深井开采关键技术
超深井安全提速提产地质工程一体化关键技术
超深井安全提速提产地质工程一体化关键技术发布时间：2022-04-06T06:39:09.770Z 来源：《城镇建设》2021年11月32期作者：杨松林[导读] 我国是一个能源大国，现阶段，塔里木盆地库车坳陷白垩系砂岩气藏杨松林身份证号：37012619870829****摘要：我国是一个能源大国，现阶段，塔里木盆地库车坳陷白垩系砂岩气藏效益开发面临着超深、高温、高压、高应力等挑战，亟待解决巨厚高抗钻砾石层和复合盐层的钻井安全提速，以及极低的基质孔隙度和渗透率储层的改造提高产量这两大难题。
为此，在系统梳理钻完井工程问题与地质因素之间的关联性基础上，建立了相应的地质和地质力学三维模型，形成了超深井安全提速提产地质工程一体化关键技术。
关键词：超深气井；地质力学；地质工程一体化；提速；提高产量引言随着世界发展对石油资源的需求量越来越大，石油资源的开采量不断下降，石油资源的开采难度不断上升，因此深井、超深井的固井技术变得十分重要。
1固井难点及技术措施双探6井是某油气田分公司在某盆地双鱼石—河湾场构造布置的一口风险探井。
该井采用 241．3mm钻头钻至7833m中完，上层273．05mm套管鞋井深为3648m，中完钻井液密度1．98g/cm3，裸眼段平均井径扩大率为3．8%，最大井斜角为65．6°。
采用 177．8mm+ 184．15mm复合悬挂尾管封固3248～7833m井段，固井作业存在以下难点:裸眼封固段长4585m，水泥浆一次性上返难度大;安全密度窗口窄(1．98～2．03g/cm3)，压稳和防漏矛盾突出;油气显示活跃(气侵2个，气测异常3个)，其中飞二段(6799～6800m)、茅口组(7605～7606m)油气显示活跃，防窜难度大;井漏分布广，嘉四段、嘉三段、飞四段、飞一段、茅口组均有分布，其中嘉三段(5909．83～5913．34m)、茅口组(7781．15～7781．20m)为主漏层，固井施工时井漏风险大;井底静止温度146℃，封固段顶部静止温度72℃，上下温差高达74℃;油基钻井液与水泥浆相容性差，冲洗效率不易保障，影响界面胶结质量。
煤矿开采应重点研究的7个技术领域
煤矿开采应重点研究的7个技术领域我国煤矿开采应重点研究的7个技术领域：采煤方法和工艺，深矿井开采，“三下”采煤，减少矸石排放的开采技术，围岩控制技术，小煤矿技术改造和机械化开采技术以及地下气化技术。
在当今科技经济发展的新形势下，煤炭开采技术的研究必须面向国内国外两个市场、面向经济建设主战场，立足于煤炭开采技术的前沿，立足于中国煤炭发展战略所必要的技术储备，立足于煤炭工业中长期发展战略所必须的关键技术的攻关，立足于煤炭工业工程实际问题的解决，重点从事中长期研究开发和技术储备，跟踪产业科技前沿，开发有自主知识产权的以煤矿开采技术及配套装备为主导的核心技术，占领技术制高点。
一、采煤方法和工艺采煤方法和工艺的进步和完善始终是采矿学科发展的主题。
采煤工艺的发展将带动煤炭开采各环节的变革，现代采煤工艺的发展方向是高产、高效、高体积小、功率大、高可靠性的薄煤层采煤机、刨煤机；研制适合刨煤机综采的液压支架；研究开发薄煤层工作面的总体配套技术和高效开采技术。
（4）缓倾斜厚煤层一次采全厚大采高长壁综采。
应进一步加强完善支架结构及强度，加强支架防倒、防滑、防止顶梁焊缝开裂和四连杆变形、防止严重损坏千斤顶措施等的研究，提高支架的可靠性，缩小其与中厚煤层高产高效指标的差距。
（5）各种综采高产高效综采设备保障系统。
要实现高产高效，就要提高开机率，对“支架—围岩”系统、采运设备进行监控。
今后研究的重点是：通过电液控制阀组操纵支架和改善“支架—围岩”系统控制，进一步完善液压、支架位态、顶板状态、支护质量的自动采集系统；乳化液泵站及液压系统运行状态的检测诊断；采煤机在线与离线相结合的“油—磨屑”监测和温度、电信号的监测；带式输送机、刮板输送机全面状态监控。
二、深矿井开采技术深矿井开采的关键技术是：煤层开采的矿压控制、冲击地压防治、瓦斯和热害治理及深井通风、井巷布置等；需要攻关研究的是：深井围岩状态和应力场及分布状态的特征；深井作业场所工作环境的变化；深井巷道快速掘进与支护技术与装备；深井冲击地压防治技术与监测监控技术；深矿井高产高效开采有关配套技术；深矿井开采热害治理技术与装备。
钻井新技术-深井钻井技术
完钻。该井用时462天2小时30分，取心收获率达到70%，标志着我国石油天
然气超深井钻探工程技术处于世界先进水平. 尽管这些井距世界12869米的最 深井还有不小的距离，但拉开了我国超深井钻井向纵深发展的帷幕，标志着 我国加快了超深井钻井技术与勘探开发前进的步伐
黄河钻井总公司
中国深井钻井技术发展现状 亚洲最深探井——塔深1井
黄河钻井总公司
• 全球勘探开发投资快速增长，1990～2005年，勘探开发投资增长 一倍多 • 2006年钻井投资比2005年增加50% • 预计2007～2010年全球海上钻井投资将超过2500亿美元
世界石油天然气勘探开发投资额（亿美元） 1200 1000 800 659.07 600 400 200 0 1999年 2000年 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 176.52 103.49 588.7 498.46 359.28 249.16 472.16 326.95 431.88 314.44 486.01 331.12 383.82 412.59 552.57 599.97
日１４时３０分成功钻至井深７０２６米，４月２５日１７时顺利交井；钻井 周期７１７天０．５小时，建井周期７７２天１０小时３０分。
胜科１井不仅取全、取准了地质资料，地质上达到了勘探目的，而且检验了胜 利石油工程技术的实力，泥浆技术、固井水泥浆技术、测井技术实现了突破， 录井技术也有创新。 管理局副总工程师孙启忠分析认为，胜科１井的难点主要在盐膏层和超高温给 石油工程技术带来的一系列难题，有的甚至是世界级难题，这对钻井、钻井液 技术、测井技术、录井技术、钻完井技术是一次前所未有的挑战
俄罗斯 中国石油
4650 9027
4630 10454
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术【摘要】深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术在油气开采中具有重要意义。
本文从技术概述、特点、介绍、原理和关键技术等方面对这些钻井技术进行了探究。
深井超深井钻井工程具有高温高压、井深大、技术复杂等特点，复杂结构井更是面临地质构造复杂等挑战。
垂直钻井技术在解决这些问题中发挥着重要作用。
未来，技术研究将持续推动深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术的发展，并对油气开采产生深远影响。
对这些技术进行深入研究，了解其发展趋势以及对油气产业的影响至关重要。
【关键词】深井超深井、复杂结构井、垂直钻井技术、钻井工程、技术研究、发展趋势、油气开采impact。
1. 引言1.1 深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术的重要性深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术在油气勘探开发中具有重要意义。
