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煤炭科学技术
煤炭科学技术

王金华

月刊

0253-2336

cst410@china.com

010-84262920 84262926

100013

北京和平里青年沟路5号

煤炭科学技术/Journal Coal Science and TechnologyCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>该刊为实用性的技术类刊物。辟有技术经验、实验研究、问题探讨、专家论坛、新产品、科技信息等栏目。是全国优秀期刊之一，第二届全国科技期刊评比获二等奖。读者对象为有关专业的科研生产设计教学管理等单位的工作者。
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    冻结立井井筒机械化掘进现状及发展趋势

    陈湘生王恒宋朝阳陈汉青...
    1-17页
    查看更多>>摘要：针对我国"富煤贫油少气"的能源赋存结构及煤炭未来一段时间将长期占据能源消耗主导地位的特点,回顾了我国煤炭井工开采领域冻结立井井筒机械化掘进发展历程.钻爆法凿井作为我国立井井筒施工的主要工法,炸药的应用大幅提高了冻结井筒的掘进效率,配套的伞钻打孔、抓岩机装岩、大型井架及设备提升、大模板砌壁等大型机械化设备的应用,大幅提高了井筒成井速度;竖井钻机、反井钻机及竖井掘进机作为特殊地层条件下立井井筒特殊凿井方式,也有各自应用范围.面对我国西部富水弱胶结地层特点及智慧矿山发展趋势,采用冻结+钻爆法施工难以满足千米级弱胶结岩层立井井筒智能化无人化的建设需求,而采用冻结+竖井掘进机钻井是未来超深立井井筒技术发展方向之一.结合国外冻结+竖井掘进机凿井工程案例,针对我国西部富水弱胶结岩层立井井筒建设,提出了冻结+竖井掘进机凿井在冻结壁厚度和强度设计理论、双层钢筋混凝土井壁永久支护、低温环境下竖井掘进机掘进破岩形式以及分级上排渣方式等冻-掘-支-运协同作业方面提出了合理化建议;明确了井壁结构与弱胶结围岩相互作用机理,优化双层井壁结构方法,构建竖井掘进机掘-支-运同步作业模式等,提升井筒建设综合效率,提高信息化水平,推动立井井筒向机械化、绿色化和智能化发展.

    特殊凿井机械破岩冻结井壁竖井掘进机

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    "煤炭行业卓越工程师"专题客座主编致读者

    祁和刚吴拥政
    18页
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    浅埋多煤层群协调绿色开采关键技术研发与实践

    吴群英胡俭刘凯李杨...
    19-30页
    查看更多>>摘要：西部矿区多煤层赋存条件导致了"采面布局矛盾、覆岩结构多变、地表运移叠加"的突出性、普遍性问题,探索适应多煤层高强度开采的协调绿色开采技术成为西部矿区多煤层安全、高效开采的关键.针对浅埋厚煤层群高强度开采面临的主要技术难题,从多煤层开采时空布局、工作面岩层稳定性控制、重复扰动下的地表沉陷等方面,系统地阐述了浅埋多煤层群协调绿色开采的几项关键技术.研究结果如下:①揭示了西部多煤层高强度开采层间相互作用机理,构建了多煤层重复开采扰动定量判据与评价方法,创新提出了以层间最小扰动为目标的"薄、中、厚"煤层交错分布协调开采技术;②提出了多煤层工作面岩层稳定控制技术,建立了全覆岩结构破断模型,揭示了全覆岩结构破断条件下的支架与围岩相互作用规律,在此基础上针对多煤层开采工作面支护在不同的位置需要采用不同支护策略的需求,研发了工作面支架抗冲双伸缩立柱和超前巷道支护状态监测系统,实现工作面多区域安全高效稳定支护;③通过揭示浅埋多煤层斜交叠置开采下地表动态移动特征和地表裂缝发育规律,给出地表下沉系数的确定方法,研发了塌陷区裂缝"土壤重构-原位充填-微地形改造"组合的治理关键技术,有效防治黄土沟壑区的采煤地表塌陷.上述核心技术在张家峁、柠条塔、红柳林等20余个大型煤矿成功应用,为我国西部矿区高质量、可持续开发提供了技术支撑.

