为了合理确定沟底煤矿工业场地位置和井田开拓方案, 根据井田地形因素、煤层埋深因素、外运形式、基本农田因素、勘探程度等影响因素, 提出了梨园沟、大郎沟、常庄村、南庄村4个工业场地选址方案, 详细分析了4个工业场地优缺点, 最终沟底煤矿工业场地布置在梨园沟场地。同时在梨园沟场地的基础上, 提出了3个矿井开拓方案, 即: 大直径副立井（斜立混合）方案、缓坡斜井方案和立井开拓方案。经过多方案综合比选, 沟底煤矿采用大直径副立井(斜立混合)开拓方式最为合理。

结合平煤十二矿深部突出矿井的地质特点, 针对己15突出煤层需要卸压开采但不具备常规保护层的问题, 提出了近全岩保护层开采理论, 将仅含煤线厚夹矸的全岩或近全岩层设计为保护层;针对高夹矸煤一次采全高设备损坏率高的难题, 通过硬岩辅助预裂爆破软化处理工艺实现了煤岩快速截割。其次, 鉴于近全岩保护层开采过程中矸石产量大的问题, 平煤十二矿结合现场实际工况合理高效地布置了煤矸井下分选系统, 研发了适用于千米深地煤矿井下洗选一体化设备, 实现了矿山灾害防治和矿山安全高效生产。最后, 采用阻化剂对矸石进行阻化处理, 研究了井下充填工艺与方法, 形成了深部突出矿井的安全、绿色开发模式, 对我国同类矿井的开发具有一定的参考价值。

针对采用综掘机扩切眼造成围岩变形破坏严重、施工效率不高、支护成本和作业人员劳动强度高等问题, 以焦家沟煤矿5307综采工作面地质条件和开采参数为背景, 提出了掘进小断面巷道贯通工作面两巷、采煤机循环扩切眼工艺和“永久+临时” 支护的方式进行大断面开切眼施工, 并在5307综采工作面开切眼进行了现场试验。试验表明, 扩切眼期间围岩稳定性良好, 开切眼支护劳动强度降低, 施工效率提升了37.5%, 作业人员减少了33.0%, 取得了显著的安全和经济效益。

针对目前现场天轮组轴承润滑采用人工加油的静态润滑模式, 存在着润滑周期长、润滑效果难以保证, 易导致轴承局部磨损加剧、使用寿命缩短的问题, 为了降低天轮组故障的发生率, 根据天轮组轴承的润滑机理和润滑现状, 确定了天轮组轴承润滑系统需要具备的功能。在此基础上设计了具有游动轮润滑、滚动轴承润滑、废脂回收功能的天轮组轴承润滑系统, 并根据现场实验数据提出了基于Turkey 的自适应阈值方法判断轴承润滑状态, 实现轴承润滑周期和润滑量的自适应调节。最后进行润滑系统的现场应用研究, 结果表明所构建的润滑系统可以保证润滑效果的持续性和均匀性, 达到良好的润滑效果。

为了定量化评价草原区露天矿开发对草地生态系统影响, 以伊敏露天煤矿为例, 选择植被净初级生产力（NPP）指标, 采用1985—2018 年间21 期卫星遥感数据进行长时间系列的NPP 计算, 分析露天矿开采对周边草地生态系统的影响程度及排土场生态恢复效果。结果表明, 伊敏露天矿开发影响导致影响区草地NPP损失约10%~30%。随着恢复时间的增加, 排土场植被不断向自然植被演替, NPP也不断增加并趋于稳定, 稳定后的外排土场NPP已达到未受影响区历年NPP 均值的90%左右, 植被生产力接近自然植被生产力水平。但恢复时间较短的内排土场、北外排土场NPP均值仅达到未受影响区历年NPP 均值的50%左右。露天矿生态重建与恢复是一个长期过程, 外排土场的植被演替达到稳定状态需要20年以上, 必须与露天开采活动同步推进, 并长期坚持。