随着地表资源逐渐枯竭和人们对能源需求的不断增加，对深层油气资源的开发已成为当前的热点。
而深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术的运用则是实现这一目标的关键。
深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术可以有效提高油气采收率。
由于深层油气资源埋藏深度较大，常规钻井技术无法满足长距离的油气开采需求。
而深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术在探查前景、确定井位和提高产量方面有着独特的优势，可以有效提高采收率。
深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术可以减少工程风险。
深井钻井过程中会遇到高温高压、地层变化、井下环境等复杂情况，如果采用传统的钻井技术难以应对这些挑战。
而深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术具有更高的适应性和可靠性，可以有效降低工程风险。
深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术在油气勘探开发中具有重要意义，对提高采收率、减少工程风险等方面都有着积极的影响。
深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术的研究和应用具有重要意义和广阔发展前景。
1.2 研究背景随着石油和天然气资源的逐渐枯竭，人们对深层油气资源的开发需求日益增加。
深井、超深井和复杂结构井成为当前油气勘探与开发的重要领域，但其钻井技术的复杂性和困难度也相应增加。
深厚冲积层千米深井快速建井关键技术
“十一五”国家科技支撑计划重点项目“深厚冲积层千米深井快速建井关键技术”课题申请指南中国煤炭工业协会二〇〇七年十一月“十一五”国家科技支撑计划重点项目“深厚冲积层千米深井快速建井关键技术”课题申请指南依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》“矿产资源高效开发利用”优先主题，深层和复杂矿体采矿技术作为重点研究内容。
“十一五”国家科技支撑计划重点项目“深厚冲积层千米深井快速建井关键技术”已经通过专家可行性论证，科技部决定予以启动。
该项目针对我国中东部地区煤炭供需矛盾持续紧张、煤炭资源开采深度逐年增加的实际情况，研究开发适于深厚冲积层千米深井建设时期的高压注浆装备、特殊注浆堵水材料及深井注浆工艺，解决深井建设中的水害威胁，为安全快速建井提供打干井条件；研发冲积层钻井法新型钻头、刀具，形成“一扩成井”钻井凿井技术及装备；研究开发立井凿井“钻--注平行作业”和千米深井基岩快速掘砌施工工艺及配套装备等关键技术；通过技术集成和相应工程示范，全面提高我国深井建设技术与装备水平，加快深井开发建设速度，为深部煤炭资源安全、快速开发提供科技支撑。
项目分解为五个课题，各课题的研究内容和考核指标如下：课题一：千米级深井高压注浆关键装备研究1.课题研究目标井筒深度超过千米后，地压、水压相应增加，目前还没有能满足复杂地层化学注浆的耐腐蚀高压注浆泵，现有的基岩注浆设备，如注浆泵、止浆机具等的能力也不能适应深部治水的要求。
研究高压大泵量注浆泵、高压耐腐蚀化学注浆泵、高耐压止浆机具、注浆参数自动检测与高效制浆系统，解决千米深井(1000～1200m)注浆的装备问题。
2.课题主要研究内容（1）高压大泵量注浆泵研制研制高压大泵量注浆泵；研制大行程的曲轴箱；研制新型复合材料柱塞及密封材料；研制柱塞的增压润滑密封系统；研究变频调速系统与注浆泵工况的匹配关系。
（2）高压化学注浆泵研制研究高压化学注浆泵；研制高压耐腐蚀柱塞、吸排浆阀系统；研究泵头内腔防耐腐蚀涂层；研究变频调速系统。
深部矿床开采技术问题
1）变形地压剧烈
变形地压是因开挖产生的围岩位移所引起 的压力,深部高应力条件下,围岩具有产生大变 形的内外部条件,围岩的过量变形将产生微观 或宏观破裂、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒 顶、断面收缩、支架破坏、采场跨落等等。
2）岩爆频繁 岩爆是一种岩石动力学现象，它是围岩内聚集 的大量弹性变形能在一定诱因下突然释放而表现 出的一种形式。
1.深部岩层高应力作用机理
1）深度因素 随着采深增加，上覆岩层重量随之增大， 形成的支承压力较大，于是巷道围岩产生压 缩变形、剪切破坏等现象，使得顶板与两帮 变形，引起两帮围岩向巷道内移近。
2）构造应力显现加剧 对于深部巷道,构造水平应力一般均大于 应力。在构造应力集中带，由于构造应力的作 用，薄层页岩顶板一般沿层面滑移，厚层砂岩 顶板则以小角度或小断层产生剪切，从而失稳 冒落；在高水平应力作用下，巷道首先从支护 弱面即直接底板破坏，导致底鼓等。
弹 高 地下 脆天 性 然 开挖 岩应 体力
周边岩体中应 力高度集中， 积聚于较高的 弹性应变能
当围岩中应力超过 岩体容许极限状态
• 岩爆
岩爆的产生条件
1)围岩应力条件 判断岩爆发生的应力条件有两种方法： • 一是用洞壁的最大环向应力σ θ 与围岩单轴 抗压强度σ c之比值作为岩爆产生的应力条 件； • 一是用天然应力中的最大主应力σ 1与岩块 单轴抗压强度σ c之比进行判断。
不足之处：常规通风技术对于深井长距离的
掘进面很难达到满意的效果。当进风距离过长， 围岩温度过高，有高温热水涌出或淋水时，增 加风量的降温效果往往不佳。
2）、制冷水降温 包括：井下集中式、地面集中式、井下地面 联合集中式、分散式。在经济上，地面集中和 井上下联合集中式具有其优越性。
金川矿山深井高应力开采潜在的问题与关键技术研究
ｔ ｒｓ ｉ ｏ ｏ ｋ ｍｅ ｈ ｎｃ ，Ｊｎ ｈ ａ — ｅ ｏ ｉ ｉ ａｗａ ｓ ａ ｔ ａ ｔ ｄ ａ ｔ ｎ ｉ ｎ ｔ ｎ ｍｉ ｉｇ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉｇ ｅ ｉｔ ｆｒ ｃ ｃ ａ ｉｓ ｃ ｉ ｃ ｕ ｎ Ｃｕ Ｎｉｄ ｐ ｓｔ ｓ ｌ ｙ ｔｒ ｃ ｅ ｔｅ ｔｏ Ｏ ｉ ｎ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒｎ
第 １ ９卷 第 １ ２期
２１ ０ ０年 １ ２月
中 国 矿 业
ＣＨ Ｉ ＮＡ Ｉ ＮＧ ＡＧＡＺＩ Ｍ ＮＩ Ｍ ＮＥ
Ｖ ０．１ １ ９。 ＮＯ ２ ．１
Ｄｅ ２ Ｏ Ｃ Ｏ１
采选技 术
金 川 矿 山 深 井 高 应 力 开 采 潜在 的 问题
与 关 键 技 术 研 究
ｎ ｗ ｅ ｈ ｉ ｌｔａ ｎ ｏ ｈ ｕ ｈ ｂ ｕ ｉ ｃ ｕ ｎ ｄ ｅ ｎ ｎ ｆｈ ｇ ｔｅ ｓ ａ ｅ ｎ ｓ ｓｅ ｔ ａｌ ｎ ｌｚｎ ｅ ｔｃ ｎ ｃ ｒ ｉ ｆｔ ｏ ｇ ｔａ ｏ ｔ ｎ ｈ ａ ｅ ｐ ｍｉ ｉｇ ｏ ｉｈ ｓｒ ｓ ，ｂ ｓ ｄ ｏ ｙ ｔ ｍａ ｉ ｌ ａ ａ ｙ ｉ ｇ ａ Ｊ ｃ ｙ
