特厚煤层大采高综放自动化开采技术与装备

针对我国西部矿区坚硬特厚煤层综放自动化开采技术难题,研究了大采高综放工作面液压支架与围岩耦合作用关系,分析了坚硬特厚煤层顶煤冒放结构及液压支架合理工作阻力确定方法,研发了液压支架与围岩智能耦合控制系统及自动化放顶煤控制系统,实现了大采高综放工作面自动化开采。基于坚硬特厚煤层大采高综放液压支架与围岩耦合作用关系,建立了坚硬顶煤冒放的"悬臂梁"模型及顶板岩层结构失稳的"组合悬臂梁"模型,揭示了大采高综放工作面合理机采高度确定方法及合理液压支架工作阻力确定方法。通过分析两柱强力液压支架的承载特性,创新设计了大采高综放液压支架三级高效强扰动放煤机构,研发了综放液压支架智能耦合控制系统,实现了对液压支架姿态与受力状态的实时监测。基于大采高综放工作面分段多窗口多轮放煤工艺的时序控制自动化放煤逻辑关系,研发了自动化放煤控制装置,实现了坚硬特厚煤层大采高综放工作面安全、高效、高回采率自动化开采。     

特厚坚硬煤层超大采高综放首采工作面智能化技术

基于榆神矿区浅埋深、煤层特厚坚硬的赋存条件,针对超大采高综放开采首采工作面智能化开采所面临的难题,提出相应的解决对策,提高工作面自动化、智能化程度,减少工作面人员数量和劳动强度。讨论了超大采高综放工作面液压支架结构形式对智能化开采、支架-围岩"小结构"支护系统稳定性和顶煤冒放性的影响,认为两柱掩护式液压支架、整体式二级护帮板结构更适合超大采高综放工作面。针对顶煤冒放成拱问题,分析顶煤成拱形态和破拱措施,提出尾梁"小拱小摆、大拱大摆"的智能化摆动策略,提高顶煤冒放性和放煤效率。针对现阶段超大采高综放开采首采工作面顶煤冒放运移规律掌握不足、煤矸识别技术尚不成熟的情况,阐释了煤岩分界模糊段概念,将待放出顶煤分为纯煤段和煤矸分界模糊段,并提出纯煤段采用无需人工干预的智能化记忆放煤,煤矸分界模糊段采用人工干预反馈式放煤,在减少人员劳动量的同时保证顶煤采出率和降低含矸率。建立在线灰分检测智能评价和人工现场及时评价相结合的放煤效果综合评价系统,通过放煤键盘和反馈评价器及时、精准地控制放煤过程并给予反馈评价。针对采放不协调问题,提出和分析分区段成组放煤措施,提升放煤效率,促进采放协调。超大采高综放首采工作面智能化技术研究可为相似条件综放工作面提供参考和借鉴。     

硬煤超大采高智能化综放开采关键技术装备研究

为实现8~12m硬质特厚煤层安全高效开采,针对硬煤冒放性差的特点,采用小采放比开采模式,增加割煤高度,利用围岩扰动改善顶煤冒放性能,实施超大采高综放开采,研究了硬煤超大采高综放开采成套装备,得出了工作面总体设备配套参数,优化了工作面大梯度过渡技术及端头区多设备联合支护方案。针对顶煤冒落块度大问题,研究了大运量煤流运输系统,配套采用后部刮板输送机交叉侧卸技术,配置了煤流四级破碎体系,工作面采用高可靠性智能控制采煤机,创新研发了强扰动高效放煤机构及"记忆+远程干预"放煤系统,创建了具有主动感知、自动分析、系统协同性能的安全高效的智能综放工作面,为实现年产1.5Mt特厚煤层综放开采奠定了基础。     

