控制功能,实现综采、综掘工作面装备数字化入网和集中控制,形成有自主安全性的统一、良性的系统开发生态。

无煤柱无掘巷开采自成巷道围岩结构控制及工程应用

鉴于传统留煤柱开采方式资源采出率低、巷道掘进率高等问题,基于切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术思路,提出了无煤柱无掘巷开采技术,通过与传统留煤柱开采工艺对比,详细阐明了无煤柱无掘巷开采技术工作面的开采方式及巷道形成原理。通过分析工作面回采过程中顶板岩层运动特征,建立了无煤柱无掘巷开采自成巷道围岩结构力学模型,导出了顶板支护阻力表达式并分析了支护阻力影响因素。针对顶板岩层运动特征,研究了无煤柱无掘巷开采配套支护技术。提出了无煤柱无掘巷开采分区治理技术,将成巷区的加强支护分为密集支护区、间隔回撤区和完全回撤区3个区域,提出对不同的支护分区采取不同的支护对策,并在现场进行了工程应用试验。现场工程试验效果表明,无煤柱无掘巷开采实现了盘区内工作面的回采不再需要提前掘进回采巷道、且工作面间无需留设护巷煤柱的开采目标。

切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用

基于切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术原理,分析了切顶卸压沿空留巷碎石巷帮的形成机理,建立了沿空留巷围岩结构模型,明确了顶板岩层运动特征;通过结合现场实测数据分析了采空区矸石运动特征,提出了将矸石运动过程划分为两大阶段,即快速垮落阶段和缓慢压实阶段,揭示了在矸石不同运动阶段矸石与碎石巷帮支护结构相互作用关系;基于顶板岩层及矸石运动特征提出了"侧向动静结合、纵向伸缩让压"的碎石巷帮控制思路,同时针对不同煤层开采厚度开发了3种不同的碎石巷帮控制结构,形成了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术碎石巷帮稳定性控制体系,并在现场进行了支护应用,取得了良好的应用效果。

切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术

为控制切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉,根据切顶卸压无煤柱自成巷技术原理,明确了沿空切顶巷道围岩结构体系演化过程及上覆岩层荷载传递机制;基于顶板岩层运动特征及围岩结构状态,揭示了切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉量主要由基本顶"给定变形"下沉量和切顶岩层离层量共同组成;通过建立顶板下沉力学模型得到了基本顶"给定变形"下沉的计算式,探讨了其下沉量与切顶高度、开采厚度的影响关系,并针对顶板下沉的主要影响因素提出了相应的控制对策。结合瑞能煤矿117工作面工程地质条件,计算得出沿空切顶巷道切缝侧、实煤体侧顶板下沉量分别为319.5、106.5 mm,与现场实测结果较为吻合。研究结果可为分析切顶卸压无煤柱自成巷围岩运动及其控制提供参考。

综采工作面智能供液技术及发展趋势

为了系统归纳煤矿综采工作面供液系统技术的研究成果,促进综采供液技术向智能、高效、绿色发展,采用综合分析方法,对国内外综采工作面智能供液技术发展现状进行了全面总结和归纳。探讨了智能供液控制技术、高压大流量乳化液泵技术、工作介质质量综合保证技术、安全节能高效供液技术4个方面的关键技术的研究和应用。供液系统智能控制基础是以工作面开采工艺为基础的流量需求函数,通过电液控制系统传递给供液系统,实现用液需求的预知预判和及时响应。攻克了基础材料和基础工艺等共性技术难题,创新了动力端和液力端结构,研制适用于7m大采高工作面的乳化液泵,流量达到630L/min,压力达到40MPa。研究乳化液自动配比、浓度在线监测和矫正、多级过滤技术和水处理技术为一体的工作介质质量综合保障技术。重点围绕综采智能供液系统大功率、高压力、高载重的显著特点,探索了以远距离供液技术、永磁直驱技术以及主管路爆管保护技术为基础的安全节能高效保障技术。提出了随着智能、绿色开采技术的不断发展和完善,纯水供液技术、智能生命周期管理以及远距离集中供液中心等将会成为热点研究方向,并最终形成综采智能供液技术体系和标准。

液压支架电液控制系统自动化测试平台研制

针对现有液压支架电液控制系统功能测试方法存在实现成本高、测试效率低、无法自动记录测试数据的问题,同时为了便捷验证液压支架电液控制系统的控制逻辑对综采工作面工况的适应性,以SAC型液压支架电液控制系统为研究对象,研制了一种液压支架电液控制系统自动化测试平台。该测试平台采用测试管理平台协调多个检测装置协同执行测试用例,利用仿真技术模拟各种传感器数据的变化过程,利用多路通信网络实现测试数据的实时汇总,利用多路继电器切换实现多功能的复用,可以根据具体的综采工作面应用配套实现检测装置端口功能自动化配置和管理,实现了液压支架电液控制系统的单动功能测试、成组功能测试、自动跟机功能测试及综采工作面工况适应性测试的自动化,提高了测试效率和测试准确性,为研究综采工作面顶板垮落、底板凹凸等复杂工况下电液控制系统的自适应性提供了有效手段。

智能化综放工作面顶煤厚度探测方法

提前探测综放工作面顶煤厚度可为精准控制放顶煤提供依据,有利于实现放煤采出率和煤质的平衡。通过分析探地雷达探测煤岩界面及煤层厚度的原理,设计了一种用于探测顶煤厚度的探地雷达装置,进一步提出了基于探地雷达的智能化综放工作面顶煤厚度探测方法:通过探地雷达装置发射和接收雷达脉冲波,接收信号经放大、采样、积分等处理形成雷达帧,通过WiFi方式实时传输至无人采煤机控制单元,最终传输至集控室控制台,由煤岩分界面提取软件处理、分析反射信号波形与灰度图,根据反射信号最大幅值与最小幅值确定煤岩分界面位置,通过最大或最小幅值位置与雷达脉冲发射起点的时间差计算出煤层厚度。在王家岭煤矿12309综放工作面对该方法进行测试,结果表明:某处雷达反射波灰度图解释的顶煤厚度探测结果为3.383 m,与人工测量的实际值(3.16 m)误差为7%;可探测最大顶煤厚度为5 m,最大探测误差不超过10%,满足实际探测需求。

液压支架电液控制器软件自动生成系统的设计

针对当前液压支架电液控制器软件的开发难度大、复杂度高、代码维护量大等问题,以SAC型液压支架控制器为研究对象,设计开发了液压支架电液控制器软件自动生成系统。该系统避免了手动编辑代码带来的控制器软件出现质量问题的风险,同时缩短了控制器软件的开发和维护时间。

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下:(1)针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。(2)设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。(3)建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。(4)提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。