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智慧矿山系统工程及关键技术研究与实践

煤炭学报 2024年第1期49卷 181-202页

作者：王国法庞义辉任怀伟战凯杜明张勇程健杜毅博张建中巩师鑫王丹丹孟令宇孟积渐中煤科工开采研究院有限公司北京100013 北京天玛智控科技股份有限公司北京101399 安标国家矿用产品安全标志中心北京100013 煤炭科学研究总院有限公司北京100013 矿冶科技集团有限公司北京100160

针对智慧矿山复杂巨系统建设过程中存在的问题,提出了智慧矿山建设的总体技术架构,并分别从智慧矿山系统模型构建、地下空间重构与模型动态更新、机器视觉测量技术、瓦斯环境射频防爆测试方法、矿山安全闭环管控体系、智慧矿山标准体系... 详细信息

针对智慧矿山复杂巨系统建设过程中存在的问题,提出了智慧矿山建设的总体技术架构,并分别从智慧矿山系统模型构建、地下空间重构与模型动态更新、机器视觉测量技术、瓦斯环境射频防爆测试方法、矿山安全闭环管控体系、智慧矿山标准体系等方面进行了详细阐述。将智慧矿山分为信息感知支撑层、边缘计算层、云数据中心、多型网络、矿山智能生产管控平台、矿山智能生产系统、智慧矿山运维管理系统,构建了基于多系统深度融合的智慧矿山技术架构。基于智慧矿山知识图谱及信息抽取技术,构建了以数据创新为驱动、通信网络为基础、数据算力为核心的智慧矿山系统模型。构建了以机器视觉感知信息为主、其他感知信息为辅的矿山井下三维视觉空间模型,提出了矿山井下场景三维视觉与空间重建框架,实现了矿山井下三维空间重构与动态更新。开发了基于机器视觉技术的井下设备位姿与煤岩界面识别算法,实现了对井下综采装备群及煤岩分界面的同时空测量。探讨了井下瓦斯环境下现行防爆标准对5G基站功率的限制及存在的不足,设计开发了射频电磁能防爆专用试验装置,为提升井下5G基站功率阈值提供了方法借鉴。提出了融合灾害信息全面感知、防控方案自主决策、防控装备协同控制的矿井灾害闭环管控系统技术架构,实现井下灾害的超前预测预警与协同防控。构建了智能化煤矿标准体系框架,剖析了我国煤矿与金属矿山智能化建设典型案例,提出了智慧矿山建设发展趋势及建议。

关键词：智慧矿山系统工程机器视觉射频电磁能防爆安全闭环管控标准体系

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与工程实践

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煤炭科学技术 2024年第1期52卷 280-287页

作者：王虹李发泉张小峰中国煤炭科工集团有限公司北京100013 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030006 煤矿采掘机械国家工程实验室山西太原030006

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与装备是煤矿安全高效开采以及智能化建设的迫切需求。以具备膨胀性、节理化等软岩特征的煤矿回采巷道工程为背景,梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状,剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速... 详细信息

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与装备是煤矿安全高效开采以及智能化建设的迫切需求。以具备膨胀性、节理化等软岩特征的煤矿回采巷道工程为背景,梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状,剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速掘进面临3个方面的难题,包括全宽截割对围岩的扰动控制,软弱围岩及时高效永久支护,软弱围岩快速掘进煤帮临时支护。提出了软弱围岩掘锚一体化快速掘进的5项关键技术,包括:(1)低扰动截割技术。主要包括椭型全宽截割滚筒、截齿排布优化、截割动力学优化等。(2)减小空顶空帮距的及时支护技术。该技术是在掘锚一体化技术基础上,研制了集双圆柱导向、多连杆升降、支护油缸撑顶撑底、随动挡矸帘防护于一体的多钻机整体滑移平台,将掘锚一体机作业空顶距由2.5 m降至1 m,作业空帮距由3.5 m降至1 m。(3)软弱围岩多维度协同支护技术。综合考虑锚杆锚索支护参数间的时空协同效应和支护体与围岩的协同效应,掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板,后部同步实施增强永久支护。(4)钻锚一体化技术。主要包括锚杆结构和力学特性、锚固剂材料及泵注技术等。(5)煤帮喷涂临时支护技术。主要包括快反应高延伸率喷涂材料、高比例精度喷涂泵送、不规则煤壁表面自适应轨迹控制、矿用防爆高精度机械臂、喷涂材料配套补给等。基于以上内容,研制了可控作业空顶距掘锚一体机,并进行了井下试验。试验表明,该装备有效缩短了作业空顶距和空帮距,实现了作业空顶距“可控”,适应于软弱围岩巷道快速掘进,掘进效率提高了1倍。