为了实现地面大直径救援井安全透巷, 在大直径井覆盖层和基岩层常规泥浆正循环、多级扩孔钻进基础上, 研究了影响大直径救援井干孔透巷因素, 主要包括反循环环空压力控制、反循环透巷遇强-弱含水层、透巷段预留安全距离及高效固完井方式。通过重点分析预留透巷段干孔透巷钻进技术原理、干孔透巷反循环装置、透巷分段排浆排渣钻进、安全透巷工艺、透巷位置选择及透巷距离确定, 形成了一整套针对大直径干孔透巷高效钻进关键技术体系, 实践验证效果良好,为地面大直径救援井干孔透巷钻进提供了技术支撑。

针对锚喷支护在用于反井成井支护时, 存在由于未区分不同地层的支护需求而存在设计保守、安全系数过高的问题, 可利用数值模拟方法确定立井不同深度断面围岩支护前后的应力、位移改善程度, 利用立井围岩受力特性对支护设计进行验证和优化。基于安平煤业矿区新增回风立井工程, 建立了井筒支护三维有限元模型, 以应力和位移指标对开挖直径为5.3m, 深132m的基岩段反井井壁进行了稳定性分析、支护效果分析及支护方案优化。结果显示锚喷支护后立井围岩的水平位移改善程度最大可达51.37%, 围岩最大主应力由拉应力变为压应力, 锚杆与混凝土在不同岩层中发挥的支挡作用效果不同, 围岩强度高和稳定性好的区段单独喷射混凝土支护即可达到联合支护的效果, 因此可根据实际情况选择和优化支护方式。最后将数值计算结果与工程实测结果进行对比, 验证了有限元分析在立井围岩锚喷支护分析中的可靠性。

为了实现开滦矿区深埋且上覆采空区条件下拱形煤巷快速掘进, 针对东欢坨煤矿9煤采用理论分析、数值模拟、设备改造及施工工艺优化的方法, 对拱形巷道最大空顶距、空顶区围岩稳定性、快速掘进配套设备及工艺展开研究。研究成果: 基于薄壳理论, 建立拱形巷道顶盖柱壳力学模型, 采用无矩理论假设及最大拉应力破坏准则, 推导得出拱形顶板最大空顶距计算公式, 分析得到巷道宽度、抗拉强度、埋深及拱高对最大空顶距的影响规律及权重, 并确定理论最大空顶距为2.4m。数值模拟发现, 空顶距2m左右时巷道无拉伸破坏, 空顶距大于4m后巷道两帮产生拉伸破坏, 因此数值计算的最大空顶距在2~3m之间; 适当增大空顶距有利于U型钢快速达到支护强度。改进自制机载站人平台与机载托梁器联合装置及新型长掘长支机载式临时支护装置, 解决了2.4m空顶区架棚及临时支护效率低、安全性差的难题, 配合优化后的工艺流程进行现场应用, 平均月进550m以上, 从而实现快速掘进。

为解决煤矿井下煤巷掘支效率低, 掘支工艺参数选取不合理, 增加空顶区冒顶风险, 严重影响生产效率等问题, 运用理论分析、数值模拟与现场试验等方法, 结合河津腾晖煤业北翼(2-2052)巷道的地质条件, 运用岩梁理论建立了矩形巷道围岩物理力学模型, 推导了空顶区顶板的拉应力和挠度方程, 探讨了空顶距离、巷道宽度与顶板支撑强度等因素对空顶区顶板稳定性的影响, 利用FLAC 三维数值模拟软件重点分析了空顶距离对顶板的影响, 确定了的合理空顶距离。结果表明: 巷道的直接顶是掘进过程中空顶区顶板围岩稳定性的关键, 空顶区顶板在拉剪的共同作用下发生破坏,分析了不同迎头距离的顶板围岩的垂直应力状况, 并考虑到空顶区的安全系数, 综合得出极限空顶距离为4m。在试验期间内, 其顶板最大的沉降变形量为62mm, 掘进迎头空顶区顶板未发生过冒顶的现象, 整个服务期间顶板稳定性好, 其掘进速度提高了一倍, 达到了月进尺400m的良好效果。

