摘要
受地壳运动的剧烈作用,原始沉积的水平或近水平煤层隆起或凹陷或断裂后升降旋转而形成大倾角煤层(多数人倾向于35-55°),煤层底板多呈凹凸起伏的向背斜,导致大倾角综采面割煤较直线综采面割煤复杂性剧增.采煤机从直线综采面割煤转为大倾角凹凸型非线性综采面割煤,出现自行留顶切底/切顶留底现象,随着留顶切底/切顶留底量的累积,综采面凹凸圆弧段曲率逐渐增大,导致支架稳定性控制劣化,刮板输送机悬空,甚至支架倾倒,溜槽连接件折断,工作面生产停顿.有必要研究大倾角凹凸型(或向背斜)非线性综采面割煤工艺,以确保工作面合理曲率,维持工作面正常生产.同时,对非大倾角煤层底板起伏综采工作面割煤工艺优化也有借鉴意义.
在实际生产中,大倾角非线性综采面浮煤量大,切底或留底量难以准确测得.本研究采用计算机动态仿真方法,依据采煤机和刮板输送机主要结构参数和工作面倾角建立仿真模型,按比例绘制大倾角凹凸非线性综采面割煤多帧静态图后,导入Flash可直观演示非线性割煤的完整过程,且可获得较精确的切底或留底迹线和量值.该仿真方法克服了切底或留底量建立数学模型的困难和误差较大以及不能直观动态演示的缺点.
本文基于大倾角煤层开采实例,分析了非线性综采面割煤工艺复杂性的基本特征,基于仿真结果总结了非线性综采面割煤规律,揭示了非线性综采面割煤对支架、刮板输送机的影响,并以系统复杂性的观点论述了割煤、移架、推溜三者间的关联复杂性及其反馈、协同等相互作用机制.主要研究结果如下:
(1)论述了大倾角非线性综采面割煤的固有特殊性,以系统复杂性的观点描述了大倾角非线性综采面割煤复杂性的基本特征,在此基础上建立了大倾角非线性综采面量化仿真模型,对非线性综采面割煤进行了量化仿真,为指导现场适应底板起伏或凹凸圆弧段综采面的割煤工艺优化提供了依据.
(2)针对较精确的大倾角非线性综采面切底或留底量进行了分析,揭示了大倾角非线性综采面采煤机留顶切底/切顶留底规律;同时分析了影响大倾角非线性综采面切底或留底量的主要因素,并对割煤复杂性进行了量化.
(3)基于量化仿真结果及割煤后支架、刮板输送机状态,分析了大倾角非线性综采面割煤对支架、刮板输送机的影响,阐述了割煤、移架、推溜间的关联复杂性.
(4)提出了优化割煤、稳定支架、降低刮板输送机故障的技术方案,并应用于现场试验以保障大倾角非线性综采面的持续正常推进.
关 键 词:大倾角;非线性;复杂性;割煤;回采工艺;动态仿真;支架;刮板输送机
研究类型:应用研究
Abstract
Due to the violent effect of the crustal movement, the level or near horizontal coal seamof the original sediment is uplifted or sagged or fractured and then rotated to form steeplydippping (most people tend to 35°-55°) coal seam. The bottom layer of the coal seam ismostly oncave or convex syncline and anticline, which leads to the complexity of coal cuttingin fully mechanized face with steeply dippping coal seam has increased sharply comparedwith straight fully mechanized face. The coal mining machine cuts the coal from thestraight-line fully mechanized face into the steeply dippping concave or convex nonlinearfully mechanized face, and the automatic"cuting floor and remaining roof'or "cuting roofand remaining floor"phenomenon occurs, with the accumulation of the"remaining roof andcutting floor/ cutting roof and remaining floor", the curvature of the arc segment section ofthe fully mechanized face gradually increases, resulting in deterioration of the stability of thesupport, the armored face chain conveyor (AFC) is suspended, and even the supportdumpling, connector of AFC is broken, and fully mechanized face is stopped. It is necessaryto study the coal cutting process of steeply dippping concave or convex nonlinear fullymechanized face to ensure the reasonable curvature of the face and maintain the normalproduction of the face. At the same time, it is also useful for the optimization of coal cutting process in fully mechanized face with non steeply dippping coal seam floor undulation.