    浅埋多煤层高强度开采层间扰动智能化装备地表沉陷

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    浅埋强富水区下绿色高效保水开采技术

    罗文王庆雄
    31-47页
    查看更多>>摘要：西部地区煤层资源丰富,开采强度大,传统开采方式容易导致含水层水资源流失,产生严重的缺水问题,因此,研究浅埋强富水区的保水开采技术,通过控制岩层移动保持含水层的稳定性,研发低成本、广适用的保水开采技术和材料,形成浅埋强富水区煤层的绿色高效保水开采体系,实现煤炭开采与水资源保护的双重目标,对保障水资源安全、维护生态平衡和促进经济发展具有重要意义.本文首先分析了保水开采现状与难题,从技术先进性和安全性等方面对现有技术进行了对比,从材料、设备和工艺等方面进行了深入研究,总结并分析了不同技术的适用条件.接着以锦界煤矿为例,依据保水采煤方案和导水裂隙带实测高度,对井田进行区域划分,提出"分区分类治理"的原则,并创新性地提出了采前第四系松散含水层底部隔水层再造技术,形成了有效隔离,实现了煤炭开采与水资源保护的协调发展,保护了自然地貌和地表植被.同时,针对现有综采架后膏体充填不高效,且支架无法做到充填非充填灵活转换的问题,设计提出了一种新型充填非充填两用支架,既可作为同一工作面分段充填、非充填支架两种模式交替使用,又可进行后部支架拆解,安装掩护梁侧护板,满足普通支架使用需求,提高了设备使用效率.最后对采后导水裂隙带裂隙顶部注浆修复改造技术和注浆效果评价进行了总结,以锦界煤矿的应用为例进行了说明,对鄂尔多斯盆地类似条件煤层开采具有广泛指导意义,为煤炭行业的绿色开采提供了重要支持.

    浅埋富水区膏体充填隔水层再造保水开采绿色开采

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    千万吨级综放工作面智能化放煤理论及关键技术

    于斌邰阳徐刚李勇...
    48-67页
    查看更多>>摘要：针对综采放顶煤工作面在智能放煤理论、智能感知与识别关键技术、智能放煤综合决策技术和远程放顶煤智能控制技术方面存在的问题,依托"十三五"国家重点研发计划——千万吨级特厚煤层智能化综放开采关键技术及示范,开展了千万吨级综放工作面智能化放煤理论及关键技术研究,取得如下成果:①开展了顶板顶煤组合体压缩试验、煤岩组合体破碎块度分布试验和不同顶板-顶煤条件下综放开采放煤相似模拟试验,阐明了顶板顶煤的破碎-运移的相互作用过程;开发了采空区三维激光空间探测技术,证明了群组放煤过程中顶煤"面接触块体成拱现象;开展以采放协调、高回收率、低含矸率为约束条件的特厚煤层多口群组智能放煤数值模拟,确定了群组放煤口数量;综上,为智能放煤工艺优化提供了可靠理论基础.②对工作面煤矸地质信息及物性特征、顶煤放落过程全周期感知要素进行探索研究,形成了包含"顶煤厚度在线探测-煤矸精准识别-煤流动态测量"的综合感知技术体系,为智能化放煤决策技术提供了充分的数据信息支撑.③建立了综放面"人-机-环"多源信息数据库,构建了基于采放时间协调、采放空间协调、采放运能协调的特厚煤层综放面采放协调决策模型,开发了基于Q-learning算法的智能放煤决策软件,形成了基于煤矸识别、顶煤厚度探测和过煤量监测感知,结合煤矸运移时序特征和经验数据的人工智能决策技术.④研发了智能综放面三机位姿高精度惯导监测与控制技术,实现了采煤机、液压支架、刮板输送机的实时定位、姿态监测及动作控制;开发了智能化矿山融合通信调度系统,构建了智能综放远程综合控制平台,成功实现了"远程一键启动"模式的智能放煤.⑤在塔山矿8222工作面,开展了基于探地雷达的顶煤厚度在线探测技术、融合振动-音频-高光谱的煤矸精准识别技术、基于激光三维扫描的放煤量实时监测技术和综放工作面智能化放煤决策软件的应用,现场顶煤厚度探测、混矸率和放煤量的误差分别控制在 10.71%、9.32%和 7.8%以内,平均每个放煤循环节省时间约 30 min,实现了年产 1500万t的综放工作面智能高效放煤.

