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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。
正式出版
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    基于局部矿井刚度理论的煤柱冲击机理及防治

    高富强卢志国彭相愿娄金福...
    125-136页
    查看更多>>摘要：冲击地压频发严重威胁煤炭资源安全高效回收,冲击地压机理研究是预测预警和灾害防治的基础.针对某矿井应力环境稳定且未受到动载影响的条件下发生的冲击事件,引入局部矿井刚度(LMS)概念,并以该矿井冲击事件高发区域为工程背景,综合运用数值分析和现场实测等方法,分析复杂采掘布置条件下大空间尺度采掘作业过程中煤柱力学响应规律,并考察该过程中局部矿井刚度演化.指出采掘作业导致局部矿井刚度降低,煤层及其顶底板系统中能量快速积累,超过煤柱破坏所需能量,在失稳瞬间迅速释放造成煤柱冲击破坏,并对比分析随工作面推进局部矿井刚度演化与现场地音及微震实测数据.基于煤柱冲击破坏机理,结合该矿生产实际,采用大直径钻孔弱化煤体,降低冲击危险性,并以实测微震数据验证防冲效果.研究表明:①煤柱变形、载荷及弹性能量积累随采掘作业整体呈增长趋势,但LMS呈降低趋势,采出空间尺寸及其与研究区域间距离是主要影响因素,LMS对工作面回采响应程度显著大于巷道掘进,工作面回采对LMS降低显著影响范围是巷道掘进的 3.67倍,单位推进距离下LMS降幅是巷道掘进的 6.41倍.②随工作面推进LMS演化与现场地音及微震数据的良好对应关系,表明煤层回采导致LMS降低直接影响煤柱破坏方式,煤层及其顶底板系统中能量随LMS降低而快速积累,在煤柱承载能力降低时迅速释放,致使煤柱发生冲击破坏.③采用大直径钻孔弱化煤体后,微震能量及频次均显著降低,表明大直径钻孔破坏该区域煤体,降低煤柱峰后刚度,冲击危险性降低.

    煤炭开采冲击地压局部矿井刚度煤柱响应能量演化大直径钻孔防冲

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    煤层防冲卸压钻孔动载响应规律及其极限性

    潘俊锋马宏源贺海鸿闫耀东...
    137-149页
    查看更多>>摘要：冲击危险性巷道围岩遭受外界动载荷扰动,常导致冲击地压发生.为了探索煤层大直径预卸压钻孔在动载扰动条件下的防冲卸压作用,综合采用理论分析、实验室试验以及数值模拟等方法,开展煤层防冲卸压钻孔动载响应规律及其极限性研究.结果表明:大直径钻孔卸压区内的煤体形成弱结构,增大了衰减动载的能力,降低了冲击发生的可能性.低动载扰动下,孔洞裂隙扩展,声发射累计事件随着扰动周期增加呈上升趋势;较高动载扰动下,钻孔煤样损伤破裂程度加剧,声发射事件以高能量为主.随着动载能级和扰动周期增加,应力集中区、弹性高能区与钻孔之间的距离缩短,影响范围增大,围岩运动趋势增强,弹性能集聚程度增加;在低动载能级扰动下,钻孔发挥耗能卸压防冲的作用,能够维护围岩的稳定性,在高能级动载扰动驱动下,大直径钻孔防冲失效,钻孔孔壁易发生动力失稳破坏,造成围岩失稳.总体上大直径卸压钻孔存在弱化结构,能够耗能减冲,降低动载扰动程度,但在高能、高频动载扰动下,卸压钻孔围岩运动趋势增强,破裂响应程度剧烈,防冲效能存在极限性.

    冲击地压大直径卸压钻孔动载响应卸压极限性冲击地压防治

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    煤炭开采等地下工程问题的数字岩石力学解决方案

    李海涛齐庆新杜伟升张海宽...
    150-161页
    查看更多>>摘要：煤炭开采等地下工程的可观测性极为有限,导致很多复杂的工程问题难以获得可靠的事前分析依据,尤其在面临深部作业和高强度开采所带来的全新工程环境时,现有理论体系和技术方案的适用性面临着严峻的挑战.基于数字化时代的技术发展特点,提出了融合数据规律、力学逻辑和工程经验的数字岩石力学解决方案;充分利用工程数据中包含着真实工程规律的客观特点,建立了理论成果、工程经验与数据规律挖掘进行底层融合的具体模式;借助煤岩物理力学参数无损推断场景,验证了上述技术路径的可行性,实现了兼具可靠性和可解释性的数据挖掘利用.进一步构建了以煤岩物性、矿井结构和空间应力为基本要素的数字岩石力学理论体系,提出了以"工程素描—物理嵌入—业务融合—决策生成"为步骤的数字岩石力学地下工程通用作业模式,并通过在复杂工程现场的应用检验了数字岩石力学解决方案的可靠性,为煤炭开采等地下工程的数字化转型、智能化升级提供了切实可行的实现路径.

