特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理

针对厚煤层综采(放)开采过程中遇到的技术难题,提出了大采高综采(放)开采面临的3个科学问题,建立了基于技术经济分析的厚煤层开采方法适应性评价指标体系与评价模型。基于液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合原理,建立了液压支架与围岩的耦合动力学模型及煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型,提出了大采高综采(放)液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法。基于大采高综放工作面顶煤冒放性与煤壁稳定性控制的矛盾,提出了增大液压支架的初撑力及优化液压支架架型结构等方法缓解2者之间的矛盾。通过开发厚煤层大采高综采(放)关键技术与装备,实现了厚煤层的安全、高效、高回采率开采。     

基于煤壁“拉裂-滑移”力学模型的支架护帮结构分析

针对坚硬厚煤层大采高综采工作面极易发生煤壁片帮的问题,以红柳林煤矿7.0 m大采高综采实践为基础,分析了煤壁片帮的应力路径效应,将硬煤煤壁片帮细分为拉裂破坏与滑移失稳两个阶段,建立了坚硬厚煤层煤壁片帮的拉裂-滑移力学模型,得出了煤壁的拉裂破坏深度、宽度与煤体强度、开采高度的关系及液压支架应具有的"临界护帮力",分析对比了2种液压支架护帮装置的结构特点与力学特性。研究结果表明,煤体发生拉裂破坏只是煤壁片帮的必要非充分条件,煤壁最终是否发生片帮,还取决于拉裂破坏体在液压支架与矿山压力作用下是否发生滑移失稳。液压支架很难抑制煤壁发生拉裂破坏,但可以有效防止拉裂破坏体发生滑移失稳。液压支架护帮装置采用伸缩梁与护帮板分开结构设计,具有对煤壁的支护作用力大、结构强度与可靠性高等显著优点。     

8.2m超大采高综采成套装备研制及应用

针对6~8m厚煤层大采高一次采全厚综采技术与装备难题,以金鸡滩煤矿2-2上煤层赋存条件为基础,通过建立超大采高工作面顶板岩层断裂的"悬臂梁+砌体梁"力学模型及煤壁片帮的"拉裂-滑移"力学模型,研究了超大采高工作面顶板岩层断裂结构及煤壁片帮力学机理,研制了8.2m超大采高综采成套装备,实现了金鸡滩煤矿8.2m超大采高工作面安全、高效、高回采率开采。研究结果表明,通过液压支架与围岩的耦合动力学模型可以确定顶板岩层对液压支架的冲击动载荷,煤壁的破坏深度与开采高度、矿山压力呈正相关性,与煤体强度呈负相关性。通过设计研发大缸径抗冲击双伸缩立柱、三级协动护帮装置等新结构,提高了超大采高液压支架对围岩的适应性。通过研制大运量变频控制刮板输送机及新结构,解决了超大采高工作面瞬间煤量大、煤量变化大、片帮煤易压死刮板输送机等问题。研制了8.2m超大采高综采成套装备,设计采用"大梯度+小台阶"过渡配套方式,解决了端头煤损失问题。金鸡滩煤矿8.2m超大采高工作面日产5.7万t,月产达到150万t以上,实现了安全、高效、高回采率开采。     

液压支架三级护帮联动控制研究

针对超大采高综采工作面煤壁稳定性差、易片帮的问题，分析了典型的多级护帮结构与动作特性；归纳多级护帮联动液压系统方案，建立具备泄液回收功能的新型多级护帮液压系统；设计研发了成套护帮联动控制液压产品，创新开发了交替双向锁和泄液回收双向锁，完成联动功能高效集成；研究了基于护帮监测技术的多级护帮自动控制技术，提出大采高工作面防片帮自动控制方案。超大采高液压支架多级护帮联动控制系统集合了机械结构、液压控制、状态监测、自动控制等相关技术，有力提升了超大采高工作面整体支护水平与效率。     