针对吉郎德煤矿露天深孔台阶爆破根底率高等问题, 首先采用常用的钻孔超深计算方法得到了钻孔超深的合理范围, 并通过现场调查发现目前造成台阶根底率偏高的主要原因是炮孔超深过大导致岩石超挖严重, 由此提出将钻孔超深由目前的1 m 减小为0.8 m。而后在1380和1392平台进行了试验, 并利用GPS 对该试验平台进行高程测量及绘制高程3D图以评价根底率, 结果发现改进后的爆破方案取得了良好效果, 不但有效地降低了根底率, 而且减少了炸药用量和钻孔工作量。多次重复试验结果显示, 85%以上的平台均取得了良好的爆破效果, 但是对于高程较低的平台如1284西帮南区平台, 其爆破效果不甚理想, 这可能是由于随着平台高程的降低, 岩石完整性及强度提高, 进而炮孔底部夹制作用变大, 此时应加大钻孔超深。

为深入探讨保护层开采上覆遗留煤柱对工作面回采期间冲击危险性的影响, 以大佛寺煤矿40201工作面为工程背景, 采用理论分析和现场探测的方法, 研究了保护层开采上覆遗留煤柱影响区耦合断层构造及工作面见方等因素的冲击危险性。研究结果表明: 保护层开采为良好的区域防治冲击地压的方式, 40201工作面在初期回采过程中所监测到的微震事件总能量不超过104J, 总频次不超过100次, 处于较低水平, 保护层开采工作面受远场动载扰动影响小; 保护层开采上覆遗留煤柱影响区的冲击危险性相对较高, 上覆遗留煤柱内的应力集中继续向下方工作面传递, 与回采面内断层构造及见方时期带来的构造应力及顶板活动异常等因素耦合, 40201回风巷侧较运输巷侧具有更高的冲击危险性; 大佛寺矿40201工作面在保护层开采上覆遗留煤柱影响区回采时未发生灾害性冲击显现, 验证了保护层开采作为区域防冲手段的优越性。

针对深埋厚硬顶板工作面回采过程中周期来压持续距离长、超前支承压力集中系数高、动压显现强烈等问题, 以羊场湾煤矿130208工作面为研究对象, 依据关键层理论确定了目标压裂层位, 基于Hubbert -Willsi非渗透性地层破裂压力计算公式得到理论起裂压力, 选用了1.2m³ /h大流量高压泵和能实现远距定向的千米定向钻机作为压裂装备, 采用长水平孔定向水力压裂技术手段进行了区域卸压。结果表明, 该技术卸压范围大, 工作面进入压裂区域后周期来压步距明显减小、超前支承压力影响范围减小、应力集中系数降低、动载系数明显减小, 来压期间支架增阻明显减小, 指数函数增阻曲线比例明显减少, 验证了长水平孔定向水力压裂技术效果良好, 具有推广应用价值。

为了客观深入地分析我国煤矿顶板事故的规律和特点, 利用数理统计、origin 制图、显著性检验和迭代聚类分析等方法, 对2016—2022年国家煤矿监察局和煤矿安全网公布的顶板事故资料进行了分析探讨。分析表明: 江西、四川、山西三省是顶板事故发生频率最高和死亡人数最多的地区, 分别占全国的29.8%和27.1%, 应该重点防控; 违规冒险作业是导致顶板事故的主要原因, 而自然因素则会加剧事故的严重程度; 在具体时段方面, 交接班及其前后1~2h 顶板事故高发; 在时间分布上, 3、5—8 月份为事故高发月份; 中深井和深井采区顶板事故增多且占比超60%,支护方式过时及材料硬度不够造成多起事故发生, 自然因素也更为突出, 同时需加强管理人员知识学习。应对深部开采下顶板管理高度重视, 顺应智能化时代, 制定全周期式安全管理制度。