    数字岩石力学煤炭开采地下工程广义"三因素"冲击地压

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    平顶山矿区多煤层卸压立体抽采模式与工程示范

    李延河倪小明贾晋生
    162-172页
    查看更多>>摘要：平顶山矿区多煤层发育、含气层段多,仅靠井下进行瓦斯治理工程量大、难度高.为了开辟平顶山矿区瓦斯抽采新模式,达到"采一层抽多层"的目的,采用气测录井与含气量测试相结合的方法精准判识了煤系主要含气层段和含气量;采用体积法评价了东部 5对矿井采动区和采空区的煤系气资源量.基于"O"形圈理论和"防-抗-让"思想,分别优化设计了采动井、采空井的井位、层位和井身结构,构建了采动区、采空区多煤层卸压立体抽采模式并进行了工程示范.结果表明:①二1 煤层顶板 200 m范围内存在四煤组、三煤组、二1 煤层顶板 60m范围内的砂岩/泥质砂岩互层段等 3处主要含气段.平顶山矿区东部5对矿井的采动区和采空区资源量分别为26.36×108 m3 和20.00×108 m3.②采动井最佳井位为 0.17～0.28倍采长,且靠近回风巷条带区域;走向上,采动井的间距一般为80～100 m.创建了"大口径、避开岩体变形强烈区、P110梯型扣套管"的采动直井稳孔技术体系和"下行水平轨迹+提高套管强度"的采动L型水平井稳产技术体系,保证了产气通道的畅通性.采空井一般布置在距离回风巷 30～50 m的区域,完钻位置一般为二1 煤层顶板 40～60 m的范围;筛管布置在四煤段顶板至裂隙带底部.③建立了"地面采动直井/定向井-采动L型水平井-采空井"联作的卸压立体抽采模式,实现了多气源立体抽采.截至2024年4月30日,累计抽采纯量达5258.8万m3,总利用量达到3735.4万m3,率先在河南省实现了煤系气产业化开发,示范和引领带动作用显著.

    煤系气多煤层卸压立体抽采模式采动区采空区平顶山矿区

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    地质构造隐蔽致灾因素透明化勘查技术——以新疆屯宝煤矿为例

    王海军郑三龙王相业董敏涛...
    173-188页
    查看更多>>摘要：煤矿隐蔽致灾因素是制约矿井安全、高效、绿色、智能化开采的关键地质因素,透明地质是实现煤矿隐蔽致灾因素探测的重要技术手段,其中地质构造透明化勘查是重中之重.为建立适用于不同地质条件或煤矿区的地质构造隐蔽致灾因素透明化勘查技术体系,首先在对构造隐蔽致灾因素分析的基础上,提出了区域构造分析入手,地面、井下联合调查的构造隐蔽致灾因素快速排查技术体系,高效圈定矿井地质构造异常发育区、分析其分布规律;基于以往地面地质勘查钻孔资料和三维地震勘探数据初步分析全井田煤层厚度、断裂构造以及顶底板构造起伏形态;采用槽波勘探、定向钻探、超前物探、随采随掘地震、巷道快速写实等综合技术手段,对采掘工作面的地质构造逐级透明化;采用理论分析、工程类比、数值模拟、相似材料模拟、现场工程验证等方法,对地质构造类型、属性特征与煤层厚度、煤岩体结构、瓦斯涌出量、瓦斯压力、顶板矿压的相关性进行分析,研究在开采条件下采掘工作面过断裂构造不同区内的瓦斯参数、顶板/矿压灾害的响应规律,通过特征参数阈值选取实现工作面构造隐蔽致灾因素的监测和预警;利用数字化技术实现对不同地质构造及其灾害属性的数字化表达,通过建模软件实现对构造隐蔽致灾因素的三维透明化显示;构建了区域构造地质研究、隐蔽致灾因素精细勘查、致灾威胁性科学评价、地质构造透明化 4个层级的地质构造隐蔽致灾因素逐级透明化勘查技术体系,并在屯宝煤矿进行了工程实践.研究结果表明:屯宝煤矿地质构造类型复杂,不仅发育有地堑式、地垒式、雁列式、挠曲等断裂构造样式,同时发育有小型冲刷带、断层及其破碎带等;复杂地质构造是诱发矿井瓦斯突出、顶板灾害、应力集中以及矿井冲击地压显现等矿井灾害的关键性地质因素,断层对巷道应力集中的影响范围为 10～15 m,对工作面的影响范围为 20～30 m;工作面内存在瓦斯富集区,瓦斯含量与瓦斯涌出量的分布具有明显分带性,且分带性受断层的控制;煤层瓦斯的含量、瓦斯涌出量随着工作面与断层的距离变化呈现对数相关性,在距离断层 25m处出现明显增加,在大于 25m区域变化不大,在小于 25m区域随着距离的减小呈指数型增大.工作面初次来压位置前后20 m、工作面见方前后30m为中等冲击危险区域,采空区煤柱影响区、终采线前后 50 m、落差大于 4m的断层前后 30m等区域为弱冲击危险区域;冲击地压、顶板和瓦斯等多种矿井灾害的隐蔽致灾因素叠合区域为灾害防治的重点区域.研究成果实现了构造复杂区域地质构造隐蔽致灾因素与矿井灾害透明化的无缝衔接,为煤矿区传统的地质勘查向数字化、智能化的发展提供了可行的技术路径.

