煤矿智能化(初级阶段)技术体系研究与工程进展

煤炭是实现清洁高效利用的最经济、最可靠的能源,煤炭资源的智能、安全、高效开发与低碳清洁利用是实现我国煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。基于我国煤矿智能化初级阶段的发展要求,开展了煤矿智能化技术体系研究和工程建设,进行了智能化煤矿顶层设计研究,以"矿山即平台"的理念将智能化煤矿整体架构分为设备层、基础设施层、服务层与应用层,实现煤矿生产、安全、生态、保障的智能化闭环管理。针对智能化煤矿存在的信息孤岛问题,开展了多源异构数据建模、特征提取与数据挖掘等技术研究,研发了基于数据驱动的信息实体建模与更新技术;研究了智能化煤矿高精度三维地质模型构建方法,通过在刮板输送机上布设巡检机器人与三维激光扫描仪,将三维激光扫描数据与地质模型数据、采煤机位姿数据、采煤机摇臂截割数据进行有效融合,获取采煤机的实时截割曲线,通过比对采煤机实际截割曲线与地质模型的煤岩层分界面曲线,实现基于地质模型动态更新的煤层厚度自适应截割控制方法;研发了工作面采掘接续智能设计技术,实现了接续工作面图纸、规程、规范的智能设计,大幅降低了采掘接续过程中的重复劳动;研究了掘锚一体机的位姿检测与导航技术、自动打锚杆技术、自动铺网技术、巷道三维建模与质量监测技术,探索了基于远程视频监控的巷道智能高效掘进技术与装备;以"有人巡视,无人操作"为特征的智能化开采工作面在全国逐渐推广应用,开展了基于三维地质模型动态更新的采煤机自适应截割技术研发与实践,在部分矿区取得较好的试验效果。分析了智能分选技术、智能辅助运输技术、5G通信技术在煤矿井上下应用存在的技术难点及解决的技术路径,从技术研发角度系统分析了制约智能化煤矿建设的关键技术难题。详细阐述了神东煤炭集团、兖矿集团、同煤集团、阳煤集团、淄矿集团、新汶矿业集团等国内大型煤炭生产企业现阶段在智能化煤矿建设中取得的阶段性成果,从技术研发与现场实践相结合的角度分析了智能化煤矿建设过程中存在的主要技术难题与发展方向。同时对煤矿智能化标准体系进行研究,提出了煤矿智能化标准体系框架,起草制定了"智能化煤矿分类、分级技术条件与评价指标体系"、"智能化综采工作面分类、分级评价技术条件与指标体系"等相关标准,为智能化煤矿建设提供标准支撑。     

MVR技术在矿井水零排放及资源化中的应用

以鄂尔多斯某煤化工厂内蒸汽机械再压缩(MVR)系统为研究对象,考察了压缩比和进料温度对运行成本和水质的影响,并对比了MVR系统与蒸发系统的运行成本与应用效果。通过试验表明,本项目MVR系统在压缩比为4的操作条件下吨水运行成本最低;进料温度对运行成本影响较小;MVR系统的浓缩效果和运行成本要优于蒸发系统。因此,MVR技术在矿井水零排放和资源化中有广泛的应用前景。     

矸石充填开采沿充留巷围岩控制技术研究

对沿充留巷进行了定义,并与沿空留巷进行了对比分析。采用UDEC离散元数值计算软件对矸石充填留巷覆岩结构及移动规律进行了分析。数值结果显示:相比于垮落法沿空留巷技术,充填开采沿空留巷工作面采空区上覆岩层结构形态以完整层状岩层为主,巷旁支护体与充填体共同承担荷载,开采扰动对沿充留巷围岩变形破坏影响小。以葫芦素煤矿为工程背景,针对矸石充填沿空留巷技术特点,以巷旁支护、临时挡矸和巷内联合支护3个方面提出了围岩控制方案,确保沿空巷道的稳定性,对后续类似工程具有重要参考价值。     

化工固废井下充填对地下水环境的影响研究

为了研究化工固废井下充填污染物对地下水环境的影响问题,以葫芦素矿井为研究对象,利用Modflow软件建立研究区数值模型,并对其进行识别验证,基于数值模型的基础上,耦合溶质运移模型,对化工固废井下充填污染物运移规律进行模拟预测。结果表明:锅炉细灰浸出液污染物仅在2-1煤层有超标现象,且充填区外最大超标距离为14.31 m,不会造成矿井水的二次污染。鉴于安全保证,建议留设30 m保护煤柱进行充填;化工固废井下充填,可以缓解土地占用问题,减少环境的污染,实现废弃物的再利用,节约成本。     

