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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

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煤矿用钻孔机器人钻臂定位误差补偿研究

煤田地质与勘探 2024年第3期52卷 153-163页

作者：梁春苗姚宁平姚亚峰彭涛中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 煤炭科学研究总院北京100013

目前钻孔机器人位姿调节多采用手动遥控调节与人工复测结合,未实现全自动调节,开环控制精度低、自动化能力低、无法实现煤矿用探放水、防突和防冲钻孔机器人精确开孔定位与孔群全自动施工。通过分析钻孔机器人钻臂结构和动作,建立了钻... 详细信息

目前钻孔机器人位姿调节多采用手动遥控调节与人工复测结合,未实现全自动调节,开环控制精度低、自动化能力低、无法实现煤矿用探放水、防突和防冲钻孔机器人精确开孔定位与孔群全自动施工。通过分析钻孔机器人钻臂结构和动作,建立了钻臂运动学模型;通过对加工误差、机身变形、装配间隙等影响因素分析,发现采用回转减速器蜗轮蜗杆结构间隙会引起倾角和方位角误差放大,并在机身平时会引起倾角和方位角误差最大达0.85°;为消除误差,首先采用传统钻臂运动学误差补偿方法建立了钻臂静、动态误差补偿模型,利用全站仪测试关节间隙和变形量,基于补偿模型和RBF神经网络法求逆解得到误差补偿量,钻臂期望位姿与实际位姿误差的x方向平均误差为9.6 mm,y方向平均误差为18.2 mm,z方向平均误差为16 mm,满足工程应用要求;其次为解决传统全站仪试验测量的方法的复杂性和非实时性问题,提出了一种通过激光测距仪和高精度开孔定向仪组合获得位姿误差检测的方法,通过测距实时计算实际和理论倾角、方位角差值,作为误差补偿后的新倾角和方位角的控制输入量,对钻臂进行实时误差检测与补偿;最后利用传统全站仪精度检测方法对激光测距组合位姿误差补偿模型进行验证。试验表明:激光测距组合定位误差检测法最大误差差值在±0.5°以内,方位角最大误差在±0.5°以内,比未采用误差补偿前分别提高了41.1%和37.5%,满足了钻孔机器人开孔定位误差要求。在煤炭行业开展了钻孔机器人钻臂在线精确定位与误差补偿研究,对钻孔机器人精确自动开孔定位及孔群全自动施工具有重要的借鉴和指导意义。

关键词：钻孔机器人钻臂定位运动学模型位姿误差检测误差补偿模型煤矿

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我国煤矿快速掘进20a发展与展望

煤炭学报 2024年第2期49卷 1199-1213页

作者：王虹陈明军张小峰中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030006 煤炭科学研究总院有限公司北京100013 煤矿采掘机械装备国家工程实验室山西太原030006

针对煤矿智能化快速发展,煤矿掘进面临新的机遇和挑战,笔者对我国煤矿快速掘进20 a的发展进行全面综述,以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势,以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面,... 详细信息

针对煤矿智能化快速发展,煤矿掘进面临新的机遇和挑战,笔者对我国煤矿快速掘进20 a的发展进行全面综述,以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势,以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面,双巷掘进开辟了截割、支护在不同巷道同时作业的新途径;掘锚同步工艺,时间-空间多维同步快速掘进工艺打破了先掘后支、及时全部支护的传统,创立了掘锚同步、迎头必要支护与多维空间永久支护动态匹配的分区支护方法。在掘进装备方面,形成了以纵轴、全宽横轴截割滚筒为主,全断面截割滚筒为辅的截割滚筒结构形式,并且在高功率密度减速器及整机设计理念不断突破的基础上,成功研制纵轴截割功率达315 kW、全宽横轴截割功率达560 kW的系列高效截割系统。在锚护装备方面,由传统的单体锚杆钻机发展出锚杆钻机、一键操作流程化钻机、钻机集群等,在有限空间内钻机的数量和作业安全性得到大幅提升,作业流程得到大幅简化,锚孔识别、锚护路径自动规划等智能化技术已进入工业性试验阶段。柔性运输系统的发明解决了掘进面短距离高效转载难题。在成套装备配置上,形成了以连续采煤机、掘锚一体机、掘锚机(掘进机+机载锚杆钻机)、煤矿全断面掘进机为龙头的四大类快速掘进系统,在四大快速掘进系统下,又分别形成了不同的作业线,实现了对不同地质条件巷道快速掘进的全覆盖。掘进工程系统层级上实现了具有成套装备的远程控制、集中控制、视频监测、闭锁联动、人员接近预警等智能化功能。回顾快速掘进的发展历程,提出完善时间-空间多维同步快速掘进理论、以智能掘进搜集透明地质的基础大数据、加强掘进巷道辅助作业工艺及设备研究、加强装备的智能化核心技术研发等智能掘进的发展方向。

