地基稳定性直接决定了采煤沉陷区光伏电站项目的可行性和运行长久性, 以采煤沉陷区光伏电站建设项目为背景, 按照地表变形敏感程度将建(构)筑物分为三类, 归纳了地基沉降变形的主要来源, 确定了采煤沉陷区建设光伏电站工程荷载影响深度, 融合土力学分析法与概率积分法计算了光伏电站累计沉降变形, 并分别采用现行规范和非线性模糊综合评价法开展了地基稳定性分析, 最后指出了两种地基稳定性分析方法对光伏电站在采煤沉陷区建设的适用条件。结果表明: 荷载影响深度判别标准的选取应依据设施结构抗变形能力与采空区赋存条件综合选取, 高耸构筑物及复杂采空区地基宜用高判别标准; 土力学分析法和概率积分法计算的光伏电站建设沉降量分别为164.2mm、1291.8mm, 该工程地基沉降主要为采空区地表残余变形; 现行规范与非线性模糊综合评价法均适用于面状对象, 但对于高压输电线塔等点状对象, 后者更加适用; 非线性模糊综合评价结果与现场实际更为一致, 证明该方法可有效评价采煤沉陷区光伏电站地基稳定性。

 为了提升塔拉壕矿井生产能力, 依据矿井现场地质条件, 论述了塔拉壕矿井基本情况, 并分别从工业场地选择、地形利用、开拓方式、井筒支护、辅助运输、巷道布置、永磁电机应用、工作面产量等8个方面对矿井进行了优化设计, 研究应用了1个钻孔向多层巷道下料、掘锚一体机软岩应用、三软地层长距离工作面巷道支护等技术, 给出了三软地层矿井生产能力提高的途径和决定参数, 为今后同类型矿井建设和优化设计提供了宝贵经验。

针对义桥煤矿建筑物下压煤开采、地面矸石处理困难等问题, 通过理论分析、方案比较、设备选型等方法, 提出了井下矸石智能分选后不升井方案, 研究了井下矸石充填开采技术, 选择了合适的分选及充填设备, 确定了密实胶结充填材料采用水泥、粉煤灰、水、矸石, 其配比为1∶1∶2.57∶20, 充填体强度大于2.98 MPa, 充填工作面生产能力为13万t/a, 形成了一整套“井下矸石不升井‘采选充’ 一体化” 开采系统, 工程应用表明, 该系统满足了矿井建筑物下压煤开采要求, 解放了建筑物下压煤资源量, 消化了矿井矸石, 实现了义桥煤矿绿色开采的要求。

为了实现矿井矸石不上井、提高主井净提升能力, 设计将TDS智能矸选系统布置在井下, 分析了TDS智能矸选系统的运行规律, 研究其矸选巷道及硐室群布置形式, 并对其平面布置、竖向布置进行详细论述, 给出了TDS智能矸选巷道及硐室群支护方式和支护参数。在此基础上, 结合三河口矿井生产系统实际情况, 对井下TDS 智能矸选系统巷道及硐室群布置进行了设计, 为类似矿井井下TDS 智能矸选系统设计提供参考。

针对协庄煤矿现有煤炭资源赋存、开拓开采现状、后组煤开采需求, 根据山东省内千米以深煤炭资源限制开采的相关政策, 对矿井千米以浅区域提出“ 混合立井+暗斜井+水平大巷”技术改造方案, 确定了新建井筒井口位置及布置方案, 合理调整了采区划分和开拓布局, 优化了采区巷道及工作面布置, 提出了建下区域充填开采技术, 并对运输、通风、排水、供电等主要生产系统进行优化改造。系统技术改造工程完成后, 可有效解决矿井生产环节多、系统复杂、安全隐患大等难题, 延长矿井服务年限, 实现矿井安全高效生产。

