煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想

深地资源开发是我国未来科技发展的重要方向。在分析煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术现状和问题的基础上,围绕安全、高效开采这一主题,综合考虑巷道和采煤工作面相互影响,以合理加大工作面长度,实现生产集约化,降低掘进率、提高煤炭回收率为思路,提出要解决的关键科学问题与技术构想。关键科学问题有4个:千米深井巷道围岩大变形机理;巷道围岩支护―改性―卸压协同控制原理;350 m超长工作面应力与覆岩结构演化机理;超长工作面多信息融合智能开采模式,为千米深井围岩控制及智能开采提供理论基础。针对千米深井巷道围岩高应力、强采动的特点,提出巷道支护―改性―卸压"三位一体"协同控制技术,实现高预应力、高强度、高冲击韧性锚杆主动支护,高压劈裂注浆主动改性及水力压裂主动卸压的"三主动"协同作用,解决千米深井巷道围岩控制难题。针对千米深井超长工作面开采过程中覆岩分区破断、矿压动态迁移的特点,以围岩控制为核心,研发液压支架抗冲击技术,开发超长工作面多信息融合的液压支架自适应群组协同控制技术与装备,并系统集成采煤机等其他工作面设备,最终形成千米深井超长工作面智能开采成套技术体系,为深部煤炭资源安全、高效、高回收率开采提供理论与技术保障。     

工作面支护与液压支架技术理论体系

工作面支护是安全高效综采的首要条件,液压支架是综采系统的核心。笔者和其合作团队持续30多年致力于综采工作面支护与液压支架技术理论的研究和实践,建立了综采工作面支护与液压支架技术理论体系框架,提出了液压支架与围岩耦合原理,建立液压支架与围岩耦合模型,分析了液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合规律,阐述了液压支架合理工作阻力、临界护帮力和支护系统稳定性控制策略,提出液压支架三维动态优化设计理论和方法,将围岩下沉、断裂等力、力矩以及边界条件的变化通过液压支架骨架模型传递和分解到具体的液压支架结构上,借助三维设计平台动态模拟仿真液压支架与围岩耦合作用的力学特征,优化得出对围岩最优支护效果的液压支架结构参数。提出液压支架系列型谱和工作面支护系统液压支架群组的自组织协同控制方法,将支护系统群组自组织协同控制分解为围岩自适应控制和队列保持推进控制两个控制线程,同步实现群体系统协调控制。建立了工作面支护设备技术标准体系。     

超长工作面支架工作阻力分布及分区增阻特性研究

综采工作面倾向长度的增加,对顶板破断及应力演化产生的影响效应是复杂的,导致工作面支架支护特性存在分区差异。为深入理解超长工作面支架与围岩相互作用关系,以小保当煤矿450 m超长工作面为工程背景,构建弹性基础岩梁力学模型,运用数理统计及均化循环分析方法,对工作面支架实测数据开展循环末阻力、工作阻力分布频率、支架增阻特性分析,明晰不同面长工作面倾向方向顶板运动及支架工作阻力分布特征,探究超长工作面支架倾向分区内支架增阻特性。研究结果表明：工作面倾向长度增加,导致两巷煤体对中部顶板的支承减弱,中部峰值区域向两巷移近,超长工作面支架工作阻力分布趋势呈M型三峰值分布;超长工作面上部、中部、下部三区域支架呈对数型增阻时,其均化曲线仍为对数函数,表现为先急增阻后趋于平缓,此种支架增阻情况反映了来压期间工作面顶板由快速下沉逐渐变为缓慢下沉;呈对数-指数型增阻时,中上部区域支架增阻均化曲线为对数函数,中部及中下部均化曲线为对数-指数型复合函数,表现出先急增阻然后趋于平缓最后急增阻的特征;当支架工作循环时间超过一定值,对数-指数复合增阻型支架会急速增阻,不利于顶板控制,通过优化工作面割煤速度,降低支架工作...     