坚硬特厚煤层顶煤冒放结构及提高采出率技术

针对西部埋深较浅、坚硬、特厚煤层顶煤冒放性差的问题,以金鸡滩煤矿2-2上坚硬特厚煤层赋存条件为基础,通过理论模型计算、数值模拟分析及设备结构优化设计等方法,分析了坚硬特厚煤层顶煤冒放结构及提高采出率技术。通过建立坚硬特厚顶煤的"悬臂梁"力学模型,计算分析了顶煤厚度与悬臂极限断裂长度的关系;首次定量分析了液压支架反复支撑对顶煤的损伤破坏效果,研究了液压支架主动支护作用力、反复支撑次数对顶煤破坏深度、破坏块度的影响;分析了大采高综放工作面煤壁片帮防治与提高顶煤冒放性的矛盾,通过优化液压支架架型结构参数解决了二者之间的矛盾;创新设计了强扰动三级高效放煤机构与综放工作面后部刮板输送机交叉侧卸布置方式,有效提高了大块顶煤的放出率与放出效率。     

特厚坚硬煤层超大采高综放开采 合理采高研究与实践

以榆神府矿区金鸡滩煤矿一盘区东翼8～14m特厚坚硬煤层综放开采为背景,采用理论分析、工程类比、工业性生产试验方法,研究采高(机采高度)对采场围岩稳定性和顶煤冒放性影响关系,确定榆神府矿区特厚坚硬煤层综放工作面合理采高。通过理论分析,探讨了增大采高对综放开采资源采出率、矿压显现程度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、配套设备结构和性能、采放协调等因素影响。通过工程类比,对比分析相邻矿井综放开采和本矿井西翼超大采高一次采全厚工作面围岩稳定性和顶煤冒放性特征,给出了榆神府矿区综放开采合理采高的判断依据,得出超大采高综放开采技术上可行,安全上可靠。现场工业性生产试验表明:采高控制在6.3～6.5m时,围岩稳定性好,开采效率最高;工作面中部来压强度大,煤壁局部片帮深度一般为0.1～0.5 m,最大深度小于0.8m;100m试验段整体回收率约为87%,放煤段顶煤回收率约83%;工作面中部顶煤冒落块度小、冒放性好;端头顶煤冒落块度大、冒放性差;周期来压期间顶煤冒放性优于非来压期间。研究结果可为相似条件特厚坚硬煤层综放开采提供借鉴。     

特厚煤层智能化综放开采理论与关键技术架构

综放开采方法是我国特厚煤层矿区实现高产高效的主要技术途径,智能化综放开采是未来综放开采技术发展的重要方向。在分析千万吨级特厚煤层智能化综放开采技术和问题的基础上,围绕安全、高效、智能这一主题,综合考虑特厚煤层顶煤体和上覆岩层的相互作用,以掌握特厚顶煤冒放理论,实现综放工作面放煤智能化,降低含矸率、提高顶煤采出率为主导,提出要解决的关键科学问题和技术构想。针对综放开采存在的煤矸智能识别、智能放煤控制、“采-支-放-运”系统智能协调等主要难题,凝练出特厚煤层智能综放开采大尺度顶煤体破碎与冒放机理,特厚煤层智能化采放协调控制机理与方法,特厚煤层智能综放开采群组放煤过程控制原理三大科学问题。攻克特厚煤层群组协同智能放煤工艺决策技术,特厚煤层顶煤厚度与放煤量实时监测技术,冲击振动和高光谱融合的煤矸识别技术,多模式融合的智能化放煤装备及控制技术,综放工作面“采-支-放-运”系统智能协调控制技术五项关键技术。突破特厚煤层智能化综放开采技术与装备瓶颈,研发煤矸识别装置、开发智能放煤控制系统及软件,解决采放协调、煤矸识别、群组放煤等难题,创建年产1 500万t智能化综放开采示范工程。最终实现特厚煤层智能化综放开采,为我国特厚煤层的安全、高效开发提供可靠的技术支撑。     

特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理

针对厚煤层综采(放)开采过程中遇到的技术难题,提出了大采高综采(放)开采面临的3个科学问题,建立了基于技术经济分析的厚煤层开采方法适应性评价指标体系与评价模型。基于液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合原理,建立了液压支架与围岩的耦合动力学模型及煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型,提出了大采高综采(放)液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法。基于大采高综放工作面顶煤冒放性与煤壁稳定性控制的矛盾,提出了增大液压支架的初撑力及优化液压支架架型结构等方法缓解2者之间的矛盾。通过开发厚煤层大采高综采(放)关键技术与装备,实现了厚煤层的安全、高效、高回采率开采。     

