大数据时代的煤矿采场岩层控制分析

矿山大数据和矿山智能化采矿技术近年来随着信息技术领域的逐步发展而得到了较快的发展,在矿山智能岩层控制方面,由于与之相关的数据类型繁多,难以融合,涉及问题复杂,智能化路径尚不够清晰,导致矿山大数据和矿山开采智能岩层控制技术的研究及应用进展缓慢。结合矿业工程特点,分析了矿山大数据和矿山开采智能岩层控制的特点,论述了矿山开采智能岩层控制的关键科学问题和主要研究内容,建立了基于矿山大数据平台的动态反演智能岩层控制数值模拟系统,研究了其关键技术及实现路径。     

大倾角煤层开采围岩空间非对称结构特征分析

基于目前大倾角煤层开采研究成果和工程实践,结合理论分析、相似材料模拟实验、多元数值仿真技术结果,建立了大倾角煤层采场力学模型。分析认为,采场围岩具有非对称应力特征,岩层破坏易形成倾向堆砌和反倾向堆砌结构,且岩层沿倾向不同区域存在不同的破坏结构形式;同时,大倾角煤层采场存在三维“似壳”力学结构,其倾向和走向剖面包络形状可以用包含煤层倾角、开采高度、工作面倾斜长度、顶板岩性等参数非线性二次函数来表示。     

特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究

从理论上分析认为,特厚煤层综放开采直接顶、老顶范围明显加大;从能否对支架产生变形压力角度将顶板岩层分为“无变形压力岩层”和“有变形压力岩层”,并给出了综放支架所受外载的解析计算式,依此分析了特厚煤层大采高综放开采因采厚加大,“有变形压力岩层”的范围将明显加大,从而导致矿压显现异常强烈的原因.     

某缓倾斜铁矿采场结构参数与开采顺序优化研究

为了得到某铁矿采场结构参数和最优开采顺序, 采用Bieniawski矿柱强度设计公式对采场结构参数进行了优化。利用数值模拟方法建立了3个不同开采顺序的分析模型, 模拟了开采现状和下步开采过程。研究结果表明: 设计的“棋盘”方式的矿房、矿柱布置形式, 有利于地压控制、通风、矿柱回收和保护地面的建(构)筑物等;各盘区之间在盘区大矿柱的隔离作用下, 相互之间的影响较小;最优的开采顺序为由北向南开采, 其次为从中间到两边开采;根据矿柱强度设计公式和三维数值模拟分析综合确定了采场结构参数。研究结果可为相似矿山采场结构参数研究提供参考。     

煤矿采场围岩智能控制技术路径与设想

煤矿采场围岩的智能控制是实现煤矿智能化的重要组成部分。本文重新定义了采场围岩系统的内涵，明确了围岩控制的范围，包括工作面推进与垂直方向上基本顶范围内支架围岩“小结构”以及影响采场围岩控制的远场岩层；根据作用方式将采场围岩系统因素分为“可控因素”与“不可控因素”，由此确定了围岩智能控制的重点和基本原理。建立了采场围岩系统“多参量智能感知-精准分析模式判别-自主决策-快速执行-控制效果动态评价”智能控制的技术构架，进一步明确了实现智能围岩控制的科学问题和关键技术难题，并提出了工作面开采系统智能化、装备围岩自适应控制、复杂条件围岩智能控制、统一坐标系下的采场围岩系统稳定性分析4点关键技术设想。结合实际案例分析了支架工况信息的可挖掘性，并用堆叠LSTM实现对采场矿压的智能预测。     

大采高采场力学模型及支架工作状态研究

以大采高岩层运动及应力分布规律为核心,运用“传递岩梁”理论对大采高综采工作面上覆岩体破断类型及其平衡结构进行分析,研究建立了大采高采场结构力学模型,探讨了大采高采场的覆岩结构及运动规律,详细分析了“给定变形”、“限定变形”两种力学状态下支架工作荷载即缩量确定方法,修正了大采高下直接顶及基本顶概念,确立了支架载荷的计算方法。研究表明：采高增大,直接顶厚度可能大幅度增加,直接顶中出现大跨度悬顶坚硬岩层的几率增大。影响采场矿压显现的“传递岩梁（基本顶）”范围相对减少,对采场矿压有明显影响的岩梁距采场的高度增大。准确地确定悬顶位置、厚度及可能的最大悬跨度是大采高采场顶板控制设计及支架选型计算的关键。     

金属矿深部开采巷道位移监测与围岩稳定性分析

针对新城金矿深部开采过程中出现的巷道围岩稳定性问题,采用深部开采位移监测系统实时监测矿区深部采场和围岩变形,基于监测信息,综合分析了围岩稳定状态,揭示了金属矿深部开采过程中影响巷道稳定性的主要因素和岩体损伤与变形规律：软弱结构面是影响深部开采巷道稳定性的内在因素,开采扰动是影响巷道稳定性的外在因素;岩体损伤破坏经历了“稳定-失衡-再稳定”的过程,巷道变形表现出了“急剧增长-缓慢增长-基本稳定”3个阶段;浅部围岩破碎后巷道变形会急剧增大,应及时支护掘进巷道,充填回采结束采场,提高围岩体的自承力。结果对矿山优化开采及地压管理具有现实指导作用。     

