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顶板不同区域压裂程度覆岩采动响应特征研究

煤炭学报 2024年

作者：邬建宏潘俊锋冯美华陆闯高家明闫耀东马宏源煤炭科学研究总院开采研究分院中煤科工开采研究院有限公司

为了获得顶板不同区域压裂程度下覆岩活动规律及其响应特征，进而为区域压裂防治冲击地压和矿压灾害提供借鉴。首先根据地面区域压裂施工期间的微震监测结果，刻画了微震缝网的平面扩展形态，并依据微震缝网对工作面的覆盖程度进行区域... 详细信息

为了获得顶板不同区域压裂程度下覆岩活动规律及其响应特征，进而为区域压裂防治冲击地压和矿压灾害提供借鉴。首先根据地面区域压裂施工期间的微震监测结果，刻画了微震缝网的平面扩展形态，并依据微震缝网对工作面的覆盖程度进行区域划分；然后基于理论分析揭示了区域压裂超前释放累积应力和能量、覆岩结构调控控制载荷源以及压裂层自身“缓冲吸能”协同作用机理；之后分析了不同回采区域的微震事件迁移特征、日总能量频次特征、能量频次核密度分布特征及工作面超前和倾向的采动影响范围；最后对比分析了不同回采区域的矿压显现宏观特征及支架工作阻力变化特征。研究结果表明：①微震活动时空响应特征与区域压裂程度有着密切联系，压裂充分区、压裂不充分区和未压裂区3个回采区域分别呈现“高频次、低能量”、“高频次、高能量”和“高频次、高能量”微震响应特征，微震能量频次核密度分布与其具有一致性，区域压裂后微震活动度和丛集效应降低，且微震事件分布呈现从工作面前方向工作面后方迁移和聚集的趋势；②覆岩采动影响范围与区域压裂程度呈反比，区域压裂能够缩小悬臂长度，切断载荷传递路径，从而减小超前和倾向采动影响范围，压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比，超前采动影响范围分别减小20.6%，14.7%，倾向采动影响范围分别减小21.5%和10%；③区域压裂能够有效缓和矿压显现强度，区域压裂对厚硬岩层整体性及其强度进行弱化，使覆岩破断块体减小且能够有序及时垮落，压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比，周期来压规律不明显、来压强度低，持续来压时间缩短，来压时间间隔增大，来压次数减少。④综合不同回采区域覆岩采动响应特征，在针对厚硬岩层开展水平井区域压裂时，区域压裂缝网应有效覆盖工作面及巷道两侧煤柱区域，且避免在工作面形成未压裂区。

关键词：地面区域压裂厚硬顶板区域压裂程度采动影响范围覆岩响应特征

基于HSV空间的煤矿不均匀照度图像修复算法研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：雷声张金虎李艳鹏刘培源中煤科工开采研究院有限公司煤炭科学研究总院开采研究分院

为适应煤矿智能化建设的需要，井下逐渐部署了大量数字图像采集设备，在矿山安全高效生产中发挥出重要作用。然而受井下人工光源布置不均引起的非均匀照度以及煤尘等微粒引入的噪声等因素的制约，所采集图像的质量难以保证。针对这一问... 详细信息

为适应煤矿智能化建设的需要，井下逐渐部署了大量数字图像采集设备，在矿山安全高效生产中发挥出重要作用。然而受井下人工光源布置不均引起的非均匀照度以及煤尘等微粒引入的噪声等因素的制约，所采集图像的质量难以保证。针对这一问题，提出了一种在HSV颜色空间中进行图像修复的方法。该方法将图像转换到HSV颜色空间并分别提取明度分量、色度分量和饱和度分量；通过改进的多尺度Retinex算法来修复与均衡明度，通过在频率域中的噪声分析并应用巴特沃斯滤波器来修复色度，通过基于相关性的自适应饱和度校正方法来修正饱和度；最后将修复后的图像从HSV空间逆变换回RGB空间，从而完成图像修复。在图像修复效果上，本文所述方法相比经典的多尺度Retinex（Multi-Scale Retinex， MSR）算法和带有颜色恢复的多尺度Retinex（Multi-Scale Retinex with Color Restore， MSRCR）算法均有明显改进，能够在修复图像观感的同时保持其色彩和边缘。实验对比了不同算法处理所得图像的标准差、平均梯度和信息熵等指标，本文所提出的图像修复算法相较MSR算法分别提升了24.24%、48.38%、1.43%，相较于MSRCR算法分别提升了8.68%、39.88%、1.35%。实验结果表明，本文所述方法可有效提升从井下观测得到的图像与视频质量，为矿山安全生产和智能化决策提供高质量图像数据支持。