关键词：软岩巷道快速掘进掘锚一体化钻锚一体化协同支护

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煤炭绿色开发复杂巨系统数智化技术进展

煤炭科学技术 2024年

作者：王国法张建中刘再斌庞义辉王佟桑聪中国煤炭科工集团有限公司煤炭科学研究总院有限公司天地科技股份有限公司北京技术研究分公司中煤科工西安研究院(集团)有限公司中国煤炭地质总局

本文分析了当前我国煤炭资源绿色开发面临的新形势和新要求，提出了煤炭资源绿色开发复杂巨系统数智化技术体系，以绿色开发模式为目标，以地质透明化为基础，将煤矿全要素数字化，完成煤矿所有信息的精准实时采集、网络化传输、规范化... 详细信息

本文分析了当前我国煤炭资源绿色开发面临的新形势和新要求，提出了煤炭资源绿色开发复杂巨系统数智化技术体系，以绿色开发模式为目标，以地质透明化为基础，将煤矿全要素数字化，完成煤矿所有信息的精准实时采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化运行和智能化服务的数字化智慧体，融合一系列数智化关键技术实现煤炭资源绿色智能柔性开发与管控模式；提炼“数智开采”技术，研发了数字煤矿智慧逻辑模型、复杂变形条件下“采场-装备”双动态系统耦合分析模型、开采设备群健康状态评估与剩余寿命预测模型等关键技术，提出了智慧逻辑模型框架下的开采系统智能化控制方法，智能开采复杂场景综采设备群姿态识别方法、全局最优规划策略及协同控制方法、设备健康状态识别与故障诊断方法；诠释“透明地质”概念，提出了透明地质保障技术路径，研发了精细物探与钻探、围岩条件动态监测、多源高精度数据采集、多源异构数据融合解译等地质透明化技术，创新了静态地质建模、动态地质建模、工作面精准地质保障、多源地质数据解译融合、多属性动态高精度建模、地质信息同步映射、矿山信息模型等地质数字化技术，分析了“透明地质”技术在地下资源开发地质构造探明程度、揭示煤岩物理力学性质、“三场”变化、隐蔽致灾因素预测等应用价值；分析了绿色开采技术，包括绿色减沉与保水开采技术和井上下协同治理与生态修复技术；文中围绕3方面技术进行了案例解析，展望当前形势下，需亟待加速数据驱动下煤炭资源绿色开发与管理变革转型，推动煤炭行业高质量发展进入新阶段。

关键词：绿色矿山煤矿智能化智能开采绿色开采地质探测地质建模透明地质

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煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

煤炭学报 2024年第1期49卷 131-151页

作者：康红普姜鹏飞王子越张小峰刘畅罗超韦尧中郭吉昌陈志良王锐韩存地李发泉何宗科苏超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 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030006 陕西陕煤曹家滩矿业有限公司陕西榆林918000

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系... 详细信息

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统,将传统树脂锚固锚杆安装6道工序简化为1道连续工序,实现了锚杆自动化“一键”打设,单根锚杆作业时间由原来5~6 min减少为3 min。研发出自动化喷涂支护技术与装备,包括高强、速凝、抗变形喷涂护表材料,抗拉强度超过9 MPa,断裂伸长率超过100%,黏结强度高于3 MPa;研发出6自由度喷涂系统,可实现随掘自动化快速喷涂作业。研发出巷道随掘变形动态监测技术与系统,实现随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面变形监测,监测精度能够满足围岩稳定性评价要求。提出煤巷掘支锚运分区并行协同快速掘进新模式,研制出钻锚一体化快速掘进成套装备。对试验矿井陕西陕煤曹家滩煤矿回采巷道掘进过程中围岩位移和稳定性进行了监测,在时间上,巷道掘出2~3 h后80%以上的围岩位移已经发生;在空间上,距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置,90%以上的围岩位移已经完成。快速掘进引起的巷道围岩位移在很短时间内就基本完成,要求支护必须及时且快速。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道完成近6000 m的巷道掘进工程,打设钻锚一体化锚杆60000余根。锚杆施工时间、支护用工人数及作业人员劳动强度大幅降低,掘进速度、效率及自动化水平显著提高。试验巷道顶板位移量小、完整稳定,支护效果良好。煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备井下试验取得成功,具备了特大断面煤巷月掘进进尺1500~2000 m的能力。

