特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系

针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6. 0 m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定性耦合的基础上,提出超大采高综放开采支架-围岩结构耦合理论。从液压支架与围岩相互作用机理角度,阐释了支架-围岩支护系统"小结构"初次耦合主动支撑和"大结构"二次耦合被动承载概念和理论,分析了围岩"大、小结构"耦合对工作面围岩支护效果和适应性的影响,指出综采放顶煤液压支架结构设计除需满足"小结构"支护系统适应"大结构"周期性破断失稳形成的强动载矿压外,还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)对顶煤冒放运移规律和支架载荷演化过程的影响,通过支架结构与顶煤冒放结构耦合实现顶煤顺利放出,提高顶煤采出率。采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研等研究方法,分析了坚硬顶煤冒落和放出结构以及冒放过程的成拱机理,讨论了液压支架结构高度对矿山压力显现强度、顶煤冒放结构和资源采出率的影响,研究了放煤机构结构对顶煤成拱结构的影响,以及放煤机构结构对顶煤的二次破碎作用,提出了强力放煤机构结构改进和优化策略,并对破煤机理和效果进行探讨,以期为相似坚硬特厚煤层综放开采支架-围岩耦合提拱理论指导和借鉴。     

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。     

大采高综放工作面煤壁片帮与顶煤冒放性影响分析

针对塔山煤矿大采高综放工作面煤壁片帮防治难题,采用理论分析、数值模拟与现场实测相结合的方法,分析了相同机采高度情况下大采高综放工作面煤壁片帮较大采高综采工作面煤壁片帮剧烈的原因,揭示了综放工作面抑制煤壁片帮与提高顶煤冒放性之间的矛盾,研究了液压支架结构参数对煤壁片帮的影响。研究结果表明:由于受塑性破坏区叠加及顶煤冒落放出的影响,相同机采高度情况下,大采高综放工作面煤壁片帮比大采高综采工作面更加剧烈;合理的液压支架初撑力可在缓解煤壁片帮的同时提高顶煤冒放性;整体顶梁比铰接顶梁更有利于抑制煤壁片帮,同时可以通过适当增大液压支架顶梁长度来缓解煤壁片帮与顶煤冒放性的矛盾;护帮板与伸缩梁分体结构作为大采高综放液压支架一种新的护帮结构形式,比护帮板与伸缩梁连体结构更有利于抑制煤壁片帮。     

浅埋坚硬厚煤层预采顶分层综放技术研究

为有效解决神东矿区浅埋特厚坚硬煤层开采技术难题,以神东活鸡兔矿井1-2煤层为研究对象,针对浅埋坚硬特厚煤层试验采用上层综采下层综放开采技术,通过数值模拟、相似材料模拟以及理论分析等综合研究方法系统分析了上分层综采对下分层顶煤冒放性影响规律,提出了下分层综放工作面"上压下顶"有利于顶煤回收的"采大放小、高阻支架上下扰动"措施。通过试验应用与现场观测,结果表明:顶煤冒放性得到有效改善,支架后方顶煤充分破碎,工作面资源采出率达到87%,且下分层综放工作面压力显现缓和。     

综放开采割煤高度与顶煤回收率相互关系研究

采用PFC数值分析程序对综放开采支架上方顶煤的放出进行了模拟,分析了一定厚度顶煤条件下割煤高度与顶煤回收率的关系以及2种不同割煤高度条件下顶煤回收率与顶煤厚度的关系。模拟结果表明,割煤高度越大,顶煤回收率越高,大采高综放开采有利于提高特厚煤层工作面资源采出率。     

特厚煤层综放开采顶煤放出率影响因素分析

采用PFC2D模拟软件对山西兴县金地煤矿特厚煤层低位综放开采散体顶煤在不同采高下的冒落规律进行模拟,并通过理论分析研究特厚煤层低位综放开采顶煤放出率的影响因素。研究结果表明:随着采高的增加,顶煤放出率呈下降趋势;分析了支架掩护梁倾角对其影响,同时通过监测煤矸放出过程中的速度-时间曲线及煤矸成拱次数,得出该矿首采综放工作面选取3m为合适采高,以达到较高的顶煤放出率和开采效率。在实际生产中工作面采高为3m,采放比约为1∶3,采煤机截深0.8m,两刀一放,观测期间工作面取得了较高的顶煤回收率,故该方案可以在该工作面及相似条件下工作面推广采用。     

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"。     

特厚煤层综放工作面顶煤运移规律研究

本文通过对9-101综放工作面顶煤运移规律的实测,结合特厚煤层综放工作面顶煤运移以及破坏规律的分析,得出在此条件以及相似条件下特厚煤层综放工作面顶煤运移规律,为综放工作面提高采出率以及液压支架工作阻力的确定提供依据。     