关键词： Retinex 图像增强图像滤波不均匀照度煤尘

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煤矿采动应力演化与围岩控制

岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 1-40页

作者：康红普高富强中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

应力是引起采矿工程地下空间围岩变形与破坏的根本驱动力,大范围、高集中应力是煤矿井下采动应力的显著特点。煤矿井下应力场包括原岩应力场、采动应力场及支护应力场,三者共同构成井下综合应力场。以应力为主线,论述煤矿井下围岩应力... 详细信息

应力是引起采矿工程地下空间围岩变形与破坏的根本驱动力,大范围、高集中应力是煤矿井下采动应力的显著特点。煤矿井下应力场包括原岩应力场、采动应力场及支护应力场,三者共同构成井下综合应力场。以应力为主线,论述煤矿井下围岩应力演化特征及围岩控制理论与技术。在原岩应力方面,基于大量现场地应力测量数据,详细分析我国煤矿井下地应力场分布特征及影响因素。在采动应力方面,采用理论分析、数值模拟、相似模拟和现场监测相结合的方法,从多个维度综合研究掘进工作面与巷道围岩应力的演变过程,分析采煤工作面周围的采动应力演化特征及主要影响因素。在支护应力方面,自主研发一系列巷道支护测试及模拟试验平台,系统开展锚杆及护表构件在多种复杂受力状态下的测试试验,揭示它们的力学响应特征及破坏机制。深入研究各种支护方式在支护结构自身及围岩中产生的支护应力场分布特征及演化规律。在研究原岩应力、采动应力及支护应力的基础上,分析围岩表面支护、锚固、改性、卸压及联合法的围岩控制机制、设计方法、支护加固材料及控制技术。应用实例重点介绍水力压裂卸压技术、支护+改性+卸压协同控制技术,井下试验与应用表明,基于采动应力演化的围岩控制技术显著提高了巷道围岩稳定性和安全程度,取得良好的围岩控制效果。最后,分析煤矿井下应力场研究及巷道围岩控制中存在的问题,并对未来围岩应力测试与分析、围岩控制理论与技术发展趋势进行展望。

关键词：采矿工程煤矿原岩应力采动应力支护应力应力演化围岩控制

数据驱动的深井超长工作面支架载荷区域特征分析与分区预测

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煤炭科学技术 2024年第S1期52卷 1-12页

作者：巩师鑫中煤科工开采研究院有限公司智能开采装备分院北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013

实现液压支架载荷预测分析对于及时改善支架适应性和实现安全支护具有重要作用,需要高质量、大数量的支架载荷时序数据和有效的预测方法作为支撑。然而,深部超长工作面上覆岩层应力环境和垮落步距的非同质同步引发工作面不同区域支架载... 详细信息

实现液压支架载荷预测分析对于及时改善支架适应性和实现安全支护具有重要作用,需要高质量、大数量的支架载荷时序数据和有效的预测方法作为支撑。然而,深部超长工作面上覆岩层应力环境和垮落步距的非同质同步引发工作面不同区域支架载荷差异化。因此,针对深井超长工作面顶板覆岩长期循环动载作用和分区破断造成工作面不同区域载荷差异明显以及无法实现动态区域更新下的液压支架载荷预测的问题,提出了一种数据驱动的深井超长工作面支架载荷区域特征分析与分区预测方法。首先,在获取工作面液压支架载荷数据的基础上,利用MeanShift聚类算法实现工作面区域动态划分,并分析深井超长工作面不同区域的支架载荷变化特征;然后,提出一种考虑多维时序数据特征和注意力机制LSTM预测方法,构建支架载荷一次性多输入多输出预测框架,实现了预测算法精度和输入输出特征结构的协同设计;最后,基于前述工作面区域划分结果,建立工作面区域化液压支架群组载荷预测模型,实现了综采工作面液压支架群组载荷时序数据循环训练和高精度预测。该方法通过考虑工作面载荷区域分布特征,建立多输入多输出特征工程,可实现基于工作面区域动态更新的液压支架群组载荷预测,能够为后续分析工作面矿压显现规律,超前适应采场环境变化和指导工作面正常回采提供依据。