针对哈尔乌素选煤厂块煤在转载环节破碎严重的问题, 分析了脱介筛筛上和车厢样品的块煤限下率特性, 并开展了块煤跌落试验, 研究跌落高度对块煤限下率的影响规律。基于力学分析建立了块煤防破碎数学模型, 提出了块煤防破碎的技术方案, 并开展了精煤脱介筛筛前溜槽和带式输送机机头溜槽防破碎改造。改造后, 车厢块煤产品25mm限下率平均为20.31%, 较技术应用前下降16.23百分点, 块煤销售价格可提高15元/t。

为探究空间煤柱影响下冲击地压防治技术, 以唐山矿Y396、Y394工作面为背景, 采用理论分析、数值模拟、现场应用与检验相结合的研究方法, 系统分析工作面诱发冲击地压的主控因素, 确定空间煤柱影响下冲击地压防控技术, 并在现场实施后进行效果检验。研究结果表明:Y396、Y394工作面采掘期间诱发冲击地压的主控因素为上部5煤层遗留的不规则煤柱及本煤层不规则煤柱; 通过FLAC^3D软件, 得出Y394工作面在回采期间的三个异常应力升高区; 确定了主要防控区域, 实施相应的防控技术, 并通过钻屑法检验, 确定区域内冲击地压危险已消除。

针对许疃煤矿33采区南翼探水巷底鼓治理工程实际问题, 基于TRIZ理论, 采用功能组件分析、因果轴分析, 揭示了底鼓现象的原因, 采用物-场分析和技术矛盾分析, 完成了底鼓控制措施的概念性设计和优化, 最终提出了“隔水层+反拱衬砌+锚杆+聚丙烯纤维混凝土地坪” 的综合底鼓治理方案。在试验巷道完成反拱衬砌施工和现场监测, 结果表明: 施工完成后60d的底板最大隆起量小于60mm, 底鼓控制效果显著。TRIZ理论作为一种高度有效的创新方法, 扩展了巷道支护工程优化设计思路, 为类似工程设计提供了有益参考借鉴。

为了研究深部高应力巷道围岩变形和破坏特征, 通过理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法, 对不同侧压系数与不同岩性下巷道围岩的塑性区分布规律进行探究, 结果表明: 随着侧压系数的增大, 巷道围岩塑性区范围逐渐增大, 且两帮的变化速率明显较小, 使得塑性区由圆形变为椭圆形, 当侧压系数为1.8时, 顶底板处塑性区最大; 不同岩性下的巷道塑性变形区均表现为顶底板范围大, 两帮范围小的特点, 且泥岩中的塑性区范围要明显小于煤层; 通过数值模拟对比注浆加固前后巷道位移量, 结果表明注浆加固后围岩顶板与两帮位移量平均减少了28%, 现场实际应用“锚固+注浆” 联合支护后, 掘进期间巷道断面基本无变形。

为了实现对煤岩体长周期、高效率的监测预警, 利用红外辐射监测技术, 研究了红柳煤矿I010401工作面和I020308工作面运输巷在观测周期内的红外热像图、平均红外辐射温度（AIRT）和差分红外辐射温度（VSMIT）变化特征, 得到了红柳煤矿I010401工作面和I020308工作面运输巷的VSMIT判定阈值。研究成果表明, 红外辐射监测技术在现场监测应用是可行的, 可对红外辐射监测技术在矿山围岩稳定性监测的应用提供借鉴。

针对目前微震监测系统在冲击地压临震预警存在滞后性的问题, 应用地音监测系统对冲击地压进行监测, 同时进行了时间序列ARIMA 模型在数据预测方面的研究。研究采用四通道ARES-5/ E 地音监测系统进行连续数据监测, 首先对地音多通道监测数据进行数据清洗, 剔除随机与干扰数据; 然后对数据进行平稳性检验与数据差分分析; 接着建立ARIMA数据模型并对模型进行相关性估计, 识别模型参数后再对模型的有效性进行检验, 通过检验后的模型对地音数据进行预测与识别。通过对石拉乌素矿地音设备监测的长期数据进行多层次提取并预测发现, 时间序列ARIMA模型在中短期地音数据预测方面具有显著优势。