三论数字矿山——借力物联网保障矿山安全与智能采矿

在简要总结我国数字矿山建设成效的基础上,梳理了数字矿山内涵及其不同理解,讨论了自动采矿、遥控采矿、矿山物联网、感知矿山、智能采矿等相关概念及其与数字矿山的联系。结合采矿科技进步,采用数字化、信息化与自动化3条主线对数字矿山等概念进行了矩阵描述。指出：数字化、信息化、自动化是智能采矿的3项关键技术,数字化与信息化相辅相成,共同支撑矿山自动化;数字矿山是感知矿山与智能采矿的基础,感知矿山是智能采矿的保障。以当前煤矿安全避险六大系统建设和金属矿无人采矿系统技术发展为例,明确了数字矿山借力物联网的新任务。并面向矿山安全与智能采矿,分析提出了“十二五”期间数字矿山的5个主攻方向,即数字矿山集成平台、采矿模拟仿真系统、露天矿全自动化系统、井下定位与导航技术、采场环境智能感知技术。     

预控顶上向进路充填法在白象山铁矿的应用

根据白象山铁矿矿岩稳固性差,涌水量大等开采技术条件,综合考虑技术经济效益,采用了预控顶上向进路充填法开采,将上向水平进路充填法“自下而上单分层回采”变为“自下而上双层合回采”,通过数值模拟优化了预控顶进路充填法采场结构参数,完成了采准、回采、充填工艺设计。实践表明,预控顶上向进路充填法大大提高了生产效率,降低了回采成本,按照矿山200万t/a生产能力,可节约开采成本6 770万元/a,满足了矿山安全高效生产的要求,为同类矿山开采提供了经验。     

地下金属矿床开采岩层移动预测与控制技术

地下开采导致岩层变形与地表移动。准确地预测岩层移动范围,是矿山设计的重要依据之一。首先探讨目前用于岩层移动预测的三类方法,并指出每一类方法适用条件和存在的问题,提出了基于工程类比、数值分析与现场监测相结合的综合分析理论与预测方法。在此基础上,介绍了正在研究开发的“金属矿床开采岩层移动预测辅助系统”的结构及模块,以及应用展望。     

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。     

煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术

随着国家大力推进工业化与信息化融合,煤炭智能精准开采已经成为行业大趋势,众多煤炭企业和科研院所开展了一系列试验研究和工业示范工程。然而,地质条件的适应性不足已经成为制约煤炭智能精准开采的技术瓶颈,迫切需要构建高精度、透明化的工作面三维地质模型。以黄陵煤矿某智能化工作面为例,分析了智能精准开采对地质透明化的时空需求,一方面要确保工作面前方未采区域一定范围内地质条件的"透明化",另一方面要在采煤机完成一次截割的时间内完成透明化工作面三维地质模型的动态更新。统筹分析工作面地质探测技术现状和智能开采的集控水平,提出了构建透明工作面三维地质模型的总体思路:按照不同的地质、采掘阶段,将回采工作面地质模型分为4个层级,即黑箱模型、灰箱模型、白箱模型和透明模型。在工作面设计阶段,基于地面钻探与采区三维地震资料,可以构建工作面的"黑箱模型",其精度处于"十米级";在工作面掘进阶段,开展三维地震资料地质动态解释,可以构建工作面的"灰箱模型",其精度处于"十米级～米级";在工作面采前阶段,综合利用槽波、坑透等工作面地质勘探技术,可以构建工作面的"白箱模型",其精度能够达到"米级～亚米级";在工作面回采阶段,动态融入回采揭露的地质信息,并进行随采地震动态监测,可以构建起工作面前方50 m的工作面"透明模型",其精度达到"亚米级"。为此,亟需研发一批关键技术与装备,主要包括三维地震资料地质动态解释技术、煤矿井下孔中物探技术与装备、回采工作面随采地震监测技术、工作面监测数据地质信息提取和多源异构地质信息动态融合技术等,逐级构建智能开采工作面的地质模型,渐次实现工作面的三维地质透明化,为煤炭智能精准开采提供地质保障。     

基于透明地质大数据智能精准开采技术研究

透明工作面是目前智能化开采的重要研究方向,是实现无人化开采的重要途径。针对记忆割煤应用效果较差、传感器精度低、大数据融合应用率低、无法根据工作面地质条件变化进行自主感知、决策和调整等问题,开展了基于透明地质大数据智能精准开采的研究与实践应用。通过钻探、巷道测量和槽波勘探等物探手段来构建较精准的透明工作面三维模型,提前规划截割模板,再联合应用惯性导航技术、雷达定位技术和大数据分析决策技术,来不断修正截割模板,最后通过井下精准控制中心来完成对采煤机和液压支架的精准控制。该技术将当前基于记忆截割的"智能开采1.0"阶段升级为基于透明地质规划截割的"智能开采3.0"阶段,实现由传统的记忆割煤向三维空间感知和自动截割的技术跨越,具有很强的适应性和实用性。     

