煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2019年第10期

• 智慧露天矿山建设基本框架及体系设计

  张瑞新, 毛善君, 赵红泽, 郭苏煜, 贾宏君, 赵学彬, 孙健东, 王群, 李淋, 马远平, 王宇新, 郭帅, 鲍海明, 林钰淇,

  针对我国当前露天矿信息化建设中存在的信息孤岛，各生产部门无法高效协同实现数据资源共享、生产装备自动化程度低、对安全的自动判断和预警不足等问题。在对国内外智慧矿山发展趋势研究基础上，提出了智慧露天矿山定义，智慧露天矿山层次间关系、智慧露天矿山建设原则和分期建设的“1+4”智慧化系统，即：1个基础平台是露天矿山基础支撑智慧化系统，4个业务系统是指露天矿山时空演化智慧化系统、露天矿山设备及工艺智慧化系统、露天矿山生产计划与工程管理智慧化系统、露天矿山综合管理智慧化系统， 智慧露天矿总体构架、体系结构和技术框架，规划了各个系统的重点建设内容及项目构成、实现途径和分期目标。指出了智慧露天矿山建设体系主要由保障体系、标准规范体系、关键技术、决策体系、信息基础支撑体系、时空演化支撑体系、生产设备与环节管控体系、生产计划与施工协作体系、综合应用管理服务体系组成，同时提出了智慧露天矿山建设就是以云计算、大数据、物联网及矿业工程专业技术为基础，利用物联网技术实现“人-人”、“人-物”、“物-物”深度互联能力；基于统一网络传输标准，使爆破、采装、运输、排土、环境等监控系统与机电设备管理、调度通信、工业电视等安全生产技术管理系统得以有机汇接，实现信息共享；利用云计算和大数据技术，对矿山海量数据进行挖掘分析并及时响应，为矿山各管理层面决策提供数据支持；建立统一的矿业协同平台，使矿山爆破、采装、运输、排土等部门协同工作，打破信息孤岛，实现露天矿山系统的分布式协同工作，最终实现信息采集全覆盖、数据资源全共享、统计分析全自动、业务管理全透明、人机状态全监控、生产过程全记录，形成完整统一的时空框架和信息系统，提高各业务部门的多元信息融合、共享和生产系统的协同效率，实现矿山的绿色、安全、高效生产。

• 我国露天煤矿开采技术综述及展望

  李浩荡, 佘长超, 周永利, 黄玉凯,

  改革开放40年来，我国露天煤矿开采技术得到快速发展，基于我国露天煤矿开采技术最新资料和2019年国家能源局全国煤矿生产能力公告，从规模、数量、能力、分布以及开发主体等方面归纳了我国露天煤矿发展现状，具有数量少能力大、超大型为主、开发集中度高3个特点。从基础理论、开采工艺、装备水平、信息智能、安全生产、生态恢复等6个方面露天煤矿先进采矿技术，同时对剥采比、边坡失稳、绿色开采3个方面基础理论研究成果；阐述了现有开采工艺在转向协调开采、运输优化、高效爆破、陡帮端帮开采等方面新技术应用现状，分析了采装、运输等装备研发应用及国产化、大型化技术情况，开发并应用了卡车智能调度、CI-IDS生产管理、轮胎全寿命管理、疏干智能排水、智能爆破等6套信息智能系统，总结了边坡滑坡、运输事故、小煤窑采空区塌陷、水害等4大安全风险防控技术，从绿色开发、生态修复、综合整治、采复一体、地貌重建、干雾抑尘等6个方面介绍了综述了绿色矿山建设技术成果，并结合当前实际，提出我国政策与发展不同步、开采模式相对单一、开采技术发展不平衡、大型关键设备及零配件仍依赖进口、高效露天开采工艺应用较少、恢复生态原貌技术尚不成熟、重大灾害治理技术仍需突破的7个问题。最后，对我国露天煤矿高质量发展提出了5点新认识：探索露天煤矿一矿多坑、井露联合开发开采新模式，研发吊斗铲、无人卡车、大型破碎机等采剥运破高端智能装备为建设智慧矿山提供支撑，创新保障人机安全的安全高效生产新技术，创建全程绿色开采、损伤鉴定、原貌恢复等绿色矿山成套技术体系，同时要建立专业化运营队伍及培养职业开采人员，加快实现我国煤炭产业高质量发展。

• 基于BIM的智慧露天矿协同工作平台架构与关键技术

  王忠鑫, 孙鑫, 王金金, 齐振鹏, 宋波,

  BIM（Building Information Modeling）技术是一种应用于工程设计、建造和管理的数据化工具，通过对数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，为项目参与各方提供了协同工作的平台，已经在全球范围内得到业界的广泛认可。目前，国内露天矿应用BIM技术 处于起步阶段，露天矿工程具有地质条件复杂、生产环节多、工程动态发展、信息多源分布、数据体量庞大等特点，矿山设计、建设、生产、运维过程中所有信息的无损传递、共享与联动尚未完全实现。为解决这一难题，基于露天矿工程全生命周期、全工程领域、全参与方的不同需求，厘清信息模型的维度，提出平台建设的总体思路，构建露天矿工程BIM协同工作平台的四层功能架构体系，包括应用层、平台层、技术层和软件层，综合露天采矿专业软件与BIM通用软件相结合的特性，提出了真三维精细化信息模型构建、露天矿三维优化设计及虚拟开采、模型地学信息及工程属性传递共享、设备模型参数化及工程参数化设计等10大关键技术。研究结果表明：采用露天采矿专业软件与BIM通用软件深度融合能够发挥两者优势，建立集矿山三维地质、采矿、地面生产系统、工业场地等工程全要素精细化信息模型于一体的协同工作平台，形成露天矿工程统一的BIM模型数字化交付标准，为进一步研发建设智慧化露天矿山“高品质”三维基础平台奠定理论基础。