地下水库技术是提高西部水资源利用率、缓解矿区用水紧张的有效方案, 合理的地下水库煤柱宽度是地下水库的正常运行的重要保障。为了研究地下水库煤柱坝体的主要影响因素, 以大柳塔矿地下水库为工程背景, 对水库煤柱坝体的合理留设宽度进行了理论计算, 并从采动应力与初始地应力两者综合作用的角度确定了煤柱坝体稳定性的主要影响因素, 并分析了不同因素对煤柱坝体稳定性的影响。结果表明: 大柳塔矿地下水库煤柱坝体的合理宽度为27.01m; 工作面采高越大, 煤柱宽度越小, 则煤柱内的偏应力水平越高, 煤柱稳定性降低; 初始地应力场的侧压系数越小, 地应力角度偏离0°的范围越大, 煤柱内的偏应力水平越高, 煤柱稳定性越低。

花草滩煤矿原供热系统中燃煤锅炉现已老化、出力不足, 且不符合当前环保政策要求, 需淘汰锅炉并对原有供热系统进行改造。为了确保供暖、供热效果, 保证煤矿安全生产与节能环保, 分析了该煤矿现有余热资源及热负荷现状, 提出了一种煤矿余热资源供热系统方案, 并对该方案与电热水锅炉供热方案的投资运行费用进行了对比分析。结果表明, 预计在3.3a时, 煤矿余热资源供热系统的总投资运行费用与电热水锅炉供热系统持平, 此后每年节约运行费用67.58%。

针对长城五矿1902S回风巷大倾角倒梯形巷道机械施工难度大, 施工效率低下的问题, 结合巷道地质环境和巷道设计断面, 对掘进支护配套装备进行优化改进, 形成“大功率综掘机+单轨吊四臂液压锚杆钻车+自移机尾+小型柴油单轨吊+皮带集控” 的自动化快速掘进工艺。研究结果表明: 智能化设备和自动化工艺的使用大大减少了现场施工人员的数量, 同时该工艺有效利用巷道的上部空间, 实现掘进机与单轨吊锚杆钻车之间“上下行走, 掘支衔接” 的协同作业目标。对比于原人工风钻工艺, 新型配套快速掘进工艺可以根据顶板状况进行双排距(单排距为0.8m) 和三排距的掘进进尺施工, 日进尺从原工艺的7.8m( 双排距三班) 提高到15.6m(三排距4班), 新型配套快速掘进工艺现场应用的双排距施工月平均进尺达到368m, 三排距的施工月平均进尺达到392m, 最大提高42.03%。为解决倒梯形(倾斜顶板)等特殊断面形状巷道的快速掘进问题提供重要的参考意义。

针对回采巷道在断层和采掘扰动影响下产生非对称大变形的技术难题, 以棋盘井I030902回风巷为研究对象, 采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法, 研究了不同断层煤柱宽度下的巷道围岩应力特征、位移以及塑性区扩展规律, 分析了近断层回采巷道围岩产生非对称大变形机理,结果表明: 断层破碎带应力异常、岩体强度低、支护体系均匀承载效果差是巷道非对称变形的主要原因。结合围岩变形特征及数值模拟反演结果, 提出了一种“全锚索+注浆加固” 联合支护技术。监测结果表明: 修复后60d内, 回风巷两帮最大收敛量为182mm, 顶底板移近量最大为176mm; 工作面回采期间, 测站1^#两帮最大变形为463mm, 顶底板移近量最大为485mm, 该方案可有效改善断层区域巷道围岩应力环境, 降低围岩塑性区的发育程度, 确保回采巷道正常使用。

当前TBM 在隧道岩巷中转向仍需依靠驾驶员人为控制转角, 常常导致隧道岩巷超挖、欠挖, 严重时会导致TBM卡机。针对小直径(直径小于6m)TBM 在煤矿瓦斯抽采巷中的转弯与位姿调控问题, 提出了一种TBM位姿控制方法, 通过AMESim仿真平台与ADAMS 动力学软件搭建了TBM推进系统的联合仿真模型, 结合参数化表征抽采巷的设计轴线对推进系统使用主从控制方法, 以刀盘的倾覆角与横摆角为参变量设计PID控制器, 实现对刀盘位姿的实时控制。通过仿真分析验证了该位姿控制方法的有效性, 该方法能够较好地解决小直径TBM 在煤矿瓦斯抽采巷的转弯位姿控制问题。