基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真系统

以提升矿井综采工作面矿压显现仿真精度和仿真环境视觉效果为目的,研究基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真系统。系统利用Multigen软件构建矿井工作面矿压显现仿真环境,获取矿井综采工作面矿压参数,并利用该参数建立外部数据库和场景数据库,经过场景调度外部数据库与场景数据库实施场景建模、场景形象建模、几何建模等流程建立矿井工作面矿压显现仿真系统,以场景漫游与交互控制实现矿井综采工作面矿压显现操作。实验结果表明,矿井工作面矿压显现系统虚拟场景画面逼真,功能齐全,可有效仿真矿井工作面矿压环境;获取的矿井当前矿压数值与实际值很接近,仿真精准度高。     

智能采运机组自主定位原理与技术

智采工作面装备运行的2个核心问题是控制工作面开采装备在煤层中自适应截割、保持采运机组在连续推进过程中的直线度。解决这2个问题必须实时获取采煤机在工作面空间的准确定位信息。通过对比分析国内外采煤机定位系统的技术原理和硬件架构,发现开发采煤机定位误差消减算法是在井下GPS拒止环境下保证采煤机长时定位精度的关键途径。根据采煤机定位原理可知,采煤机定位误差主要来源于惯性导航安装偏差和惯性导航系统随机误差。惯性导航安装偏差是确定性误差,采用基于两点法的确定性偏差补偿算法可使定位误差减小99.12%。针对采煤机运行状态的非完整性约束特点,基于采煤机运动学模型的闭合路径优化算法和动态零速校正算法分别使采煤机定位误差降低了50%和30%。采用信息滤波模型将闭合路径优化算法和动态零速校正算法进一步融合,抑制了惯性导航系统航向角的漂移,抑制了惯性导航系统航向角的漂移。利用UWB基站群自主迁移方法实现了采煤机在工作面端头定位,采用VB-UKF算法平滑采煤机定位过程中时变的测量噪声,增加了运动轨迹的平滑性,使得IMU/UWB紧融合的定位轨迹更加精确,为惯性导航系统提供校准的基准。基于采煤机定位轨迹的刮板输送机轨迹检测方法实现了刮板输送机形状在线监测,为综采工作面弯曲度自动化检测和校直提供理论基础和试验数据。     

智慧煤矿2025情景目标和发展路径

智慧矿山是煤炭行业转变发展方式、提升行业发展质量的核心驱动力,是矿山技术发展的最高形式。基于数字矿山技术发展现状,结合生产系统智慧化特征及要求,给出了智慧矿山概念及内涵:将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等与现代矿山开发技术融合,形成矿山感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的完整智能系统;到2025年,实现煤矿单个系统智能化向多系统智慧化方向发展,建立智慧生产、智慧安全及智慧保障系统的基本运行框架,初步形成空间数字化、信息集成化、设备互联化、虚实一体化和控制网络化的智慧煤矿第二阶段目标。实现矿井开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程智能化运行。资源开发利用水平显著提高,煤矿职业健康和工作环境根本改善,矿山生态恢复和保护全面实施。     

智能矿井和数字矿山研究热点与前沿知识图谱分析

为了探究中国智能矿井的研究热点和前沿趋势，以CNKI期刊数据库1991—2020年共1 931篇相关文献为样本，利用Citespace和VOSviewer两个知识图谱软件绘制可视化图谱，对智能矿井研究领域文献的发文年份、作者、研究机构、热点关键词、研究趋势5个方面进行文献计量分析。研究表明，虚拟现实、神经网络及数据挖掘、智能决策和控制及诊断、CAN总线等是近几年研究的热点，人工智能与物联网、大数据及可视化、三维建模等是以后的研究趋势。研究结果对于智能矿井的未来发展有一定的指导意义。     

澳大利亚莫拉本煤矿长壁智能化工作面现状及思考

以莫拉本井工煤矿长壁智能化工作面为例,详细介绍了澳大利亚安全高效矿井长壁自动化技术发展现状。其作为先进的煤炭生产国,澳大利亚长壁自动化工作面采用“全自动化为主,人工干预为辅”的开采模式,并将继续提高煤炭开采的自动化水平和效率。通过研究不同采煤工艺的自动化循环,制定相应的采煤机状态表,配合调整液压支架电液控程序,能够实现采煤工艺的全自动化。设备及系统的可靠性是实现采煤工艺全自动化的基础,莫拉本井工矿采用成套的开采设备,将预防性检修工作纳入设备生命周期计划内,根据设备生产能力,通过自动化程序设置各类限制条件避免设备超负荷运转。     

大倾角综放工作面调斜旋转开采技术的应用

以长春羊草煤业公司二矿9101综放工作面的开采实践为例,探讨了大倾角综放工作面调斜旋转开采技术,为开采地质构造复杂、断层较为发育的煤田,并提高该煤田的回采率提供了借鉴。