关键词：煤巷快速掘进钻锚一体化喷涂支护随掘变形监测掘支并行协同

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基于实验与仿真的最优蒸汽管网保温结构确定

化工进展 2024年第7期43卷 4164-4172页

作者：何海军王乃继煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工清洁能源股份有限公司北京100013 北京天地融创科技股份有限公司北京100013

建立了蒸汽管道多层复合保温结构传热模型,采用DN200mm管道实验研究了不同保温结构和保温材料对隔热性能的影响,根据实验数据验证了数学模型准确性,并以此为基础给出了不同工况下最佳保温方案的确定方法。实验结果显示,管道表面热流密... 详细信息

建立了蒸汽管道多层复合保温结构传热模型,采用DN200mm管道实验研究了不同保温结构和保温材料对隔热性能的影响,根据实验数据验证了数学模型准确性,并以此为基础给出了不同工况下最佳保温方案的确定方法。实验结果显示,管道表面热流密度随着对流层的加入和气囊层数的增加而降低,随披肩厚度和保温总厚度的增加逐渐降低,而反射层数量增加热流密度先降低后升高。传热模型预测结果与实验数据高度吻合,相差不到6%。从经济性分析,不宜采用对流层作为保温材料。最终确定的最佳保温方案能够显著降低系统的供热总成本,最优保温厚度值随管内介质温度和管径的增加而升高。对于温度大于400℃的高温管道,采用复合保温结构相比于单一硅酸铝保温可节省超过30%的投资。

关键词：传热复合保温结构最优保温方案经济性分析

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超大采高综采工作面支护技术及装备研究现状

煤矿安全 2024年第5期55卷 213-221页

作者：韩会军王国法李明忠张金虎李艳鹏煤炭科学研究总院北京100013 中国煤炭科工集团有限公司北京100013 天地科技股份有限公司北京100013

超大采高一次采全厚开采具有开采效率高、资源回收率高等特点。为探求超大采高综采技术进一步突破,分析其工作面围岩稳定性控制可行性,在调研超大采高综采发展历程的基础上,总结了超大采高综采工作面围矿压显现及煤壁片帮规律,分析了现... 详细信息

超大采高一次采全厚开采具有开采效率高、资源回收率高等特点。为探求超大采高综采技术进一步突破,分析其工作面围岩稳定性控制可行性,在调研超大采高综采发展历程的基础上,总结了超大采高综采工作面围矿压显现及煤壁片帮规律,分析了现有超大采高液压支架整体技术特征及其适用性能,并介绍了10 m超大采高工作面液压支架基本情况。通过分析发现:工作面矿压显现强度与采高基本呈现正相关关系,采高越大,工作面支护阻力越大,且煤壁片帮是困扰超大采高开采高效推进的主要因素之一,通过提高工作面液压支架的初撑能力能有效减小煤壁应力;液压支架随工作面采高增加,选型工作阻力增大,支架中心距加宽,大梯度过渡方式在提供可靠支护的同时,能有效提升端头区资源回收率;为适应大体量开采装备运输,超大采高工作面煤巷断面增加,超前支架工作阻力增大;工作面配套液压支架通过设计手段、整体结构、制造工艺等方面优化升级以提升可靠性及适应性;相对较低采高工作面支护,超大采高开采更注重支护过程中的安全技术需求,需要完善架前煤矸防护、架间防尘降尘、安全的后期维检等安全措施;工作面围岩稳定性控制及其配套装备是超大采高综采技术发展及推广的重点,从支护参数选择、支护结构设计到液压支架制造、后期维检的超大采高液压支架全寿命开发是支撑超大采高开采高效推进的基础。

