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作者

王國法1,2，龐義輝1，任懷偉1,2，馬英1,2

作者單位

1. 煤炭科學研究總院 開采研究分院； 2. 天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部

摘 要

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

　　基于不同層位圍巖破斷的應力路徑效應研究成果，研究了液壓支架與圍巖的強度、剛度、穩(wěn)定性耦合作用原理，提出了液壓支架適應圍巖失穩(wěn)的“三耦合”動態(tài)優(yōu)化設計方法。

　　針對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”力學模型，分析了“懸臂梁”破壞失穩(wěn)的空間條件與力學條件。

　　通過數(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+小臺階”配套方式，實現(xiàn)了金雞灘煤礦8.0 m超大采高工作面安全高效開采.

　　針對特厚煤層大采高放頂煤開采，研發(fā)了三級強擾動高效放煤機構與尾梁沖擊破碎裝置。

　　針對薄煤層研發(fā)了調高范圍為0.5～1.4 m的超大伸縮比液壓支架，在黃陵一號煤礦實現(xiàn)了常態(tài)化遠程監(jiān)控、工作面無人操作的智能化開采。

　　對未來需要突破的安全高效開采關鍵技術進行了展望，提出了穩(wěn)定割煤與連續(xù)推進、高可靠性設計、綜采設備機器人化及透明開采4個技術方向。

論文結構

煤炭安全高效綜采理論、技術與裝備的

創(chuàng)新和實踐

1 煤炭安全高效開采面臨的技術挑戰(zhàn)

2 液壓支架與圍巖耦合原理及設計方法

3 大采高綜采綜放技術與裝備

4 薄煤層自動化開采技術與裝備

5 結論與展望

主要圖例

我國煤炭開采方式產量組成和

百萬噸死亡率

液壓支架動態(tài)優(yōu)化設計過程

液壓支架群組協(xié)同控制示意

“大梯度+小臺階”過渡配套方式

薄煤層自動化開采系統(tǒng)控制邏輯

小知識

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

　　基于圍巖的應力路徑效應分析結果，通過大量現(xiàn)場觀測試驗，發(fā)現(xiàn)了液壓支架維護頂板動態(tài)失穩(wěn)的6個可控參數(shù)：頂梁梁端距、頂梁對頂板的水平作用力、頂梁合力作用點、護幫板的護幫力矩、液壓支架的初撐力與支護強度、工作面推進速度。

　　液壓支架應具有合理的強度(支護強度與結構強度)，適應頂板巖層斷裂失穩(wěn)對工作面形成的靜載與動載沖擊。

　　液壓支架應具有合理的剛度，通過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與液壓支架的相對位置，降低頂板巖層斷裂失穩(wěn)施加于液壓支架的靜、動載荷。

　　液壓支架應具有合理的自穩(wěn)定系統(tǒng)，以支架自身的穩(wěn)定性為基礎，通過自身的穩(wěn)定來維護圍巖的動態(tài)失穩(wěn)。

　　基于上述原理，王國法院士團隊提出了液壓支架與圍巖的強度、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參數(shù)(內因)對煤壁破壞深度的影響程度最大，工作面開采技術參數(shù)(外因)中開采高度對煤壁的破壞深度影響最大，各參數(shù)對煤壁發(fā)生破壞及破壞程度影響的敏感性排序依次為煤層的內摩擦角>黏聚力>抗拉強度>工作面采高>煤層埋深>液壓支架支護強度。

　　通過大量現(xiàn)場觀測發(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)。液壓支架的支護強度雖然難以抑制煤壁發(fā)生破壞，但可以與液壓支架的護幫機構通過協(xié)調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。

　　煤炭安全高效開采未來需要突破的關鍵技術有哪些?

　　(1)復雜煤層自動穩(wěn)定割煤與連續(xù)推進技術

　　煤層賦存條件的復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、破碎頂板等很多問題都會導致工作面發(fā)生片幫冒頂，液壓支架倒架、扎底，刮板輸送機飄溜，采煤機截割困難，設備損壞嚴重，導致生產不連續(xù)。應研發(fā)新的開采工藝方法及成套裝備，適應井下復雜的工作面生產條件。

　　(2)復雜工況下的設備高可靠性技術

　　研究綜采裝備關鍵元部件失效模式與故障機理，構建裝備關鍵部件及系統(tǒng)的可靠性評價體系，完善可靠性設計，攻克關鍵元部件的材料和制造工藝，切實解決綜采裝備的可靠性問題，特別是提高采煤機的可靠性，提高工作面綜合開機率，為工作面自動化連續(xù)生產提供可靠保障。

　　(3)綜采設備機器人化技術

　　液壓支架、采煤機、刮板輸送機等工作面設備具備自動感知、控制和執(zhí)行的能力，即相當于一臺專用機器人；借用機器人技術與理論研究煤機裝備，代替人在惡劣的工況環(huán)境中工作，實現(xiàn)危險工作面無人操作的目標。

　　(4)基于三維GIS系統(tǒng)的透明開采技術

　　充分利用地質探測技術，基于三維GIS建立可在線實時數(shù)據(jù)更新的地質、環(huán)境、生產全息信息系統(tǒng)，做到對地質構造、應力變化、瓦斯、水等開采條件的透明化監(jiān)測；基于慣導、UWB等裝備導航及設備定位技術實現(xiàn)采煤、掘進的精確控制；同時，裝備群具備自學習、自適應及協(xié)調控制功能，實現(xiàn)采、掘、運等開采過程的實時“透明化”控制。