机采高度对顶煤冒放性与煤壁片帮的影响

针对特厚煤层大采高综放开采顶煤冒放性与煤壁片帮难题,采用理论分析、数值模拟及技术经济综合对比分析等方法,分析了工作面机采高度对煤炭资源回采率及煤壁片帮的影响。通过建立特厚煤层大采高综放工作面煤壁片帮的压剪力学模型,分析了大采高综放工作面煤壁片帮机理,研究了相同机采高度情况下大采高综放工作面较大采高综采工作面煤壁片帮更加剧烈的原因。增加液压支架对顶煤的主动支护作用力及选择合理的液压支架架型结构参数,既可以提高顶煤的冒放性,同时还可以降低煤壁的片帮概率。综合分析不同机采高度对煤炭资源回采率、煤壁片帮控制及工程与设备投资的影响,确定罐子沟煤矿大采高综放工作面机采高度为4.5 m,设计研发的ZFY12000/26/47型两柱掩护式整体顶梁大采高综放液压支架使用效果较好。     

浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤冒放结构分析

为深入研究浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤冒放结构特征,以主采3号煤层的榆阳地区千树塔煤矿作为研究背景,采用数值模拟、理论分析和现场实测等综合方法对坚硬顶煤冒放结构进行了研究,得出靠近工作面两端头位置坚硬顶煤容易形成“悬臂”结构。由悬臂顶煤内部应力解析和模拟得到顶煤不同的破断长度对其垮落放出有着重要影响,当其破断长度小于放煤口水平投影宽度时,垮落放出相对较为容易;当其破断长度大于放煤口水平投影宽度时,垮落放出较为困难,并且增加处理大块煤的时间,该结论解释了坚硬顶煤垮落放出困难的宏观结构因素。     

特厚煤层综放开采支架工作阻力的确定

采用理论分析的方法对特厚煤层综放开采顶板岩层所成结构及支架工作阻力进行了研究.根据特厚煤层综放开采顶板岩层形成的“悬臂梁-铰接岩梁”结构,给出了直接顶、基本顶的新概念及判据;得出了特厚煤层综放开采支架工作阻力的解析计算式,并进行了实例验证.最后对所选架型现场的动态承载特征及其适应性进行了分析.结果表明：依据支架工作阻力解析式计算结果所选架型可靠性高、支架运行合理,利用率高,对工作面顶板条件适应性较好。     

特厚煤层大采高综放开采机采高度的确定与影响

为了确定大采高综放开采合理的机采高度,基于理论分析与数值模拟计算方法,研究了不同机采高度对支架工作阻力、顶煤冒放规律、煤壁稳定性的影响。研究结果表明：大采高综放开采机采高度的确定应充分考虑采放比、煤壁稳定性、矿压显现、顶煤采出率及设备投资等。支架所需支护强度、顶煤采出率、煤壁片帮程度与机采高度成正相关性,但并不是简单的线性关系。由于受顶煤赋存条件及采出率等因素影响,相同采高大采高综放开采煤壁片帮几率要高于大采高综采。大采高综放开采是煤炭开采技术的新突破,是实现特厚煤层安全高效开采的有效途径。     

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。     

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。     

坚硬顶煤水力致裂控制技术在崔家沟煤矿的应用

陕西省崔家沟煤矿二水平三盘区2303综放工作面坚硬顶煤难冒落,导致顶煤放出效果不佳,放煤高度和回采率低。为解决此问题,根据坚硬顶煤水力致裂控制技术原理,在综放工作面架间向煤壁前方顶煤施工直径为32mm的水力致裂钻孔,进行坚硬顶煤水力致裂试验。试验结果表明:水力致裂技术成功弱化了顶煤,有效降低顶煤块度;改善了顶煤冒放性,减少了综放工作面顶煤由于破碎不够充分导致放煤期间顶煤形成拱结构的可能性,提高了工作面放煤高度和回采率;同时有效降低了工作面的粉尘浓度,改善了工人的作业环境。对今后处理坚硬顶煤难垮落问题,具有重要的借鉴价值。     

特厚煤层放顶煤开采的试验

放顶煤回采工艺参数的合理选取，对顶煤的有效回收起着重要的作用。采用实验室相似模拟的方法，从采放比、放煤步距等决定顶煤垮落空间的因素和顶煤块度等方面分析了其对顶煤垮落的影响，为特厚煤层综放开采顶煤回收率的提高提供理论依据。     

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.