安全高效智能化煤炭开采技术现状与展望.pdf

收稿日期 2020-06-10 作者简介 何磊 （1984） ， 男， 英国巴斯大学机械工程专业学 士、 英国巴斯大学热流体学 （荣誉） 硕士、 英国巴斯管理学院 管理学 （荣誉） 硕士、 清华大学经管学院工商管理硕士， 中级 工程师。 DOI10.16525/ki.14-1362/n.2020.08.07 总第 194 期 2020 年第8 期 Total of 194 No.8， 2020 理论研究 安全高效智能化煤炭开采技术现状与展望 何磊 （太原向明智控科技有限公司， 山西太原030031） 摘要 对当前我国煤炭开采的理论和实际发展水平进行阐述， 针对当前煤矿开采没有对高应力区掘巷和留设 煤柱造成煤炭资源的损失以及安全问题进行描述，对煤矿开采技术的发展方向和如何进行安全高效的智能化 开采进行解读。以真正落实在采掘工作面生产中把控制煤矿事故和环境灾害作为第一目标， 有序推进监控和决 策系统的信息化、 可视化、 智能化， 保证采矿的安全高效智能化发展。 关键词 智能化开采； 机械化； 智能化； 技术现状 中图分类号 TD82文献标识码 A文章编号 2095-0748 （2020） 08-0016-02 现代工业经济和信息化 ModernIndustrialEconomyandInationization 1我国当前的煤炭开采理论水平 通过开采实际经验总结出了我国的“矿山压力 控制实用理论” ， 这套理论比较深刻和完整地反映了 矿山压力的实际变化， 能够用以指导开采实践。这套 理论主要分为四个方面 首先对 “矿山压力” 和 “矿山 压力显现” 的概念进行了区分， 在开采设计上将 “矿山 压力的显现” 当做控制的安全和技术目标， 在保证安 全的基础上制定经济的合理范围， 用 “采动才有” 来表 现前者的存在。其次说明 “矿山压力” 和 “矿山压力显 现” 的规律变化是岩层的运动和变化造成的， 因此应 当在设计中以 “岩层的运动为中心” ， 把不同条件下的 岩石运动和支撑范围的变化，包括相关动态模型的 建立和参数的选取作为矿山压力控制的首要考虑目 标。 再次提出 “矿山压力显现” 的影响范围是有限的， 提出了不同深度的压力影响范围的控制值。最后采用 “给定变形” 和 “限定变形” 的方案， 控制开采中确定 载荷的条件下， 对可能坍塌的岩层的作用力进行转移 以及控制载荷下的沉降， 最终将岩层的运动控制到安 全可靠的范围内， 实现经济合理、 技术可靠的目标[1]。 通过事故分析与理论研究，煤矿设计人员逐步 完善了不同情况下“采动顶层岩体运动和支撑力分 布” 为核心建模体系的结构动力学模型， 并将该模型 当做重大事故发生控制受力的模型体系，根据受力 体系选择参数， 并进行模型的优化。在模型建立上， 首先采用结构模型的组成， 将开采过程中四周煤壁上 传递的支撑力分为内应力场和外应力场， 外应力场的 主要构成为内外结构拱， 按照受力模型计算， 将受力 定量分配。其次该模型在开采的过程中随着不断推 进， 受力也在不断变化。 根据科学划分， 受力可以分为 “第一次来压” 和 “二次推进” 两个阶段， 受力模型如图 1 所示， 展现了开采过程中围岩受力的变化规律。 该受力模型的建立， 可以结合 “矿山压力显现” 的理论， 推断开采过程中巷道顶板来压的变化规律， 然后进行优化与研究，在不同的部位设置相关的监 测系统， 采集数据来确定模型的计算参数。 重大事故决策模型的体系建设也是通过大量的 事故案例分析和研究、 搜集的基础上建立起来的， 在 推进煤矿重大事故的决策方面有着重大的应用价 值， 能够直观展现生产现场的 “采场结构模型” 和重 大事故的关系。该模型体系的建设能够用来预防与 控制顶板灾害、 确定采场的基本结构参数， 比如顶板 的厚度和基本顶的厚度， 根据经验与理论计算， 单一 的岩梁和多层岩梁的岩层结构以及矿压的关系如下 页图 2 所示。图 2 中， R 为矿压， MPa； L 为岩层结构 厚度， m。 2煤矿灾害的控制水平 通过理论与实践发现，瓦斯事故的发生与相关 图 1第一次来压和二次推进阶段受力情况 第一来压阶段正常推进阶段 2020 年第 8 期 （下转第 22 页） 工作面和回风巷道中的瓦斯浓度有关，因此针对不 同的开采模式，瓦斯事故可能发生的地点和相关的 瓦斯涌出量需要提前分析， 以选择正确的开采模式。 瓦斯灾害发生的条件有氧气、 瓦斯浓度、 明火。控制 瓦斯灾害的数学公式可以见公式 （1） Ws Qumax Qf （） WU1.（1） 巷道 VS＜Vfmax≤8 m/s 工作面 VS约Vfmax≤4 m/s 式中 Ws和 WU为在通风条件下的瓦斯浓度和发生 爆炸的瓦斯浓度； VS和 Vfmax为回风巷道中的实际和 允许最大风速； Qf为事故发生点控制事故的通风量； Qumax为事故发生地点的最大瓦斯涌出量。 