• 高寒地区露天矿无人机移动测量适用性研究

  刘光伟, 于秋宇, 李浩然, 李继, 张波, 魏亚龙,

  如今矿山测绘采用最多的是全站仪以及GPS-RTK动态测量技术，对于矿区中一些比较陡峭大坡度区域，以及深沟区域，测绘人员往往无法到达，在高陡边坡采集数据时也会存在测量安全隐患。此外，大型露天矿区开采范围大，开采水平多，单点测量需要大量的人力物力，不仅增大了劳动强度，还降低了工作效率。因此在伊敏露天矿测量验收中，采用的传统数据采集方式亟待改进，对于其测量验收方式的也需改变。为了满足高寒地区露天矿测量验收的实际需求，提出采用飞马D200作为飞行平台，利用D-OP200倾斜模块，飞马D200为飞行控制与管理系统的无人机整体解决方案，对无人机能否在高寒地区正常完成测量工作进行了现场飞行试验。在低温、大风、雨雪等特殊环境下的无人机进行了飞行试验并对无人机移动测量数据进行采集与处理。结果表明：在伊敏矿区受各种恶劣天气交叉影响的条件下，全年仍有80%的工作日无人机可正常飞行作业；飞行测试中的单点误差均小于0.05 m，实景建模算量与实测采剥量的误差在5%范围内，满足矿方测量验收的算量精度。

• 基于MCMC算法的露天矿典型设备故障预测方法研究

  刘威, 郭直清, 黄敏, 白润才, 徐煦, 王东, 刘光伟, 赵景昌,

  大型设备是露天矿开采工艺系统的重要组成部分，设备的有效利用直接决定着露天矿的生产效率。为解决露天矿典型设备的故障预测问题，降低设备的故障率和维修成本，提出了一种基于马尔科夫蒙特卡罗方法的露天矿典型设备故障发生时间预测算法,该算法利用马尔科夫蒙特卡罗方法(MCMC)对设备故障数据进行抽样估计，获得设备故障发生次数所对应的齐次泊松过程的参数λ，然后根据浴盆曲线性质，不断对λ进行修正和拟合，确定设备当前状态下故障发生次数的泊松分布参数的值λc，再利用齐次泊松过程中随机点的点间间距是相互独立的指数分布随机变量序列的性质，将λc的倒数作为指数分布参数的估计值，确定设备故障发生时间间隔所服从的指数分布，进而利用指数分布预测设备故障发生时间。研究结果表明：设备故障发生次数所服从的泊松分布参数随时间动态变化；设备故障维修时长随设备使用年限的增长而逐渐变长（设备发生中型及以上故障次数增多）；所提出的算法经修正尺度简缩因子验证，具有合理性和有效性，能够用于对露天矿典型设备的故障预测。数值模拟结果显示：在外部环境不发生明显变化时，该算法能够精确、有效的预测露天矿典型设备的故障发生时间和故障类别，不仅能为企业科学制定设备预防性维修计划提供依据，而且能为智慧露天矿建设提供有效的基础决策数据。

• 露天煤矿绿色开采生态环境评价体系模糊评判研究

  宋子岭, 赵东洋, 张宇航, 贾正昭, 范军富, 王荣海,

  我国煤炭露天开采由于比井工开采具有明显的优越性而得到了快速发展，然而由于大部分露天煤矿区位于内蒙古、新疆等生态脆弱地区，露天开采对当地的生态环境造成了极大的影响与破坏。以神华北电胜利一号露天煤矿为例，为一大型露天煤矿，位于草原生态环境地区，其开发对草原生态环境影响较大，为评价露天开采对矿区生态环境影响程度，提出了露天煤矿绿色度评价评价方法，建立矿区生态环境评价指标体系和评价模型、评价标准，并对胜利一号露天煤矿评价指标进行量化，进行了露天煤矿综合绿色度指标评价。研究结果表明：胜利一号露天煤矿综合绿色度指标为0.707，达到了“良”的标准，为我国现有的大型露天煤矿中得分是相对较高的；胜利一号露天煤矿的一级指标中“固体环境”、“生态环境”得分较低，是露天煤矿生态环境的薄弱环节；二级指标中“土地占用”指标、“矿区地形条件”指标，“污染控制与废物利用”指标、“重建生态资源保护利用”指标等得分较低，并提出了改善其得分的技术与管理措施；通过对“水环境”、“大气环境”中三级指标分析，得出了15个得分较低的三级指标，并对其中10个指标提出了改善措施，其他5个指标是客观因素造成的。

• 降雨工况下露天矿排土场边坡稳定性与治理措施

  赵洪宝, 魏子强, 罗科, 苏泊伊, 任朝朋, 伍国明,

  为了研究河曲旧县露天煤矿内排土场边坡在降雨饱水工况下的稳定性状态以保证边坡体西侧选煤厂等建筑物的安全，首先，利用FLAC3D软件采用强度折减法确定了其潜在滑移面，并通过FISH语言建立了潜在滑移面的拟合模型，利用极限平衡计算软件Geo-slope分析计算了现状边坡与终了排弃边坡在自然工况和暴雨工况下的整体稳定性，其次，对边坡体采用不同压脚参数的各个工况条件进行模拟计算，得到不同条件下的安全系数与滑体剪出口位置。研究结果表明：在自然工况下，现状边坡与终了排弃边坡都能达到稳定或基本稳定状态；而在暴雨工况下，边坡体基底出现弱层，同时坡体力学参数严重弱化，安全系数骤降，滑面与滑体范围扩大，滑体由从坡脚剪出扩大为从基底弱层剪出，各个典型剖面的安全系数与自然工况下相比降低20%～30%，失稳概率极大，根据排土场的具体情况确定采用压坡脚工艺提高排土场稳定性并优化了压脚高度与宽度工艺参数，采取宽度40 m、高度20 m的压脚方式确保边坡的稳定性。

