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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

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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低刚度加载诱发煤样冲击破坏特征及其机制

岩石力学与工程学报 2024年第6期43卷 1455-1467页

作者：卢志国高富强鞠文君娄金福白刚董双勇孙卓越杨磊李建忠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 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院辽宁阜新123000

冲击地压刚度理论认为加载刚度降低是煤柱冲击的必要条件之一,为量化低刚度加载对煤体力学性质及破坏特征的影响,选取不同弹性模量岩石材料与煤样构成不同刚度比组合试样,岩石作为煤样的直接加载体,实现对煤样的低刚度加载,获取煤岩组... 详细信息

冲击地压刚度理论认为加载刚度降低是煤柱冲击的必要条件之一,为量化低刚度加载对煤体力学性质及破坏特征的影响,选取不同弹性模量岩石材料与煤样构成不同刚度比组合试样,岩石作为煤样的直接加载体,实现对煤样的低刚度加载,获取煤岩组合试样各项力学参数,并分析其宏、细观破坏特征;收集煤样破坏后碎屑,量化碎屑尺度及散落空间分布特征,利用高速相机记录煤样碎屑弹射过程,获取弹射碎屑的体积、速度、动量及动能等参量描述其弹射特征,以碎屑尺度、散落空间分布及弹射特征,定量评价组合试样中煤样破坏烈度。利用黏贴于试样表面应变片获取加载过程变形特征,结合试验机记录载荷数据,计算能量演化,从能量角度分析组合试样中煤样冲击破坏机制。研究发现:(1)组合试样中煤样均发生冲击破坏,加载阶段岩石被压缩而积累弹性应变能,当煤样破坏时,所积累能量中超过90%随岩石回弹变形而释放对煤样做功,导致煤样冲击破坏。(2)组合试样轴向变形是岩石和煤样变形的综合,峰值强度时刻煤样轴向变形量相对恒定,不同组合模式下,组合试样轴向变形量的差异主要取决于岩石,峰值强度时刻岩石轴向应变随弹性模量增大而减速降低。(3)随岩石弹性模量降低,峰前变形量呈反比例函数增大,弹性应变能积累量增加,峰后能量释放量急速增大,导致煤样破坏烈度随岩石弹性模量降低而非线性加剧。(4)峰值强度时刻岩石轴向应变、煤样破坏烈度等参量随组合试样中岩石弹性模量演化规律的非线性特征突出:当岩石与煤样弹性模量处于同一量级时,各参量对岩石弹性模量变化响应显著;当岩石弹性模量显著高于煤样时,各参量对岩石弹性模量响应程度减弱。

关键词：岩石力学煤岩组合试样冲击破坏力学性质变形特征能量演化破坏烈度

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高延伸率锚索动态力学特性及工程应用

煤炭科学技术 2024年第2期52卷 49-62页

作者：付玉凯吴拥政周鹏赫孙卓越李军臣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

传统锚索延伸率低、抗冲击能力差,在强冲击载荷作用下易出现脆性破断失效,导致巷道出现冒顶、冲击地压事故等问题。基于此,自主开发了具有高强度、高延伸率及高抗冲击等特性的锚索,采用实验室试验、理论分析及现场试验等综合手段,分析... 详细信息

传统锚索延伸率低、抗冲击能力差,在强冲击载荷作用下易出现脆性破断失效,导致巷道出现冒顶、冲击地压事故等问题。基于此,自主开发了具有高强度、高延伸率及高抗冲击等特性的锚索,采用实验室试验、理论分析及现场试验等综合手段,分析了高延伸率锚索的静、动载力学性能,研究了高延伸率锚索化学成分、金相组织和夹杂物与普通锚索的差异,提出了高延伸率锚索支护吸能原理,并将高延伸率锚索在现场进行了应用。研究结果表明:静载作用下,高延伸率锚索抗拉强度为1790 MPa,最大力总延伸率8.1%,是普通锚索的1.61~2.25倍;动载作用下,高延伸率锚索钢丝不易散开,破断载荷与普通锚索基本相同,断后伸长率分别是锚索A、B、C的1.82倍、1.68倍和1.52倍,单位长度吸能量分别是锚索A、B、C的2.54倍、1.99倍和1.70倍,高延伸率锚索塑性变形能力更强,吸能能力更高。高延伸率锚索通过在冶炼和轧制工艺过程中控制有害化学元素和有益化学元素含量、细化金相组织及减少夹杂物尺寸和数量等方式提高了钢丝的塑性变形能力,进而提高锚索整体的抗冲击性能。高延伸率锚索在现场应用过程中经受了多次大能量冲击后,巷道支护效果良好,高延伸率锚索未出现破断,有效控制了巷道冲击破坏。