In actual production, the steeply dipping nonlinear fully mechanized face has a largeamount of coal, and it is difficult to accurately measure cuting floor or the remaining floor. Inthis study, a computer dynamic simulation method is used based on the main structuralparameters of the shearer and AFC and the dip angle of the face, a simulation model isestablished, and the steeply dipping non-linear face coal cutting multi-frame map can bedrawn proportionally, and then the detailed process of nonlinear coal cutting can be visuallydemonstrated by Flash, which can demonstrate visually complete process of nonlinear coalcutting and more accurate value of cutting floor or the remaining floor can also be obtained. The simulation method overcomes the shortcomings of the difficulty and error of establishinga mathematical model for cutting or remaining the floor and the inability to visuallydemonstrate.
Based on the example of steeply dippping coal seam mining, this paper analyzes thebasic characteristics of the complexity of coal cutting process in nonlinear fully mechanizedface. Based on the simulation results, the law of coal cutting in nonlinear fully mechanizedface is summarized, and reveals the influence of coal cutting on the non-linear fullymechanized face on the support and the AFC, and discusses the complexity of the relationshipbetween the three is discussed from the perspective of system complexity, and its interactionmechanism such as feedback, coordination. The main findings are as follows:
(1)The particularity of coal cutting with steeply dippping nonlinear face is discussed,and the basic characteristics of complexity are described from the perspective of systemcomplexity. On this basis, the steeply dippping nonlinear face quantitative model isestablished, and the quantitative model is used to quantitatively simulate the coal cutting onthe nonlinear face, which provides a basis for guiding the on-site optimization of the coalcutting process to adapt to the floor undulation or the fully mechanized face.
(2)The the overcutting or undercutting volume of the steeply dippping nonlinear faceare analyzed, and the remaining roof and cutting floor/ cutting roof and remaining floor rulesof the steeply dippping nonlinear face are revealed. At the same time, the main factorsaffecting the overcutting undercutting value of the steeply dippping nonlinear fullymechanized face are analyzed, and the complexity of coal cutting is quantified.
(3)Based on the quantitative simulation results and the state of the support and theAFC after coal cutting, the influence of the steeply dippping nonlinear face on the support andthe AFC was analyzed, and the associated complexity between the coal cutting, the movingsupport and the pushing AFC was explained.
(4)The technical solutions of optimizing coal cutting, stabilizing the support andreducing the failure of the AFC is put forward, and it is applied to the field practice toguarantee the continuously normal advancement of the steeply dippping nonlinear face.
Key words: steeply dipping; nonlinearity; complexity; coal cutting; mining process;dynamic simulation; support; armored face chain conveyor(AFC)
Thesis: Application Research
目 录
1 绪论 ..............................................................................................................................................1
1.1 研究背景...........................................................................................................................1
1.2 研究目的和意义..............................................................................................................2
1.3 国内外研究现状..............................................................................................................2
1.3.1 国内大倾角煤层开采研究现状..........................................................................2
1.3.2 国外大倾角煤层开采研究现状..........................................................................5
1.3.3 国内外系统复杂性研究现状..............................................................................6
1.3.4 国内外研究综述...................................................................................................8
1.4 研究内容与技术路线......................................................................................................9
1.4.1 研究内容 ...............................................................................................................9
1.4.2 研究技术路线.......................................................................................................9
2 大倾角非线性综采面割煤复杂性分析..................................................................................11
2.1 大倾角非线性综采面割煤工艺特点...........................................................................11
2.2 大倾角非线性综采面割煤工艺复杂性溯源 ..............................................................13
2.3 大倾角非线性综采面非线性割煤复杂性特征 ..........................................................16
2.4 大倾角非线性综采面割煤动态仿真模型 ..................................................................18
2.4.1 大倾角非线性综采面割煤动态仿真模型的建立...........................................18