冲击地压的产生主要影响因素是煤层的压缩弹 性能以及顶板和底板的岩层弯曲能。煤层的弹性能 与煤层的开采深度和围岩的强度正相关，这些数值 越大， 产生的压缩弹性能的可能性也越大。 顶板底板 的弯曲弹性能与支撑岩体的强度和随动层的厚度正 相关， 弯曲弹性能与受采深度和顶板、 底板的岩层强 度正相关。 在实际开采推进过程中， 冲击地压发生的 条件如图 3 所示。掘进中如果内应力场不稳定就存 在地压冲击的危险，如果已经稳定就可以避免冲击 地压的发生，在没有释放应力的构造应力场中进行 掘进， 瓦斯和煤层同时存在危险。 3我国当前煤炭开采的技术水平 当前我国的综合机械化开采水平已经进入了国 际领先行列， 技术上取得了重大突破， 能够实现在安 全情况下高效的生产。机械化开采高度已经突破了 7 m， 神东矿区的最大工作面长度已经达到了 450 m 以上， 开采资源总量超过了 2 000 万 t， 还成功制造 和使用了世界上最大的液压支架，开采效率是美国 和日本等发达国家的 2 倍， 事故率达到了 0.01， 为 世界最低。 我国的综采放顶煤开采技术也已经与设备 形成一定的体系， 处于世界领先地位， 比如山西同煤 集团的综采放顶煤机采高度已经达到了 6 m，总采 煤高度为 20 m， 可以满足 1∶3 的放采比， 放煤运输 机的运输速度达到了 3 500 t/h。在开采中能够实现 全面高效的工作面推进， 年产量突破了 1500 万 t。 新 型的放顶煤支架也已经研制成功， 结合放煤运输机的 效率， 工作面也达到了 340 m。采煤地灾的控制也已 经形成了体系，包括新型的巷道布置以及瓦斯的抽排、 巷道顶板的控制装备和技术等，为开采中瓦斯、 火 灾、 透水、 顶板事故等的发生进行了良好的控制[2]。 4我国安全高效开采技术的发展方向 当前我国应当考虑的安全高效开采技术的发展 方向仍然是在深化 “使用矿山压力控制理论” 上推进 工作面采掘的机械和自动化，实现煤矿的安全高效 生产以及控制环境灾害的信息化和智能化上面。首 先要以正确的理论研究为指导，针对不同的煤层开 采条件收集参数进行科学定量设计，真正把采掘工 作面的生产第一目标制定到控制煤矿生产事故和环 境灾害控制中来，依靠正确的思想和现代高新技术 来保证智能化发展。当前结合回采工作面的顶板控 制， 研究了综采智能支架和智能挖底充填综掘机， 实 现了大型矸石回填控制沉陷。当前很多矸石除了充 填， 仍然是露天放置， 占用了大量的土地。煤矸石山 中的硫元素是有害的，需要进一步研究措施去除有 害物硫， 利用生物技术等对煤矸石山进行生态重建， 改善生态环境。 5结语 我国是世界煤炭资源大国，煤炭的产量十分巨 大， 年产量占世界总产量的 50以上。 但是在我国煤 炭的开采中还存在很多问题，比如煤炭资源浪费的 问题，以及一些开采难度较大、开采条件恶劣的问 题。 由于一些原因开采的技术也参差不齐， 在开采过 程中也容易发生透水、 地压、 瓦斯、 顶板等灾害事故， 造成人员伤亡。 因此在新技术发展的同时， 应当将安 全高效智能化生产引入到煤矿生产中来，结合正确 的开采理论，针对当前的开采条件进行模型的建立 和计算， 通过试验采集计算的参数实现安全生产， 并 将生产中可能出现的事故因素排除掉。 在开采中， 尽 量实现长途遥控、 开采的智能化和可视化， 在发生事 图 2单一和多层岩梁岩层结构与矿压情况 图 3冲击地压发生的位置与条件 支撑压力影响范围 支撑压力高峰位置 内应力场范围 R R a bb cc a1 b1 b1b1 a1 c1 c2 b2 c1 L L 何磊 安全高效智能化煤炭开采技术现状与展望 17窑窑 第 10 卷现代工业经济和信息化 xdgyjjxxhx 故的时候能够智能决策与处理，这对于保证煤矿开 采的安全有着重要的意义。因此之后还需要依靠正 确的理论指导，结合高新技术实现煤炭的安全高效 智能化开采，这也是煤炭企业需要进行的一个重要 工作。 参考文献 [1]葛世荣， 胡而已， 裴文良.煤矿机器人体系及关键技术[J].煤炭 学报， 2020 （1） 455-463. [2]曹哲哲， 李川， 高小虎， 等.浅析大采高智能化液压支架关键技 术应用[J].