关键词：快速掘进智能掘进截割锚护掘进成套装备

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熔渣气化炉喷嘴燃烧区行为的数值模拟研究

化工学报 2024年第2期75卷 659-674页

作者：王学云郁肖兵彭万旺沈岩松煤炭科学研究总院北京100013 煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 新南威尔士大学化工学院澳大利亚悉尼2052

燃烧区是熔渣气化炉的重要区域,其对熔渣气化炉的工作状态具有明显影响。基于双欧拉模型探究了燃烧区的速度场、温度场和组分场的分布特征及燃烧区空腔的形成过程。研究发现:工业级熔渣气化炉燃烧区呈“羽”状,其先向炉中心延伸再斜向... 详细信息

燃烧区是熔渣气化炉的重要区域,其对熔渣气化炉的工作状态具有明显影响。基于双欧拉模型探究了燃烧区的速度场、温度场和组分场的分布特征及燃烧区空腔的形成过程。研究发现:工业级熔渣气化炉燃烧区呈“羽”状,其先向炉中心延伸再斜向上发展;气体在熔渣气化炉中心区域的流动速度为2.5 m/s左右,但未形成“高速对撞区”;高温区出现在燃烧空腔外表面附近特别是正对喷嘴且靠近炉中心的区域,该区域的温度可以达到约2000℃;氧气主要分布在气化剂喷嘴前端约0.5 m的空腔内,一氧化碳的分布区域与水蒸气在空间上有较大程度重叠,二氧化碳主要在喷嘴前端空腔外壳附近生成,氢气浓度较高的区域则出现在燃烧区对应空腔的上沿;沿喷嘴轴线方向,气体温度呈先升至峰值再逐渐下降的趋势。随着气化剂流量的增大,燃烧温度极大值出现的位置逐渐朝炉中心处移动,并呈较明显的线性变化规律。

关键词：熔渣气化炉煤气化燃烧区形状合成气数学模拟反应动力学

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天然弱面对瓦斯抽采水平井压裂多裂缝扩展的影响

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煤炭科学技术 2024年

作者：庞涛姜在炳王正喜刘修刚李浩哲煤炭科学研究总院中煤科工西安研究院(集团)有限公司

针对碎软低渗煤层待掘煤巷条带瓦斯高效抽采难题，提出待掘煤巷条带顶板水平井分段压裂高效预抽瓦斯技术。为实现瓦斯无空白带均衡抽采，基于分段多簇压裂的裂缝网络构建是技术成功的关键。为研究煤系地层中的多裂缝扩展形态，分析了煤... 详细信息

针对碎软低渗煤层待掘煤巷条带瓦斯高效抽采难题，提出待掘煤巷条带顶板水平井分段压裂高效预抽瓦斯技术。为实现瓦斯无空白带均衡抽采，基于分段多簇压裂的裂缝网络构建是技术成功的关键。为研究煤系地层中的多裂缝扩展形态，分析了煤系地层天然弱面发育特征，建立了天然弱面对多裂缝扩展形态的判别式，并采用有限元方法分析了单一天然弱面和多天然弱面对多裂缝扩展的影响。结果表明：煤层及顶底板岩层中发育有大量裂隙、层理、界面等天然弱面，影响着水力压裂裂缝的扩展形态；裂缝与天然弱面的相互作用受原场地应力、已形成裂缝的诱导应力和裂缝尖端应力场的共同影响；天然弱面距预置裂缝距离小时能够诱导裂缝起裂并迅速取得扩展优势，距离大时能够诱导多裂缝扩展呈复杂形态；小角度天然弱面能够诱导附近裂缝快速扩展，角度为90°时不影响缝间干扰。多天然弱面发育条件下，应力差低时易形成以天然弱面为主的缝网，应力差大时易形成较为简单的单一裂缝；天然弱面密度大、形态复杂时易形成缝网，地应力对缝网形态影响不大。工程应用表明，试验井水力压裂形成了覆盖待掘煤巷条带的缝网，日产气量已达1 708m3，且正处于产气量上升阶段，具有良好抽采前景。