关键词：工作面液压支架载荷预测时间序列数据区域划分

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沟壑区浅埋煤层开采覆岩运动演化致灾特征

采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 315-325页

作者：李延军中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

为进一步研究浅埋煤层开采沟壑区覆岩运动演化致灾特征,以榆神矿区锟源煤矿113101首采工作面为工程背景,采用了数值计算和物理相似模拟实验方法,分析了沟壑区浅埋煤层开采过程中覆岩应力及位移动态演化特征、覆岩破断及裂隙发育规律,初... 详细信息

为进一步研究浅埋煤层开采沟壑区覆岩运动演化致灾特征,以榆神矿区锟源煤矿113101首采工作面为工程背景,采用了数值计算和物理相似模拟实验方法,分析了沟壑区浅埋煤层开采过程中覆岩应力及位移动态演化特征、覆岩破断及裂隙发育规律,初步揭示了过沟开采灾害特征及相互作用关系,针对性提出了综合治理方法。研究结果表明:过沟开采中,沟壑顺坡段呈“受压”状态,逆坡段呈“受拉”状态,谷底位移变化量最大、逆坡段其次、顺坡段最小。二号沟壑顺坡段下部及谷底、一号沟壑逆坡段下部及谷底范围分别形成应力集中且位移量达到最大,水平应力峰值为17.4、14.5 MPa,最大位移值为1.7、1.0 m。工作面推进至沟壑区顺坡段时周期来压步距约为逆坡段的两倍,顺坡段“覆岩完整区”面积较大,载荷传递至工作面支架易造成压架现象;沟壑逆坡段区域,覆岩厚度增加,拉伸型裂隙发育明显,易导致沟体滑坡;沟壑谷底区域,顶板切落形成塌陷型裂隙,易诱发工作面压架和突水溃沙灾害。不同灾害间相互关联,沟体滑坡抑制工作面突水溃沙但促进切顶压架灾害,顶板切落压架同时促进突水溃沙和沟体滑坡灾害。根据覆岩灾害产生区域及作用特征,提出了上游截排地表水、顺坡段中上部岩层预裂、逆坡段降坡加固、谷底及逆坡段坡脚注浆等综合防治措施,为工作面安全高效回采提供相应研究基础。

关键词：沟壑区浅埋煤层应力演化覆岩运动裂隙发育

坚硬主控覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度机制研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3363-3373页

作者：张玉军肖杰李友伟宋业杰煤炭科学研究总院开采研究院北京100013 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 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验北京100013

煤矿顶板水害防控与水资源保护的核心是控制导水裂缝带发育高度,降低煤层开采对上覆含水层扰动。基于覆岩破坏控制技术和顶板预裂弱化控制矿山压力显现方面研究现状,提出通过主动预裂弱化坚硬主控岩层,在不影响开采效率和资源回收率的... 详细信息

煤矿顶板水害防控与水资源保护的核心是控制导水裂缝带发育高度,降低煤层开采对上覆含水层扰动。基于覆岩破坏控制技术和顶板预裂弱化控制矿山压力显现方面研究现状,提出通过主动预裂弱化坚硬主控岩层,在不影响开采效率和资源回收率的情况下控制采动导水裂缝带发育高度的低损害开采技术构想。采用相似模拟,理论分析和数值模拟分析相结合的研究方法探究预裂弱化坚硬主控岩层控制导水裂缝带发育高度作用机制,并根据数值模拟结果提出含水层下坚硬覆岩预裂层位确定方法。研究结果表明:坚硬岩层相较于软弱岩层采动破断块度较大,采动破坏后整齐堆积于采空区,采动破坏膨胀量较小;不同层位坚硬岩层预裂弱化条件下采动响应存在显著差异,因此预裂层位选择将直接决定预裂弱化控制导水裂缝带高度效果;数值模拟结果显示中位岩层预裂和中、低位岩层同时预裂时导水裂缝带发育高度控制效果较好。研究成果为含水层下煤炭资源安全、高效和绿色开采提供了新的技术途径。