浅埋坚硬顶煤合理放煤工艺分析

为了提高浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤放出率,以千树塔煤矿11301综放工作面为研究背景,采用数值模拟和现场试验方法对坚硬顶煤块体冒落结构、放煤工艺等进行了研究。结果表明:一刀一放顶煤放出率高于两刀一放,多轮放煤顶煤放出率高出单轮放煤。提出以提高顶煤放出率为落脚点,对放煤工艺进行优化,得到合理的放煤工艺为"一刀一放、多轮顺序"。     

火铺煤矿大倾角三软围岩条件下综放开采技术研究

为实现工作面安全高效开采,针对开采过程中顶煤冒放性和回收率的问题,采用理论分析与数值模拟的方法,通过对两种采高、三种不同放煤步距下顶煤的冒放性和回收率,及不同放煤方式下顶煤的回收率的模拟,得出在2. 5 m采高和"两采一放"的放煤步距以及单轮顺序放煤方式下,顶煤的冒放性和回收率均较好的结论。并在火铺煤矿13171综放工作面成功应用,取得了良好的效果。     

深地煤炭资源安全高效智能化开采关键技术与实践

深地煤炭资源地质赋存复杂,智能化开采是深地资源安全、高效、绿色发展的必由之路。智能化开采成套技术与装备能否适应千米深井复杂地质环境、控制围岩稳定并驱动装备跟随煤层自动推进是影响煤炭安全高效开采、减少作业人员、降低劳动强度的关键。山东能源集团聚焦千米深井智能化开采围岩控制理论,提出了以强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合为核心的支架-围岩智能耦合关系,并形成与之相适应的智能耦合控制逻辑;为突破超大采高智能综采开采工艺及超高煤壁围岩控制技术瓶颈,提出了超大采高液压支架工作阻力“双因素控制法”,发明了三滚筒采煤机及其配套开采方法,研制了与超大采高智能综采相匹配的液压支架及配套系统;针对超大采高综放开采智能化放煤理论与围岩控制难题,提出超大采高综放支架-围岩耦合协调采放空间控制方法,创新了超大采高综放“马鞍形”开采工艺,研制了7 m超大采高智能综放开采液压支架及配套系统;研发了无反复支撑、快速循环自移的单元式超前支架,解决了回采巷道超前支护距离长、支护技术与装备适应性差的问题;开发了基于惯导和精准地质模型的智能采煤控制系统,解决了深部矿井工作面设备智能控制及困扰连续生产的难题;搭建了千米深井智能化开...     

西部浅埋硬厚煤层顶煤弱化技术与落放规律研究

通过理论分析与数值计算,研究了浅埋硬厚煤层综放开采顶煤的冒放性和散煤落放煤矸分界。提出了相应的顶煤弱化技术方案,并结合现场工业性试验,验证了方案的可行性。研究发现,支架上方松散顶煤存在“落放”两个过程,由于支架放煤口见矸点的周期性上下浮动,采空区煤损具有一定的周期性。     

煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践

2030年之前我国以煤为主的能源格局难以改变,煤炭资源安全高效开采仍然面临一系列技术挑战。基于不同层位围岩破断的应力路径效应研究成果,研究了液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合作用原理,提出了液压支架适应围岩失稳的"三耦合"动态优化设计方法;针对厚煤层超大采高综采,建立了顶板岩层断裂失稳的"悬臂梁+砌体梁"力学模型,分析了"悬臂梁"破坏失稳的空间条件与力学条件。通过数值模拟方法分析了煤壁破坏的主要影响因素,得出了各影响因素对煤壁破坏的敏感度排序。研发了增容缓冲抗冲击立柱、液压支架群组协同控制系统及"大梯度+小台阶"配套方式,实现了金鸡滩煤矿8.0 m超大采高工作面安全高效开采;针对特厚煤层大采高放顶煤开采,研发了三级强扰动高效放煤机构与尾梁冲击破碎装置;针对薄煤层研发了调高范围为0.5~1.4 m的超大伸缩比液压支架,在黄陵一号煤矿实现了常态化远程监控、工作面无人操作的智能化开采。对未来需要突破的安全高效开采关键技术进行了展望,提出了稳定割煤与连续推进、高可靠性设计、综采设备机器人化及透明开采4个技术方向。     