• 复合煤层露天矿软岩边坡参数逐阶段优化方法研究

  王东, 郭富宁, 曹兰柱, 李广贺,

  为解决复合煤层露天矿软岩边坡形态参数优化这一难题，从对影响边坡稳定性关键因素的分析出发，采用刚体极限平衡理论和FLAC3D数值模拟软件相结合的方法，结合露天矿采场自上而下逐水平形成的特点，提出了一种顺倾层状边坡参数逐阶段优化方法，将该方法应用于白音华一号露天矿北帮边坡,分4个阶段优化设计了该矿北帮复合煤层软岩露天矿边坡空间形态。研究结果表明：白音华一号露天矿北帮边坡滑坡模式以剪切圆弧为侧界面，以煤层顶、底板弱层为底界面的切层-顺层滑动;经逐阶段优化后，1煤的底板弱层以上台阶边坡角为12°，边坡平台宽为25 m；2煤的顶板弱层以上台阶边坡角为22°，边坡平盘宽为30 m；3-1煤的底板弱层以上台阶边坡角为15°，边坡平盘宽为54 m；3-2煤的底板弱层以上台阶边坡角为14°，边坡平盘宽为25 m；北帮最终设计边坡角由原设计13°提高至15°，多采煤量为443万t，多剥离岩量167万m3；经优化设计确定的复合煤层软岩露天矿边坡形态参数,可弥补采用传统方法设计造成的边坡角偏小的不足,实现经济效益最大化。

• 胜利东二露天矿南帮滑坡区压煤回采边坡稳定性研究

  曹兰柱, 黄浩轩, 王东, 王珍,

  针对含有断层、软弱夹层的露天矿边帮压煤问题，从控制边坡稳定性的角度出发，结合胜利东二露天矿南帮边坡工程实际情况，运用极限平衡法、数值模拟等方法和手段，研究了不同煤柱留设长度边坡稳定性变化规律，确定了横采内排跟踪距离及横采工作帮坡角对南帮边坡稳定性的影响。研究结果表明、胜利东二露天矿南帮的滑坡模式为剪切圆弧-顺层滑移；当滑坡区F8断层上盘留有煤柱时边坡稳定性系数均小于1.0，且留设煤柱越长边坡稳定性越小；当清理F68断层上盘滑坡体小于100 m时南帮边坡稳定性有所提高，但变化较小；考虑到实际剥采工程发展过程中采运设备布置空间需要及安全问题，最终确定横采内排跟踪距离为10 m、横采工作帮留1个工作平盘。

• 高推进强度下黑岱沟露天矿合理产能研究

  赵红泽, 郭心灵, 郭帅, 李志伟, 王宇新, 孙健东, 李淋, 白玉奇,

  近年来，随着露天采矿工艺设备的发展和采矿技术的进步，生产规模的大型化成为全球露天煤矿的主要发展方向，而生产规模的扩大带来了矿山生产设计与现场生产组织管理的复杂化，因此合理的生产规模对于露天矿生产非常重要。针对目前黑岱沟露天矿高产能高推进强度下进入二采区后，由于地质条件变化在该矿的北部采用松动爆破-单斗卡车作业，而在该矿南部抛掷爆破-拉斗铲倒堆作业，这种南北分区开采方案后合理生产能力的确定问题，提出一种通过时空推演模拟来确定露天矿合理产能的方法。通过分析影响开采程序的现场因素，设定相应的约束条件，建立生产过程各工序之间的约束方程以及目标函数，利用时空推演的方法，对露天矿各生产环节进行了290 、300 、310 、320 m/a不同生产强度下各工序接续环节的时空推演，找出生产过程中的瓶颈环节并对其进行不断的优化升级，保证不同工艺各工序之间的正常高效接续。研究结果表明：黑岱沟露天矿进入二采区以后，在现有设备设备能力条件下，通过对各工序的推演模拟，得出分区开采的采场最佳的推进强度为310 m/a;依据相应的矿山设备组合能力和费用效率，确定分区开采的合理生产规模为3200万t/a。结果可为该矿原煤生产的顺利接续和矿山产能的稳定发展提供了技术依据与理论支撑。

• 基于综合赋权云模型的露天矿岩体可爆性分级识别

  丁小华, 原文杰, 解祯, 李爱和, 祁茂富, 刘晓明, 肖双双,

  露天矿爆破施工要求破碎块度均匀，大块率低，高效发挥铲装、运输设备效率，而矿山岩体可爆性评价是爆破参数优化、质量提高、成本控制的重要依据。为了对岩体可爆性进行科学分级，选择岩石普氏系数、抗拉强度、岩石密度、岩石纵波速度、岩体纵波速度5个指标建立了岩体可爆分级指标体系，确定了岩体可爆性分级标准，计算出了岩体可爆性分级指标的云数字特征，生成了各指标隶属各岩体可爆性等级的云模型，提出了基于综合赋权云模型的岩体可爆性分级方法。将分级模型应用于平朔东露天煤矿，结果表明：东露天煤矿泥岩、砂质泥岩、粉砂岩的可爆性等级均为A，确定度分别为0.5855、0.5844、0.3497；细粒砂岩的可爆性等级为C，确定度为0.1494；中粒砂岩、粗粒砂岩、泥灰岩的可爆性等级均为B，确定度分别为0.2532、0.2129、0.3288。确定度能够精确反映各岩体与各可爆性等级间的隶属程度，有利于更准确地计算炸药单耗，结论的可信度及实用性更高。

