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动载扰动巷道再现冲击地压模拟试验研究

采矿与岩层控制工程学报 2024年第3期6卷 53-62页

作者：杨磊高富强卢志国娄金福王晓卿中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为解决巷道冲击地压模拟试验难以再现的问题,研发了一套简便的动载扰动巷道冲击地压模拟试验系统和相应的低强度类煤岩模拟材料,并开展了验证性试验。试验结果表明:系统成功在实验室再现冲击地压,且操作简单便捷,动静载施加灵活,模型材... 详细信息

为解决巷道冲击地压模拟试验难以再现的问题,研发了一套简便的动载扰动巷道冲击地压模拟试验系统和相应的低强度类煤岩模拟材料,并开展了验证性试验。试验结果表明:系统成功在实验室再现冲击地压,且操作简单便捷,动静载施加灵活,模型材料满足需求;借助多源信息监测系统,实现了动载扰动下巷道冲击地压的全过程模拟与监测。研发的低强度类煤岩材料,以模型石膏粉、GRG石膏粉、水解树脂与水为主要原料,强度控制在6~9 MPa,制样与试验周期缩短至21 d。静态加载过程中的围岩应变与声发射信号互相吻合,能够反映模型试样经历的压密、弹性变形与微破裂发展等阶段;动载扰动对巷道围岩的变形破坏影响存在方向性,顶板的变形响应最为显著,在巷道周向产生较大的应变振荡与塑性弯曲变形,但冲击显现主要发生在巷道两帮,两次动载扰动在巷道同一区域均成功诱发了巷道的冲击地压现象,且第2次动载扰动引发的冲击显现程度趋于强烈,揭示了动载扰动对冲击发生的影响作用。研究结果表明该试验系统与模型材料稳定可靠,能够较好地模拟动载扰动下巷道的冲击失稳过程,可为研究巷道动静载组合致冲机理、动载扰动巷道的支护防控机制等提供参考。

关键词：巷道冲击地压动载扰动试验系统物理模拟试验

6~10 m厚煤层超大采高液压支架及其工作面系统自适应智能耦合控制

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 276-288页

作者：韩会军王国法许永祥张金虎雷声李艳鹏煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013 天地科技股份有限公司北京100013

厚煤层储量及产量占我国原煤总储量及产量的一半,通过梳理厚煤层开采历史沿革,总结了我国厚煤层开采40年来的技术及装备研发实践,系统分析了以高端大采高液压支架及围岩智能耦合理论为代表的6~10 m大采高综采高效智能化综采技术及装备... 详细信息

厚煤层储量及产量占我国原煤总储量及产量的一半,通过梳理厚煤层开采历史沿革,总结了我国厚煤层开采40年来的技术及装备研发实践,系统分析了以高端大采高液压支架及围岩智能耦合理论为代表的6~10 m大采高综采高效智能化综采技术及装备研究进展,提出了大采高支护理论及围岩智能耦合控制的突破是厚煤层一次开采高度突破的首要因素,完善的感知体系建立是液压支架自适应支护的前提,数字技术的应用为大采高工作面高效推进及装备智能协同控制提供了新的技术途径;阐明了大采高综放液压支架与围岩耦合关系,剖析了采高增加对硬煤层冒放性的有利影响,提出了基于煤矸识别、放煤机构控制的“纯煤段记忆放煤+煤岩分界模糊段人工反馈式干预放煤”的智能放煤控制策略;分析了大采高开采“采–运”协同智能耦合控制关键技术,构建了基于采煤机牵引速度与刮板输送机链速间联动调节的工作面装备间多机异构耦合自适应协同控制模型;研发了厚煤层开采中10 m超大采高液压支架,分析了厚煤层开采不断突破开采高度极限的新认识,从开采装备、控制系统等方面提出厚煤层一次开采高度的突破的研发方向。

关键词：厚煤层开采高端开采装备支架–围岩耦合大采高综采大采高综放

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 92-103页

作者：何杰吴拥政孙卓越李军臣煤炭科学研究总院有限公司开采研究分院北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 煤炭科学研究总院煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC-2D)和高速摄像机... 详细信息

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC-2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明:①在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力-应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快-慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹-剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。②揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律:孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地压巷道钻孔卸压机理,为冲击地压防治提供理论支持。