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深矿井开采技术
由于不同的产煤国家在煤层赋存的自然条件、技术装备水平
和开采技术上的差异、以及在深部开采中出现问题的程度不同。 因此国际上尚无统一和公认的根据采深划分深井的定量标准。根 据本国国情以及地质条件的实际情况，不同的国家有不同的标准。 一些采煤国家的学者对深井的界定提出的一些见解和论述，根据 有关方面资料是将深矿井深度定义在850m以上。
1.3 深部开采中的主要灾害形式
1）高地应力导致的岩爆、大面积冒顶
（1）岩爆 深井高地应力环境首先面临的是岩爆灾害。岩爆（Rockburst）是地 下工程中的一种特殊现象，具有围岩突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛 掷的特征。 （2）大面积冒顶 浅部围岩在临近破坏时往往出现加速变形的现象，工程技术人员常常 根据这一现象进行破坏之前的预测预报，且浅部围岩的破坏一般发生在 比较局部的范围内。而深部围岩在破坏之前近乎处于不变形状态，破坏 前兆非常不明显，使破坏预测预报十分困难，从而造成深部围岩的破坏 往往是大面积的发生，具有区域性，如巷道顶板大面积的冒落等。
2）局部解危技术 （1）在有岩爆迹象的工作面打大孔径钻孔，增加工作面附近岩体塑 性，降低局部岩体承压强度，使工作面附近应力峰值进一步向原岩体内 推进，达到降低可能发生的岩爆强度或防止岩爆发生的目的； （2）采用松动爆破降低采场工作面岩体强度，使应力增高区进一步 远离采场工作面，局部解除处于极限状态岩体发生岩爆的危险； （3）根据预计可能发生的岩爆机理和强度，选择相应的支护方法。 对破坏性较小的岩爆，支护的作用是预防岩石表面剥落和破坏的发生， 支撑和固定已移位的小块岩石，一般采用喷锚网支护即可。对于中等强 度的岩爆，支护系统内在强度必须足以预防和控制岩石的膨胀和位移， 这时锚杆密度要加大，并且用高强度、高韧性的金属网和钢缆绳增加支 护强度。破坏性极大的岩爆，每米巷道破碎岩石的重量可高达10t，破坏 岩石的深度大于1.0m，岩石弹射最大初速度可达到10m/s，这时用任何经 济的支护己都不现实，对于这种岩爆的任何支护只能起到减灾的作用； （4）架设防冲击挡板、格栅等保护井下作业人员和设备安全。
有色金属矿山深井采矿技术分析
有色金属矿山深井采矿技术分析摘要：近几年，在各行各业发展中，针对有色金属的需要量日益增加，但是有色金属的开采量却表现出了逐年削减的现状，主要原因是处在矿山浅层的资源已被开采殆尽，稀少的资源数量无法满足社会较高的资源需要量。
而且，通过勘查有色金属资源布局状况发现，矿山深部有许多有色金属，但挖掘难度很大，常规技术不能够直接开挖资源。
对于这个问题，要求矿产技术人员着重探究深井资源开采方法，根据开采难点研制最好的有色金属矿山深部开采方法，进一步提高这种矿山开采效果及效率，基于开采获得的许多资源迎合市场需求，促进有色金属行业的长期稳定发展。
关键词：有色金属矿山；深井采矿技术；充填开采1深井采矿概述深井采矿方法主要指针对深度大于800米的矿山展开开采活动的方法，相较于浅井与中深井，深井开采方法面临着许多问题，像技术问题、经济问题以及安全问题等。
相较于浅井开采方法，深井开采于采矿方式上基本一样，也有充填法、空场法以及崩落法三种，但是在开采过程，针对结构参数、回采步骤与回采方法等，均要根据深井矿山特征进行合理调节。
当前，考量深井矿山的独特性，充填开采法使用最为普遍。
深井采矿存在几个比较的特征：①地压很大，原岩应力高，矿山压力的呈现比较强烈，岩体塑性大；②地温大，一般情况下，地温和深度是线性关系，它的增高率能够通过温度梯度代表（℃/hm，hm=100m），当地质环境不一样时，地温梯度也将不同，通常情况下式4℃/hm。
③瓦斯浓度高，有些含瓦斯矿山，深部开采过程，瓦斯绝对涌出量将随着开挖深度的加大而增多，瓦斯突出频度高，吐出量也比较大2有色金属矿体深部开采技术2.1盘区房柱法盘区房柱法是目前一种先进科技，在使用时应当在操作场地建立一个矿房，在其中进行回采工作。
修建矿房时，要根据矿山深井的方向进行合理划分，促使该位置能够形成矿柱、矿房。
采矿阶段要保证不能处置采矿区，然后对作业范围顶板、下板面的矿层展开检查，通过检查如果矿石具有一定的稳定效果，顶板和下板质地较硬，并且顶板位置形成了厚岩层时才能够开始采矿工作。
煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用
㊀第４９卷第４期煤炭科学技术Ｖｏｌ ４９㊀Ｎｏ ４㊀㊀２０２１年４月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀Ａｐｒ．２０２１㊀移动扫码阅读任怀伟，巩师鑫，刘新华，等．煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用［Ｊ］．煤炭科学技术，２０２１，４９（４）：１４９－１５８ ｄｏｉ：１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０４ ０１８ＲＥＮＨｕａｉｗｅｉ，ＧＯＮＧＳｈｉｘｉｎ，ＬＩＵＸｉｎｈｕａ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｆｏｒｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，４９（４）：１４９－１５８ ｄｏｉ：１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０４ ０１８煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用任怀伟１，２，巩师鑫１，２，刘新华１，２，吕㊀益３，文治国１，２，刘万财３，张㊀帅１，２（１．中煤科工开采研究院有限公司科创中心，北京㊀１０００１３；２．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京㊀１０００１３；３．中煤新集能源股份有限公司口孜东煤矿，安徽淮南㊀２３２１７０）摘㊀要：千米深井复杂条件煤层智能化开采是当前煤矿技术发展迫切需要解决的难题㊂以中煤新集口孜东煤矿１４０５０２工作面地质条件为基础，针对该工作面俯采倾角变化大㊁矿压显现剧烈㊁顶板煤壁破碎所致的采场围岩稳定控制难㊁液压支护系统适应性降低等问题，研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术，为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑㊂研发了基于ＬＯＲＡ的工作面液压支架（围岩）状态监测系统，同时获取立柱压力和支架姿态数据㊂提出了基于大数据分析的矿压分析预测方法，采用ＦＬＰＥＭ和ＡＲＭＡ两种算法组合预测提升精度和效率，采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题，模型预测精度达到９２％以上㊂研发了基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统，支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策㊂现场试验表明：工作面在试验期开采高度达到６．