2.4.2 大倾角非线性综采面割煤动态仿真原理 .......................................................19
2.5 大倾角非线性综采面割煤动态仿真...........................................................................19
2.5.1 大倾角非线性综采面上凹段割煤动态仿真...................................................19
2.5.2 大倾角非线性综采面下凹段割煤动态仿真...................................................22
2.6 本章小结.........................................................................................................................25
3 大倾角非线性综采面割煤量化仿真结果分析......................................................................26
3.1 大倾角非线性综采面割煤仿真结果分析 ..................................................................26
3.1.1 大倾角非线性综采面留顶切底/切顶留底规律..............................................26
3.1.2 大倾角非线性综采面留顶切底/切顶留底量与溜槽位置的关系 ................28
3.1.3 大倾角非线性综采面留顶切底/切顶留底量徘徊区间的演化.....................34
3.1.4 大倾角非线性综采面留顶切底/切顶留底量值的累积.................................35
3.2 大倾角非线性综采面割煤影响因素分析 ..................................................................36
3.2.1 大倾角非线性综采面倾角对割煤的影响 .......................................................36
3.2.2 大倾角非线性综采面刮板输送机参数对割煤的影响 ..................................37
3.2.3 大倾角非线性综采面采煤机参数对割煤的影响...........................................39
3.3 大倾角非线性综采面非线性割煤复杂性分析 ..........................................................40
3.4 大倾角非线性综采面非线性割煤复杂性量化 ..........................................................41
3.5 本章小结.........................................................................................................................42
4 大倾角非线性综采面支架与刮板输送机复杂性分析.........................................................43
4.1 大倾角上凹段综采面支架稳定性分析.......................................................................43
4.1.1 大倾角上凹段综采面支架稳定性力学分析...................................................43
4.1.2 大倾角上凹段综采面回采过程中支架状态分析...........................................45
4.2 大倾角下凹段综采面支架稳定性分析.......................................................................46
4.2.1 大倾角下凹段综采面支架稳定性力学分析...................................................46
4.2.2 大倾角下凹段综采面回采过程中支架状态分析...........................................48
4.3 大倾角非线性综采面刮板输送机运行复杂性分析..................................................49
4.4 大倾角非线性综采面割煤、移架、推溜间的相互作用机制 .................................52
4.4.1 大倾角非线性综采面回采工艺系统的协同机制...........................................52
4.4.2 大倾角非线性综采面回采工艺系统的反馈机制...........................................54
4.5 本章小结.........................................................................................................................55
5 工程实例....................................................................................................................................56
5.1 工程概况.........................................................................................................................56
5.1.1 矿井概况 .............................................................................................................56
5.1.2 综采面煤层赋存条件 ........................................................................................56
5.1.3 综采面三机配套.................................................................................................57
5.2 花山矿 6143 综采面割煤仿真及优化.........................................................................58
5.2.1 综采面割煤仿真.................................................................................................58
5.2.2 综采面割煤工艺优化 ........................................................................................60
5.3 刮板输送机下滑与支架稳定性控制...........................................................................62
5.3.1 刮板输送机的下滑控制 ....................................................................................62
5.3.2 支架的稳定性控制.............................................................................................62
5.4 本章小结.........................................................................................................................64
6 结论与展望................................................................................................................................65
6.1 结论.................................................................................................................................65
6.2 展望.................................................................................................................................66
致 谢...............................................................................................................................................67
参考文献 ........................................................................................................................................68
附 录...............................................................................................................................................73
1 绪论
1.1 研究背景
大倾角煤层一般指赋存于 35°-55°倾角的煤层,该类煤层由于地壳不均衡沉降而发生沉积或冲蚀及后期褶皱或断裂运动,导致成煤过程中受构造运动的影响较大,煤层形态复杂且通常节理发育,但煤质较优,一般为焦煤或无烟煤等稀缺煤种,我国西部 50%以上的矿井开采大倾角煤层.大倾角煤层主要分布在新疆、甘肃、宁夏、四川、重庆、贵州、云南等省(区)[1]-[2].随着煤矿开采强度的不断增大,大部分赋存条件优越的煤 层面临资源枯竭,特别是我国东部矿区倾角 35°以下的煤层储量急剧下降.东部河北峰峰矿区、邢台矿区和开滦矿区,山东兖州矿区,江苏徐州矿区,安徽淮南矿区、淮北矿区近水平煤层储量几近枯竭,进而转向成煤环境特殊的倾斜煤层[3].大倾角煤层受成煤环境和煤层开采技术水平制约,开采难度极大.