关键词：冲击地压深部巷道锚杆支护落锤高延伸率锚索

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

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

基于激光雷达点云的煤炭快速装车质量检测方法

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煤炭科学技术 2024年

作者：张俊升王洪磊朱西硕李佳城刘晓明天地科技股份有限公司北京技术研究分公司煤炭科学研究总院有限公司智能矿山研究院煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室(北京)

为了提高煤炭快速定量装车系统智能化无人化水平，实现火车装车质量快速实时检测，避免火车超偏载情况的发生，针对现有非接触式装车质量检测系统的不足，提出了基于激光雷达点云的煤炭快速装车超偏载检测方法。结合煤炭火车装车站装载... 详细信息

为了提高煤炭快速定量装车系统智能化无人化水平，实现火车装车质量快速实时检测，避免火车超偏载情况的发生，针对现有非接触式装车质量检测系统的不足，提出了基于激光雷达点云的煤炭快速装车超偏载检测方法。结合煤炭火车装车站装载流程，利用激光雷达三维扫描技术和车号识别技术，构建火车装车质量检测系统。提出一种基于马氏距离的离群点滤波算法，对每个点的邻域进行统计分析，计算其到临近点的马氏距离，去除火车车厢点云中存在大量的随机噪声，如装车时的粉尘、喷洒的水雾、外界环境的扰动（雨、雪、煤尘）等。提出了一种标签连通域聚类算法，通过点云连通域区域标记和聚类，完成相邻两节车厢之间的分割，提出一种基于PCA分析的火车车厢拼接算法，完成车厢点云的三维点云拼接。提出一种基于点云切片的装载物料点云提取方法，通过构建点云局部领域提高计算速度，在车厢长度和宽度方向上分别进行切片，滤除车厢前后、左右车帮点云。最后，提出了火车装车质量主要指标装载高度、装煤量、偏载量的计算方法，通过表面三维重建直观显示检测结果，实现火车装车质量的检测。试验表明，利用本文方法可以完成火车装车表面的实时扫描建模和装车质量检测，且该方法适用于不同尺寸车型，具有通用性。

关键词：装车质量激光雷达扫描连通域聚类点云拼接偏载检测

基于岭回归改进规范变量分析的微震事件实时判识

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工矿自动化 2024年第3期50卷 92-98页

作者：程健石林松骆意周天白杨凌凯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

微震事件判识是煤矿微震监测的基础。现有的微震监测技术大多基于单物理量变化规律而开发,在处理含有大量噪声和干扰信号的煤矿微震数据时易产生误判情况。针对该问题,基于岭回归算法改进规范变量分析(CVA)的损失函数,实现稀疏化建模,... 详细信息

微震事件判识是煤矿微震监测的基础。现有的微震监测技术大多基于单物理量变化规律而开发,在处理含有大量噪声和干扰信号的煤矿微震数据时易产生误判情况。针对该问题,基于岭回归算法改进规范变量分析(CVA)的损失函数,实现稀疏化建模,以提升模型泛化能力。采用岭回归改进CVA对多通道煤矿微震监测数据进行融合分析,进而实时判识复杂微震监测数据状态。采用模拟数据和实际煤矿微震监测数据对岭回归改进CVA进行实验验证。在基于模拟数据的实验中,随着噪声方差由5×10^(−6)增大至5×10^(−2),岭回归改进CVA的判识准确率较CVA提升了0.6%~5.4%,误报率和漏报率之和较CVA下降4.8%~17.3%。在基于实际微震监测数据的实验中,岭回归改进CVA对20个通道的微震监测数据融合分析结果能够反映出微震信号处于波动状态,验证了该方法具备微震事件实时判识能力,平均判识准确率为97.14%,较CVA高2.39%,误报率与漏报率之和为31.06%,较CVA降低0.07%,错误率为2.86%,较CVA降低2.4%。

关键词：微震监测微震事件判识多通道融合分析规范变量分析稀疏化建模

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