５ｍ，在１４ʎ １７ʎ俯采㊁顶板相对破碎㊁煤层硬度１．６的条件下，月产达到３１．５万ｔ㊂设备可靠性和适应性较之前该矿使用设备明显提升，工作面安全性大幅改善，实现了千米深井三软煤层的安全高效开采㊂关键词：千米深井；智能开采；位姿状态监测；大数据分析；分析决策中图分类号：ＴＤ６７㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：０２５３－２３３６（２０２１）０４－０１４９－１０Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｆｏｒｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅＲＥＮＨｕａｉｗｅｉ１，２，ＧＯＮＧＳｈｉｘｉｎ１，２，ＬＩＵＸｉｎｈｕａ１，２，ＬＹＵＹｉ３，ＷＥＮＺｈｉｇｕｏ１，２，ＬＩＵＷａｎｃａｉ３，ＺＨＡＮＧＳｈｕａｉ１，２（１．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，ＣＣＴＥＧＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎｉｎｇＢｒａｎｃｈ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ；３．ＫｏｕｚｉｄｏｎｇＭｉｎｅＣｏａｌ，ＸｉｎｊｉＥｎｅｒｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＣｈｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＣｏａｌＧｒｏｕｐＣｏｒｐ．，Ｈｕａｉｎａｎ㊀２３２１７０，Ｃｈｉｎａ）收稿日期：２０２１－０２－２８；责任编辑：曾康生基金项目：国家重点研发计划资助项目（２０１７ＹＦＣ０６０３００５）；国家自然科学基金重点资助项目（５１８３４００６）；国家自然科学基金面上资助项目（５１８７４１７７４）；中国煤炭科工集团科技专项重点资助项目（２０１９－ＴＤ－ＺＤ００１）作者简介：任怀伟（１９８０ ），男，河北廊坊人，研究员，硕士生导师，博士，中国煤炭科工集团三级首席科学家㊂Ｔｅｌ：０１０－８４２６３１４２，Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｈｕａｉｗｅｉ＠ｔｄｋｃｓｊ．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｏｆｃｏａｌｓｅａｍｓｉｎｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅｉｓａｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｒｇｅｎｔｌｙｎｅｅｄｓｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＮｏ．１４０５０２ｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｉｎＫｏｕｚｉ⁃ｄｏｎｇＭｉｎｅＣｏａｌ，ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｎｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｃａｕｓｅｄｂｙｌａｒｇｅｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒ－ｍｉｎｉｎｇｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ，ｓｅｖｅｒｅｍｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｂｒｏｋｅｎｒｏｏｆａｎｄｃｏａｌｗａｌｌ，ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｏｆｃｏｍｐｌｅｘｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｍｉｎｉｎｇｏｆｃｏｍｐｌｅｘａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔ－ｔｏ－ｍｉｎｅｃｏａｌｓｅａｍｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａＬＯＲＡ－ｂａｓｅｄｓｔａｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｓ（ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ）ｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎａｃｑｕｉｒｅｐｏｓｔｕｒｅｄａｔａｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｗｈｉｌｅａｃｑｕｉｒｉｎｇｃｏｌｕｍｎｐｒｅｓｓｕｒｅｄａｔａ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｍｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆＦＬＰＥＭａｎｄＡＲＭＡａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｗａｓｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄｄａｔａｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｏｍａｉｎａｄａｐｔｉｖｅｍｉｇｒａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｉｎａｃｃｕｒａｔｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｐｒｏｃｅｓｓｓｏｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｒｅａｃｈｅｄ９２％．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＵｎｉｔｙ３Ｄｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏ９４１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇｆｏｒｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｃｏａｌｓｅａｍｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｕｎｄｅｒｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｆｉｅｌｄｔｒｉ⁃ａｌｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｒｅａｃｈｅｄ６．５ｍｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｅｓｔｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅｍｏｎｔｈｌｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｈｅｄ３１５０００ｔｏｎｓｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆ１４ʎ １７ʎｏｆｓｌｏｐｉｎｇｍｉｎｉｎｇａｎｇｌｅ，ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｂｒｏｋｅｎｒｏｏｆ，ａｎｄ１．６ｏｆｃｏａｌｓｅａｍｈａｒｄｎｅｓｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｐｒｅｖｉｏｕｓｕｓｅｄｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｅｗｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｗａｓｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｃｈａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｓａｆｅａｎｄｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｔｍｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｓｏｆｔｃｏａｌｓｅａｍｉｎ１０００ｍｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｍｉｎｅ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇ；ｐｏｓｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｌａｒｇｅｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ；ａｎａｌｙｓｉｓｄｅｃｉｓｉｏｎ０㊀引㊀㊀言开采自动化㊁智能化技术研究是当前煤炭领域研究的热点［１］㊂针对不同地质条件，国内外学者在采场状态感知与建模㊁自动控制技术以及开采装备创新方面开展了大量研究㊂澳大利亚联邦科学与工业研究组织研发出ＬＡＳＣ技术，采用军用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法获知采煤机的三维坐标，实现工作面自动找直等智能化控制［２－３］㊂液压支架自动跟机㊁采煤机斜切进刀自动控制及基于位置感知的三机协同推进控制等在地质条件相对较好的陕北㊁神东等矿区已经得到推广应用，基本实现了 工作面无人操作，工作面巷道有人值守 的常态化开采［４－６］㊂对于地质条件相对复杂的薄煤层及中厚煤层，研发了基于动态修正地质模型的智能采掘技术，采用定向钻孔㊁随采探测等动态修正工作面地质模型，通过构建工作面绝对坐标数字模型实行自主智能割煤［７－９］㊂然而，对于我国东部山东㊁淮南等矿区埋深１０００ｍ左右的深部复杂条件煤层，已有的自动化㊁智能化技术难以达到预期效果㊂深部采场一般存在着高地温㊁高地压㊁大变形的特点，矿压显现强烈，顶板㊁煤壁破碎，工作面倾角变化幅度剧烈，巷道变形大［１０］㊂目前，工作面自动化㊁智能化开采还无法预知所有的地质条件变化情况，开采装备也无法适应大范围的地质参数变化，因而实现自动化㊁智能化难度非常大㊂但从另外的角度，这些深部开采工作面用人多，安全性差，生产环境恶劣，恰恰最需要实现自动化㊁智能化㊂实现煤矿深部智能开采，最重要的是实现采场围岩稳定性控制以及 移架－割煤－运煤 过程与围岩空间动态变化的适应性控制㊂采场围岩稳定性控制需考虑采场上覆围岩结构及参数㊁运移特征㊁支护参数等，提出能够自适应控制围岩的策略和方法［１１－１２］；工作面装备运行与围岩空间变化的适应性控制则涉及装备运行特征㊁围岩动态变化规律㊁空间位姿测量及表征等，给出运行趋势的分析方法和预测性控制算法［１３］㊂其中，支护系统状态测量㊁适应性设计以及装备运行态势的分析预测是首先需要解决的关键问题㊂笔者以中煤新集口孜东煤矿１４０５０２工作面为工业性试验点，针对工作面俯采倾角变化大㊁矿压显现剧烈㊁顶板煤壁破碎所带来的采场围岩稳定性控制难度大㊁液压支护系统适应性降低等问题，基于工作面煤层地质条件研发了７ｍ四柱式超大采高液压支架；建立了工作面状态监测系统，实时监测和解算支架支护状态和围岩定性；研发了基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统，突破千米深井智能开采围岩稳定性控制和装备运行适应性控制的关键技术瓶颈㊂１㊀千米深井工作面地质条件及开采特点１．１㊀口孜东煤矿５号煤煤层赋存条件口孜东煤矿５号煤埋深９６７ｍ，工作面沿倾斜条带布置，走向方向南部平缓，北部较陡，煤层平均倾角１４ʎ，局部２０ʎ，俯采最大角度１７ʎ㊂１４０５采区工作面布置如图１所示，首采１４０５０２工作面倾向倾角８ʎ １５ʎ，平均倾角１４ʎ，局部２０ʎ㊂煤层厚度２．８６９．７５ｍ，平均６．５６ｍ，普氏系数１．６㊂工作面顶㊁底板以泥岩为主，少数为细砂岩㊁粉砂岩及砂质泥岩，顶㊁底板围岩特点是岩层较软㊂图１㊀口孜东煤矿１４０５采区工作面布置Ｆｉｇ．１㊀ＬａｙｏｕｔｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎＮｏ．１４０５ｍｉｎｉｎｇａｒｅａｏｆＫｏｕｚｉｄｏｎｇＭｉｎｅ口孜东煤矿１４０５采区煤层厚度等厚线如图２所示，６．０ｍ煤层以上占总采区８０％，７．０ｍ以上煤层占总采区的５０％，８．０ｍ以上煤层占总采区的１０％㊂确定最小采高４．５０ｍ，最大采高７．００ｍ，平均０５１任怀伟等：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用２０２１年第４期采高６．５６ｍ㊂图２㊀口孜东煤矿１４０５采区煤层厚度等厚线Ｆｉｇ．２㊀ＣｏａｌｓｅａｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｃｏｎｔｏｕｒｏｆＮｏ．１４０５ｍｉｎｉｎｇａｒｅａｉｎＫｏｕｚｉｄｏｎｇＭｉｎｅ１．２㊀工作面装备选型配套根据口孜东煤矿５号煤层地质赋存条件，通过对比分析不同采煤方法㊁支架方案选择的优缺点，综合分析产量和效率因素㊁资源采出率因素㊁采空区遗煤自然发火因素㊁工作面超前段巷道维护因素㊁工作面支护因素㊁人员因素㊁智能化开采因素等，确定选择７．