7 m超大采高开采关键技术及液压支架优化设计

针对厚及特厚煤层超大采高综采因采高加大造成的矿压强、煤壁稳定性控制难问题,通过理论分析和数值模拟综合分析法,设计采用Φ530 mm大缸径立柱提高液压支架控顶效果,降低超前支承压力和顶板对煤壁的影响,通过37.5 MPa高泵压和3 500 mm护帮板等综合配合提高煤壁稳定性维护效果,通过四连杆优化设计等提高液压支架稳定性,为超大采高安全、高效开采提供了保障。     

超大采高综放工作面板裂化片帮特征及合理护帮控制

针对榆神矿区超大采高综采工作面煤壁板裂化片帮问题,基于金鸡滩煤矿超大采高综放工作面开采技术条件,采用理论分析与工程实践相结合的方法,分析了超大采高工作面煤壁板裂化片帮特征,研究了适宜的护帮板结构形式和合理护帮控制措施。发现板裂化片帮具有多种特征:板状板裂化、“洋葱皮状”板裂化、弹射型板裂化(俗称“炸帮”)和护帮板动载扰动下板裂化片帮,提出并求解了整体式和分体式护帮板承载能力曲线,将护帮板承载能力曲线作为护帮板承载性能评价指标,分别分析和对比了2种结构形式护帮板运动特性及其与煤壁结构耦合关系,从力学特性和运动学特性角度得出整体式护帮板具有承载性能优、灵活性好和结构耦合适应性强等优点,建议在满足护帮高度要求的前提下,优先选用整体式二级护帮板结构。结合工业性生产实践,对煤壁板裂化片帮特征及危害进行分析,提出并讨论了相应的煤壁板裂化片帮防治措施。分析和借鉴同一盘区相邻8.2 m超大采高一次采全厚工作面分体式三级护帮板应用情况及其对煤壁维护效果,结合7.0 m超大采高综放工作面支架-围岩结构耦合关系,认为7.0 m超大采高综放工作面宜采用整体式二级护帮板。生产实践表明:整体式二级护帮板能有效维护超大采高综放工作面煤壁稳定,便于自动化控制和工作面高效开采。     

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。     

深地煤炭资源安全高效智能化开采关键技术与实践

深地煤炭资源地质赋存复杂,智能化开采是深地资源安全、高效、绿色发展的必由之路。智能化开采成套技术与装备能否适应千米深井复杂地质环境、控制围岩稳定并驱动装备跟随煤层自动推进是影响煤炭安全高效开采、减少作业人员、降低劳动强度的关键。山东能源集团聚焦千米深井智能化开采围岩控制理论,提出了以强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合为核心的支架-围岩智能耦合关系,并形成与之相适应的智能耦合控制逻辑;为突破超大采高智能综采开采工艺及超高煤壁围岩控制技术瓶颈,提出了超大采高液压支架工作阻力“双因素控制法”,发明了三滚筒采煤机及其配套开采方法,研制了与超大采高智能综采相匹配的液压支架及配套系统;针对超大采高综放开采智能化放煤理论与围岩控制难题,提出超大采高综放支架-围岩耦合协调采放空间控制方法,创新了超大采高综放“马鞍形”开采工艺,研制了7 m超大采高智能综放开采液压支架及配套系统;研发了无反复支撑、快速循环自移的单元式超前支架,解决了回采巷道超前支护距离长、支护技术与装备适应性差的问题;开发了基于惯导和精准地质模型的智能采煤控制系统,解决了深部矿井工作面设备智能控制及困扰连续生产的难题;搭建了千米深井智能化开...     

大角度厚煤层仰采工作面煤壁稳定性研究

针对大角度厚煤层仰采工作面煤壁易于片帮的问题,以淮北矿区袁店煤矿1032工作面为工程背景,采用理论分析的方法,建立了煤壁滑动力学模型,分析了大角度厚煤层仰采工作面的煤壁片帮机制,并通过数值模拟得到煤壁水平位移场及最大破坏深度。研究结果表明:煤壁片帮深度与仰采角度和采高呈正相关,且当仰采角大于15°时,片帮加剧,采高大于3.5m时,煤壁破坏深度急剧增大;但在仰采角以及采高一定的条件下,随着工作面推进速度加快,煤壁破坏深度减小。在1032工作面采取增加液压支架实际初撑力和工作阻力,提高护帮板的使用率,降低采高,加快工作面推进速度等技术措施,煤壁稳定性得到了有效控制。     