在掘进机与超前支护协同作业过程中, 为避免超前支护与掘进机发生碰撞, 要求掘进机与超前支护在各种工况下的转动角度保持在某一范围内。因此, 分析了超前支护与掘进机在协同转弯工况下的碰撞情况, 并根据发生碰撞时的几何关系, 建立了超前支护与掘进机转动一角度后的移动步长数学模型, 推导该步长的计算公式。并以最大移动步长为指标, 研究了避免干涉前提下设备转角对移动步长的影响规律。研究表明: 当仅掘进机转向移动时, 掘进机的转角越大, 可移动的范围越小; 当掘进机铲板滞后于超前支护且超前支护先转向进给时, 设备转角越小掘进机的最大移动距离越大; 当掘进机铲板超前于超前支护且掘进机先转向进给时, 设备转角越小超前支护的最大进给距离越大。

为了进一步改善矿用电机作为动力源时的可靠性和控制性能, 研究了使用永磁同步电机来代替传统矿用泵中的异步电机, 为了保证电机在矿井中安全长效运行, 提出了一种新型不连续脉冲宽度调制技术, 该技术可降低开关器件损耗, 同时保证其控制性能。在电机的控制策略中, 使用改进模型预测电流控制, 并在价值函数中引入转速预测误差, 优化了预测控制的性能, 使用DPWM3算法降低了开关次数; 考虑到提高转矩控制特性, 引入了扩张状态观测器观测负载转矩,进一步提高了系统转矩控制特性。最后, 通过仿真和实验证明了所提出方法, 相比较传统的预测控制方法, 在速度响应、开关次数、转矩控制、电流谐波方面有了改善。

为了进一步提高煤矿水仓清仓机螺旋集泥装置的性能, 利用EDEM软件建立了集泥仿真模型, 探究了在转速固定传动比不同时集泥装置螺旋铰刀的转矩变化趋势和集料效果, 并对得到的数据进行了拟合。结果表明, 随着传动比不断增大, 单位时间内物料的运送质量也在不断增大,其散点分布近似为一条二次曲线。同时对比不同螺旋铰刀转矩, 发现后端螺旋铰刀所受转矩显著高于前端螺旋铰刀, 且无明显变化规律, 而前端螺旋铰刀转矩在一定范围内随传动比的增加逐渐减小, 在传动比为1∶1.1 时达到最小。

为强化煤层异常体的探测识别, 文章利用时域有限差分法(FDTD) 建立了煤层二维空间磁场(TM)模型, 通过正演模拟计算和理论分析, 研究了电磁波在煤层中的传播规律。研究结果表明: 不同形状和不同填充介质的煤层异常体正演模拟结果虽都表现为双曲线, 但双曲线之间存在明显差异, 这些差异可作为识别煤层异常体形状和填充介质的条件; 煤层异常体的埋深和垂直距离可通过双曲线顶点的双程旅行时间来获得, 但断层破碎带和陷落柱异常体的底部反射不明显, 无法准确获得其垂直距离。研究结果可为实际煤层探测数据和信息提取提供参考依据。

为了研究裂隙砂岩的能量转化特征及倾角效应, 开展了含裂隙砂岩单轴压缩试验, 研究了全应力-应变过程中能量转化特征, 探讨了能量转化与试件渐进破坏过程的对应关系及裂隙倾角对能量转化影响。结果表明: 不同预制裂隙试件的能量转化呈现明显的阶段特征, 以耗散能转化率为例, 其经历了先线性下降、再缓慢降低、后近似稳定发展、再缓慢增加、直至峰值应力处突增等五个阶段, 与试件变形破裂演化过程一致, 用耗散能转化率确定的损伤应力σ_cd与AE振铃计数确定的值较为一致。随预制裂隙角度的增加, σ_cd处的输入能、弹性应变能和耗散能呈近似线性增加, 起裂应力σ_ci和闭合应力σ_cc处的三种能量呈相对平缓的增长趋势。不同预制裂隙倾角试件在σ_cd处的能量转化较为稳定, 表现为σ_cd处耗散能转化率与σ_ci处的差异较小, 即σ_cd处能量参数及转化关系能用于表征岩石变形破裂演化特征。