陕西煤炭， 2019， 38 （6） 136-140. （编辑 王红霖） Present Situation and Prospect of Safe, Efficient and Intelligent Coal Mining Technology He Lei Taiyuan Xiangming Intelligent Control Technology Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030031 Abstract This paper expounds the current theoretical and practical development level of Chinas coal mining, describes the current coal mining technology development direction and how to carry out safe and efficient intelligent mining, aiming at the current coal mining without describing the loss of coal resources and safety problems caused by roadway driving and coal pillar retaining in high stress area. In order to truly implement the control of coal mine accidents and environmental disasters as the first goal in the production of mining face, it is necessary to orderly promote the inatization, visualization and intelligence of monitoring and decision-making system, and ensure the safe, efficient and intelligent development of mining. Key words intelligent mining; mechanization; intelligence; technology status （上接第 17 页） 统的下限条件边界， 预计电容剩余的安全使用寿命。 软件界面如上页图 2 所示。 4结语 故障预测与健康管理是制造业目前的整体趋 势，对特定系统内的关键寿命部件建立有效准确的 寿命预测模型， 是实现精准预测的前提。 寿命模型的 搭建应充分考虑产品的自身性能衰变特性、产品应 用的具体系统边界要求、不同运行典型场景的工况 对产品性能的影响等因素。 建立通用模型， 通过计算 机将模型固化，实现维保环境能对每种电容的实际 测量情况进行精准的剩余寿命判定，以支撑修理维 护建议。 参考文献 [1]刘泳斌.金属化膜电容可靠性研究进展[J].电力电容器与无功 补偿， 2019 （1） 53-58. [2]熊诗成.金属化膜电容寿命预计方法[J].高电压技术， 2018 （7） 2 378-2 384. （编辑 王红霖） Volume Characteristics and Life Model of Metel Film Capacitance Yang Huilan, Hou Tao, Liu Zhun CRRC Yongji Electric Co., Ltd., Yongji Shanxi 044502 Abstract Metal film capacitor is widely used because of its good self-healing property. This paper mainly introduces the traditional theoretical life calculation ula, analyzes how to build the accelerated aging test profile more accurately and effectively. Further through the experimental data and the capacitance value of some regularly used capacitors for data fitting, the mathematical model of capacitance value changing with time is established and verified by data. It is proved that the scheme can effectively predict the variation trend of capacitance value and the remaining service time when the tolerance range is given. Key words metel film capacitance; capacitance volume calculation; life prediction 22窑窑