• 智能化开采研究进展与发展趋势

  李首滨,

  我国煤炭行业逐步进入智能化开采阶段，智能化开采是分阶段逐步实现的，从技术到装备的进步是促进煤矿智能化开采的重要保障。描述了我国智能化开采技术及设备的发展历程，给出了我国在智能化开采领域的典型示范工程应用，通过分析归纳总结了智能化开采分为4个阶段，分别定义为智能化开采1.0、智能化开采2.0、智能化开采3.0和智能化开采4.0，并对每个阶段进行了简要阐释，给出了其典型特点和技术概要。分析了智能化开采应用存在的3点主要制约因素，即成套装备的稳定性、可靠性差；智能化开采技术适应性不强；智能化开采观念、思想、管理模式有待提升等，针对这些制约因素提出了相应的技术及管理对策。对智能化开采各个阶段进行了评述，提出一种智能自适应开采技术模式下的控制理论模型，对三维激光扫描技术、随采物探装备技术、机器人技术等智能化开采关键技术进行了展望。分析认为，目前智能化开采已经在向智能化开采3.0阶段过渡，仍须在管理观念、投入力度、研发团队建设等多方面下大工夫。随着各种先进技术的逐步推广应用，终将实现智能化开采的更高阶段目标。

• 煤矿智能化开采技术研究现状及发展展望

  唐恩贤, 张玉良, 马骋,

  通过分析煤矿智能化开采技术研究现状，指出目前我国煤矿智能化开采技术研究大多处于初级阶段，主要以“可视化远程干预型”智能化开采技术路线为主，虽然实现了井下工作面无人、少人作业，但受限于传感器水平与处理系统性能等困境，导致综采装备整体智能化程度不高，且不能智能感知工作面地质条件变化，并通过智能分析决策系统进行装备及工艺的自适应调整。尽管目前国内外科研机构和高等院校正在开展煤岩识别等有关技术难题的研究和探索，但基本都处于理论研究阶段，还未进行真正的实践应用。另外，现有装备未实现故障自诊断及采集数据的大数据分析整合，导致现有智能化开采技术未取得实质性突破。因此，在诸多新技术尚不成熟以及关键性技术难题尚未攻克的前提下，未来的一段时间里，不能完全沿着现有的技术路线进行探索和研究，需要不断开展技术创新。从目前智能化开采技术应用过程存在的关键技术难题出发，重点对地理地质信息系统的透明工作面、工作面复杂环境条件与智能化采煤的耦合应用、高速监控平台和大数据分析处理技术、系统自适应和故障自诊断技术等创新性研究内容进行了展望，同时为进一步提升煤矿智能化开采技术水平，提供一些建议和思路。

• 智能化高强度开采超长工作面围岩灾变预警技术

  范志忠, 潘黎明, 徐刚, 尹希文,

  针对高强度开采工作面矿压显现剧烈，难以精准预测，围岩控制手段薄弱等一系列技术难题，提出基于顶板状态动态感知、片帮形态实时判识及采场多源监测信息相融合的智能化工作面围岩灾变预警策略；开发了工作面顶板状态实时监测与动态感知技术，实现了顶板来压位置、持续时间及来压强度的模式识别；研发基于大数据平台的矿压数据智能自学习技术，结合岩层柱状图可实时反演覆岩关键层断裂、结构形成及失稳等状态，实现工作面顶板大面积来压的精准预测；研发基于三维激光扫描的煤壁稳定性判识技术，可实现煤壁位移变化及节理裂隙演化进程的高精度监测，还可对煤壁失稳后片帮体的形态、位置及片帮强度实现定量化描述，突破以往工作面大面积来压和煤壁片帮无法准确预测的难题；进一步将采煤机割煤速度、支架工作阻力与瓦斯体积分数等采场多源监测信息相互融合，构建工作面回采工艺与煤壁片帮、瓦斯不均衡涌出、顶板大面积失稳垮落耦合联动的智能感知系统；该技术思路在阳煤集团寺家庄矿15106智能化超长工作面得到成功验证，保障了工作面安全。

• 大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术研究

  刘俊峰, 唐恩贤, 许永祥, 张玉良,

  针对黄陵矿区及条件类似工作面大采高智能化开采煤壁控制现状，尤其是在片帮预警、智能控制等方面的难题，考虑智能化开采和综合机械化开采的工艺区别，从工作面设计、工作面设备参数确定、护帮参数优化、传感器方案、控制方案等5个方面，在预防、发展、防护3个阶段进行考虑和设计智能化开采煤壁控制方案。优化了液压支架护帮机构及护帮控制方式，设计了护帮板精准控制工艺，建立了基于片帮影响因素的工作面煤壁片帮预警模型，提出采用视频监控、太赫兹扫描和人员定位技术，结合工作面设备集中控制系统的工作面片帮防护体系，形成了大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术。将片帮控制技术纳入工作面智能化开采控制系统，有效解决了智能化开采煤壁控制难题，支架工由5人操作减少为无人操作，1人巡视，在黄陵矿区二号井顺利实施了大采高智能化开采，工作面年产量达到600万t。

• 煤矿综采工作面巡检机器人系统研究

  张树生, 马静雅, 岑强, 朱宇昌,

  针对煤矿井下综采工作面生产安全、设备运行状况监测等问题，设计了一种柔性轨道式综采工作面巡检机器人系统。重点介绍了该机器人系统的组成结构，分别论述了巡检机器人本体、基站和远程工作站的设计方法，阐述了适用于工作面狭小空间、多弯曲度的柔性轨道组成和结构设计，最后介绍了包括多机器人协作方法等巡检机器人系统的控制软件设计方法。研究表明：该巡检机器人系统监测功能齐全、适应能力强，解决了在煤矿井下工作面有限空间内、复杂工况下的生产监控问题。

