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作者

王國(guó)法1,2，龐義輝1，任懷偉1,2，馬英1,2

作者單位

1. 煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院； 2. 天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部

摘 要

　　2030年之前我國(guó)以煤為主的能源格局難以改變，煤炭資源安全高效開(kāi)采仍然面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　基于不同層位圍巖破斷的應(yīng)力路徑效應(yīng)研究成果，研究了液壓支架與圍巖的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性耦合作用原理，提出了液壓支架適應(yīng)圍巖失穩(wěn)的“三耦合”動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

　　針對(duì)厚煤層超大采高綜采，建立了頂板巖層斷裂失穩(wěn)的“懸臂梁+砌體梁”力學(xué)模型，分析了“懸臂梁”破壞失穩(wěn)的空間條件與力學(xué)條件。

　　通過(guò)數(shù)值模擬方法分析了煤壁破壞的主要影響因素，得出了各影響因素對(duì)煤壁破壞的敏感度排序。

　　研發(fā)了增容緩沖抗沖擊立柱、液壓支架群組協(xié)同控制系統(tǒng)及“大梯度+小臺(tái)階”配套方式，實(shí)現(xiàn)了金雞灘煤礦8.0 m超大采高工作面安全高效開(kāi)采.

　　針對(duì)特厚煤層大采高放頂煤開(kāi)采，研發(fā)了三級(jí)強(qiáng)擾動(dòng)高效放煤機(jī)構(gòu)與尾梁沖擊破碎裝置。

　　針對(duì)薄煤層研發(fā)了調(diào)高范圍為0.5～1.4 m的超大伸縮比液壓支架，在黃陵一號(hào)煤礦實(shí)現(xiàn)了常態(tài)化遠(yuǎn)程監(jiān)控、工作面無(wú)人操作的智能化開(kāi)采。

　　對(duì)未來(lái)需要突破的安全高效開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了展望，提出了穩(wěn)定割煤與連續(xù)推進(jìn)、高可靠性設(shè)計(jì)、綜采設(shè)備機(jī)器人化及透明開(kāi)采4個(gè)技術(shù)方向。

論文結(jié)構(gòu)

煤炭安全高效綜采理論、技術(shù)與裝備的

創(chuàng)新和實(shí)踐

1 煤炭安全高效開(kāi)采面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

2 液壓支架與圍巖耦合原理及設(shè)計(jì)方法

3 大采高綜采綜放技術(shù)與裝備

4 薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)與裝備

5 結(jié)論與展望

主要圖例

我國(guó)煤炭開(kāi)采方式產(chǎn)量組成和

百萬(wàn)噸死亡率

液壓支架動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

液壓支架群組協(xié)同控制示意

“大梯度+小臺(tái)階”過(guò)渡配套方式

薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采系統(tǒng)控制邏輯

小知識(shí)

　　“液壓支架與圍巖的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性耦合原理”提出的依據(jù)？

　　基于圍巖的應(yīng)力路徑效應(yīng)分析結(jié)果，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了液壓支架維護(hù)頂板動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的6個(gè)可控參數(shù)：頂梁梁端距、頂梁對(duì)頂板的水平作用力、頂梁合力作用點(diǎn)、護(hù)幫板的護(hù)幫力矩、液壓支架的初撐力與支護(hù)強(qiáng)度、工作面推進(jìn)速度。

　　液壓支架應(yīng)具有合理的強(qiáng)度(支護(hù)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度)，適應(yīng)頂板巖層斷裂失穩(wěn)對(duì)工作面形成的靜載與動(dòng)載沖擊。

　　液壓支架應(yīng)具有合理的剛度，通過(guò)提高液壓支架的初撐力，可以提高液壓支架與直接頂板和底板的組合剛度，從而影響頂板巖層斷裂點(diǎn)與液壓支架的相對(duì)位置，降低頂板巖層斷裂失穩(wěn)施加于液壓支架的靜、動(dòng)載荷。