    特厚煤层智能化煤矸石识别综合决策远程控制

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    煤矿复杂地层TBM掘进巷道新型装配式支护结构工程实践

    唐永志唐彬程桦王传兵...
    68-75页
    查看更多>>摘要：TBM(Tunnel Boring Machine)全断面掘进机已在煤矿深井巷道掘进工程中成功应用,取得了显著的社会经济效益.但仍存在影响其进一步推广应用的技术瓶颈.针对当前支护结构与支护技术难以同时满足支护效率、支护强度和施工成本方面的要求,TBM难以充分发挥其速度优势的技术瓶颈,研究团队研发了新型钢管片型装配式支护结构.开展了新型装配式支护结构大比尺模型试验,获得新型支护结构在受载条件下变形破坏规律,根据试验结果优化新型支护结构型式.基于新型钢管片支护下TBM掘进巷道数值模拟评估新型支护结构可靠性.最后开展工业性试验,现场验证新型钢管片式支护结构用于煤矿TBM掘进巷道的可行性.试验结果表明,巷道围岩最大拉应变为803×10-6,钢管片支护结构变形量小于 1 mm.新型支护结构安装速度快,可在 90 min内掘进 1.5 m并完成一环管片的安装工作,显著提高了TBM掘进巷道的支护强度和TBM掘进作业线的地层适应性.为未来进一步提高煤矿巷道掘进速度、保障煤矿采掘接替提供技术参考.

    巷道掘进全断面掘进机复杂地层TBM掘进装配式支护结构

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    强冲击载荷下巷道围岩变形破坏特征及控制技术

    吴拥政付玉凯何思锋李军臣...
    76-87页
    查看更多>>摘要：针对冲击地压巷道围岩及支护结构变形破坏难题,采用数值计算、现场实测、现场试验等研究方法,分析了强冲击载荷下巷道围岩及支护结构变形破坏特征,研究了冲击载荷、采动应力等对巷道围岩和支护结构动态力学响应的影响,开发了抗冲击支护材料,提出了支护-卸压联合控制技术,并选择典型冲击地压矿井进行了应用.研究结果表明:巷道顶板发生冲击时,巷道顶板、两帮和底板质点最大振速分别为 1.41、0.63、0.25 m/s,迎波侧巷表围岩受冲击影响最大,侧向次之,背波侧最小.在采动应力与冲击载荷叠加作用下巷道破坏范围更大,塑性区面积达到原岩应力时的 2.1倍.随着冲击能量的增加,巷道变形量和质点振动速度峰值均急剧增大,且锚杆(索)受力也出现明显波动.爆破卸压对巷帮锚杆锚固力影响不大,而对锚索锚固力有明显影响,锚索锚固力平均降低26.7%.高冲击韧性锚杆屈服强度 800 MPa,断后伸长率 20%,冲击吸收功 150 J;高延伸率锚索最大力延伸率 8%,抗拉强度 1 770 MPa.联合控制技术在宽沟煤矿进行了现场应用,巷帮锚杆受力53～84 kN,顶板锚索受力 122～219 kN,锚杆(索)受力均处于安全允许范围之内,顶板浅部和深部未发生离层,在大能量微震事件作用下,支护系统也能保持稳定.

    巷道支护冲击地压冲击载荷吸能支护区域卸压

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    深部沿空掘巷含软弱夹层顶板离层破坏特征及控制研究