    煤矿安全隐蔽致灾因素地质透明化勘查地质保障技术断层智能开采透明地质

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    我国煤矿智能化综采开采技术装备应用现状与发展思考

    袁智蒋庆友庞振忠
    189-198页
    查看更多>>摘要：煤矿智能化技术是煤炭工业实现高质量发展的核心技术支撑,而煤矿智能开采技术与煤机装备是煤矿智能化建设的关键.在详细分析我国煤矿智能化建设初级阶段现状和煤矿智能化技术装备发展制约因素的基础上,剖析了采煤机自适应规划截割控制、刮板输送设备智能化综合控制、液压支架电液控制、透明工作面地质保障、工作面直线度监控、工作面人员精确定-位及主动防护、工作面AI识别监测等煤矿智能化开采技术的优势和不足,分析结果表明:煤矿智能化建设需求为高端煤机装备产业发展和产业升级带来了前所未有的机遇,现代信息技术与高端煤机装备的深度融合将革新我国煤炭的智能化生产方式,但各种技术瓶颈依旧制约着其高质量发展,距离煤矿实现"少人化、无人化"开采仍存在较大差距.煤矿智能化建设作为一项"人、机、环、管"协同的系统工程,笔者提出了由打破传统的"单兵作战"理念向秉承"有机智能协同"建设理念来破解当前技术瓶颈的建议,例如:加强高端煤机装备向新-数-智转变攻关、完善地-边-端三级垂直安全管控技术、规划感知引导装置由叠加扩充向有机融合转变、建立设备全生命周期数字化管理系统、引导单机智能向群组协同智能转变等建议,以此推动我国煤矿智能化开采煤机装备技术的高质量发展.

    智能化开采煤机装备信息化技术综采

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    超高与超长工作面高效综采关键技术及装备发展现状与展望

    李明忠赵文革闫汝瑜王家臣...
    199-209页
    查看更多>>摘要：煤炭作为我国经济发展的重要能源支撑,未来一段时间内,其在能源消费中仍将保持主导地位,随着相关技术装备的不断发展,我国部分矿井已实现单井单面产量突破千万吨,煤炭资源安全高效开发是我国未来科技发展的重要方向.依托国家重点研发计划项目"煤矿超高与超长工作面高效综采关键技术及装备",以超高与超长工作面高效开采为核心,介绍了国内外超高与超长高效综采工作面的岩层控制理论、技术与综采装备发展现状,围绕"超大开采空间全覆岩三维动态破断规律与超高煤壁失稳破坏机理""超大开采空间强矿压覆岩结构改造及其应力调控机理""多重动载作用下超高与超长综采装备群动态响应及高效智能协同作业机制"三大科学问题,开展"超大开采空间全覆岩破断运移机理及围岩协同控制理论""超大开采空间强矿压区域压裂卸压技术与装备""超高与超长工作面智能开采成套装备""超高与超长工作面装备群智能协同控制技术与装备""超高与超长工作面高效综采工程示范"5项技术攻关.实践表明,我国部分超高与超长采煤工作面已形成成套技术及装备体系,为我国地质条件较为简单的厚煤层及中厚煤层矿区煤炭资源的安全、高效、绿色开采提供了可靠保障.指出了我国超高与超长高效综采工作面理论技术与装备及其控制的发展方向.