　　液壓支架應(yīng)具有合理的自穩(wěn)定系統(tǒng)，以支架自身的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)，通過(guò)自身的穩(wěn)定來(lái)維護(hù)圍巖的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)。

　　基于上述原理，王國(guó)法院士團(tuán)隊(duì)提出了液壓支架與圍巖的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性耦合原理。

　　煤壁發(fā)生片幫的充要條件是什么？

　　煤層自身的物理力學(xué)參數(shù)(內(nèi)因)對(duì)煤壁破壞深度的影響程度最大，工作面開(kāi)采技術(shù)參數(shù)(外因)中開(kāi)采高度對(duì)煤壁的破壞深度影響最大，各參數(shù)對(duì)煤壁發(fā)生破壞及破壞程度影響的敏感性排序依次為煤層的內(nèi)摩擦角>黏聚力>抗拉強(qiáng)度>工作面采高>煤層埋深>液壓支架支護(hù)強(qiáng)度。

　　通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，煤壁發(fā)生破壞僅僅是煤壁片幫的必要非充分條件，煤壁發(fā)生片幫的充要條件為煤壁發(fā)生破壞，且煤壁破壞體發(fā)生失穩(wěn)。液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度雖然難以抑制煤壁發(fā)生破壞，但可以與液壓支架的護(hù)幫機(jī)構(gòu)通過(guò)協(xié)調(diào)控制抑制煤壁破壞體發(fā)生失穩(wěn)，從而降低工作面煤壁片幫事故的發(fā)生。

　　煤炭安全高效開(kāi)采未來(lái)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)有哪些?

　　(1)復(fù)雜煤層自動(dòng)穩(wěn)定割煤與連續(xù)推進(jìn)技術(shù)

　　煤層賦存條件的復(fù)雜性和安全制約因素的多樣性是綜采面臨的最大難題，煤層不穩(wěn)定、夾矸、斷層、破碎頂板等很多問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致工作面發(fā)生片幫冒頂，液壓支架倒架、扎底，刮板輸送機(jī)飄溜，采煤機(jī)截割困難，設(shè)備損壞嚴(yán)重，導(dǎo)致生產(chǎn)不連續(xù)。應(yīng)研發(fā)新的開(kāi)采工藝方法及成套裝備，適應(yīng)井下復(fù)雜的工作面生產(chǎn)條件。

　　(2)復(fù)雜工況下的設(shè)備高可靠性技術(shù)

　　研究綜采裝備關(guān)鍵元部件失效模式與故障機(jī)理，構(gòu)建裝備關(guān)鍵部件及系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)體系，完善可靠性設(shè)計(jì)，攻克關(guān)鍵元部件的材料和制造工藝，切實(shí)解決綜采裝備的可靠性問(wèn)題，特別是提高采煤機(jī)的可靠性，提高工作面綜合開(kāi)機(jī)率，為工作面自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)提供可靠保障。

　　(3)綜采設(shè)備機(jī)器人化技術(shù)

　　液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等工作面設(shè)備具備自動(dòng)感知、控制和執(zhí)行的能力，即相當(dāng)于一臺(tái)專用機(jī)器人；借用機(jī)器人技術(shù)與理論研究煤機(jī)裝備，代替人在惡劣的工況環(huán)境中工作，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)工作面無(wú)人操作的目標(biāo)。

　　(4)基于三維GIS系統(tǒng)的透明開(kāi)采技術(shù)

　　充分利用地質(zhì)探測(cè)技術(shù)，基于三維GIS建立可在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新的地質(zhì)、環(huán)境、生產(chǎn)全息信息系統(tǒng)，做到對(duì)地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力變化、瓦斯、水等開(kāi)采條件的透明化監(jiān)測(cè)；基于慣導(dǎo)、UWB等裝備導(dǎo)航及設(shè)備定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)采煤、掘進(jìn)的精確控制；同時(shí)，裝備群具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)及協(xié)調(diào)控制功能，實(shí)現(xiàn)采、掘、運(yùn)等開(kāi)采過(guò)程的實(shí)時(shí)“透明化”控制。