０ｍ大采高一次采全高采煤方法进行开采㊂淮南地区地质构造与国内其他地区有较大不同，具体表现为埋深大㊁ 三软 煤层㊁倾角大㊁松散层厚㊁基岩薄等，工作面主要采用俯斜长壁采煤法㊂对于口孜东煤矿１４０５０２工作面而言，大采高开采可以充分发挥资源采出率高㊁开采工艺简单㊁工作面推进速度快㊁设备维护量少㊁易于实现自动化和有利于工作面 一通三防 等优势，但需要对液压支架与围岩适应性进行深入分析研究，要综合考虑支护强度㊁顶梁前端支撑力㊁合力作用点调节范围㊁防片帮冒顶㊁防扎底等多种因素，对液压支架和成套装备参数进行针对性设计㊂确定支架最大高度７．２ｍ，最小高度考虑运输与配套尺寸，确定为３．３ｍ㊂１４０５０２工作面配套装备见表１㊂表１㊀１４０５０２工作面成套装备Ｔａｂｌｅ１㊀ＣｏｍｐｌｅｔｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎＮｏ．１４０５０２ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ序号设备设备主要技术参数参考型号１中部支架工作阻力１８０００ｋＮ；高度３．３ ７．２ｍ；支护强度１．７３ １．７８ＭＰａＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ过渡支架工作阻力２２０００ｋＮ；高度２．９ ６．０ｍ；支护强度１．５３ＭＰａＺＺＧ２２０００／２９／６０Ｄ端头支架工作阻力２４２００ｋＮ；高度２．９ ５．５ｍ；支护强度１．５ＭＰａＺＺＴ２４２００／２９／５５Ｄ２采煤机总功率２５９０ｋＷ；采高４．５ ７．０ｍ；滚筒直径３．５ｍ；截深０．８６５ｍＭＧ１０００／２５９０－ＧＷＤ３刮板输送机功率３ˑ１２００ｋＷ；运输能力４０００ｔ／ｈ；卸载方式交叉侧卸ＳＧＺ１２５０／３ˑ１２００４转载机输送能力４５００ｔ／ｈ；长度约５０ｍ；功率７００ｋＷＳＺＺ１３５０／７００５破碎机破碎能力５０００ｔ／ｈ；功率７００ｋＷ；电压３３００ＶＰＣＭ７００７乳化液泵站工作压力３７．５ＭＰａ；流量６３０Ｌ／ｍｉｎ；电机功率５００ｋＷＢＲＷ６３０／３７．５８喷雾泵站工作压力１６ＭＰａ；额定流量５１６Ｌ／ｍｉｎ；电机功率１６０ｋＷＢＰＷ５１６／１６㊀㊀工作面成套装备地面联调试验情况如图３所示㊂图３㊀工作面成套装备地面联调Ｆｉｇ．３㊀Ｇｒｏｕｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｊｏｉｎｔｄｅｂｕｇｇｉｎｇｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ２㊀千米深井工作面智能开采技术路径针对千米深井复杂条件工作面开采，除成套装备功能㊁参数与围岩条件相匹配外，控制系统能否适应环境动态变化㊁控制围岩稳定并驱动装备跟随煤层自动推进是影响开采效率和安全㊁减少作业人员㊁降低劳动强度的关键［１４－１５］㊂目前，在地质条件简单㊁煤层变化小的工作面，智能化开采技术与装备主要实现开采工艺自动化和 三机 装备协调联动控制，以提升开采效率为目标［１６］㊂然而，上述口孜东煤矿５号煤１４０５０２工作面走向倾向都有倾角㊁顶板破碎㊁围岩大变形，是典型的复杂条件工作面㊂在该工作面实施７．０ｍ大采高开采，极易发生片帮㊁冒顶㊁扎底㊁飘溜㊁上窜下滑等问题，必须通过现场操作工人的经验提前实施预防措施，现有自动化技术无法完成上述功能㊂因此，复杂条件煤层智能开采必须在装备性能㊁参数足够满足要求的前提下，实现以围岩稳定支护和煤层跟随截割为目标的环境适应性控制，是一个不依赖人工操作的自适应自学习过程㊂１５１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷如图４所示复杂条件煤层智能开采技术路径图㊂环境适应性控制的前提是要首先知道环境的状态，然后对环境变化趋势进行分析和预测，最后通过智能控制技术给出 三机 装备运动参数㊂图４㊀复杂条件智能化开采技术路径Ｆｉｇ．４㊀Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐａｔｈｕｎｄｅｒｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ㊀㊀环境状态这里先考虑围岩压力和煤层赋存状态，主要采用压力传感器测量工作面来压情况，采用倾角传感器测量工作面倾角及设备姿态㊂以测量数据为基础，通过支架－围岩耦合关系模型，判断顶板㊁煤壁稳定性，通过三维力学模型判断支架受力状态及其动态变化，通过运动学模型判断工作面推进方向变化趋势㊂工作面装备智能控制综合实时控制㊁趋势控制㊁群组控制㊁模型跟随控制等技术，实现开采工艺工序优化㊁功能参数调整的多数据融合决策，完成工作面稳定支护㊁截割空间与煤层空间最佳重合的自主连续生产㊂３㊀７．０ｍ大采高复杂条件工作面智能化关键技术３．１㊀７．０ｍ超大采高液压支架适应性设计围岩支护和装备推进都离不开液压支架㊂复杂条件工作面开采首先要求液压支架要有适应围岩变化的能力㊂针对口孜东煤矿５煤的１４０５０２工作面条件，对液压支架结构和动态性能进行创新设计，研制出最高的ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ四柱式一次采全高液压支架，如图５所示㊂３．１．１㊀架型参数及支护强度设计根据口孜东煤矿５煤地质条件，以俯采为主且顶板相对破碎，煤层较软，底板主要为泥岩，因此重点考虑顶梁合力作用点控制，以及片帮㊁扎底和漏矸等异常状况㊂为此，采用四柱式液压支架，提升顶梁控制能力㊁防止底座扎底；同时为增强顶梁前端支撑力，采用前后立柱不同缸径设计㊂前立柱采用４００图５㊀ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ四柱式一次采全高液压支架Ｆｉｇ．５㊀ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄｆｏｕｒ－ｃｏｌｕｍｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｍｉｎｉｎｇｆｕｌｌ－ｈｅｉｇｈｔｏｎｅｃｅｍｍ缸径，后立柱采用３２０ｍｍ缸径㊂当顶梁合力作用点前移㊁后立柱难以发挥作用时，支架仍有足够的支撑能力㊂根据计算，顶梁前端支撑力最大达到５０００ｋＮ，支架支护强度达到１．７２ＭＰａ，远超过同等高度㊁支护力的支架，这样可以很好的控制顶板，同时减少顶板对煤壁的压力，减轻片帮程度㊂３．１．２㊀护帮及稳定性设计为防止煤壁片帮㊁冒顶，采用伸缩梁＋铰接三级护帮的结构，当采煤机割过煤后，伸缩梁立即伸出并打开护帮板，实现及时支护，避免片帮㊁冒顶的发生㊂伸缩梁行程１０００ｍｍ，大于截割滚筒宽度８６５ｍｍ，在特殊情况下可伸入煤壁支护；三级护帮板回转２５１任怀伟等：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用２０２１年第４期１８０ʎ后可上翘３ʎ，护帮总高度３５００ｍｍ，如图６所示㊂图６㊀ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ四柱式一次采全高液压支架护帮板结构Ｆｉｇ．６㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＺＺ１８０００／３３／７２Ｄｆｏｕｒ－ｃｏｌｕｍｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｇｕａｒｄｐｌａｔｅｆｏｒｏｎｅ－ｔｉｍｅｍｉｎｉｎｇｆｕｌｌ－ｈｅｉｇｈｔ同时，针对工作面走向㊁倾向都有倾角的情况，充分考虑俯采情况下的支架稳定性，合理设计结构件质量和尺寸，使支架重心尽量靠后，适应俯采倾角２０ʎ以下的情况；优化后支架临界俯斜失稳㊁仰斜失稳㊁侧翻失稳分别为２２．