8.5m大采高综采工作面煤壁稳定性的理论分析

大采高综采工作面片帮问题是影响高效安全开采的主要因素之一,为了研究大采高对煤壁稳定性的影响,基于上湾矿四盘区1-2煤层8.5 m大采高工作面围岩力学条件,采用压杆理论分析煤壁的挠度特征,得到煤壁容易发生片帮的位置在煤壁的中上部;并提出梯形滑块模型,在考虑摩擦力的前提下通过力学计算,得到护帮力不能小于0.251 MPa;针对8.5 m超大采高综采工作面,特别提出了采用支架增压增力复合护帮机构支护方式,护帮板长度分别为1 100、1 600、800 mm,总长度达3 500 mm,可以有效地减少工作面大块煤壁片帮现象。     

急倾斜煤层伪俯斜走向长壁工作面煤壁破坏机理

急倾斜煤层走向长壁工作面煤壁和底板容易发生破坏,严重影响工作面的正常推进。通过理论建模、底摩擦实验、数值计算等方法,研究了煤层顶板破断与冒落矸石滑动特征,揭示了不同煤层赋存和开采条件下煤壁破坏机理,并提出了防治煤壁破坏与底板滑移的具体措施。研究发现:急倾斜煤层走向长壁工作面顶板冒落的矸石会对采空区形成不同程度的充填,自下而上依次为“密实充填段”、“不均匀充填段”、“非充填段”3段,而工作面中上部区域由于充填不充分,动压现象明显,容易造成严重的煤壁片帮和底板滑移现象,支架的工况随之也会变差,成为整个工作面围岩稳定性最脆弱的区域,严重影响到工作面的安全高效生产,是采场围岩控制的重点区域;工作面底板稳定性显著影响煤壁的稳定性,实际生产中发现,在煤层赋存和开采条件不同时,煤壁破坏一般会呈现出“塑性-流动”、“挤出-滑移”、“剪切-滑移”3种破坏模式;工作面采用伪俯斜布置不仅可以显著提高煤壁和底板的稳定性,也可以有效阻止液压支架倾倒和下滑,还可以避免工作面飞矸发生,配合整体推刮板输送机和“柔性加固煤壁”等技术可以实现急倾斜煤层走向长壁工作面安全高效开采,有效解决急倾斜煤层机械化开采所面临的一系列岩层控制难题。     

New development of sets equipment technologies for coal mine long-wall face in China

Background of the development and achievement on sets equipment technologies for coal mine longwall face in China was reviewed initially. On the theoretical side, a coupling model of hydraulic support and surrounding rock, support parameters optimization and three-dimensional (3D) dynamic design method were presented. On the practical side, this paper outlined some of practical issues and discussed some relative methods and technologies. In thin seam coal longwall mining, how to lower equipment height is the first problem that should be solved. Roof pressure regularity, control of roof-fall and collapse, and hydraulic support stability were investigated preferentially in 5∼7 m coal seam longwall mining. The application of equipment for longwall mining with 5∼7 m cutting height in China was concluded. The characteristics of full-mechanized top coal caving for extra thick seam coal were presented. The automation of top-caving hydraulic support and relevant equipment have achieved important breakthrough. At the end of this paper, further development of China’s coal industry and longwall mining technologies and equipment were prospected in brief. This paper gives readers a comprehensive understanding of China’s coal mine longwall face equipment technologies. It will give help to other countries on its coal mining development.     