• 基于视频巡检的综采工作面无人化关键技术研究

  牛剑峰,

  针对综采工作面采煤机自动控制和工作面自动找直等技术难题，分析了现有技术存在的局限性及其缺陷，介绍了传统作业模式，提出了传统设计思维模式存在的问题。将应用技术与现场环境相结合，提出了一种解决煤岩界面识别和工作面直线度检测问题的离线控制系统，提出了基于在工作面上风头工作的悬挂式轨道视频巡检系统技术方案，介绍了现有常用的矿用巡检装置结构形式，进行了视频巡检装置结构设计，详细描述了视频巡检装置工作原理及其应用模式。使用视频巡检装置对煤壁拍摄图像，通过图像灰度识别技术进行煤岩界面辨识与测量，实现采煤机基于煤岩界面数据驱动的自动控制。使用视频巡检装置对工作面液压支架上设置的标签拍摄图像，通过视觉测量技术进行工作面直线度检测，实现液压支架基于工作面直线度检测数据驱动的自动找直控制,从而解决综采工作面无人化的煤岩界面识别和工作面直线度检测2个技术难题。随着综采工作面无人化技术的不断突破与成功应用，也必将推动综采工作面无人化技术的发展与应用。

• 煤矿一张图数据均衡非均匀矢量瓦片构建研究

  苏颖, 李梅, 智宁, 毛善君,

  针对传统地图瓦片传输煤矿一张图空间数据存在定制化显示困难、数据加载不均衡、时间过长等问题，结合煤矿一张图空间数据特点，在分析矢量地图瓦片划分和渲染过程的基础上，发现数据不均衡现象导致瓦片加载效率低，提出了基于数据均衡的非均匀矢量瓦片构建方法。将瓦片划分分解为初划分和再划分2个部分：初划分时，对数据量小于阈值的区域不再产生瓦片，在地图渲染时将直接调用该区域现存缩放层级最大瓦片；再划分时，对初划分所得瓦片集中不符合要求的瓦片进行四等分，使瓦片数据量更均衡。以此保证地物密集区域瓦片划分更细腻，地物稀疏区瓦片格网划分更粗糙。对比了均匀矢量瓦片、要素简化后的均匀矢量瓦片及基于数据均衡的非均匀瓦片的加载效率。原始数据为356 MB，137个图层。试验结果表明，煤矿一张图数据均衡多尺度瓦片与要素简化后的均匀矢量瓦片对比能够加载速度提升2倍以上，可大幅优化用户体验。

• 煤矿井下“一网一站”组网模式关键技术研究

  关丙火, 张晋,

  为了提高矿井通信的效率，实现资源共享与优化配置，通过“一网一站”项目的研究，在井下通信系统采用全新的组网模式，将井下交换机采用万兆环网进行连接，并将井下安全监测监控、人员定位、应急广播、视频监控、无线通信等业务统一接入到综合通信分站中，通过现场测试和现场试验网络模式对资源配置提升的效果。研究结果表明：“一网一站”项目采用的井下交换机连接成万兆环网的结构方式，将带宽提高到万兆，并通过“环套环”模式，有效提升数据传输速率；与此同时，井下各终端业务不再独立传输，而是统一接入综合通信分站中，通过一根光纤连接到环网交换机中，达到优化原系统信息传输结构，有效减少煤矿业务重复性投资，实现资源共享的目的。

• 全方位行走式超前液压支架研究

  徐亚军, 张德生, 李丁一,

  为了解决现有超前液压支架移架过程中反复支撑破坏巷道顶板和锚网支护系统问题，研制了基于螺旋推进器的全方位行走式超前液压支架，采用换位前移的方式进行移架，避免了现有超前液压支架顺序前移带来的反复支撑问题。分析了现有超前支架存在的问题，介绍了全方位行走式超前液压支架的移架方式，阐述了该种支架的具体结构特点，研究了其力学特性，建立了相关运动学方程，给出了具体算例，为全方位行走支架的行走参数确定提供了理论依据。结果表明：该型支架结构简单、操作方便、行走可靠，仅需改变左右侧螺旋推进器的旋转方式，即可实现前移、后退、侧移和旋转等移动功能，可以解决现有超前液压支架顺序前移带来的破坏巷道顶板和锚网支护系统难题。

• 综采工作面液压支架自主调斜调偏技术研究

  李昊, 季阳, 张晞,

  针对综采液压支架一直以来在横向调斜和平面调偏方面存在的技术难题，对液压支架位姿状态自主调斜调偏技术进行了深入研究。对于各种煤层地质条件下，尤其是煤层顶底板倾角变化大、地质构造发育的工作面，由于不能及时调架，容易造成支架倾斜、错位、挤咬甚至造成倒架事故的现状，结合现有液压支架实际状况，进行了理论分析和判断，建立了调斜调偏理论模型，并通过模型计算对比，找出了现有液压支架调斜调偏技术和装置存在的缺陷和问题。提出了适合综采液压支架本身自主调斜调偏和有利于集中控制的新技术，设计了新的调斜调偏机构。经过在云驾岭煤矿805综采工作面实际应用，取得了初步的效果。该成果解决了液压支架在工作面横向倾斜方向上的位姿状态调斜和平面上的位姿状态调偏等关键技术，进一步完善和扩展了液压支架在各种条件下的位姿调架技术。

• 8.8m智能超大采高综采工作面关键技术与装备

  杨俊哲,

  为解决浅埋煤层8.8 m特厚煤层一次采全高安全高效开采的问题，以上湾煤矿首个8.8m超大采高综采工作面12401工作面为研究对象，利用数值模拟、现场实践以及工程类比等手段，在设备配套、围岩控制、回采技术以及信息化方面进行技术攻关，形成了一套8.8m超大采高一次采全高综采关键技术。实践证明：采取的巷道支护、采场矿压监测、三角区顶板控制、支架自动增压补液、防片帮、防漏矸、回采工艺、工程质量控制以及信息化等技术，保证了综采面安全高效回采。8.8m超大采高一次采全高综采设备选型及配套合理，不仅能够满足综采面生产、支护以及运输需要，而且生产能力显著提升。该综采工作面与同煤层7 m大采高综采工作面相比，可多回收煤炭405万t，采出率提高了20.2%。该成套装备、工艺及关键技术的研发和应用，为类似条件下特厚煤层的开采提供技术指导和借鉴。