２５ʎ，２３．７ʎ以及１８．６ʎ，均大于煤层在各个方向上的倾角㊂设置防倒防滑装置，在工作面两端角度较大的区域安装，辅助调整支架，保障工作面支护系统稳定性㊂３．１．３㊀密闭性及可靠性设计工作面在移架过程中可能有矸石冒落，为此支架需要加强密闭性设计㊂ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ四柱式一次采全高液压支架顶梁和掩护梁均设计双侧活动侧护板，顶梁与掩护梁的铰接处具备防漏矸功能；后连杆设计固定侧护板与挡矸板；尽可能让支架后部封闭，阻止矸石进入支架内部㊂同时，加强推移千斤顶和抬底千斤顶，增强抬底力和推移力，保证动作到位㊂为防止拔后立柱造成活柱固定销损坏，增加销轴直径至５０ｍｍ，大幅增加可靠性㊂３．２㊀工作面液压支架（围岩）状态监测系统研发通过安装在液压支架上的压力传感器反映顶板压力变化情况和岩层运移规律是普遍采用的研究工作面状态的方法［１７］㊂然而，对于走向㊁倾向均有倾角的千米深井复杂条件工作面，只有压力数据还不足以反映围岩情况，必须将立柱压力状态和支架姿态数据（工作面角度）结合起来㊂为同时获取支架压力和姿态数据，研发了基于ＬＯＲＡ的工作面液压支架（围岩）状态监测系统㊂系统结构如图７所示㊂在液压支架上安装双通道压力传感器和３个三轴倾角传感器，通过ＬＯＲＡ自组网与数据监测分站连接，实现数据传输；数据监测分站汇聚工作面局部数据后通过ＣＡＮ总线上传至主站㊂图７㊀基于ＬＯＲＡ的工作面液压支架（围岩）状态监测系统Ｆｉｇ．７㊀ＬＯＲＡ－ｂａｓｅｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ（ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ）主站与工作面集控中心通过ＯＰＣ数据接口通信，将数据通过井下工业以太环网上传至地面的三维仿真系统进行数据分析及控制应用㊂整个系统的通信链路为 集控中心－主（以太网）㊁主－分（ＣＡＮ总线）㊁分－传感器（ＬｏＲａ自组网） ㊂根据工作面地质条件㊁无线信号传输距离和数３５１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷据采集需求，现场每３台液压支架安装一套监测传感器（包括前㊁后立柱压力２个压力传感器和顶梁㊁掩护梁㊁底座３个倾角传感器），总计安装４０套；在工作面端头安装１台分站，在顺槽集控中心安装１台主站㊂布置方案如图８所示㊂图８㊀井下设备布置方案Ｆｉｇ．８㊀Ｌａｙｏｕｔｐｌａｎｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔ三轴无线倾角传感器布置方案如图９所示㊂传感器为本质安全型，测量角度范围ʃ９０ʎ，测量误差ʃ１ʎ，传输协议采用ＭｏｄｂｕｓＴＣＰ，采集周期：２０ｓ，延时小于１００ｍｓ，供电方式为干电池供电，可满足１年以上数据采集电量需求㊂主站和分站采用１２７Ｖ直流电源供电，如图１０所示㊂图９㊀倾角传感器布置方案Ｆｉｇ．９㊀Ｌａｙｏｕｔｐｌａｎｏｆｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ３．３㊀工作面三维仿真与运行态势分析决策平台㊀㊀工作面三维仿真与运行态势分析决策系统是复杂条件工作面智能开采的大脑㊂监测系统采集的数图１０㊀液压支架倾角传感器Ｆｉｇ．１０㊀Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ据会在平台上进行解算，得出液压支架受力状态和姿态，从而判定围岩稳定性和工作面倾角；同时，可基于历史数据进行趋势分析㊁推进方向路径规划及矿压动态预测；预测结果可通过自动或人工发送指令控制工作面装备调整开采工艺和参数㊂３．３．１㊀液压支架受力状态及位姿解算在倾斜工作面，液压支架受力分析必须考虑角度因素［１８］，如图１１所示㊂图１１㊀液压支架受力分析Ｆｉｇ．１１㊀Ｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ根据力平衡原理得ðＸｉ＝Ｆｃ－ｆｃ()ｓｉｎθｃ＋Ｆｓ＋ｆｂ()ｓｉｎθｂ＋Ｑｘ()ｓｉｎθｃ－Ｆｙｃｏｓθｙ－Ｆｂｃｏｓθｂ＝０（１）ðＹｉ＝Ｆｃ－ｆｃ()ｃｏｓθｃ＋Ｆｓ＋ｆｂ()ｃｏｓθｂ＋Ｆｂｓｉｎθｂ－Ｑｘ()ｃｏｓθｃ－Ｆｙｓｉｎθｙ－Ｇ＝０（２）式中：Ｆｃ和Ｆｓ为伸缩梁千斤顶和推移千斤顶推力；Ｆｙ为掩护梁在顶梁平面上的投影面积承载的顶板压力再分解至垂直掩护梁方向上的力；ｆｃ和ｆｂ分别为摩擦阻力；θｂ㊁θｙ㊁θｃ分别为液压支架底座㊁掩护梁和顶梁与水平夹角；Ｑ为液压支架顶板载荷；ｘ为液压支架顶板载荷位置；Ｇ为液压支架重力㊂由式（１）和式（２）可求得液压支架底座㊁掩护梁和顶梁在θｂ㊁θｙ㊁θｃ倾角情况下的受力状态，给出合力作用点位置㊁相对正常位置的偏移量㊁立柱平衡性等参数值㊂同时，基于倾角传感器数据可计算出４５１任怀伟等：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用２０２１年第４期支架实时高度㊁立柱在来压期间下缩量等，如图１２所示㊂液压支护系统的整体受力㊁空间位姿也反映着工作面围岩的力学状态㊁角度及空间形态㊂这些数据均是三维仿真与运行态势分析㊁决策的依据㊂图１２㊀液压支架参数计算Ｆｉｇ．１２㊀Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ３．３．２㊀基于大数据的矿压分析预测技术千米深井软岩条件开采条件下，工作面矿压规律不明显，传统基于各种顶板结构模型的矿压分析预测方法难以适用，这里尝试采用基于大数据的矿压分析预测技术，分别从预测算法㊁模型输入输出特征工程以及数据分布３个方面进行研究㊂算法方面，液压支架工作阻力数据为典型的时间序列数据，分别基于支持向量机（ＳＶＲ）㊁函数链接预测误差法（ＦＬＰＥＭ）㊁极限学习机（ＥＬＭ）㊁长短期记忆网络（ＬＳＴＭ）㊁ＢＰ神经网络㊁自回归滑动平均模型（ＡＲＭＡ）㊁最小二乘支持向量机（ＬＳＳＶＭ）等机器学习算法建立液压支架工作阻力预测模型㊂经测试，ＦＬＰＥＭ和ＡＲＭＡ两种算法的预测精度比较高㊂模型输入输出特征工程方面，针对单个支架，选取该液压支架在采煤机第ｋ刀煤过程中的１２个工作阻力数据为模型的输入（一刀煤的时间大约为１ｈ，液压支架工作阻力数据采样时间为５ｍｉｎ），该液压支架在采煤机第ｋ＋２刀煤过程中的第一个工作阻力数据为模型的输出，确定１２维输入１维输出的工作阻力超前一刀预测模型㊂数据分布方面，针对支护过程中时变工况影响工作阻力数据分布㊁导致预测模型失准的问题，采用数据分布域适应迁移算法进行数据分布一致化处理，消除时变工况干扰㊂基于上述３个方面研究，对口孜东煤矿１４０５０２工作面液压支架工作阻力进行超前预测，采用ＦＬＰＥＭ算法，模型预测精度达到９２％㊂如图１３所示为某一液压支架前立柱工作阻力监测值和预测值对比㊂３．３．３㊀工作面空间态势分析和截割路径规划理想情况下，智能化开采要能够使煤机装备自图１３㊀液压支架工作阻力预测结果与相对误差Ｆｉｇ．