为有效保护地下水资源, 减少矿坑疏排水量, 元宝山露天煤矿打破传统的疏排降水治理思路, 提出采用防渗膜垂向隐蔽铺设与抗渗混凝土浇筑充填的帷幕截水技术进行治理, 优先在矿坑东南侧+452m平盘建造了一座平面长度近3600m、有效厚度大于0.8m、墙体深度超过40m的落底式截水帷幕。经帷幕墙实体开挖、钻孔取芯、声波透射、水位分析和水量对比等多种效果检验方法验证, 帷幕墙截水效果显著, 完全解决了矿坑东南侧第四系地下水入渗问题, 保护了周边地下水资源, 同时解决了元宝山露天煤矿生态环保和经济安全等方面的难题。

针对临近断层构造带不规则工作面开采期间容易诱发严重冲击地压显现难题, 通过现场调研、理论分析、数值模拟和矿压观测相结合的方法, 对7447 不规则工作面回采期间覆岩破断特征及其诱冲机制进行了研究。结果表明: 在静载作用下宽工作面段较窄工作面段的巷道更容易发生破坏, 且临近断层构造带侧的运输平巷相较于轨道平巷更容易发生变形破坏; 宽工作面段较窄工作面段更易在采空区上方形成破坏高度更大的梯形体结构, 此时覆岩中厚硬关键层发生破断而形成剧烈动载扰动。现场支架工作阻力随工作面回采推进距离变化规律进一步揭示了不规则工作面开采诱冲机制, 为具有类似工程背景的冲击地压研究奠定了基础。

现有的卸压效果评价研究多针对于倾斜或缓倾斜煤层, 对近直立特厚煤层的适用性尚不明确, 近直立特厚煤层进行卸压爆破后其卸压效果难以判断。以乌东煤矿南采区B3+6煤层为工程背景, 结合现场监测和理论分析, 利用瞬变电磁法研究近直立特厚煤层卸压效果, 发现实施深浅孔卸压爆破和煤层注水等措施后的卸压区与未卸压区域相比, 顶板视电阻率降低50%~58.33%、煤层降低28.57%~42.86%、底板降低70%~80%。表明煤岩体裂隙发育程度增大、围岩承载载荷的能力降低, 不易发生应力集中现象, 卸压效果良好。

针对综放工作面支架-围岩耦合关系及端面冒顶问题, 运用有限元极限分析和模型试验, 研究了支架俯仰角、端面距、割煤高度及覆岩破断对端面顶板稳定性及支架-围岩耦合关系的影响, 获得了顶煤位移、支架偏载及端面冒顶演化规律。结果表明: 顶梁上方顶煤垂直位移呈中间大两端小, 水平位移由梁端向采空区方向逐渐增大, 而端面无支护区顶煤位移由煤壁向梁端降低;当顶梁俯角为3°时, 支架对顶煤提供水平支撑力, 顶煤位移更均匀, 支架偏载情况更好; 端面距和割煤高度均与端面顶板稳定性呈负相关; 覆岩回转破断会恶化支架-围岩耦合关系, 降低支架支护效果, 导致端面冒顶。因此, 综放工作面应合理调整支架位态及割煤高度, 尽量减小端面距。

 为探索青龙寺煤矿地质采矿条件下的垮落带和导水裂缝带发育高度, 采用现场地面钻探、钻孔漏失量观测法、彩色钻孔电视成像技术、经验公式、类比分析综合研究方法, 对5-20101与5-20105工作面覆岩垮落带、导水裂缝带高度进行实测及特殊性分析。结果表明: 青龙寺煤矿地质采矿条件下垮落带最大高度为9.7~17.0m, 垮采比为4.1~7.4; 导水裂缝带发育最大高度为41.47~46.87 m, 裂采比为17.4~20.4; 工作面推进速度可影响上覆岩层的回转角度及稳定结构的形成, 高强度快速推进综采工作面地质采矿条件下的“两带” 发育高度具有垮落带、导水裂缝带发育高度大的特点。