• D型聚能爆破管在沿空留巷中应用研究

  张盛, 王小良, 赵文峰, 王猛, 吴自强, 赵龙刚,

  为了得到D型聚能爆破管合理的爆破参数，结合云煤一矿22204运输巷沿空留巷的条件，对影响预裂爆破效果的影响因素，包括装药量、封孔长度、装药结构以及爆破孔间距等，进行了井下爆破试验，提出采用隔孔爆破的方式，利用非爆破导向孔联结相邻爆破孔的裂缝，并采用井下钻孔窥视技术对爆破效果进行监测，最终确定了云煤一矿沿空留巷中合理的预裂爆破参数，在切顶卸压孔深度9m，孔径48mm，爆破孔倾斜角度为15°条件下，爆破孔单孔装药量不低于450g/m，封孔长度不低于2m，采用隔孔爆破方式，两爆破孔间距不大于800mm，对于同类条件下矿井聚能预裂爆破参数的选择有一定的工程参考价值。

• 动压影响下断层构造应力场和能量场分布特征

  王宏伟, 王刚, 张越, 崔帅, 徐健,

  复杂地质构造尤其逆断层滑移失稳是诱发煤矿冲击地压的主要因素。为了深入研究冲击地压灾害的产生与断层属性之间的内在联系，以义马煤田F16逆冲断层为地质背景，结合千秋矿21221工作面概况，模拟了开采扰动对断层活化的影响规律，研究了断层落差、倾角和沿上下盘开采等因素对其滑移失稳的影响以及工作面开采过程中断层应力场和能量场的分布特征。研究结果表明：断层落差较小时，落差对断层的滑移影响可以忽略不计。但随着断层落差的增加，法向应力逐渐增大，切向应力先增大后减小，大落差断层比小落差断层更易发生滑移失稳；断层倾角的增加导致断层滑移量增大，法向应力先增大后减小，切向应力先减小后增大，断层倾角与断层滑移失稳呈正相关；工作面沿下盘开采更易诱发断层产生滑移甚至冲击地压。数值模拟结果显示，工作面过断层前，支承压力逐渐增加，过断层时保持平稳，过断层后先逐渐减小后逐渐增大；工作面前方能量场的应力集中区能量积聚现象明显，并与顶板能量积聚区始终贯通。由于卸压，采空区内能量降低较为明显，工作面上方的顶板应力得到释放，释放瞬间断层压力急剧增大，断层活化的可能性最大。研究为有效防治冲击地压灾害的发生提供了一定的参考价值。

• 水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的应用研究

  孙志勇, 张镇, 王子越, 王涛, 付玉凯,

  针对晋煤集团寺河煤矿东五盘区东翼集中巷受多次强烈采动影响、巷间煤柱尺寸小、服务周期长、向斜轴部应力集中程度高等特点，应用水力压裂切顶卸压技术，改善围岩应力状态，为大采高留巷围岩变形控制提供了一个新途径。研究了水力压裂切顶卸压技术在大采高留巷中的作用本质，工作面回采前利用高压水在护巷煤柱上覆岩层中形成一个“准破裂面”，工作面回采时，在采场周期来压的作用下，采空区顶板沿“准破裂面”断裂，减少悬臂梁的跨距，卸载或转移工作面侧向悬臂梁传递到护巷煤柱的高应力。综合考虑井下现场作业空间狭小、工作面高位钻孔、地面L型抽放井等多个影响因素，设计水力压裂切顶卸压方案，压裂钻孔双侧布置，深孔长度40m，浅孔长度32m。为保证压裂效果，超前工作面50～100m进行压裂施工，倒退式压裂，间隔为2～3m。通过监测与分析水力压裂切顶卸压效果得出，顶板岩层裂缝起裂压力约24MPa，扩展压力在21～23MPa。切顶卸压后两帮移近量降低53%，顶板下沉量降低33%，底鼓量降低18%，同时显著减小帮锚索受力变化幅度。压裂后煤柱垂直应力在超前工作面50m至滞后工作面50m范围内出现峰值点，未压裂的煤柱垂直应力的峰值点出现在滞后工作面150m至350m范围。

• 冲击荷载下煤的动态力学性质研究

  张文清, 穆朝民, 李重情,

  为了研究不同软硬程度煤在冲击荷载作用下的力学特性，分别制取了型煤与原煤2种不同煤样，采用分离式霍普金森压杆试验装置对其进行了不同应变率条件下的单轴冲击破坏试验，获得了2种煤的动态应力应变曲线和相关动态力学参数，并分析得到2种煤的破坏变形特征及能量耗散规律。试验结果表明：2种煤在冲击荷载下的变形在初始阶段即表现出非线性；总体上，其破坏变形过程均可概括为：初始非线性阶段、屈服阶段、应变强化阶段和卸载破坏阶段。在试验应变率70～280 s-1内，2种煤的动态抗压强度和峰值应变均具有应变率强化的特性，随应变率呈指数增加，且原煤的应变率硬化特性更为显著，说明原煤比型煤具有更好的抵抗冲击载荷的能力。由于材料受热活化机制和惯性效应所起的作用不相同，2种煤的动态应力增长因子DIF随应变率呈2种不同的变化趋势，存在一个转折应变率（130 s-1）；在高应变率下，型煤比原煤体现出更高的应变率硬化和动态增韧效应。2种煤的破碎功密度随应变率均呈指数增长，体现出显著的率相关性，但在相同荷载下，原煤破碎功密度高于型煤，破坏需要耗散更多的能量。原煤和型煤的能量吸收率均无明显的应变率相关性，平均分别为10.1%和19.3%，说明型煤的能量吸收能力更强，体现出更为显著的率敏感性。研究结论表明，2种煤均是率敏感材料，在高应变率下，型煤比原煤体现出更高的应变率硬化、动态增韧效应和能量吸收能力。2种煤在更高应变率条件下的力学特性如何，有待进一步试验研究。