深部超长综采工作面矿压显现规律

城郊煤矿开采逐渐进入深部,主采煤层超过800 m,工作面长度超过300 m,采深和采长的增加使矿压显现程度和围岩应力更加复杂,增加了采场围岩控制的不确定性及难度。为了探究深部超长工作面的矿压显现规律,运用理论计算、数值模拟、现场实测等方法进行分析,得到基本顶破断规律;围岩应力分布特征及工作面前方应力峰值强度变化特点;液压支架工作阻力分布规律。     

中厚煤层千万吨级超长工作面矿压显现与覆岩活动规律研究北大核心

为探究综采工作面长度显著加长后工作面矿压显现和顶板活动的新特点,以国内首个中厚煤层千万吨级450 m超长工作面为工程背景,基于支架压力和微震实时监测手段,全面分析了超长工作面支架阻力分布、增阻特性和覆岩破断微震能量分布特征。研究结果表明:综采工作面长度由300 m加长为450 m后,支架阻力沿倾向分布特征由单峰状转变为双峰状,工作面支架支护强度平均增大约7%,工作面加长后,工作面矿压显现强度整体增强;超长工作面来压期间支架增阻形式主要为“对数-指数”复合函数型增阻,呈现先快、中缓、最后短时急速增阻的特点,超长工作面大截深开采是造成采煤循环末期支架快速增阻的主要诱因,在顶板状态不稳的情况下,应适当减小采煤机截深并提高支护质量;工作面覆岩破断微震事件的发生能量小、频次低,主要活跃在工作面后方40 m至前方80 m范围,微震事件分布特征表明超长工作面顶板垮落及时,无长距离悬顶现象,不易造成强动载事件,在垂直方向微震事件主要分布在垂高25m以下顶板,厚度17.82 m的细粒砂岩基本顶是造成工作面矿压显现的主导岩层,高位岩层破断对工作面矿压显现影响较小。     

煤矿开采矿压显现规律研究

煤矿开采破坏了原岩应力的平衡状态,引起围岩应力的重新分布,导致工作面超前支撑压力变化,在工作面顺槽产生周期来压,如果周期来压载荷超过支架承受破坏能力,将会产生支护和巷道破坏现象。为准确地掌握综放工作面液压支架的受力及运行状态,分析工作面在采动及放顶煤影响下的矿压变化规律,综采液压支架与围岩运移的适应程度,从而为综放工作面安全回采提供理论与技术支持。     

综采工作面液压支架-围岩自适应支护控制方法

为增强液压支架适应性、有效应对日益复杂的围岩动态变化,提出综采工作面液压支架-围岩自适应支护控制方法。基于变论域模糊控制方法建立液压支架-围岩刚度、强度及稳定性耦合自适应控制策略,基于MSP430处理器开发自适应控制装置,并进行实验室试验。试验结果表明:控制装置可精确获取支架状态,能够根据外载变化自动调节液压支架的安全阀开启压力、初撑力及立柱、平衡千斤顶压力,保证液压支架处于合理支护状态,控制误差不大于3%。该方法可大幅提高液压支架的适应性,有助于保持工作面液压支架群组-围岩系统的稳定支护状态。     

千米深井超长工作面顶板分区破断驱动机制与围岩区域化控制研究

我国煤矿开采深度和工作面长度不断增加,矿压显现剧烈程度逐年走高。为提高深部超长工作面围岩控制效果,以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析、室内试验等手段研究顶板微震活动规律,揭示顶板分区破断与动态迁移机制。结果表明：千米深井超长工作面支架阻力呈现“中间小、两端大”的谷形分布特征,顶板破断有异于常规采场的“O-X”模式;工作面不同推进阶段,顶板破断引起的高能级微震事件位置在工作面长度方向上动态变化,表明基本顶破断存在分区和动态迁移现象;工作面中部高能级微震事件携带能量小于工作面两侧,造成中部动载冲击效应弱,与支架阻力谷形分布吻合;将超前采动应力大于基本顶初始屈服强度的区域定义为峰值影响区,区内应力集中驱动超前裂隙萌生,应力释放和应力旋转促进裂隙扩展,揭示了旋转性采动应力驱动超前裂隙发育机理;构建了基本顶分区破断与动态迁移力学模型,原生裂隙和采动裂隙改变了基本顶局部边界条件,引发基本顶分区破断现象,由中部峰值影响区至工作面两侧,基本顶极限承载能力降低,导致分区破断动态迁移现象;峰值影响区基本顶破断尺寸小于非峰值影响区,解释了121304工作面支架阻力呈谷形分...     