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。     

大采高长壁综采技术在厚煤层开采中的应用

嵩阳东升(登封)煤业有限公司15104工作面煤层平均厚5.5 m,采用大采高综采技术进行开采。通过现场实测,分析了工作面矿压显现规律,并对大采高工作面煤壁片帮与设备倾倒、下滑问题进行了探讨,在此基础上介绍了开采方法与液压支架的选型。研究表明,支架工作阻力选择合理,呈正态分布状态,能够有效控制工作面的围岩稳定。     

近浅埋煤层大采高工作面双关键层结构分析

根据实测统计分析,近浅埋煤层大采高工作面支架载荷普遍较大,且随采高增大有增加的趋势,工作面来压存在大小周期,厚度较大的等效直接顶静载是工作面支架的基本载荷。通过物理模拟实验,揭示了大采高工作面直接顶变厚和顶板结构铰接点上移的机理,提出了"等效直接顶"的定义,建立了近浅埋煤层大采高工作面顶板"双关键层"理论。近浅埋煤层大采高工作面顶板主要表现为"双关键层"结构,根据等效直接顶对采空区的充填程度,双关键层顶板结构分为"双砌体梁"和"斜台阶岩梁-砌体梁"两类,常见的是"斜台阶岩梁-砌体梁"双关键层结构。建立了双关键层顶板结构模型,揭示了工作面出现大小周期来压的机理,给出了支架初撑力和工作阻力的计算公式,可为近浅埋煤层大采高工作面顶板控制提供理论依据。     

特厚煤层大采高综放工作面覆岩结构及支架工作阻力研究

为了掌握特厚煤层大采高综放工作面的覆岩结构及支架合理工作阻力,以同忻煤矿8107工作面为研究对象,采用理论分析、现场观测的方法对特厚煤层大采高综放工作面覆岩的破断和组合形式进行了研究,建立了覆岩力学模型,得出了同忻煤矿8107工作面支架工作阻力计算式。结果表明:正常开采期间,大采高综放工作面直接顶易形成具有整体性的倒台阶组合悬臂梁结构,悬臂梁结构的破断、回转是支架—围岩互馈过程中的主要压力来源;来压期间,高位砌体梁结构与低位悬臂梁结构耦合形成“砌体梁—悬臂梁”结构,砌体梁结构的滑落失稳引起悬臂梁结构的协同回转,是大采高综放工作面强冲击来压的原因;实测8107工作面正常回采以及来压时支架工作阻力分别为26 MPa(9750 kN)和40 MPa(15000kN),与理论计算结果较为吻合;8107工作面采用的ZF15000/27.5/42型四柱低位放顶煤支架能够满足生产需求。     

厚煤层综采面覆岩破坏及控制应用研究

为了解决由于煤层的赋存及采面的快速推进使得采面覆岩的破坏程度增大、造成采面围岩的变形破坏进一步加大、工作面支架的支护难度增大等问题,通过理论分析结合现场实测等方法,对工作面支架及来压步距进行分析,得出厚煤层大采高采面覆岩破坏规律,并提出厚煤层综采覆岩控制支护方案,有效地解决厚煤层综采面的矿压显现及覆岩破坏问题。     

煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践

2030年之前我国以煤为主的能源格局难以改变,煤炭资源安全高效开采仍然面临一系列技术挑战。基于不同层位围岩破断的应力路径效应研究成果,研究了液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合作用原理,提出了液压支架适应围岩失稳的"三耦合"动态优化设计方法;针对厚煤层超大采高综采,建立了顶板岩层断裂失稳的"悬臂梁+砌体梁"力学模型,分析了"悬臂梁"破坏失稳的空间条件与力学条件。通过数值模拟方法分析了煤壁破坏的主要影响因素,得出了各影响因素对煤壁破坏的敏感度排序。研发了增容缓冲抗冲击立柱、液压支架群组协同控制系统及"大梯度+小台阶"配套方式,实现了金鸡滩煤矿8.0 m超大采高工作面安全高效开采;针对特厚煤层大采高放顶煤开采,研发了三级强扰动高效放煤机构与尾梁冲击破碎装置;针对薄煤层研发了调高范围为0.5~1.4 m的超大伸缩比液压支架,在黄陵一号煤矿实现了常态化远程监控、工作面无人操作的智能化开采。对未来需要突破的安全高效开采关键技术进行了展望,提出了稳定割煤与连续推进、高可靠性设计、综采设备机器人化及透明开采4个技术方向。