关键词：岩石动力学分离式霍普金森压杆孔洞力学特性能量耗散

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锚网−围岩接触面注浆充填预应力施加技术

煤炭学报 2024年第5期49卷 2222-2230页

作者：原贵阳高富强王涛李建忠王晓卿中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技... 详细信息

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技术原理;其次开展了不同规格型号金属网的网后注浆实验室试验,分别得到了主动面型预应力施加过程中锚杆受力、注浆压力、护表构件变形量及面应力演化规律;最后开展了现场工况下的顶板及两帮网后注浆试验,得到了护表构件在一定变形量前提下的面型预应力施加值,验证了网后注浆技术的适用性。研究结果表明:①金属网与煤壁之间存在间隙是导致支护系统主动支护能力差和锚杆、锚索支护失效的主控因素,围绕金属网与煤壁接触面凹凸不平的结构间隙进行注浆填充、全面封闭围岩是完善锚网支护系统的技术手段;②在金属网与围岩之间进行注浆充填可实现面型主动预应力的施加,面应力变化趋势主要分为:初始面应力恒定阶段、面应力上升阶段、面应力降低至稳定阶段;③网后注浆过程中,面应力变化趋势与注浆压力、金属网变形量紧密相关,面应力上升过程中,注浆压力、金属网变形量也随之升高;④网后注浆可缓解锚杆托盘应力集中程度,面应力上升过程中可使得应力集中的锚杆预紧力呈现出小幅度降低趋势,受力较为均匀的锚杆预紧力呈现出同步上升趋势。所得研究成果有望成为锚杆支护配套技术,为复杂困难巷道治理提供技术储备与理论参考。

关键词：锚杆支护金属网网后注浆面型预应力围岩控制

煤矿矿井建设技术与装备70余年创新发展及推广实践

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煤炭科学技术 2024年第1期52卷 65-83页

作者：刘志强宋朝阳程守业荆国业高伟李生生北京中煤矿山工程有限公司北京100013 矿山深井建设技术国家工程研究中心北京100013

比较全面地总结了新中国成立70余年来,我国煤矿矿井建设技术从引进吸收、自主发展到再创新的历程,以及在基础研究、工艺创新、技术突破、装备研制和成果转化方面取得的重要成果,涉及钻爆法、冻结法、注浆法、钻井法、沉井法等凿井技术... 详细信息

比较全面地总结了新中国成立70余年来,我国煤矿矿井建设技术从引进吸收、自主发展到再创新的历程,以及在基础研究、工艺创新、技术突破、装备研制和成果转化方面取得的重要成果,涉及钻爆法、冻结法、注浆法、钻井法、沉井法等凿井技术以及煤矿岩巷掘进技术。目前,以钻爆破岩为主的凿井配套装备机械化、自动化水平显著提高,煤矿千米级深井短段掘砌综合凿井技术趋于成熟,竖井凿井最大深度达到1 341.6 m。冻结法、注浆法等凿井地质保障技术水平显著提升,逐步代替了帷幕法、板桩法和降水法等凿井技术,竖井最大冻结深度达990 m,斜井最大冻结段斜长达681 m,采用工作面注浆建成煤矿最长斜井为5 875 m,竖井地面预注浆加固深度达1 355 m。机械破岩井巷掘进技术取得突破性进展,反井钻机最大钻井直径达6 m,最大钻井深度达562 m;竖井钻机钻井法实现了最大钻井直径10.8 m,最大钻井深度660 m,且应用范围逐步扩大;竖井掘进机钻井法实现了零的突破,为煤矿竖井智能化凿井奠定了基础;煤矿岩巷机掘法作业线已经形成,岩巷全断面掘进机平均成巷速度超400 m/月。综上,70余年来我国煤矿矿井建设技术与装备创新发展,显著提升了煤矿井巷掘进作业环境、施工效率和安全水平,实现了井巷掘进工作面无人化、自动化、全机械化作业,解决了我国煤炭开发各阶段井巷建设的难题,保障了煤矿基础建设及开采接续建设。同时,从煤矿矿井建设发展起来的技术装备和取得的成功经验,在水力发电、市政轨道交通、山岭交通隧道、引水隧道等地下工程领域得到了推广实践,为国家重点工程建设和国民经济发展做出了贡献。

关键词：矿井建设井巷工程竖井斜井机械破岩

兰炭与生物质混合燃烧对NO_(x)、SO_(2)排放及燃烧特性的影响

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洁净煤技术 2024年第3期30卷 137-144页

作者：王学文陈隆张朝张鑫刘鹏中杨石北京天地融创科技股份有限公司北京100013

生物质与兰炭掺混燃烧被认为是解决大量碳排放、NO_(x)和SO_(2)等空气污染相关问题的潜在途径。分别通过热重试验和滴管炉试验研究纯兰炭、兰炭与生物质混合物空气分级燃烧特性,分析掺混比对混合燃料着火温度、燃尽温度、结渣特性、沾... 详细信息