基于黏结颗粒模型的特厚坚硬煤层综放开采数值模拟研究

基于榆神矿区特厚坚硬煤层超大采高综放开采技术条件,针对散体颗粒模型在埋深较浅的坚硬煤层综放开采模拟中顶煤冒放情况与实际不相符的问题,对比黏结颗粒模型与无黏结散体颗粒模型力学性质,讨论两种模型适用条件,得出黏结颗粒模型更适合坚硬煤层综放开采模拟。阐述了黏结颗粒模型的建模和模拟过程:岩层内部采用平行黏结颗粒模型以模拟层内整体块体力学特性,层间采用光滑节理模型以模拟结构面力学性质;通过Fish语言和伺服控制原理实现液压支架初撑阶段、增阻阶段和恒阻阶段不同工况的模拟;根据支架顶梁位态采用逆向运动学方法更新支架整体位姿;通过Fish语言实现尾梁的不同幅度摆动。数值模拟结果表明:覆岩可形成下位基本顶不稳定砌体梁结构和上位基本顶稳定砌体梁结构,顶板来压步距介于10~20 m;顶煤破碎度和冒放性具有双周期性(走向周期与周期来压步距一致,表现为来压期间顶煤破碎较充分、冒放性好,优于非来压期间;垂向周期与顶煤层位相关,表现为下位顶煤破碎充分、冒放性好,优于上位顶煤);工作面煤壁整体稳定性较好,来压期间会出现煤壁破坏现象;液压支架总体处于较高的工作阻力状态;不同块度的顶煤冒放过程中可能形成小块度瞬时动态松散拱结构、中等块度不稳定拱结构和大块度稳定拱结构,尾梁成拱可采用“小拱小摆、大拱大摆”对策高效破拱,掩护梁成拱则需移架才可破拱。超大采高综放开采实践表明数值模拟结果与现场情况一致,黏结颗粒模型能较好地模拟埋深较浅的坚硬煤层综放开采顶煤冒放特征和矿压显现规律。本研究可为坚硬煤层顶煤冒放性和顶板覆岩结构数值模拟研究提供力学模型选择依据,为模拟过程实现方法提供借鉴。     

我国放顶煤开采的工程实践与理论进展

系统总结了35年来我国放顶煤开采的工程实践历程,将其分为探索阶段、推广应用阶段、拓展阶段、成熟与输出阶段,放顶煤技术已经成为我国煤炭开采在世界上的标志性技术和成果。将放顶煤开采的理论研究与进展归纳为借鉴阶段、探索阶段和创新阶段,介绍了在放煤规律方面的创新性理论成果,提出了下一步放顶煤开采的理论研究要针对性地开展顶煤破碎机理、散体顶煤放出规律、支架与围岩关系、岩层移动规律、全煤巷道支护机理、放顶煤开采的经济学基础等方面研究,深入的理论研究可以进一步指导放顶煤技术完善和扩大应用范围。     

超大采高综放工作面板裂化片帮特征及合理护帮控制

针对榆神矿区超大采高综采工作面煤壁板裂化片帮问题,基于金鸡滩煤矿超大采高综放工作面开采技术条件,采用理论分析与工程实践相结合的方法,分析了超大采高工作面煤壁板裂化片帮特征,研究了适宜的护帮板结构形式和合理护帮控制措施。发现板裂化片帮具有多种特征:板状板裂化、“洋葱皮状”板裂化、弹射型板裂化(俗称“炸帮”)和护帮板动载扰动下板裂化片帮,提出并求解了整体式和分体式护帮板承载能力曲线,将护帮板承载能力曲线作为护帮板承载性能评价指标,分别分析和对比了2种结构形式护帮板运动特性及其与煤壁结构耦合关系,从力学特性和运动学特性角度得出整体式护帮板具有承载性能优、灵活性好和结构耦合适应性强等优点,建议在满足护帮高度要求的前提下,优先选用整体式二级护帮板结构。结合工业性生产实践,对煤壁板裂化片帮特征及危害进行分析,提出并讨论了相应的煤壁板裂化片帮防治措施。分析和借鉴同一盘区相邻8.2 m超大采高一次采全厚工作面分体式三级护帮板应用情况及其对煤壁维护效果,结合7.0 m超大采高综放工作面支架-围岩结构耦合关系,认为7.0 m超大采高综放工作面宜采用整体式二级护帮板。生产实践表明:整体式二级护帮板能有效维护超大采高综放工作面煤壁稳定,便于自动化控制和工作面高效开采。     

