摘要：随着煤矿智能化建设进程的推进,制约行业发展的一些问题也逐渐凸显,例如“信息孤岛”现象尚未彻底解决,大量基础条件较差的矿井仍未打通子系统之间的数据流通壁垒,先进矿井的数据平台也主要停留在数据集成阶段,尚未实现数据的跨系统融合,无法实现业务协同;煤矿企业管理信息化水平相对于其他先进行业有较大差距,横向和纵向的管理模式仍较为落后,大多仍停留在传统的非信息化或半信息化模式,缺乏一体化、协同化的管理体系;共享平台缺失,重复开发了众多功能相对单一的同质化软件,无法实现优质软件的复用和技术积累的共享;设备通信接口不统一、数据协议标准不一致,系统集成难度大,协同控制水平低等问题。因此,建设矿井一体化管控平台,融合井上、井下各自动化子系统数据,实现统一监控、统一调度和统一决策已经成为了煤矿行业的迫切需求。参照国家及行业相关标准,明确了矿井一体化管控平台的内涵,并对照智能化煤矿的三级评价体系,结合智能化建设目标,分别梳理了初级、中级、高级矿井一体化管控平台的建设要求。并据此完成了矿井一体化管控平台的总体架构设计,确定了各个部分的功能划分和技术实现方式。随后具体阐述了矿井一体化管控平台应用的统一EIP协议、大数据融合平台、容器化平台、数据交换共享以及主数据管理等关键技术。最后介绍了系统平台在实际应用中的部署架构和协同方式,通过试运行系统验证了矿井智能一体化管控平台的数据融合能力和综合管控能力,该平台可以有效支撑煤矿的生产、安全、管理需求,加强纵向联动和横向协同,推进矿井的安全、高效、精细化运营,实现降本增效。

摘要：工业互联网是工业系统与新一代信息通信系统深度融合的新型应用模式,是新基建的重要组成部分和促进两化融合的抓手。为推进煤矿智能化改造和升级,探索通过煤炭工业互联网平台的建设,充分利用物联网、大数据、人工智能等先进技术手段,对煤矿企业生产各环节产生的数据进行采集、存储、加工处理和分析利用,打通信息和系统孤岛,实现数据融合和共享,为安全高效生产提供分析和决策支持。首先基于工业互联网产业联盟发布的工业互联网平台整体框架,结合业界应用实践,围绕煤炭行业特殊应用场景,研究适合于矿井的工业互联网平台解决方案。同时通过分析研究煤炭行业业务数据特征,根据不同层级工业互联网平台的定位,尝试给出了工业互联网平台在煤炭行业落地部署时矿井级、集团级、行业级等不同层次工业互联网平台的功能和协同关系。然后进一步深入设计了一种适用于矿井的云边端一体工业互联网平台技术方案,满足矿井智能化生产过程管控需求,并重点对工业互联网平台的核心支撑大数据平台技术体系进行研究,以数据为导向,设计了大数据平台整体功能架构和技术架构。针对大数据平台的核心技术组件选型,搭建试验环境,利用在某矿井综采工作面实际采集的数据进行试验验证,证明整体架构和技术路线可行,大数据平台的数据存储、访问、计算等关键性能指标符合预期。