了解并测量矿工安全责任追究压力可为煤矿责任追究制度的建立提供方向。文章以矿工为研究对象, 遵循量表开发的程序, 基于相关文献以及矿工的访谈结果, 界定了矿工安全责任追究压力的内涵和维度, 开发并验证了测量量表。研究结果表明, 矿工安全责任追究压力包含5个维度, 分别是消极情绪、经济压力、环境压力、职业发展压力和人际关系压力, 其中经济压力是矿工安全责任追究压力的主要来源。文章根据研究结果开发的矿工安全责任追究压力的测量工具, 为后续进一步探究该构念奠定了基础。

安家岭露天煤矿东帮工作面面临靠近开采边界的问题, 为了掌握爆破振动传播规律以及对周围建筑物的影响, 采用TC-4850爆破测振仪进行监测。对监测数据采用线性回归分析方法,计算出K 和α值, 得到了质点峰值振速的衰减规律公式, 并通过预测值与实测值进行比较, 验证了公式的可靠性。通过引入安全保证系数并结合《爆破安全规程》中对一般民用建筑的振速允许值计算安全允许距离, 得出三方向安全允许距离与最大单段药量的关系分别为Rx = 28.484Q^1/3, Ry =27.513Q^1/3, Rz =27.791Q^1/3。

由于煤质的波动, 配煤是一个在不确定条件下的优化问题。针对目前铁路快速定量装车系统给煤模式单一, 配煤精度低, 配煤速度慢的问题, 提出了一种基于BP神经网络的快速定量配煤方法, 通过构建BP神经网络结构、选择合适的激活函数, 得到优化的配煤模型。研究结果表明, 该方法在加快配煤速度的同时提高了配煤精度, 有效提高了矿山企业装快速定量装车系统的工作效率。

为研究矸石破碎后粒度差异对矸石组分分布的影响, 以麻黄梁煤矿矸石为研究对象,通过筛分、研磨、化学成分测试等手段, 研究了矸石经过颚式破碎后的粒径分布规律及不同排矿口宽度和粒度条件下主要化学成分变化情况。结果表明: 随着排矿口宽度增大, 矸石粒径分布模型中特征粒径具有对数上升趋势, 均匀性指数具有指数下降趋势。各粒径的矸石成分组成也随粒度发生变化: 随着排矿口宽度增加, 各成分的分配率受影响程度不一, 含CaO 和MgO的矸石颗粒, 在粗粒级产品中富集; 含Fe₂O₃的颗粒逐渐由细粒级向粗粒级集中; 含有Al₂O₃, SiO₂, C 的颗粒更易破碎并在细粒级产品中富集。且随着矸石颗粒粒度的增大, 各成分的分配率表现为先上升再下降的规律, 富集比随粒度变化的趋势符合y=a+b×c^x 形式。

为减轻蓄电池框架车自重, 以使车辆有更好的续航能力, 本研究对蓄电池框架车进行了系统分析, 对整车受力进行了理论计算, 并建立了动力学仿真虚拟样机, 进行了6种工况的仿真分析, 计算与仿真结果相近。然后, 选取关键元部件受力最大的满载过坑工况作为静力学分析基础, 在有限元分析软件中对关键零部件进行静力学分析, 将动力学获取的受力范围, 合理地添加在模型中, 进行了铰接销轴与摆动梁的静力学强度校核, 结果均小于其许用应力, 满足使用要求。最后对铰接销轴与摆动梁进行可靠性定量分析, 结果均满足失效概率为1×10^-5的指标要求。