大倾角煤层介于急倾斜煤层(倾角大于 55°)和倾斜煤层(倾角介于 19°-34°)的过渡阶段.目前急倾斜煤层主要采用水平分段,斜切分层的采煤方法进行开采,但对于较薄急倾斜煤层的开采近乎空白;倾斜煤层开采主要沿用近水平煤层开采方法和技术手段.与近水平煤层开采相比,目前大倾角煤层开采技术较为落后,从煤层赋存厚度来看,大倾角特厚煤层一般采用水平分段,斜切分层的采煤方法;而一次采全高走向长壁采煤法用于大倾角较薄、中厚煤层开采.从煤层赋存倾角来看,煤层赋存倾角越大回采越困难,特别是倾角处于 50°-55°较薄大倾角煤层的开采亟待研究.水平分段和斜切分层采煤法受煤层厚度影响大且巷道掘进率高,回采率较低,回采过程中增减架频繁,效率低.因此,走向长壁综采是当前大倾角煤层高效开采的主要途径,如何实现大倾角煤层走向长壁综采面高产高效,安全生产对我国能源可持续发展与能源战略储备具有重要意义.
目前,由于大倾角煤层特殊的赋存条件,大倾角煤层利用走向长壁采煤方法回采存在以下主要技术难题:①受成煤环境和采动影响,覆岩活动剧烈,顶底板管理困难;②综采面倾角大,设备稳定性差、故障多;③大倾角综采面煤矸飞飘,安全问题突出;④大倾角直线综采面上下端头存在顶底板三角支护盲区;厚煤层"倾斜直线-圆弧-水 平"的综采面布置存在留顶切底问题,背斜构造煤层综采面下凹圆弧段布置存在切顶留底问题.
鉴于走向长壁综合机械化开采方法对于大倾角煤层开采具有高产、高效、成本低的优势,长壁综采方法在大倾角煤层开采中得到了广泛应用.在大倾角煤层走向长壁综采过程中,由于下端头支护困难和煤层赋存的原因,将大倾角煤层走向长壁综采面非线性布置,但非线性综采面采煤机留顶切底/切顶留底的问题始终未得到的根本性的解决,严重制约了大倾角综采面的高效开采,亟待研究.
1.2 研究目的和意义
本课题研究的目的:结合王家山,东峡等煤矿开采大倾角煤层取得实践经验,从理论和实践上分析大倾角煤层切眼非线性布置在综采面推进过程中的适应性,对大倾角走向长壁综采面非线性割煤工艺复杂性进行定性、定量描述;分析切眼非线性布置在综采面推进过程中支架倾倒、溜槽故障、综采面变形等的规律性,进而优化非线性综采面割煤工艺,保证综采面的稳定和正常持续推进,使大倾角非线性综采面达到安全高效开采的目的.
研究的意义在于通过对大倾角非线性综采面割煤工艺复杂性进行分析,找到复杂性的具体表现形式及其工艺系统和其他相关环节的内在规律性;采用系统复杂性思路和方法,系统地对大倾角非线性综采面回采中出现的问题进行分析,为进一步研究其复杂性奠定基础,进而优化其回采工艺.在检索文献过程中,有关大倾角煤层走向长壁综采面回采工艺复杂性研究的文献资料较少,因此,本课题研究具有一定的迫切性与前沿性.
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内大倾角煤层开采研究现状
(1)国内大倾角煤层开采方法的历史发展
20 世纪 50 年代,倒台阶采煤法由于其巷道布置、通风系统简单、巷道掘进率低的特点在我国大倾角薄及厚煤层开采中得到了较广泛的应用,芙蓉巡场矿、开滦马家沟矿应用该采煤方法取得了较好的技术效果;伪倾斜柔性掩护支架采煤方法避免了煤层真倾角大的特点,在上世纪倾斜煤层开采中得到了一定的发展,主要体现在对柔性掩护支架的改进,近十年来柔性掩护支架采煤法又有了新的改进和发展[2].