摘要：为保持露天煤矿区域地下水系统平衡,避免由疏干造成的水资源破坏及不良环境影响产生,缓解露天煤矿疏干和排水之间的矛盾,尝试在降落漏斗范围内同层回灌露天煤矿疏干水。在保障采矿安全的前提下,通过短路径“疏干-回灌”地下水循环,实现疏干水零排放。以水均衡为理论基础,依据短路径地下水循环疏干理论,以露天煤矿为研究对象,采用FEFLOW地下水数值模拟软件,构建疏干-回灌协同开采地质模型,对露天煤矿疏干和回灌同时运行条件下的地下水流进行模拟。分析疏干井和回灌井的井数、井距、流量与疏干效果的关系。对比分析降水孔疏干法和短路径地下水循环疏干法的疏干效果,验证短路径地下水循环疏干法。通过数学模型得出回灌完全补给疏干时,形成短路径地下水循环。给出疏干与回灌同步、疏干流量稳定、回灌量尽量接近疏干量、回灌井与疏干井距离短4个关键问题。模拟计算出形成短路径地下水循环的回灌井布设数量与疏干井为1∶1;回灌井距降水中心的最优距离段是2000~3000 m,并且距离越大疏干流量降幅越大,距离越短达到最大回灌流量的时间越短。突破地下水同层回灌以疏干降落漏斗为界限的限制条件,定义短路径地下水循环疏干;提出临时利用含水空间和水在含水层中循环的时间,换取采煤工作区安全开采的疏干思路,得出短路径地下水循环疏干理论。研究以露天煤矿地下水实现疏干目标为前提,模拟短路径“疏干-回灌”水循环疏干过程。得出单环型等距布设回灌井时,回灌与疏干井数相等;循环较好的回灌井与降水中心距离段;通过分析疏干流量、回灌流量、回灌井距离降水中心距离和疏干时间之间的关系,推算出距离降水中心最近的回灌井布设距离计算公式,并给出了该方法用于露天煤矿疏干排水的应用步骤。结合某矿疏干实例,在达到与降水孔疏干法相同的疏干效果时,短路径地下水循环疏干还具有保持疏干系统流量稳定、使疏干设备高效能稳定效率工作等优势,并可通过调整回灌井布设位置和调节回灌井井内水位,控制区域降落漏斗的范围和形态。通过实例模拟计算对比2种疏干方法,短路径“疏干-回灌”水循环使疏干井日出水量稳定在最大出水能力的82.5%以上,降低了疏干水外排量33%~98%。

摘要：CT扫描技术为观测煤岩内部裂隙提供了重要手段,然而由于煤岩CT扫描裂隙场的高度复杂性,对其精确定量描述一直是行业内十分困难的问题。通过CT扫描发现,煤岩内部裂隙结构以面裂隙为主,因此针对CT扫描获得的煤岩面裂隙结构,提出了一种基于椭球模型的解决方案:首先将煤岩CT扫描获得的面裂隙结构离散为三角形面网格,在Geomagic Wrap软件中对三角形面网格进行简化和修复,得到一系列三角形裂隙面代替原有的裂隙结构;然后采用一种特殊的面椭球,即旋转扁椭球,拟合每一个三角形面裂隙,据此实现对整个裂隙结构的椭球模型重构,详细给出了二维空间和三维空间中面椭球重构的控制方程及求解策略,并验证了求解策略的可行性,给出了椭球模型重构CT扫描裂隙场的精度分析;最后利用重构的椭球形裂隙场,分别设计面裂隙方向张量与面裂隙组构张量,定量表征煤岩CT扫描面裂隙结构,同时给出了针对面裂隙方向张量与组构张量的简便计算方法。对于裂隙张量表征理论的应用,选取了简单面裂隙结构、CT扫描获得的真实复杂裂隙结构、真实裂隙场的演化过程等3个具体案例,验证了裂隙张量理论对煤岩复杂裂隙结构的描述能力,并阐明了其与孔隙率、分形维数描述方法之间的异同。关于椭球模型重构方法的应用,除了有助于裂隙结构的定量表征,还介绍了其在裂隙煤岩等效弹性模量预测理论方面的应用前景,并通过数值模拟分析初步验证了理论公式的适用性。