• 我国煤层气开发技术现状与发展方向

  徐凤银, 肖芝华, 陈东, 闫霞, 武男, 李相方, 苗亚楠,

  我国煤层气资源丰富、开发前景广阔，经过20多年的不断探索，无论从产业规模，还是勘探开发技术方面，都取得了很大的进展。为进一步提高煤层气开发技术的适应性和煤层气资源的有效性，推进煤层气产业的快速发展，以我国煤层气产业发展现状为出发点，系统梳理了目前我国煤层气开发的理论进展和技术现状。首先，归纳并提出了煤层气赋存和排采理论方面的新认识，煤储层微观气水赋存与产出存在2种不同的模式，“固气系统”与“固液系统”协同吸附，储层基质孔隙水对气体解吸-传输具有重要影响。其次，梳理小曲率半径定向井、水平井分段压裂、定量化排采多目标优化控制等煤层气开发新技术，并深入分析了煤层气开发面临的主要问题。提出未来的发展方向是持续加强以排采为核心的理论和关键技术攻关，降低开发成本，提高单井产量，实现煤层气高效开发。

• 沁水盆地南部煤层水力压裂裂缝及地应力方向分析

  孟召平, 王宇恒, 张昆, 卢易新, 陈骏, 姚孟,

  煤储层水力压裂裂缝分布特征及地应力方向是煤储层压裂改造施工设计的基础。通过对沁水盆地南部施工的51口煤层气井87条煤层气井水力压裂裂缝微震监测数据和大地电位探测数据进行统计分析，揭示研究区煤储层水力压裂裂缝分布特征，建立水力压裂裂缝扩展与地应力之间关系，确定了研究区地应力的展布方向。研究结果表明，沁水盆地南部压裂裂缝展布方向主要为NEE、NE和近EW向，这3个方向所占比例在55.12%；其次是近SN和NWW—SEE向，其中优势方位为NEE向。微地震监测煤层压裂裂缝长度变化范围为108~452m，均值224.76m。大地电位法测试煤层压裂裂缝长度变化范围为40~131m，主要集中于51~90m，均值73.94m。微震监测和大地电位法测试获取的压裂裂缝延伸长度差异性较大，微地震监测裂缝长度明显大于大地电位法监测长度的2倍以上，说明微震监测裂缝长度偏大。根据水力压裂裂缝扩展与地应力之间关系，煤储层压裂裂缝几何形态概括起来有：水平裂缝、垂直裂缝和倾斜裂缝3类。压裂时，在煤储层中形成何种裂缝，取决于地层中垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力三向主应力的相对大小，本区现今地应力作用方向主要以NEE—SWW方向为特征，这些认识为煤层气井水力压裂改造提供了理论依据。

• 防治煤自燃的泡沫凝胶防灭火特性研究

  朱树来,

  泡沫凝胶防灭火材料兼有凝胶与泡沫2种材料的防灭火特性，具有稳定性强、扩散范围大、耐高温等优点。为了更进一步确定泡沫凝胶的特性，依据几何拓扑理论，对泡沫凝胶的三维网状结构进行了分析，泡沫凝胶由凝胶颗粒和含水泡沫组成。此外，通过试验对比，泡沫凝胶的半衰期超过24h，是泡沫的6倍以上。提出了泡沫凝胶是由凝胶颗粒形成的“强节点和弱杆”结构是提高稳定性的关键原因。通过使用阻化率测试系统，测试CO的释放量来研究泡沫凝胶的阻化效果。结果表明，在100 ℃下泡沫凝胶的阻化率为73.72％，CaCl2为57.35%，说明泡沫凝胶对煤自燃的阻化性更好。通过现场应用表明，泡沫凝胶可以有效防治煤自燃。

• 易自燃煤层预测预报气体指标体系研究

  疏义国, 赵庆伟, 郁亚楠,

  为提高西部煤矿煤层自然发火预测预报效率及防火措施的针对性，采用自然发火试验方法对侏罗系及石炭二叠系含煤地层煤样进行了研究，分析了煤自燃的特点及规律，优选了CO、O2、ΔCO/ΔO2、C2H6、C2H4作为自然发火的气体指标，建立了以5个气体指标为依据的分级预警及防控体系，并进行了现场实践。结果表明：一氧化碳、氧气结合火灾系数100×（ΔCO/ΔO2）能相对准确地对煤体氧化情况进行判断，辅以乙烷、乙烯对氧化煤体达到的温度进行反演，实现了多指标煤自然发火隐患的动态识别。同时以“动态推进、端头封堵、注氮降氧、灌浆抑温、分段隔离”等技术手段相互协同的主动分级防控方法，达到了自燃隐患的有效控制，现场取得了很好的应用效果。

• 涡阳矿区矿井大中型断层探采对比分析研究

  陈银翠, 严家平, 黎灵,

  矿井大中型断层的探查效果直接影响到煤矿安全高效生产。开展矿井大中型断层的探采对比研究不仅可以作为煤层开采前勘探工作评价的依据，同时可有效指导矿井生产。由于地质构造，尤其是大中型断层对矿井生产的重要影响，开展矿井大中型断层的探采对比分析对于矿井开采设计和生产管理具有更明确的针对性，创新性开展了矿区大中型断层的探采对比方法，在断层的探采对比指标方面，提出并区分了断层数量探明率及勘探准确率2个概念，以及断层落差探采误差的中误差概念；采用统计学理论及定量统计分析方法对断层数量及断层落差2项指标的探采误差分析，符合常规的误差分析理论与方法，断层的探采对比分析指标简明，符合矿井生产的实际需求。探采对比分析结果表明：研究区断层探明率为41.9%，断层勘探准确率为61.9%，断层落差的探采平均相对误差达到45.2%，断层落差勘探值与采掘揭露实测值的误差为0～25m，中误差为±7.69m。