短壁充填巷道宽高比对围岩稳定性的影响研究

为了研究短壁充填巷道断面宽高比对围岩稳定性的影响规律,采用理论分析和数值模拟的方法,分析了短壁充填巷道协同控顶原理,得到了不同宽高比条件下围岩稳定性的变化规律。研究结果表明:当巷道高度固定时,顶底板和两帮最大移近量随宽高比的增加先缓慢增加然后略有减小,在宽高比大于1.0后又快速增加;且在巷道宽高比为1.0时,单位面积的巷道变形量最小,最有利于巷道围岩的稳定;结合百良旭升煤矿具体开采条件确定了短壁充填巷道的合理宽高比为1.0,并根据非对称性的变形特征给出了具体的支护方案。     

基于多系统支持的生产数据综合预警系统

为实现综合自动化系统数据跨系统共享、横纵向综合分析、探索数据价值的再发现等功能,构建了一种可指导安全生产、隐患故障排除的数据综合预警系统。从预警系统的总体架构出发,介绍了该系统的主要功能、拓扑结构、硬件部署方案和数据来源,并对系统预警功能进行了详细论述。该系统以安全监测监控、物联网数据集成处理为基础,具备综合预警分析、多系统报警联动、设备运行报表及历史故障查询功能,可精确输出辅助决策建议,有效节约建设投资,助力煤矿实现提质增效的目标。     

煤矿井下综采工作面远距离供电技术讨论

随着煤矿开采向深部推进，受矿井矿压的影响，巷道变形严重，井下综采工作面传统的供电方式在运行中遇到的问题逐渐凸显。为解决该问题，目前很多矿井采用远距离供电方式。但远距离供电方式在使用中也存在一些问题，文章通过对目前采用的远距离供电方式的优缺点进行分析，总结了远距离供电方式的适用条件，提出各煤矿在选择时应根据自身的开采条件和生产需求进行合理的选择。并进一步提出了为更好的推进远距离供电方式的应用需解决的几个问题。     

超大荷载立井装备水平力计算方法研究与应用

现阶段，提升终端荷载不断增大，对井筒装备的设计提出了挑战。为了解决该问题，现场对胡家河煤矿主、副井进行了水平力测试，分析了井筒装备荷载的特性。并引入动静比的概念，提出了水平力荷载的理论公式。通过分析水平力实测值与计算值，确定了该公式下相关参数的取值，最终得出水平力峰值、平均值和等效静力值的计算公式。门克庆煤矿的副立井井筒装备利用该公式进行了校核，目前装备运行良好。可为其他矿立井井筒装备的设计提供一种参考。     

房柱式采空区对下分层复采矿压显现的影响规律研究

为了掌握房柱式采空区内非规则煤柱对下分层复采矿压显现的影响规律,采用数值模拟方法对采空区内煤柱的完整度与矿压显现的关系进行研究,采用物理相似模拟的方法对比分析了煤柱在不同完整度条件下复采工作面上覆岩层的运移、破断规律,据此采用理论分析揭示了煤柱完整度和高低位砌体梁结构稳定性对复采矿压的影响机制,并通过现场观测进行了验证。结果表明:房柱式采空区内非规则煤柱对下分层复采矿压显现的影响因素主要有2个:①房柱式采空区内煤柱完整度,其完整度越高,复采时矿压显现越为强烈;②高、低位砌体梁结构的稳定性,当房柱式采空区内为完整煤柱时,在高、低位砌体梁结构的共同作用下,矿压显现极为强烈;但下分层复采过程中低位砌体梁结构容易受到采动影响导致结构滑落失稳,从而使矿压显现的强度大幅降低。现场矿压显现差异化明显,上覆煤柱完整时来压强度超过35 MPa,复采工作面大多可观测到完整顶板;顶板的完整性可作为矿压显现的前兆,一旦发现顶板完整区域,应及时对工作面支架补强并进行超前钻探,利用技术手段弱化完整煤柱,控制矿压显现的强度,防止出现矿井安全事故。研究成果可为类似条件下的矿压防治提供参考。