摘要：为寻求智能化露天煤矿统一的设计思想和建设内容,确保露天煤矿智能化建设的实效,针对目前露天煤矿山普遍存在的重“软”系统建设,轻“硬”工艺装备变革,重业务系统建设、轻数据价值挖掘,偏离需求片面追求无人化,忽视智能化建设的经济属性等问题,厘定了围绕“人”“设备”“系统”3条主线的建设内容,明确了将露天煤矿智能化程度分为初级、中级、高级3个阶段的智能化分级建设原则,提出了实现矿山全要素、全过程、全生命周期个性化安全稳定运行的露天煤矿智能化建设的总体目标。通过解析露天煤矿生产和智能化建设的特征,提出了工艺为本、分级建设、价值导向、有序推进和虚实共生的智能化露天煤矿总体设计策略,以期指导我国露天煤矿智能化建设系统化、科学化和规范化。基于我国煤矿露天开采技术和工艺装备水平的现状及矿山的现实需求,提出了露天煤矿智能化建设应以工艺作为基本的出发点和落脚点,而并非片面追求少人或无人的发展本质。我国露天煤矿智能化建设的首要任务和核心关键是攻克连续和半连续开采工艺核心装备的卡脖子难题,建立工艺系统机理模型,基于泛在连接技术实现设备群的全面互联和数据的全面采集管理,再进行大数据分析和智能决策。基于工业互联网平台体系架构思想,建立了“感知层、接入层、边缘层、智能化煤矿工业互联网平台层和综合管控平台层”的5层智能化露天煤矿平台架构。感知层实现露天煤矿“人-机-环-管”信息的全面感知;接入层利用智能数据网关模块技术实现感知层数据的实时传输;边缘层依托协议转换技术实现多源异构数据的协议转换、归一化和边缘集成;智能化煤矿工业互联网平台层由物联网管理平台、云计算平台、技术中台、业务中台和数据中台等组成,构建可扩展的开放式云操作系统;综合管控平台层提供了设计、生产、管理、服务等一系列创新性业务应用,实现独立决策与控制、数据共享和系统间的智能联动。构建了智能化技术驱动的露天煤矿智能开采技术的5大主要应用场景,提出了智能化露天煤矿初、中、高三级的建设内容,明确了露天煤矿智能化建设的基本规律,即矿山必须以智能化建设的价值创造为评价准则确定相关建设内容及合理的投入规模,方可形成智能化矿山建设的最终价值。

摘要：采煤沉陷区建筑利用是解决资源城市转型发展用地和沉陷区村庄搬迁选址土地资源短缺难题的重要途径。系统进行采煤沉陷区情况调研、城镇建设建筑利用需求分析和工程发展历程回顾总结。归纳采煤沉陷区建筑利用关键技术,首先凝练提出采空区精准勘察的多种物探勘察、钻探勘察、钻孔彩色电视和三维激光扫描等技术,并给出了5种物探方法适用条件;通过整体分析评价技术中采动空间和采动时间稳定性问题,并基于场地稳定性、地基稳定性评价判据提出了工程建设5种(不适宜作地基的区域、暂不适宜作地基的区域、要求井下采空区处理的区域、可作地基的区域和推荐作地基的区域)适宜性分类;总结列出采空区加固治理与地面建筑抗变形结构设计的井上下措施及其关键技术;最后,针对采煤沉陷区城镇建设中建筑利用技术难题和不足,提出加强采煤沉陷区城镇建设和建筑利用的空间整体规划统筹引领作用,提升采空区精准勘探和地基加固治理技术装备水平,拓展移动期后采空区残余移动变形时空规律研究,加强采空区与建筑结构变形协同作用机理和效果优化研究,加强建设场地和建(构)筑物监测监控技术装备研发等今后研究发展方向,为推动采煤沉陷区城镇化建设科学研究与工程实践发展提供借鉴和参考。

摘要：边角残煤一直是影响我国矿井资源采出率的关键因素,尤其是一些资源整合兼并矿井,普遍存在能整装布置的综采工作面少,而三角块段、不规则块段、残留煤柱等边角残煤资源量大难以回收的问题,特别是边角残煤若属于特殊和稀缺煤种等优质资源,其解放开采意义重大。以盛平煤矿为例,针对其作为资源整合小矿井拥有优质稀缺资源却由于边角残煤太多难以开采的现状和难题,提出在条件适合的边角块段采用连续采煤机开采,将传统的旺格维利采煤法改进后形成全风压通风的开采系统,详细介绍了不规则块段短壁巷道布置设计、采掘工艺设计以及岩层控制矿压监测,采用数值模拟分析了采场不同宽度采硐间煤柱、隔离保护煤柱在开采时的应力场、塑性区分布以及变化规律,选取出采硐间煤柱宽度1.25 m、隔离保护煤柱8.0 m的较优方案并应用于现场实践,最后通过矿压实测,验证了模拟分析的正确性,得出了工作面岩层垮落与煤柱变形的初步相互关系。研究表明,提出的“连续采煤机+梭车+连运一号车+履带行走支架”的设备配置,较好解决了矿井浅埋深、近水平、低瓦斯、顶板中等稳定等煤层地质条件下的边角块段开采难题,采硐间煤柱宽度在1.25 m时既可以在开采期间支撑顶板又不影响采后直接顶的及时垮落,8 m隔离保护煤柱破坏极限发生的时间控制在间隔一个采空区后的回采区回采时,回采区受采空区顶板垮落影响较小,连续采煤机有效解决了盛平煤矿优质残煤资源的开采,示范效应明显。