60 年代初期,仓储采煤法在开滦、攀枝花、六枝等矿区得到一定程度的应用,但由于使用条件苛刻,煤质不易保证,未能得到广泛应用;同一时期水平分段和斜切分层采煤法成为急倾斜特厚煤层(包括部分大倾角煤层)开采的主要方法.
80 年代引进放顶煤开采后,窑街、梅河、辽源、靖远、乌鲁木齐等矿区先后推广了大倾角特厚煤层水平分段放顶煤开采方法,提高了大倾角煤层开采效率,避免了倾角对煤层开采的影响.
80 年代后期,河北、辽宁、四川、新疆等地的矿区开展了一定规模的大倾角走向长壁综合机械化开采工业性试验,但均未取得较好的技术经济效果[3].
1998 年,绿水洞煤矿 5654 大倾角综采面成功实现综合机械化开采,基本解决了支架下滑、倾倒、综采面内安全防矸等难题,这一技术使我国大倾角煤层走向长壁综合机械化开采达到国际先进[4];同一时期,赵景礼针对倾斜煤层(包括部分大倾角煤层)运输、回风巷道顶煤及其区段煤柱不能回收的问题提出了倾斜煤层错层位巷道布置,有效提升了部分倾斜煤层矿井的回采率,在西山镇城底矿、华丰煤矿、鹤壁八矿等煤矿得到工程应用[5].
绿水洞煤矿大倾角综采的成功对我国大倾角煤层综合机械化开采具有划时代的意义,掀开了我国大倾角煤层机械化开采的新局面,其技术先后在国内各大矿区大倾角煤层得到了推广和继续发展.
2003 年,靖远煤业集团与多家科研院校合作,在王家山煤矿 44407 试验综采面应用综合机械化放顶煤技术成功开采了煤层平均倾角 42.5°的大倾角易燃特厚煤层,取得了较好的技术经济效果[6].
2004 年、2006 年,华亭煤业集团东峡煤矿与西安科技大学联合攻关,完成了东峡煤矿大倾角近距离煤层群综采"小放顶""大放顶"放顶煤试验研究;近年来,新疆焦煤集团 2130 煤矿应用了一次采全高(最大采高 4.5m)的开采方法,攀枝花煤业集团花山煤矿在 6143 大倾角综采面也应用了一次采全高(最大采高 5m)的开采方法,迈出了大倾角大采高综合机械化开采的重要一步.
(2)国内大倾角煤层岩层控制理论的研究现状
早在上个世纪,平寿康、华道友、黄建功、李维光等将视野投向了大倾角煤层围岩控制,发表了有关大倾角煤层开采矿压显现相关的论文[7]-[9];西安科技大学吴绍倩、石平五简述了四川地区 4 个大倾角长壁综采面(倾角大于 45°)矿压观测结果与规律,利用相似模拟、计算机模拟对大倾角岩层运移进行了解释[10].
自上世纪 90 年代后期实现大倾角综合机械化开采以来,大倾角岩层控制理论得到了快速的发展.
伍永平定义了大倾角煤层范围,系统总结了大倾角综采面岩层移动规律和矿山压力显现特征[11];探讨了倾斜砌体结构运动模态与"支架-围岩"系统稳定性间的内在联系[12];建立了三维空间应力拱壳分析模型,得出了应力拱壳的稳定性判定准则以及失稳破坏形式[13];分析了大倾角长壁综采面非对称破坏形态、失稳特征等[14]-[15].
王金安建立了大倾角基本顶的薄板力学模型,提出了大倾角基本顶的初次断裂的模式与周期断裂的模式,并验证了初次断裂与周期断裂过程中围岩应力分布及矿压显现特征[16]-[17].
冯锦艳、刘旭杭、于志全通过离散元数值模拟大倾角煤层开采过程中扰动岩体裂隙的演化规律,建立了采动裂隙分形维数 D 与采深的关系式以及逾渗概率 p 和采深的关系式,实现了裂隙演化规律的定量描述[18].