为了充分发挥黑岱沟露天煤矿抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺优势, 实现持续、稳定、高效开采。以工艺系统推进度一致为原则, 建立了综合开采工艺生产能力与原煤产能关系模型。在此基础上, 通过深入分析抛掷爆破台阶高度、拉斗铲扩展平台高度与原煤产能间的制约关系, 建立了拉斗铲倒堆系统生产能力、抛掷爆破台阶高度、拉斗铲扩展平台高度与原煤产能关系模型, 并以此保障抛掷爆破有效抛掷率、充分发挥抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺系统生产能力。结果表明: 在抛掷爆破台阶高度45m条件下, 拉斗铲扩展平台高度13~16m时, 黑岱沟露天煤矿拉斗铲倒堆作业区可实现原煤产能2462万~2799万t/a, 若南部500m单斗—卡车作业区正常推进, 全矿可实现原煤产能3400万t/ a。

为延长刮板输送机中部槽的使用寿命, 研究了在不增加硬度的前提下提高材料耐磨性的方法。通过在常规耐磨钢板材料中添加一定量的钛、碳等元素, 经冶炼、轧制、热处理等工艺后, 在常规马氏体基体中弥散大量微米级的TiC 硬质颗粒, 该颗粒改变了钢板的抗磨机理, 在煤矸石、石英砂等磨料磨损钢板时, TiC 颗粒阻碍了磨削犁沟的形成或变浅犁沟深度, 进而减少磨料对钢板的磨损, 实现在不增加设备加工成本的基础上延长设备运行寿命。单一测试和同工况对比测试结果表明: 配套新型耐磨板的刮板输送机中板百万吨过煤磨损量较常规减少1/3以上, 耐磨性显著优于同硬度等级进口材料, 为提升刮板输送设备可靠性、实现煤炭资源安全高效开采提供了坚实的技术支撑。

为进一步加强传统采矿工程与新一代信息技术的不断深入融合发展, 构建安全、智能、绿色、高效的煤矿, 以张家峁煤矿为例介绍了智慧煤矿巨系统关键技术装备研发与示范矿井建设。以智慧煤矿总体规划及综合管理操作平台设计、智能化无人生产系统、智能化巷道掘进系统、环境感知及辅助系统、智能场区建设等为主线, 进行张家峁智慧煤矿巨系统的建设。通过对煤矿5G移动通信技术, 透明矿山三维管控平台关键技术, 煤矿生产危险源分析预测技术, 矿山采掘接续一张图集成技术, 智能化无人工作面协同控制技术, 环境感知及一通三防智能化技术等关键技术的应用解决了信息孤岛, 提升了智能化采掘能力, 提高了数据驱动决策, 实现了矿区全域多源数据深度融合, 生产效能、安全态势与业务流程协同优化的多维场景平衡综合分析决策, 形成矿区智能化管理、高效协同运行新体系。

基于2016—2022年我国的煤矿事故统计数据, 从事故等级、类型、时空分布以及事故致因4M 理论四个角度分析我国煤矿事故发生规律。结果表明: 煤矿事故的重点为降低一般事故发生率和重大事故死亡率; 顶板和运输事故是控制事故总量的关键, 瓦斯和水害事故是控制死亡人数的关键; 山西等能源大省发生事故较多, 地质构造复杂的南方省份较易发生重特大事故; 井下作业地点事故预防的重点是巷道、采煤工作面和采空区; 7—8月份发生事故最多, 10—12月份死亡人数最多; 8∶00—16∶00事故发生频繁, 22∶00—2∶00和10∶00—12∶00较易发生重特大事故; 违章作业等人的不安全行为是导致事故发生的主要原因。统计分析事故发生规律旨在为煤炭企业安全生产提供借鉴, 预防煤矿事故发生。

为研究锚杆预紧扭矩与预紧力转化规律, 通过理论分析和现场试验, 系统研究了转化效率主控因素, 并基于数值模拟结果对锚杆预紧扭矩进行参数优选。研究结果表明: 同一预紧扭矩下, 随螺母与螺纹间摩擦因子、螺母与垫圈间摩擦因子增大, 锚杆预紧力均随之减小, 且减小速率呈降低趋势。对于细牙全螺纹锚杆和左旋无纵筋锚杆, 当预紧扭矩超过400N·m时, 预紧力增幅随预紧扭矩增加而变缓, 继续施加预紧扭矩获得的预紧力增量较小。锚杆直径越大, 预紧扭矩转化效率越低, 锚杆螺距越小, 预紧扭矩转化效率越高。当预紧力达到80kN时, 直径18mm细牙全螺纹锚杆和直径20mm左旋无纵筋锚杆对应的预紧扭矩分别为408N·m和429 N·m。研究成果对锚杆支护理论完善及支护参数选取具有一定实用价值。