    超大采高工作面超长工作面矿山压力与岩层控制水力压裂智能开采成套装备

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    基于矿山工业互联网的选煤厂智能管控体系设计与关键技术

    申斌学
    210-219页
    查看更多>>摘要：为实现选煤全流程自动化、数字化与智能化,构建基于矿山工业互联网的选煤厂智能管控体系,搭建了选煤厂智能管控平台并开展生产应用实践.基于选煤厂实时透视化智能管控总体设计目标,建立了包括边缘层、数据中心、矿山工业互联网平台及业务应用等内容的选煤厂智能管控平台体系,设计了数据中心、业务应用等主要模块,研究了选煤大数据治理、BIM驱动数字孪生、精细化智能分选控制等平台建设相关的关键技术,其中选煤大数据治理技术为充分发挥选煤行业的数据价值提供技术支撑,BIM驱动数字孪生技术实现选煤过程的全链条透视化智能化管理,精细化分选控制为产品煤质量提供了实时在线保障,最终建成具有管理体系标准化、业务流程一体化、数据融合协同化的智能管控、快速决策与分析的选煤厂智能管控平台.平台基于矿山工业互联网技术打通生产管理、安全监测、生产控制与辅助决策等系统,对生产过程进行实时透视化监控、调度和控制,实现生产计划的执行、资源的优化配置,并通过下峪口选煤厂进行智能化管控实践,验证了其在选煤全流程智能感知、辅助决策与精准控制等方面的成效,在提高精煤产品质量和精煤回收率的同时,降低了生产成本、人力成本,减少了停机事故.

    选煤厂智能管控矿山工业互联网数据中心数字孪生精细化分选

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    基于无线电磁传输的防冲钻孔机器人钻进轨迹随钻测量方法

    王忠宾司垒顾进恒魏东...
    220-237页
    查看更多>>摘要：防冲钻孔机器人是高地应力矿井实现无人化卸压的必要装备,研发可靠的钻进轨迹随钻测量系统是保障钻孔卸压效果的重要措施.为此,在分析钻进轨迹算随钻测量基本原理的基础上,研制了基于无线电磁传输技术的钻进轨迹随钻测量钻杆;分析了不同电磁信号调制方式的频谱效益和抗噪声性能,设计了钻杆姿态信号的频移键控(FSK)调制和解调流程,进而开发了先放大后滤波的微弱信号调理系统,设计了相应的功能电路,并基于Multisim软件对其进行了测试,各电路模块满足设计要求.对比分析了 5种轨迹解算算法的精度和执行效率,选择了均角全距法进行钻进轨迹解算,研究了基于小波滤波的惯性测量单元测量数据振动误差处理方法,验证了小波滤波算法对于提高姿态角解算精度的有效性.提出了基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法,并开展了地面试验与井下试验.试验结果表明:所设计的微弱信号调理系统可以实现煤矿井下微弱信号的接收与处理,基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法可以提高钻进轨迹的拟合精度.

    防冲钻孔机器人随钻测量无线电磁传输钻进轨迹解算微弱信号调理

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    综采工作面分布式蓄能供液系统研究及应用

    马英张德生赵叔吉张帅...
    238-247页
    查看更多>>摘要：为解决综采工作面跟机移架速度慢的问题,提出了基于蓄能器的分布式供液系统,并在柠条塔S1204工作面开展了试验应用.根据工作面的采煤工艺和产能要求确定了跟机移架速度,建立了全工作面供液系统仿真模型,对液压支架单架、双架和三架同时移架的动作过程进行模拟并分析影响移架时间的因素,结果表明:为使工作面生产能力提升到 1000万t/a,中部液压支架跟机速度要达到 12 m/min以上,需采用双架或三架成组移架来满足其移架时间的要求.为解决该工况压力波动大且易产生丢架的现象,提出在液压支架上设置"蓄能器+单向阀"的分布式蓄能稳压方案,以平衡工作面液压系统瞬时大流量供给不足与平均供液能力过剩的矛盾,并给出了基于流量补偿的蓄能器选型方法.仿真分析表明在安装分布式稳压供液系统后,双架和三架成组移架时间分别减少 6.2%和 11.5%,尤其在受到其他系统用液扰动条件下,双架成组移架时间可缩短 15%以上.井下应用结果表明,安装的分布式蓄能供液系统显著降低了成组拉架中的丢架现象,保证了采煤机运行速度达12 m/min以上;对工作面平均日进尺由 16.7刀提高到 19.8刀起到重要支撑作用,实现了常态化日进尺 22刀,达到了年产 1000万t的生产能力,研究工作为综采工作面快速成组跟机移架提供了有效解决方案.

    综采工作面液压系统快速移架分布供液蓄能器

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