尹光志以平煤集团香山矿戊 9-0-22090 大倾角煤层为背景,通过设计试验和现场实测结合研究了大倾角综采面开采后采场围岩矿压分布规律,对香山矿和类似条件综采面支护优化和管理提供了参考[19].
杨科以淮南潘北煤矿大倾角近距离煤层开采为工程背景,深入研究了大倾角综采面前方煤体的压力分布,其研究结果揭示了综采面前方支承压力演化特征[20].
(3)国内大倾角综采面回采工艺的研究现状
黄陵矿业黄陵一号煤矿实现了智能化无人综采;神东公司与陕北矿业在综采面搬家回撤方面取得了显著进步.相比之下,大倾角煤层由于其特殊的赋存条件,综采面回采工艺的发展滞后近水平煤层开采.近年来,企业单位和科研单位对大倾角综采面回采工艺做了大量工作,一定程度上很好地指导了现场操作,主要体现在以下方面:
①切眼贯通、安装、综采面回撤等方面
贠东风等人简述了东峡煤矿 37220-2 切眼(倾角 55°-74°)采用反井钻机导孔、切眼扩掘技术解决了切眼贯通施工难度大的问题,同时采用高强度锚网索配合抬棚联合支护方式确保了施工安全[21].
陈文晨、袁文生、郭洪涛等简述了福城煤矿 1902S 综采面(倾角 42°-52°)采用小断面贯通与扩掘技术,使用锚索与锚网带单体支柱联合支护方法实现了切眼的快速贯通,在此基础上 1905S 综采面(倾角 27°)通过优化施工,创造了新汶矿业内蒙古能源切眼上山综掘新纪录,取得了显著技术经济效益[22]-[23].
朱若军、李志华、杨科简述了刘庄煤矿大采高综采面(倾角 19°,采高 4m,综采面长达 350m)只采用一部无极绳绞车打运,历时 42 天成功安装完毕切眼的工程实例[24],为大倾角综采面设备安装提供了参考.
文建东从滑道铺设、绞车选型及效验、设备防倒防滑等技术简述了王家山煤矿 47408大倾角切眼(倾角 38°)支架横向安装工程实践[25].
②综采面割煤、装煤、运煤方面
卓军、王灿华、王焕明简述了广能公司自主研制的 MG200/495-QWD 型采煤机、ZY3500/07/15Q 型支架、SGZ730/2x200 型刮板输送机成功实现倾角 25°-45°、厚度小于 1m 的大倾角薄煤层综采[26].
贠东风等人基于大倾角综采(放)及大采高现场实践分析了目前采煤机与刮板输送机面临的主要问题,提出了解决方案与改进方向[27];以长山子煤矿 1125 大倾角综采面为工程背景,简述了非线性切眼布置的特点,切眼参数以及设备的适应性[28].并现场监测了长山子煤矿 1125 综放面采煤机开机率,分析了采煤机停机因素,有效提升了综放面生产系统的整体效能[29];基于装煤原理和现场实践,提出了优化大倾角综采面装煤的措施,有效提升了大倾角综采面装煤效果[30].
③综采面支护及支架稳定性方面
林忠明、陈忠辉、谢俊文等结合王家山煤矿大倾角煤层工程实际,从静力学角度分析了支架倾倒、滑移、扭斜稳定性,并分析了倾角、顶板压力、支架工作状态与几何参数对支架稳定性的影响[31].
伍永平通过运动学方法建立了"顶板-支架-底板(R-S-F)"系统动力学模型,并提 供了该系统失稳的参数,为"R-S-F"系统动态稳定性控制研究奠定了理论基础[1].
章之燕对大倾角综放面支架稳定性的主要影响因素进行了分析,给出了支架受力状态与围岩的关系,并基于现场实践提出了控制支架倾倒下滑的技术措施[32].
杨科、池小楼、刘帅建立了大倾角综采面支架下滑与倾倒失稳模式,指出了支架失稳与综采面倾角,支架顶梁与直接顶摩擦因数间的关系,并通过现场实践提出了"三 机"联合防倒滑措施,实现了潘二矿 12124 综采面的安全高效开采[33].