关键词：采矿工程导水裂缝带控制预裂弱化坚硬主控岩层水害防治水资源保护

大采高工作面回撤通道水力压裂卸压与矿压规律研究

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中国矿业 2024年第4期33卷 192-200页

作者：王志超中煤科工开采研究院有限公司北京100013

工作面进入末采阶段时与回撤通道的距离逐渐缩短,煤柱逐渐进入塑性破坏状态。为探究回撤通道围岩灾变过程,计算了回撤通道后方保护煤柱的安全宽度,依托数值模拟方法研究了煤柱宽度渐变条件下垂直应力演化规律,分析了煤柱渐进破坏机理,... 详细信息

工作面进入末采阶段时与回撤通道的距离逐渐缩短,煤柱逐渐进入塑性破坏状态。为探究回撤通道围岩灾变过程,计算了回撤通道后方保护煤柱的安全宽度,依托数值模拟方法研究了煤柱宽度渐变条件下垂直应力演化规律,分析了煤柱渐进破坏机理,并实施了水力压裂卸压治理技术。研究结果表明:回撤通道前方煤柱的垂直应力分布存在“马鞍”形-“平台”形-“陡峰”形的变换规律,可将采动应力的影响划分为稳定阶段、叠加阶段、突变阶段和转移阶段。以柠条塔煤矿为例,开展了水力压裂卸压技术,包括注水压力、钻孔间距、钻孔压裂段数等参数的计算和现场布置方案。工作面与回撤通道贯通期间的支架阻力最大平均值为4 278 kN,活柱下缩量与来压步距得到了有效控制,顶板下沉量为145~200 mm,两帮变形量为340~450 mm,表明水力压裂技术取得了良好的卸压效果。

关键词：回撤通道覆岩应力水力压裂矿山压力切顶卸压

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托辊更换机械臂设计及轨迹精度分析

中国工程机械学报 2024年第3期22卷 352-357页

作者：时洪宇中煤科工开采研究院有限公司北京100013

为提高对矿用长距离带式输送机损坏托辊的更换效率,设计一种不停机状态下托辊更换的机械臂。首先,根据蒙特卡洛法对机械臂的工作范围进行求解,验证其合理性,随后利用Matlab软件对设备的工作路径进行规划,最后通过Ansys-Adams对机械臂抓... 详细信息

为提高对矿用长距离带式输送机损坏托辊的更换效率,设计一种不停机状态下托辊更换的机械臂。首先,根据蒙特卡洛法对机械臂的工作范围进行求解,验证其合理性,随后利用Matlab软件对设备的工作路径进行规划,最后通过Ansys-Adams对机械臂抓取托辊过程进行仿真模拟并与理想状态下机械臂运行轨迹进行对比,得出对机械臂轨迹精度的影响因素。结果表明:机械臂横向工作范围为[0,2 590 mm],纵向工作范围为[0,2 075 mm],可以实现对所有托辊的更换,符合设计思路,设计合理。机械臂在抓取左侧托辊时的位移偏差最小,范围在-0.09~0.03 mm之间;在抓取右侧托辊时的位移偏差范围最大,在-9.06~5.34 mm之间。由此可知,机械臂位姿和伸出距离为主要影响因素。

关键词：托辊机械臂 D-H参数法动力学分析

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动量对比调谐法在采煤机轴承故障诊断的应用

机床与液压 2024年第8期52卷 213-220页

作者：杨斐文中煤科工开采研究院有限公司北京100020

煤矿复杂的生产作业环境使得采煤机轴承故障诊断的微调方法容易丢失数据,基于此,提出一种基于动量对比双调谐策略(MCBiT),以充分挖掘数据标签的判别性知识和目标数据的内在结构。通过格拉曼角差分场将采煤机一维振动信号变换后输入到MC... 详细信息

煤矿复杂的生产作业环境使得采煤机轴承故障诊断的微调方法容易丢失数据,基于此,提出一种基于动量对比双调谐策略(MCBiT),以充分挖掘数据标签的判别性知识和目标数据的内在结构。通过格拉曼角差分场将采煤机一维振动信号变换后输入到MCBiT中,在ImageNet预训练的主干上集成2个分支来增强传统的微调,一个具有对比交叉熵损失的分类器,以更好地利用标签知识,另一个具有分类对比学习损失的投影仪,以挖掘数据的内在结构。所提方法在6个公开可用的旋转机械故障诊断数据集中进行了测试并与其他方法进行对比,结果表明:所提的动量对比调谐法能够有效构建规模更大且一致的数据样本,为采煤机故障预测精度的提升提供支撑。

关键词：深度迁移学习采煤机故障诊断动量对比