生物质与兰炭掺混燃烧被认为是解决大量碳排放、NO_(x)和SO_(2)等空气污染相关问题的潜在途径。分别通过热重试验和滴管炉试验研究纯兰炭、兰炭与生物质混合物空气分级燃烧特性,分析掺混比对混合燃料着火温度、燃尽温度、结渣特性、沾污特性及燃烧特性指数的影响,确定适宜空气分级燃烧比例、最佳燃烧温度和最佳掺混比。结果表明,掺烧生物质可有效降低混合燃料着火点,其着火点由474℃降至300℃,掺烧生物质后燃尽温度略降低,兰炭掺混生物质燃烧未明显提高燃烧特性指数;兰炭粉掺混生物质燃烧有高灰分沉积倾向,结渣倾向小。相比掺烧前,不同温度掺烧生物质后出口NO_(x)和SO_(2)质量浓度均较低,1 200℃出口NO_(x)和SO_(2)质量浓度降幅均较高,分别达87.27%和80.2%。未空气分级时,综合出口NO_(x)等参数得出,适宜生物质质量分数为30%~40%,最佳燃烧温度1 200~1 300℃。分级燃烧时,生物质质量分数30%的NO_(x)初始排放随温度变化平缓,稳定性好,出口NO_(x)质量浓度最低,均低于125 mg/m^(3)。研究结论可为有机固废焚烧处置设备的运行及相关燃烧工况组织调控提供一定技术支持。

关键词：掺混燃烧兰炭生物质燃烧特性空气分级

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平焰燃烧器煤/NH_(3)燃烧特性实验研究

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煤炭学报 2024年第8期49卷 3667-3676页

作者：崔名双牛芳纪任山王乃继张鑫梁兴底一王圣烨北京天地融创科技股份有限公司北京100011 国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室北京100013 陕西庆华汽车安全系统有限公司陕西西安710025

随着“碳达峰,碳中和”目标的提出,将煤与NH_(3)混燃逐步减少煤电是实现降碳的一种新途径,但煤/NH_(3)的混燃特性尚不清晰。因此,基于平焰燃烧器开展煤/NH_(3)燃烧实验,探究了掺氨比(E(NH_(3)),0~100%)、煤/NH_(3)注入方式(预混、非预混... 详细信息

随着“碳达峰,碳中和”目标的提出,将煤与NH_(3)混燃逐步减少煤电是实现降碳的一种新途径,但煤/NH_(3)的混燃特性尚不清晰。因此,基于平焰燃烧器开展煤/NH_(3)燃烧实验,探究了掺氨比(E(NH_(3)),0~100%)、煤/NH_(3)注入方式(预混、非预混)对燃烧特性的影响,采用相机、烟气分析仪,热电偶检测了火焰形态、燃烧器上方高度(Heights Above Burner,HAB)中心沿程烟气中气体组分及温度分布情况,并测定了飞灰中未燃碳的含量,得到:在燃烧初期,煤/NH_(3)争夺O_(2)的现象更明显,由于燃烧区NH_(3)燃烧产生的富水气氛,使得在预混低E(NH_(3))下,CO与OH发生反应,CO质量浓度降低,而在高E(NH_(3))下,一方面NH_(3)优先与O_(2)结合,导致大量碳不完全燃烧,另一方面,富水气氛促进了煤的气化反应,导致燃烧还原区的CO质量浓度大幅升高,最高可达19773.05 mg/Nm^(3),但此过程改变了焦炭的孔隙结构,增加了焦炭的比表面积,加快了煤粉的燃烧进程,使预混条件下飞灰残炭量由13.90%(纯煤燃烧)降低至13.44%(E(NH_(3))=80%),过早注入NH_(3)会减轻燃烧前期NH_(3)燃烧对煤粉的预热作用,降低在火焰反应区的燃烧强度;掺NH_(3)后NO_(x)排放量大幅上升,随着E(NH_(3))增加,NO_(x)先增加后降低,且NO质量浓度峰值提前,未燃NH_(3)及氧体积分数分别是影响N_(2)O、NO_(2)生成的主要因素,增加煤/NH_(3)燃烧的停留时间、减少未燃NH_(3)体积分数、创造还原性气氛均是降低NO_(x)的有效方式;在预混高掺氨比(E(NH_(3))≥80%、HAB=100 mm)及非预混工况下,CO_(2)%随着E(NH_(3))增加呈现降低的趋势;预混E(NH_(3))=40%~60%工况更有利于实现煤/NH_(3)的低氮、低碳、高效燃烧,煤粉掺NH_(3)燃烧存在相互促进和抑制作用,需根据实际情况采取有效措施以发挥煤/NH_(3)混燃的促进作用。