王金安针对东峡煤矿 37220-1 综放上凹圆弧综采面,提炼出了支架失稳的 4 种基本模式,分析了圆弧段对支架稳定性的力学作用,推导了支架稳定性的临界状态,并给出了满足支架稳定性的临界长度准则[34].
贠东风等人基于现场实践分析了大倾角综采面支架失稳原因,提出了控制支架稳定性的措施,指出了支架侧护板与底调机构(调架梁)的改进方案,针对严重失稳支架提出了扶架措施并应用于现场实践,讨论了大倾角煤层开采过程中煤仓对综采面扶架的积极作用,同时阐述了厚、中厚、特厚煤层上下端头支护形式,保证了大倾角综采面的持续开采[35]-[37].
④综采面飞矸防护、过断层、处理夹矸等安全开采方面
曹树刚、李毅基于大倾角、急倾斜煤层综采面研制了运输、安装、维修方便、适用性强的滚珠式滑动系统金属网架间挡矸装置[38].
伍永平、胡博胜等通过理论分析、物理模拟及数值计算分析了大倾角综采面飞矸的 能量演化特征,并得出了不同条件下的冲击能量,提出了飞矸分区域控制的方法,并指出了防护设备的缺陷[39]-[40].
开滦赵各庄矿业王洪波总结了赵各庄煤矿 2497 大倾角综采面利用单体柱配铰接梁支护综采面过断层的技术经验[41].
张宏革简述了国投新集二矿利用综采设备,首次成功实现了硬过 11m 落差断层的记录,避免了重新开切眼,取得了显著经济效益[42].
郭元、孟宪锐针对长春羊草矿 8108 大倾角综采面,对比分析了不同夹矸厚度对顶煤放出效果的影响,提出了 8108 综放面放顶煤开采夹矸厚度不宜超过 1.2m 的论断[43].
姜海峰、谢安军简述了兖州煤业隆庄煤矿 10305 大倾角综放面处理 0.8m 厚夹矸的成功经验[44].
1.3.2 国外大倾角煤层开采研究现状
上世纪 70 年代,前苏联针对急倾斜煤层综采(包括大倾角和部分倾斜煤层)研制了不同类型的采煤机和液压支架,并研究了其回采工艺,为大倾角煤层综合机械化开采奠定了基础[45]-[47].美国 Syd S. Peng 教授在《Longwall Ming》一书中简述了美国在上世纪 70 年代利用刨煤机开采了倾角为 25°的煤层(部分可达到 60°以上)[48].
上世纪 80 年代初期,美国在倾角为 27?-33°的煤层中应用赫姆夏特支护系统和Andeson-Strathclyde 采煤机实现了倾斜煤层长壁采煤法,同时解决了装备稳定性问题,实践应用效果显著.1986 年乌克兰顿涅茨煤矿机械设计院针对大倾角煤层与急倾斜煤层设计了采煤机与液压支架,同时用绞车牵引采煤机防止自溜,取得了良好的技术效果.1992 年德国运用 G9-38Ve4.6 型刨煤机,配合 WS1.7 型液压支架,开采了鲁尔矿区的威斯特豪尔特矿倾斜煤层(倾角 18?-45?).
另外,英国将适用于煤层倾角 25°-45°的伽里克支撑式支架和多布逊支架开采了倾角为 35°-43°的煤层.西班牙在 HUNOSA 煤矿实现了大倾角煤层(倾角大于 40°)的机械化开采[49].印度研发了大倾角采煤方法相关的成套设备,主要应用在了东北部煤田;印度学者 Singh 根据印度东北部大倾角煤层赋存特点,利用实验模型对大倾角厚煤层放顶煤开采进行了有益探索[50]-[51].俄罗斯联邦 Kulakov 针对急倾斜煤层(包括部分大倾角煤层)综采面的矿压显现规律进行了研究[52];捷克共和国 Bodi 探讨了急倾斜较坚硬煤层(包括部分大倾角煤层)无人开采技术并对其安全性进行了评价[53].