皖北矿区综采工作面软弱围岩液压支架耦合性能分析

针对皖北矿区软弱围岩特性,分析了不同位置软弱围岩的运移规律,得出其对工作面支护的影响作用从强到弱依次为直接顶、底板、煤层和基本顶;基于综采工作面软弱围岩液压支架强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合分析,得出了软弱围岩综采工作面支护强度确定需要考虑顶板支护、围岩完整性控制两个方面,提出合理的液压支架初撑强度确定方法,完善了软弱围岩综采工作面液压支架设计要求。开采实践可知,液压支架设计合理能够满足软弱围岩综采工作面开采要求。     

超长大采高综采工作面末采回撤调压关键技术研究

针对超长大采高综采工作面末采阶段的矿压调控问题，采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法，通过研究小保当煤矿112201工作面末采贯通阶段的围岩应力分布规律以及矿压显现特征，确定相应的矿压调节技术方案，有效调控末采阶段工作面的周期来压步距，维护了顶板岩层稳定性，实现了工作面柔性塑料网(宽15m×长360m)的顺利铺设。研究表明：工作面末采期间回撤通道的围岩应力将由回采帮向煤柱帮转移，加强回撤通道围岩支护强度，可保证回撤通道稳定性|通过调整工作面回采速度，改变周期来压位置和减小来压持续长度，可实现工作面的顺利挂网与贯通，对类似工作面设备的顺利回撤具有借鉴意义。     

深井高地压“三软”地质条件下综采技术

由于B11b煤层所赋存的复合顶板、"三软"复杂地质开采条件,工作面受开采高度、顶板管理、煤壁控制及装备等因素影响,安全开采难度大。通过在谢一矿深井高地压"三软"复杂地质条件下进行大采高综采工艺试验,从工艺设计、工作面"三机"配套、设备研制等方面实现了高标准;并在井巷布置、采煤工艺、劳动组织等方面进行创新,工作面实现了安全高效开采。     

综采工作面设备快速搬家技术的研究与应用

随着矿井大功率采煤设备的应用,采场接替频繁,综采工作面设备的安装、回撤成了制约矿井生产的薄弱环节.结合新阳煤矿生产实践经验,介绍了综采工作面安装、回撤过程中液压支架撤出、设备运输、液压支架安装等环节的组织及施工方案,对推进高产高效矿井建设具有广泛的推广价值.     

深部超长孤岛工作面覆岩垮落结构特征研究

为了解决煤矿采深加大、工作面加长后工作面岩层控制的难题，通过理论分析、相似模拟、现场测试及验证，对深部超长孤岛工作面覆岩垮落结构特征及相应的矿压显现规律进行了研究，结果表明|采空区老顶的破断形态与工作面长宽比密切相关，超长工作面条件下老顶往往形成竖向“X”形破坏，并求得了基本顶上方覆岩下沉挠度函数|通过建立相似模型，分析了覆岩垮落形态和下沉曲线与工作面长度的关系，认为随着工作面长度的增加，工作面倾向极易形成砌体梁结构，使得工作面倾向有可能存在两个或多个压力峰值。并以寺家庄矿15106超长孤岛工作面为例，研究得出其工作面中部老顶并非一次性折断，而是在倾向方向分区域折断，工作面存在多个压力峰值的现象，与理论和相似模拟分析相吻合，为研究深部超长工作面覆岩垮落结构特征提供了理论依据。     