关键词：煤/NH_(3)混合燃料燃烧特性掺氨比煤/NH_(3)注入方式气体组分

煤矿井下图像的双分支耦合Transformer网络增强方法

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煤炭学报 2024年第9期49卷 4027-4037页

作者：程健宋泽龙李昊马永壮李和平孙大智煤炭科学研究总院北京100013 煤炭科学研究总院有限公司矿山大数据研究院北京100013 天地科技股份有限公司北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

受煤矿井下光源少、光照不均匀等因素影响,井下采集到的图像存在照度低、呈现大量暗区、细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声等问题。现有图像增强方法在进行低照度图像增强时容易出现色彩失真、细节信息丢失等缺点,另外深度学习低照度图... 详细信息

受煤矿井下光源少、光照不均匀等因素影响,井下采集到的图像存在照度低、呈现大量暗区、细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声等问题。现有图像增强方法在进行低照度图像增强时容易出现色彩失真、细节信息丢失等缺点,另外深度学习低照度图像增强方法在一定程度上解决了低照度图像亮度增强的问题,但其模型泛化能力较差,在实际煤矿井下场景应用效果不佳。针对上述问题,利用Transformer本身泛化能力强的优势,提出一种基于Transformer模型的低照度图像增强算法。融合Swin v2模块与卷积模块,构建煤矿井下低照度图像的乘法图和加法图,并与原图像进行叠加拟合,以解决细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声的问题。同时采用多尺度模块的注意力机制对叠加拟合后的图像进行色彩处理,以解决图像亮度提升有限、存在大量暗区以及色彩失真的问题。经实验表明,相较于LIME、Zero-DCE、RetiNexNet、MBLLEN、KIND算法,本文算法在客观质量指标峰值信噪比(PSNR)和结构相似性(SSIM)上的表现,分别提高了34.76%、55.73%,47.32%、52.76%,22.52%、25.7%,19.615%、12.285%,5.81%、2.625%。同时定性分析结果表明该方法能够对煤矿井下低照度图像进行显著增强,图像亮度达到可视范围,相比其他方法,色彩更加真实,图像细节信息更为清晰。说明本文提出的算法在图像噪声程度、色彩失真程度、对比度、结构相似度以及亮度等方面均具有良好的性能,整体相对较优。

关键词：低照度图像图像增强 Transformer模型煤矿井下

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煤矿用自动化钻机远程控制系统的研制

煤田地质与勘探 2024年第5期52卷 151-159页

作者：董洪波姚宁平王天龙马斌彭光宇中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题,采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术,研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主... 详细信息

针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题,采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术,研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主体,实现了视距内控制、井下集控以及地面远程监控3种控制模式,并构建了云端自动化钻机管控平台。具体而言,视距内监控模式通过遥控器、控制器及配套传感器,实现了对井下视觉范围内钻机的精确操作;井下集控模式则集成了集控舱、隔爆兼本安型计算机、本安显示器、隔爆兼本安型交换机、本安摄像头以及本安操控箱等设备,实现了对井下危险钻场的钻机远距离安全监控;地面监控模式则通过地面操控台、地面服务器、显示器、交换机以及AI智能分析盒子等设备,为自动化钻机的地面远程监控提供了有力支持。此外,云端自动化钻机管控平台则主要用于自动化钻机群运行状态和施工状态的数据统计与分析。研制的远程控制系统应用于ZDY4500LFK、ZDY6500LDK型钻机,并实现了视距内遥控、井下集控以及地面远距离控制等多种控制方式的稳定运行。现场试验和测试研究结果表明:(1)钻机视距内遥控系统遥控器按键丰富、控制器具有CAN、RS485等丰富的接口,手机升级便捷方便,可广泛应用于钻机电控化升级和改造。(2)远程集中控制系统可以实现10km距离的远程控制,控制响应时间小于200ms。视频、参数采集数据响应及时无卡滞,可以满足井下钻机远程监控的需求。(3)地面远程监控系统可以实现地面钻机远程监控并具有AI识别功能,可实现人员闯入预警和停机功能。(4)自动化钻机管控平台经过功能、压力、并行、访问测试,功能正常,响应及时,系统无崩溃,可用于自动化钻机数据和工况的统计分析。该控制系统的应用在保证钻孔施工安全的同时也为煤矿钻机实现少人化、智能化、信息化提供了借鉴。

关键词：自动化钻机遥控远程控制地面监控集控煤矿