1.3.3 国内外系统复杂性研究现状
尽管系统论诞生于上世纪四十年代,但在两千多年前东西方就已出现了系统思想的轮廓,西方古代哲学家亚里士多德"整体大于部分之和"的论断就已经体现出了整体论的思想;同一时代中国哲学家庄子"有人,天也;有天,亦天也"的观点说明人是自然的一部分,人与自然自成一体.汉代儒学家董仲舒发展了庄子的哲学观点,提出了"天人合一"的哲学观点,体现了天地、自然、社会共存的世界观."天人合一"(系统思想)对我国封建社会统治、文化、宗教、园林建筑等各个方面产生了深远影响.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
6 结论与展望
6.1 结论
论文应用系统复杂性理论分析了大倾角非线性综采面的复杂性特征;动态仿真了非线性综采面采煤机割煤,并作了具体分析;基于非线性综采面割煤工艺仿真,提出了优化割煤工艺措施,分析了刮板输送机防滑,支架防倒防滑装置的功能特点并用于工程实际.具体研究结果如下:
(1)针对大倾角非线性综采面割煤工艺复杂性进行了分析,并推导了大倾角非线性综采面最小圆弧半径.
(2)在大倾角非线性综采面割煤工艺复杂性分析的基础上建立了大倾角非线性综采面割煤量化仿真模型,获得了较精确的大倾角非线性综采面留顶切底/切顶留底量值,并对其量值进行了分析:对大倾角非线性综采面非线性割煤量与溜槽位置关系进行了函数拟合;总结了大倾角非线性综采面采煤机留顶切底/切顶留底规律;分析了影 响大倾角非线性综采面留顶切底/切顶留底量值的主要因素等.在此基础上进一步对割煤复杂性进行了量化.
(3)大倾角非线性综采面动态仿真方法全景地展现了采煤机在运行时复杂的留顶切底/切顶留底过程,为认识非线性割煤复杂性提供了直观的可视化方法.动态仿真为不同参数条件下的非线性割煤过程演化和量值的确定提供了可视化方法.与实验室物理模拟或现场试验相比,可单人快速多次变参数进行精细仿真,效率高、成本低.仿真与现场试验相比,不受现场条件(如浮煤量大、作业空间小、飞煤矸威胁等)限制,可随时随地进行仿真.
(4)对大倾角非线性凹凸圆弧段综采面支架进行了力学分析,解释了移架过程中的失稳原因,提出了移架过程中防止支架失稳的措施;基于割煤仿真,对比分析了凹凸圆弧段综采面割煤前后支架、刮板输送机的状态,针对问题提出了具体措施,并应用于花山矿 6143 综采面.
6.2 展望
应加强大倾角综采面凹凸圆弧段割煤复杂性及其量化的深入研究,用复杂系统研究方法(例如神经网络、遗传算法等)研究非线性综采面割煤,更精细化确定截割轨迹,以实现非线性综采面精准化割煤.另外基于割煤、运煤、支护的特殊复杂关系,深入研究面向采煤机的嵌入式仿真,最终实现大倾角非线性综采面复杂割煤工艺的智能化.
致 谢
时光荏苒,三年的时光漫长又短暂,我的研究生阶段即将结束,其中充满了艰辛苦涩,更有收获与成长.三年的研究生生活是我一生中最重要的经历,照亮我今后的人生路,在这里,请接受我最真挚的感谢!
首先感谢我的导师贠东风教授,贠老师渊博的专业知识,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远.不仅使我学会了如何做学问,还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理.本硕士学位论文从选题到完成,每一步都是在导师的指导下完成的,倾注了导师大量的心血.再次,向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢!
苏普正高工在我研究生求学期间给予许多关怀与照顾,在此向苏老师表示衷心的感谢!
感谢西安科技大学能源学院全体老师对我的教育与关怀,特别是伍永平教授、解盘石副教授、高喜才副教授、王红伟副教授、张艳丽等老师在我研究生期间的关心与帮助.
感谢师兄张袁浩与师弟葛普的无私帮助;感谢同寝室舍友王康、贺圣林、刘二帅、门鸿的包容与照顾;感谢 2016 级采矿工程专业同学给予的鼓励与帮助.
特别感谢我的家人,感谢他们对我生活与学习的支持和帮助.
感谢所参考文献的各位作者.
感谢百忙中拨冗评审我的学位论文的各位专家.
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