缓倾斜薄煤层综采自动化配套装备应用研究

缓倾斜薄煤层开采存在工作面空间狭窄、回采效率低、机械装备不配套及采煤工艺不完善等问题,为了实现矿井安全高效生产,在对薄煤层赋存条件进行分析的基础上,对工作面自动化开采设备进行选型,选用适应于缓倾斜薄煤层的液压支架、采煤机和刮板输送机等配套装备,并在斯派尔煤矿110701回采工作面进行工业试验。结果表明:采用综合机械化采煤,在工作面长度170 m和煤层平均厚度1.3 m的条件下,试验工作面月产量最高达4.1万t,年产值最高达39 363.84万元。说明该套综采自动化配套装备能够有效提高生产效率,降低劳动强度,促进安全生产。     

国内首个450m超长综采工作面安全开采技术研究

基于神东矿区哈拉沟煤矿12上101-2综采面实践分析,对国内首个450m超长综采面矿压规律、支架工作阻力、开采中遇到的问题及措施与开采技术经济效益进行了分析总结。结果表明:工作面老顶初次来压显现呈现分时分段特征,且老顶初次来压显现强烈。工作面存在大小周期来压现象,周期来压期间沿工作面倾向压力分布呈现"三峰值W型"特征。普通采高450m超长工作面开采,两巷超前影响范围和影响程度类似于一般长度工作面。通过计算得出12上101-2工作面支架合理工作阻力为10569kN,现所采用的支架能够满足支护要求。     

厚煤层残采工作面反向安装设备技术实践

一九三〇煤矿是新疆焦煤集团原煤生产骨干矿井之一,该矿井因受F4-2断层影响,二采区36211综采工作面巷道沿中线掘进,36211回风巷与原26211运输巷间最大煤柱达到95 m,经过方案比较,合理设计,在现36211综采工作面回风巷上段三角煤柱设计一残采工作面,为解决残采工作面安装液压支架等设备问题,在36211回风巷设计安装绞车等辅助设施,采用反向安装设备技术,实现了高效、快速、安全安装。     

大柳塔煤矿薄基岩综采面矿压规律研究

通过现场矿压实测的方法,研究了神华集团大柳塔煤矿22614综采工作面在薄基岩厚煤层开采条件下的矿压规律。在表土为松散砂土情况下,把工作面上部基岩厚度起伏变化以及支架的受力特点结合起来综合分析研究,为实现浅埋深综采工作面安全高效回采提供依据。     

大倾角大采高综采工作面采煤设备安装的研究

针对新疆焦煤集团2130煤矿25221工作面地质条件恶劣,煤层倾角大,煤层赋存较厚等情况,结合现有煤矿开采技术综合考虑,决定25221工作面采用一次采全高综合机械化采煤工艺,通过对地质条件、综合机械化采煤设备的研究,制定了最佳的施工方案,实现了大倾角综采工作面综合机械化采煤设备的快速安装。     

大采高智能化工作面设备快速回撤实践

为实现煤矿综采工作面设备的安全、快速、高效安装回撤,以尽可能减少对矿井生产接续的影响,开展了大采高工作面设备智能化快速回撤实践。以黄陵二号煤矿418工作面为例,详细介绍了设备回撤技术及工序安排;重点论述了回撤前期闭采通道的形成,回撤路线的起底维修,工作面所有设备回撤工艺及工序衔接;并对自动拉移回撤支架技术进行了说明,分析了工作面快速回撤影响因素。实践表明,引进新技术,加强现场组织管理、规范作业流程,可以在工作面回撤支架时实现远程遥控操作拉移支架,提高设备回撤效率。     

煤矿综采工作面超前及端头支护支架设计

综采工作面端头支护、顺槽超前支护是矿井综采工作面顶板支护管理的薄弱区域,综采工作面超前及端头支护支架的设计应用,提高了矿井的现场安全管理、矿井机械化程度,更是确保了矿井安全生产,提高了矿井工作效率。