基于内蒙古双欣矿业有限公司实测资料, 利用开采沉陷理论、数值模拟等方法, 研究了浅埋深、多煤层开采地表移动规律和移动参数。对初次采动、重复采动等不同条件下的地表移动观测数据进行了总结和分析。结果表明, 浅埋深多煤层开采条件下, 地表移动的初始期和活跃期均较短, 其中地表移动初始期约0.5个月, 活跃期一般为3~6个月; 受老采空区的活化作用影响, 下层煤开采地表下沉系数、主要影响角正切明显增大, 双欣矿业浅埋深多煤层开采老采空区活化系数可取为0.045~0.13; 上覆岩层的破坏主要为剪切破坏和拉张破坏, 地表易出现地裂缝等不连续变形, 并在地表形成波浪状下沉盆地。

针对深部煤层自身高温对深部原位人工破煤技术产生的影响, 以辽宁阜新盆地的长焰煤为研究对象, 为煤样赋予多个初始温度并进行液氮循环冻融, 通过卸载后煤样表面节理宽度、整体孔隙量、单轴抗压强度的变化值, 研究煤样结构损伤的物理性质与力学性质。并建立高温煤体循环冻融力学模型, 揭示液氮循环冻融所产生的温度应力对不同初始温度煤样结构损伤的作用机理。结果表明: 不同初始温度煤样在经过液氮循环冻融后, 煤样整体结构均有不同程度损伤, 初始温度越高, 产生的温度应力越大, 煤样物理性质与力学性质的劣化程度也越大, 宏观破坏周期越短。

为了解决煤矿用钢丝绳缺损在线实时检测问题, 进一步提高矿用钢丝绳缺损检测的灵活性及准确度, 开展了图像法矿用钢丝绳缺损检测的研究。利用摄像机对钢丝绳入井前段采样, 提出一种基于YOLO v5的物体表面小缺陷检测模型, 实现了钢丝绳外部小缺陷的精准检测。引入迁移学习方法, 进一步提升了小样本训练的模型精度。经过大量实验表明, 在钢丝绳缺损检测中, 该模型的平均正确率及准确率均值较修改前有明显提升, 且能够保证检测速度保持在实时水平。

针对液压缸长期在重载和交变载荷下运行, 极易产生各种疲劳损伤, 严重时引起缸体焊缝开裂, 甚至引发爆缸的问题, 对液压支架缸体焊缝检测方法进行了研究。由于焊缝表面不平整, 声波垂直入射耦合效果差, 将换能器安装在楔块上使得声波斜入射对焊缝进行检测。根据射线声学理论和Snell 原理, 确定超声波在楔块和工件中的传播路径, 得到了楔块条件下超声相控阵延时法则计算公式。对楔块条件下单阵元空间脉冲响应进行延时叠加, 得到了超声相控阵的空间声压模型, 仿真得到了不同偏转角度时的声轴线声压, 分析了在不同偏转角度下超声相控阵换能器辐射声场的特性。对含人工缺陷的焊缝试块进行相控阵实验, 能发现不同位置的缺陷, 对ZY9200/25/50D型液压支架缸体环焊缝进行现场检测, 从相控阵图像上可以直接得到缺陷的位置和尺寸, 通过声场仿真可为制定相控阵检测工艺参数提供指导。

为提高煤与矸石分选的自动化与智能化程度, 针对煤与矸石在线识别的过程中, 图像特征值需人工选取且模型鲁棒性差的问题, 以现场采集的煤与矸石原始图像作为输入, 建立了一种基于卷积神经网络的煤与矸石图像识别模型。通过反卷积对卷积神经网络进行可视化处理, 分析了卷积神经网络提取煤与矸石图像特征的过程, 并以此为基础在卷积神经网络中设置小波变换层, 利用Biorthogonal小波对原始图像进行分解, 将高频系数与原始图像结合后进行卷积操作, 优化了模型的识别效果。结果表明: 该识别模型能够对煤与矸石图像进行有效识别, 设置小波变换层能够提升网络训练效率与识别准确率, 且小波变换第二层高频系数与原始图像结合输入卷积层时, 网络模型效果最优。在不同光照条件下, 相比于传统识别模型, 该模型有更好的适应能力, 对测试集的识别准确率达到93%。