摘要：针对我国当前推广应用的可视化远程干预智能化采煤模式进行了分析,介绍、总结了基于视频监控的远程干预综采智能化、以巡检机器人辅助的工作面智能化,以及基于惯性导航技术的综采智能导航等3个方向的技术发展情况,提出了当前可视化远程干预智能化采煤所面对的“看、动、想、稳”4个方面实际问题。分析了复杂开采条件下智能化采煤所面对的自适应技术和综采机器人技术2项技术难题,归纳出开采空间多元信息采集及交叉融合、智能化采煤决策基础理论、综采装备群智能化协作3个科学难题。围绕技术、科学难题,提出了智能化开采系统需要具备的4个基本要素,分别为:煤炭开采空间感知能力、智能分析及决策能力、自动执行能力、可靠及稳健运维能力,设计了以“感知、决策、执行、运维”为4个维度的智能化采煤系统架构。研究了关键技术待突破方向,包括开采地质环境增强感知技术、智能开采工艺分析决策技术、开采装备智能化技术、煤矿智能巡检机器人技术、开采系统智能运维技术、辅助生产环节智能化技术、综采智能服务等方面。最后,以国能集团神东榆家梁煤矿智能化采煤示范工程项目为例,开展了基于“透明工作面”的数字化采煤应用,初步实现了智能化自主采煤。

摘要：针对科学定量化评价露天开采对土地扰动强度的难题,基于露天开采扰动效应理论,运用标准煤和生态足迹计算原理,提出了评价指标的公平转化准则和详细计算方法。结合露天矿全生命期采排工程时空发展规律,绘制了土地挖损强度(LEI)和土地压占强度(LOI)的变化曲线,划分了变化阶段,分析了各阶段的指标特征。以准格尔矿区露天矿为例进行了实证研究:受哈尔乌素露天矿开工建设的影响,2006—2010年LEI和LOI的年均增长率分别为56%和70.42%,土地生产力弹性系数LPR1且年均增长率为17.5%,至2015年底准格尔矿区土地生产力增加了近1倍,开采吨标准煤扰动的实际土地面积较2014年以前减小了35.9%,负向土地扰动效应正在逐渐减弱。研究结果表明:以土地挖损强度(LEI)、土地压占强度(LOI)和土地生产力弹性系数(LPR)等3个指标来量化露天开采对土地产生的扰动效应是符合实际的,但仅从露天开采对土地的挖损和压占角度分析露天矿对环境的破坏作用是不全面的,还应全面考虑土地复垦和生态重建对土地价值和环境功能的改善和提升作用。因此露天矿的决策是影响土地扰动强度的关键,对露天矿的科学规划和设计是减弱扰动效应的关键途径。

摘要：我国煤层透气性系数普遍较低,尤其进入深部开采后,煤层表现出高地应力、高瓦斯压力和低渗透性等特征,采用高压水力割缝降低煤层地应力,增加煤体透气性,提高煤层瓦斯抽采效率是技术发展方向之一。针对不同煤层地质条件,煤层采用水力割缝的相关技术参数设计主要依据经验判断,可能导致煤层水力割缝钻孔控制不均匀存在空白带或两相邻钻孔割穿而影响瓦斯抽采及煤层防突效果。研究以高压水射流破煤冲击效应分析为基础,针对高压水射流冲击特征,结合高压水射流分区结构,通过边界层理论得出高压水射流速度分布函数,获得了高压水射流割缝过程中平均射流速度衰减规律;应用应力波在煤体中传播特性建立波动方程,然后结合高压水射流随距离变化的衰减规律及最大伸长线应变准则,综合建立了高压水射流环形割缝深度理论模型。通过试制高压水射流作用力采集装置,以喷嘴直径、射流压力和射流距离为条件,测试了不同参数下高压水射流打击力的变化规律,在理论上验证高压水射流平均速度衰减规律。采用研究获得的高压水射流环形割缝深度理论模型,结合新集二矿试验区1煤层力学参数,理论计算了不同射流压力条件下煤层割缝破煤深度,现场实际割缝深度与理论模型预测结果对比误差小于7%。研究表明高压水射流环形割缝模型能较好地预测煤层割缝深度,可用于指导煤层高压水力割缝参数的设计。