    常聚才郭钇君吴博文史文豹...
    88-102页
    查看更多>>摘要：含软弱夹层顶板对深部沿空掘巷稳定性具有重要影响,为有效控制深部高偏应力沿空掘巷含软弱夹层顶板离层破坏,基于含软弱夹层组合体试件力学试验及受采动影响下沿空掘巷数值模拟试验,获得了软弱夹层层厚、层数和层位对顶板的影响以及偏应力条件下含软弱夹层顶板离层演化规律,阐释了含软弱夹层顶板沿空掘巷失稳主要原因,结合顶板支护载荷和煤柱支撑载荷下的悬臂梁力学模型,对含软弱夹层顶板控制要点进行分析,进而提出离层控制方法.结果表明:随着软弱夹层厚度和层数增加,对组合体力学特性劣化影响逐渐变大,软弱夹层位于低位时对组合体试件的劣化影响强于高位,组合体试件破裂均由软弱夹层产生,并随着层厚、层数和层位的不同呈现差异化破裂发育特征.沿空掘巷后主剪切破裂带由顶板左肩角产生并与软弱夹层邻近岩层破裂区相互连接,导致软弱夹层离层严重,主剪切破裂带发育形态和顶板非协调变形程度随主应力偏转角度以及软弱夹层层厚、层数和层位变化,揭示了含软弱夹层顶板沿空掘巷失稳机理.推导了顶板支护载荷和煤柱支撑载荷下的巷道顶板离层解析式,发现软弱夹层在锚固区内的离层量比在锚固区外减少 79%,离层大小各主控因素影响程度及其控制优化顺序依次为煤柱支撑载荷—顶板支护载荷—顶板弹性模量.针对深部沿空掘巷含软弱夹层顶板的离层规律和控制要点,提出了"提高煤柱承载能力、减少顶板裂隙发育、增加软弱夹层顶板变形协调性"的离层联合控制方法.现场离层监测显示顶板最大离层量为10 mm,表明该方法能有效控制含软弱夹层顶板离层.

    沿空掘巷深部开采软弱夹层剪切破裂带顶板离层变形协调

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    基于掘锚一体机的快速自动铺网技术研究

    胡成军李杰张坤潘格格...
    103-111页
    查看更多>>摘要：传统铺网作业高度依赖人工,不仅劳动强度大、安全隐患高,而且效率低下,成为制约采掘平衡的重要因素.为实现煤矿井下机器人标准化铺网,通过引入自动化、智能化技术,提升铺网作业效率,减轻工人劳动负荷,增强作业安全性,进而促进煤矿生产的高效、绿色、可持续发展.研究采取了仿真与试验相结合的方法,基于井下特殊环境和作业特点,设计了一种辅助掘锚一体机铺网作业的遥控机械手结构.该结构采用七轴关节型机械臂,搭配顶部抓手,以实现锚网的多角度、高精度铺设.此外,利用先进的计算机仿真技术,对机械臂的动力学性能、运动轨迹规划及受力特点进行分析,通过迭代优化机械臂的结构设计和控制算法,确保其在复杂井下环境中的稳定性和可靠性.同时,针对机械臂的运动控制,开发了一套自适应调整策略,使机械臂能够根据实际工况(如巷道形状、锚网材质等)自动调整运动参数,实现精准、高效的铺网作业.结果表明:自动化铺网设备显著提高了铺网作业的效率,相较于传统人工铺网方式,效率提升超过 20%.通过自动化作业,实现了减员 33%以上的目标,有效缓解了煤矿井下人力资源紧张的问题.大幅降低了工人的劳动强度,减少了高难度登高作业,降低了工伤风险,劳动强度降低超过 80%.同时,自动化铺网过程减少了人为操作失误的可能性,显著提升了作业安全性.未来,随着技术的不断迭代和完善,该技术有望在煤矿智能化建设中发挥更加重要的作用,推动煤矿生产向更加安全、绿色、高效的方向发展.

    自动铺网遥控机械臂运动轨迹规划锚固技术自适应调整

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    冲击地压煤层智能开采关键技术研究与实践

    祁和刚夏永学智宝岩秦子晗...
    112-124页
    查看更多>>摘要：如何实现深部冲击地压煤层智能安全高效开采是煤炭开采面临的一项重大工程技术难题.该问题的核心内涵在于冲击地压煤层开采的智能化、无人化和本质安全化,通过煤岩冲击风险的智能精准感知与预警,以及采掘工程的自适应与自优化,形成智能防冲控采技术,实现由工程致灾向工程防灾、工程减灾的根本转变.通过开采源头设计、顶板区域压裂、局部靶向治理、强化巷道支护等措施为冲击地压煤层安全高效开采创造低应力环境和巷道安全空间.在此基础上,开发融合静态地质、动态监测、工况环境、人员定位、生产组织、历史数据等信息的大数据分析软件平台,以及融合冲击地压决策信息的智能化开采控制系统,将防冲信息源转化为智能开采控制源,形成了"低压快推,中压慢采,高压停产"的柔性智能推采新模式.通过现场应用表明,在智能防冲控采区,工作面及巷道矿压显现程度更小,煤岩能量释放更稳定,有利于冲击产能的合理释放.

    冲击地压智能控采区域卸压靶向防范风险感知

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