低阶动力煤包含较多细粒级和黏土矿物, 导致其煤泥过滤难度增加。选用阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为助滤剂强化煤泥过滤, 并利用低场核磁共振技术检测滤饼孔隙变化, 采用Zeta 电位仪、聚焦束反射测量仪、接触角测量仪、表面张力仪和X射线光电子能谱表征煤颗粒和滤液性质。结果表明, 助滤剂提高了过滤速率并降低了滤饼水分;CTAB能够显著提高煤表面疏水性、大幅降低滤液表面张力, 但仅使滤饼孔隙率提高2.65%;APAM 显著降低了颗粒Zeta电位, 将絮体尺寸增大约7~9μm, 使滤饼孔隙率提高11.65%; CTAB主要通过“润滑” 滤饼孔壁增强孔壁疏水性以促进煤泥过滤脱水, 而APAM 主要通过削弱颗粒间的静电排斥力, 促进絮体的形成以提高滤饼孔隙率强化煤泥过滤。

筛面颗粒运动直接影响筛分设备的筛分效率, 为了明确直线振动筛筛面颗粒的运动特性, 采用离散元素法(DEM)分析了不同条件下单颗粒在筛面上的运动过程及运动类型, 研究了振动方向角、振幅和频率对颗粒运动轨迹、碰撞周期和碰撞间隔的影响。研究结果表明: 振幅在10~40mm范围内, 碰撞周期和碰撞间隔随着振幅的增大逐渐增大; 频率在3~7 Hz 范围内, 碰撞周期和碰撞间隔先增大后降低, 当频率为6Hz时, 碰撞周期和碰撞间隔最大。振动方向角为20°、30°、50°, 70°时, 筛面上的颗粒存在滑动运动, 振动方向角为80°、90°时, 颗粒碰撞周期不发生变化,增大振动方向角会减小颗粒的碰撞间隔。大多数模拟情况下, 颗粒在筛面上最初的几次碰撞落点较为密集, 筛面开孔时可根据模拟结果和实际生产经验在落点密集的区域增大开孔率。

针对矿井提升系统中子系统种类多、设备类型繁杂、数据多源异构, 具有语义不同且碎片化的特点, 提出了一种基于OPC UA的数字孪生矿井提升系统信息模型构建方法。首先建立了基于OPC UA的数字孪生数据集成体系架构, 根据OPC UA建模规则构建矿井提升机系统信息模型,然后通过建模工具UaModeler生成XML描述文件, 通过搭建OPC UA服务器将信息模型结构数据与属性集映射在OPC UA地址空间。最后利用OPC UA客户端工具UaExpert 连接服务器对信息模型进行测试。结果表明: 基于OPC UA的数字孪生矿井提升系统信息模型可以实现多源异构数据的虚实映射, 获取信息模型结构与对象数据, 实时在数字孪生可视化平台上显示, 验证了信息模型的有效性, 为矿井提升数字孪生系统提供数据交互服务, 实现矿井提升系统的状态监控, 故障预警等。

为了提升采煤机摇臂齿轮故障诊断准确率、减小模型尺寸且方便部署到更多移动端与边缘设备上, 搭建了基于轻量化密集连接卷积网络( LW-DenseNet) 的采煤机摇臂齿轮故障诊断模型。采用可分离卷积代替传统卷积减少模型参数, 提高诊断效率; 通过密集连接机制增强特征传播, 加强特征提取能力。利用采煤机摇臂加载试验台采集的摇臂齿轮振动信号进行训练并验证模型的有效性。实验结果表明, 与多种诊断模型比较, 所提方法仅以0.05MB的模型大小即可达到99.276%的分类精度, 并利用凯斯西储大学轴承数据集验证了模型具有良好的泛化性。最后对关键层利用t-SNE 进行可视化表示, 清晰地展现了模型良好的特征提取性能。