关键词：超大采高高端液压支架围岩稳定性控制工作面支护综采支护技术及装备

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矿用刮板链条装配装置的设计研究

煤矿机械 2024年第6期45卷 114-116页

作者：陈冬方张国栋中国煤炭科工集团北京天玛智控科技股份有限公司北京101320

针对矿用刮板链条人工装配效率低、劳动强度大等问题,通过分析刮板链条装配工艺,以链条作为工艺装配方法的运动部件,设计了一种刮板链自动装配装置。该装置分为链条清洗整理部分、刮板装配部分及刮板链收集部分。对各部分进行了运动设计... 详细信息

针对矿用刮板链条人工装配效率低、劳动强度大等问题,通过分析刮板链条装配工艺,以链条作为工艺装配方法的运动部件,设计了一种刮板链自动装配装置。该装置分为链条清洗整理部分、刮板装配部分及刮板链收集部分。对各部分进行了运动设计,同时通过仿真验证其可行性,为矿用刮板链条装配提供了一种更高效的方法。

关键词：矿用刮板输送机自动化装配链条刮板

综采工作面智能感知技术的发展应用与前景综述

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煤炭工程 2024年第5期56卷 160-165页

作者：魏文艳吴桐北京天玛智控科技股份有限公司北京101399

为研究现代煤矿工业综采工作面开采的发展趋势,研究了智能化开采的三个关键要素为智能感知、智能决策和智能控制,其中智能感知是最基础、最关键的部分。在智能化开采进程中,智能感知技术在该领域的应用正日益成为研究热点,其在提高开采... 详细信息

为研究现代煤矿工业综采工作面开采的发展趋势,研究了智能化开采的三个关键要素为智能感知、智能决策和智能控制,其中智能感知是最基础、最关键的部分。在智能化开采进程中,智能感知技术在该领域的应用正日益成为研究热点,其在提高开采效率、降低生产成本、确保工作面安全等方面发挥着至关重要的作用。文章回顾了智能感知技术的发展历程,分析了不同阶段中智能感知的主要特点,并根据智能感知技术的特点和关键技术分为了四个阶段:基本感知阶段、多参数监测阶段、多维度信息感知阶段、全面感知阶段。深入研究并全面探讨智能感知技术在中国煤矿综采工作面的关键技术、广泛应用和未来发展趋势,以期为煤矿行业的智能化转型提供参考。

关键词：综采工作面智能感知智能化开采全面感知

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基于工艺驱动的采煤机智能截割调控

工矿自动化 2024年第5期50卷 23-27,150页

作者：郑闯李丹宁冯银辉北京天玛智控科技股份有限公司北京101399

传统采煤机截割调控缺乏对采煤机滚筒状态的分析,导致截割模板生成质量低;未充分考虑工作面起伏情况和地质环境条件,无法得到最优截割路径;依赖采煤机自身控制单元无法及时调整滚筒高度。针对上述问题,提出了一种基于工艺驱动的采煤机... 详细信息

传统采煤机截割调控缺乏对采煤机滚筒状态的分析,导致截割模板生成质量低;未充分考虑工作面起伏情况和地质环境条件,无法得到最优截割路径;依赖采煤机自身控制单元无法及时调整滚筒高度。针对上述问题,提出了一种基于工艺驱动的采煤机智能截割调控方案。按照工作面液压支架编号,实时采集对应的滚筒截割高度数据,并结合滚筒截割高度历史数据对实时数据进行处理,生成符合工作面顶底板曲线趋势的采煤机截割模板;基于工作面顶底板写实数据、人工割煤经验,规划采煤机截割路径并进行实时干预,实现采煤机滚筒截割高度与工作面顶底板曲线的自适应耦合;通过编辑采煤工艺和设置截割模板数据,形成采煤工艺表文件,并依此调节采煤机滚筒截割高度,实现采煤机自适应调高控制。基于工艺驱动的采煤机智能截割调控方案应用于神东煤炭集团榆家梁煤矿43207工作面,实现了无人化采煤常态化作业,将生产班工作面作业人员由3人减少至工作面中部无人,采煤机自动割煤率达97%以上。

关键词：采煤机截割调控工艺驱动截割模板路径规划滚筒调高