关键词：煤巷条带顶板水平井瓦斯预抽天然弱面多裂缝扩展

基于多种解析法和数值法求解巨厚砂岩水文地质参数

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煤炭科学技术 2024年第S01期52卷 174-182页

作者：周全超刘玲李继升殷裁云华能煤炭技术研究有限公司北京100070 中国煤炭地质总局勘查研究总院北京100039

在煤矿开采过程中,矿井涌(突)水等事故不仅会造成巨大的经济损失,还严重威胁工作人员的生命安全。水文地质参数在计算矿井涌水量过程中扮演着重要角色,因此,准确测定含水层的水文地质参数对于煤矿防治水等工作具有重要意义。为了获取更... 详细信息

在煤矿开采过程中,矿井涌(突)水等事故不仅会造成巨大的经济损失,还严重威胁工作人员的生命安全。水文地质参数在计算矿井涌水量过程中扮演着重要角色,因此,准确测定含水层的水文地质参数对于煤矿防治水等工作具有重要意义。为了获取更加贴近实际的矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的水文地质参数,以新庄煤矿洛河组巨厚砂岩含水层上、下段的抽水试验资料为依托,采用传统的非稳定流的Theis公式法、Jacob直线图解法和水位恢复法等解析法,结合实际场地特征,计算出洛河组砂岩含水层上、下段的渗透系数分别为0.22~0.59和0.03~0.35 m/d;上段导水系数为128.74~373.67 m^(2)/d,下段为5.52~47.07 m^(2)/d;上段的贮水系数为2.22×10^(-4)~6.69×10^(-3),下段为6.53×10^(-5)~3.29×10^(-3)。并通过FEFLOW软件建立新庄矿区的地下水流数值模型,求解洛河组含水层的水文地质参数,得到洛河组上、下段渗透系数分别为0.55和0.45 m/d。通过多种方法对比分析表明,通过数值模拟法得到的水文地质参数结果与多种解析法计算的结果相近。在此基础上,根据各方法得出的水文地质参数计算矿井涌水量,并与实际涌水量进行对比,结果表明:在含水层上段,采用数值模拟法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量;而在洛河组下段,采用Jac-ob直线图解法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量。进一步提高了水文地质参数计算的准确度,为后期的含水层富水性研究、矿井涌水量预测以及类似矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的矿井水防治工作提供依据。

关键词：矿井涌(突)水水文地质参数抽水试验洛河组砂岩

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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

矿井图像的多维特征与残差注意力网络超分辨率重建方法

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煤炭科学技术 2024年

作者：程健米立飞李昊李和平王广福马永壮煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院有限公司矿山人工智能研究院煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室天地科技股份有限公司

煤矿井下环境复杂，受光照、煤尘、水雾的影响，采集的图像往往存在细节模糊、纹理缺失等问题，低分辨率的矿井图像对煤矿安全监控的智能化发展带来诸多制约。图像超分辨率重建作为一种重要的图像处理技术，旨在从矿井低分辨率图像中恢... 详细信息

煤矿井下环境复杂，受光照、煤尘、水雾的影响，采集的图像往往存在细节模糊、纹理缺失等问题，低分辨率的矿井图像对煤矿安全监控的智能化发展带来诸多制约。图像超分辨率重建作为一种重要的图像处理技术，旨在从矿井低分辨率图像中恢复出清晰的高分辨率图像，从而显著提升煤矿智能监测与安全管理的可靠性。针对矿井图像边缘纹理信息缺失、细节模糊不清等质量退化问题，本文提出一种矿井图像的多维特征与残差注意力网络超分辨率重建方法。首先，采用多分支网络将动态卷积与通道注意力机制进行并行融合，以“水平-通道”“垂直-通道”交互方式来捕获不同的空间统计特性。其次，设计了一种递归稀疏自注意力机制，在线性复杂度下聚合代表性特征图，自适应选择权重分配，减少计算过程中的信息冗余。最后，基于标准多头自注意力机制和残差连接方式构建深层特征提取的基本单元，将获得的特征信息与浅层特征通过跳跃连接共同输入重建模块，完成超分辨率矿井图像重建。实验结果表明，本文所提方法在客观评价指标和主观视觉分析上较现有主流算法均有明显提升。在矿井数据集的测试中，2倍和4倍缩放因子下的图像相似性（LPIPS）平均降低10.97%、9.91%，峰值信噪比（PSNR）平均提升4.10%、2.30%。证明了该方法在恢复矿井图像结构和纹理细节上的有效性。

关键词：煤矿井下图像超分辨率重建注意力机制残差网络递归算法