煤矿智能化开采新进展

智能化开采是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。经过多年发展,我国智能化开采形成了薄煤层和中厚煤层智能化无人操作,大采高煤层人-机-环智能耦合高效综采,综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤,复杂条件智能化+机械化4种智能化开采模式。为了解决工作面综机装备智能决策难题,研发了工作面智能协同控制系统,实现采煤机自适应割煤与自主感知防碰撞,基于煤流量智能感知的采煤机、液压支架、刮板输送机等综采装备的协同联动,工作面综采装备与端头和超前支架的联动控制。上述研究成果在陕北侏罗纪1.1 m硬煤薄煤层、金鸡滩煤矿8 m超大采高综采、金鸡滩煤矿9 m以上硬煤特厚煤层综放开采进行应用,效果显著,实现了陕北侏罗纪1.1 m硬煤薄煤层高效智能化无人开采,8 m超大采高工作面人-机-环智能耦合高效综采,9 m以硬煤上特厚煤层超大采高智能化综放开采。     

松软煤层简放开采的矿压特征与适应性研究

为了给简易放顶煤开采技术提供理论依据，采用现场实测和数值模拟的方法对简放开采的矿压显现规律、支架围岩关系及其适应性进行了研究．放煤对支护系统稳定性的影响主要体现在末排支柱稳定性的变化，放煤导致末排支柱的工作阻力下降1／2左右．简放工作面顶板控制中，“支”和“稳”对提高支护系统的稳定性作用是有限的，关键在于“护”．简放开采支护系统要具有良好的水平约束必须要求一定厚度的直接顶、较小的煤矸破碎块度、低位放煤、控制放煤口尺寸和放煤速度．理论分析与实践效果表明，简放开采技术应用于软直接顶的松软厚煤层具有良好的适应性．     

特厚煤层大采高综放面组合悬臂梁运动特征及支架阻力研究

针对直接顶岩层结构对大采高综放采场矿压显现影响较大的特点,基于关键层理论与岩块铰接条件,分析直接顶岩层运动特征及液压支架工作阻力合理确定方法,以准格尔地区某矿大采高综放工作面为例计算分析。研究表明,特厚煤层综放采场直接顶关键层及其上位直接顶形成组合悬臂梁结构,随工作面推进破断回转,与其后方的已破断岩层接触、分离滑落,其重量由后方已破断岩层与液压支架共同承担,其悬臂破断回转、与已断岩层接触、分离滑落的过程直接影响着工作面矿压显现。正常回采阶段液压支架仅承受顶煤及下位直接顶的荷载;来压阶段应保证承受顶煤、下位直接顶及组合悬臂梁破断所施加的荷载,才能防止支架压死、活柱急剧下缩等现象;依据其力学特征确定了大采高综放工作面合理的液压支架工作阻力。     

综放开采散体顶煤对支架与围岩关系影响的实验研究

散体顶煤的存在会改变综放开采支架与围岩相互作用关系。自主设计了散体动载荷冲击实验平台,对不同散体颗粒种类、不同颗粒大小、不同堆积厚度以及不同冲击力条件下进行动载冲击实验,揭示了散体顶煤对综放开采支架与围岩作用关系的影响。研究发现:散体密度与缓冲效果存在正相关,散体顶煤的堆积密度越大,散体缓冲上部动载荷效果越明显;散体堆积厚度变化存在临界值,当堆积厚度小于临界值时,破碎岩石堆积厚度越小冲击效果越明显,相反冲击压力随着堆积厚度的增加逐渐减小而后趋于不变;散体粒径越大,岩石缓冲上部动载荷效果越明显,但缓冲曲线的波动性较大,表明冲击过程比较剧烈。同时,提出了在支架选型时,要综合考虑煤层赋存条件、破碎顶煤性质及支架结构性能等因素,以保证放顶煤安全开采。