• 任楼煤矿地下水化学组成及其控制因素分析

  陈凯, 孙林华,

  为查明任楼煤矿地下水化学组成及其控制因素，采用离子比值及数理统计方法对4个含水层水样的主要离子浓度进行分析。结果表明，矿区地下水样品中阴离子以Cl-和SO42-为主，而阳离子以Na+和K+为主，水化学类型主要为Na-Cl型，但不同含水层水样的主要离子浓度存在明显差异，表明其控制因素互不相同。基于离子比值分析，研究区主要含水层中地下水离子主要来源于硅酸盐的风化、蒸发盐（主要为盐岩）、碳酸盐及硫酸盐矿物的溶解作用，同时伴有不同程度的离子交换。因子分析显示，松散层第四含水层水处于相对开放的环境，硅酸盐的风化及蒸发盐的溶解对二叠系煤系砂岩裂隙含水层水的贡献较大，而碳素太原组岩溶裂隙含水层和奥陶系岩溶裂隙含水层中地下水化学形成作用以蒸发盐和碳酸盐矿物的溶解为主，此结论通过聚类分析得到了进一步证实。

• 榆神矿区地下水与生态环境演化特征

  马雄德, 范立民,

  采矿活动一般都会造成矿区水文地质条件的变异，进而影响地下水流场及生态环境。为研究榆神矿区近15年采煤活动对地下水及生态环境的影响，通过对比2000年和2016年榆神矿区地下水流场形态，指出了煤炭资源开采后榆神矿区地下水位变化规律；采用同时段2期TM遥感影像解译了煤炭资源开采后土地荒漠化演化特征。结果表明：矿区开发建设中矿井涌水量占萨拉乌苏组水资源总量的3.22%，造成968km2矿区地下潜水位下降幅度超过1m，占矿区面积的18.4%，其中下降幅度大于8m的区域集中在麻黄梁镇；2000—2016年间榆神矿区土地荒漠化呈逆转趋势，重度荒漠化和中度荒漠化土地面积锐减与非荒漠化土地面积剧增是其主要特征；矿区地下水位下降较大的地区土地荒漠化并未发生明显变化，二者之间没有统计相关性；干旱半干旱区煤炭资源开发受地下水的制约，水位上限必须小于最大毛细高度，水位下限以植被根系长度与地下水最大毛细上升高度之和来确定。据此，榆神矿区水位埋深上限为0.5m，下限4.0m。榆神矿区地下水位下降明显的区域并未引起土地荒漠化发展，是由于这些地区植被对地下水没有依赖性，干旱半干旱区矿区开发建设仍要重视地下水位阈限的约束，推行保水采煤技术。

• 表面粗糙度对煤泥可浮性的影响

  刘敏, 张友飞, 郭芳余, 罗佳倩, 丁世豪, 曹亦俊, 邢耀文, 桂夏辉,

  为探明表面粗糙度对煤泥可浮性的影响，使用磨抛机制备了系列粗糙度煤片，利用接触角测量仪、诱导时间测量仪和粘附力测量仪分别测试煤样表面接触角、诱导时间和煤-水滴最大粘附力的变化，借助Wenzel润湿模型分析了粗糙度对煤泥可浮性的影响机理。结果表明，随着煤样表面粗糙度降低，表面接触角会逐渐变大，从原样到3个不同的光滑煤样，接触角依次为64.2°，70.4°，77.0°和91.7°。根据Wenzel润湿模型，粗糙煤表面的凹槽结构会被水填充，水与煤间的实际接触面积增加，表观接触角下降。诱导时间和煤-水滴最大粘附力随粗糙度的增加逐渐表现出降低的趋势，说明表面粗糙度增大会降低煤泥可浮性，粗糙煤粒在浮选过程中难以被气泡捕获。为此建议采用高强度调浆设备对煤泥进行处理，降低煤颗粒表面粗糙度，增强煤的可浮性，改善浮选效率。

• 煤炭企业智慧矿山建设指标体系研究

  邱硕涵, 谭章禄,

  智慧矿山建设是当前煤炭企业推进两化融合的必经之路，但由于企业对自身智慧矿山建设情况的了解不足，导致在智慧矿山建设中存在盲目、低效的显现。为了帮助企业正确认识自身智慧矿山建设程度,首先对智慧矿山的基本体系进行阐述研究，构建智慧矿山建设体系，提出衡量智慧矿山建设程度的指标体系。之后对智慧矿山的建设的逻辑体系进行研究梳理，提出智慧矿山的阶段性建设思路。并以智慧矿山的建设阶段划分为指导，将智慧矿山的建设程度分为数字矿山、感知矿山和智慧矿山3个等级，以此衡量企业智慧矿山的建设程度，以期帮助企业加强对自身智慧矿山建设情况的认识。

• 国外废弃矿井可再生能源开发利用现状及展望

  霍冉, 徐向阳, 姜耀东,

  为建立适合我国国情的废弃矿井可再生能源开发利用模式和管理体系，通过文献分析法综述了国外废弃矿井各类可再生能源利用技术及应用进展，包括太阳能、风能、矿井水蓄热、抽水蓄能和压缩空气储能，并分别选取有代表性项目总结其开发利用特点，分析对我国废弃矿井可再生能源开发利用的主要经验启示主要在于：完备的法规体系与政策保障；科学合理的规划与管理机制；多元化投资与市场化运营模式；重视科研投入与技术创新。在参考借鉴这些经验的基础上，结合我国能源革命和供给侧改革要求，提出相关政策建议，即我国废弃矿井可再生能源开发利用应以“典型示范与稳步推广相结合，开发利用与经济发展相适应，安全优先和成本效益相统一，立足长远和科学布局相协调”为原则，走智能精准开发之路，并逐步总结形成一套完整的适合我国国情的废弃矿井可再生能源开发利用标准规范与管理体系。