１３㊀Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｗｏｒｋｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ动跟随煤层条件变化㊁做到自适应开采［１９］㊂这就需要根据感知数据分析拟合装备的状态和运行趋势，并规划后续推进控制参数㊂影响智能化开采的因素很多，这里集中讨论煤层倾角变化带来的问题㊂如前所述，１４０５０２工作面在走向和倾向方向都是倾斜的㊂有一定角度，且煤层顶底板曲面在揭露的巷道轮廓和切眼轮廓基础上仍有较大的起伏变化㊂因此，给工作面内成套装备的姿态控制和沿巷道的推进方向控制带来很大困难㊂１）工作面内装备姿态控制㊂工作面底板起伏影响液压支架姿态，在移架过程中会发生挤架㊁咬架显现，自动跟机程序无法正常运行㊂因此需根据感知到的工作面倾角变化情况，在跟机移架过程中，自动调整跟机速度㊁跟机架数以及架间的距离，目的是保障顺利移架，跟上采煤机割煤速度㊂因此，建立了以支架移架速度不小于采煤机速度为优化目标㊁以移架规则为约束条件的液压支架跟机规划模型：ｍｉｎ｛ＮＤ／Ｎ１ｔ１＋Ｎ２ｔ２＋Ｎ３ｔ３()－ｖｓｈｅａｒ｝ｓ．ｔ．Ｎ１ȡＮ２ȡＮ３３ɤＮ１＋Ｎ２＋Ｎ３ɤ３ＣｅｉｌΔｍ／Ｄ[]Ｎ＝ＣｅｉｌＮ１＋Ｎ２＋Ｎ３[]ìîíïïïï式中：Ｎ为支架总数；ｖｓｈｅａｒ为采煤机速度；Ｎ１㊁Ｎ２㊁Ｎ３㊁ｔ１㊁ｔ２㊁ｔ３分别为需要进行降架㊁移架㊁升架操作的支架数量与时间；Δｍ为安全距离；Ｄ为架宽；Ｃｅｉｌ［㊃］５５１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷为朝正向取整函数㊂根据上式，控制系统会根据工作面角度变化引起的液压支架姿态变化和相关位姿关系变化，同时考虑煤机位置㊁速度等参数，自动调整跟机移架策略，从而适应煤层在倾向方向的变化㊂２）截割推进方向控制㊂对于基于滚筒采煤机的长壁综采装备而言，截割推进方向调整一般情况下是靠调整滚筒截割高度和卧底量实现的［２０］㊂受装备配套尺寸限制，工作面每次调整的角度是有限的，因此必须在煤层角度变化之前提前调整，才能使装备逐渐改变推进方向，而调整量和每刀采煤机滚筒卧底抬高的高度需要超前规划和预测㊂基于采煤机滚筒高度在工作面各监测点数据，利用机器学习算法，以前３刀数据为模型输入，未来１刀数据为输出，建立滚筒高度预测模型，实现超前一步预测，从而可以进一步规划工作面倾向和推进方向的推进路径㊂图１４所示采煤机滚筒高度在整个工作面倾向方向的预测值和实际值对比㊂图１４㊀滚筒高度预测结果Ｆｉｇ．１４㊀Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｏｌｌｅｒｈｅｉｇｈｔ４ 现场试验与数据分析研发的７．２ｍ超大液压支架㊁工作面状态监测系统和三维仿真与运行态势分析决策平台于２０２１年２月安装在口孜东煤矿１４０５０２工作面（图１５），进行工业试验㊂图１５㊀口孜东煤矿１４０５０２工作面Ｆｉｇ．１５㊀Ｎｏ．１４０５０２ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆＫｏｕｚｉｄｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅ工作面液压支架状态监测系统也同步安装完成，图１６所示为现场安装的倾角传感器㊂图１６㊀液压支架倾角传感器安装情况Ｆｉｇ．１６㊀Ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｉｎｓｔａｌｌｅｄｏｎｓｉｔｅ根据液压支架顶梁㊁掩护梁和底座倾角传感器安装情况，可以对局部工作面液压支架的姿态进行实时监测，如图１７所示㊂图１７㊀液压支架倾角监测情况Ｆｉｇ．１７㊀Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ工作面三维仿真与运行态势分析决策平台安装在地面集控中心的服务器上，如图１８所示㊂图１８㊀工作面三维仿真与运行态势分析决策平台Ｆｉｇ．１８㊀Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ工作面三维仿真与运行态势分析决策平台分为３个区域：中间为工作面三维虚拟仿真系统，可根据感知数据实时驱动三维模型运动，从而反映井下工作面真实的情况；同时，也可根据后台预测㊁分析的结果，由优化后的运行参数驱动，提前对后续开采过程进行模拟仿真，从而验证优化结果的有效性；左侧６５１任怀伟等：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用２０２１年第４期区域为工作面压力及截割轨迹的实时监测结果㊁预测结果的实时展现，直观看到工作面来压情况㊁即将来压的情况，截割过的轨迹以及即将截割的方向趋势，便于把握总体运行情况和趋势（图１９所示）；右侧区域为工作面主要设备运行参数显示及控制区，可事实查看设备的速度㊁方向㊁电机温度㊁高度㊁工作阻力等参数，并且在安全和许可的条件下，部分参数可由人工修改，以便更好地控制设备运行（图２０所示）㊂图１９㊀工作面总体运行情况和趋势界面Ｆｉｇ．１９㊀Ｏｖｅｒａｌｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓａｎｄｔｒｅｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ图２０㊀设备控制界面Ｆｉｇ．２０㊀Ｄｅｖｉｃｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ上述设备㊁系统和平台在１４０５０２工作面开采过程中发挥了重要作用㊂现场试验表明：工作面在试验期开采高度达到６．５ｍ左右，每天割煤４ ５刀，月产达到３１．５万ｔ㊂７ｍ四柱式超大采高液压支架在１４ʎ １７ʎ俯采㊁顶板相对破碎㊁煤层普氏系数为１．６的条件下使用，可靠性和适应性较之前该矿使用的支架明显提升，煤壁片帮㊁顶板漏矸情况较少，以前立柱受力为主，没有出现拔后柱情况，工作面安全性大幅改善㊂通过压力和姿态监测数据可实时解算支架合力作用点位置和稳定性，从而保证围岩稳定支护；在工作面三维仿真与运行态势分析决策系统中分析工作面推进方向的变化趋势，判断装备开采空间与煤层的叠加重合度，从而超前调整开采工艺参数以适应煤层变化，实现了千米深井三软煤层的安全高效开采㊂５㊀结㊀㊀论以中煤新集口孜东煤矿１４０５０２工作面地质条件为基础，研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术，并研发了成套装备和监测系统㊁虚拟仿真决策平台，为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑㊂１）深部开采中，煤层三维曲面分布及围岩变形是其主要特征，综采装备的三维空间姿态及受力状况感知㊁预测是安全㊁高效开采的核心，而非简单条件工作面设备的协同联动控制㊂基于预测结果的预警㊁提前启动工艺保障措施是顺利开采的关键㊂２）研发了基于ＬＯＲＡ的工作面液压支架（围岩）状态监测系统，形成 集控中心－主（以太网）㊁主－分（ＣＡＮ总线）㊁分－传感器（ＬＯＲＡ自组网） 的通信链路，同时获取立柱压力和支架姿态数据㊂３）提出了基于大数据分析的矿压分析预测算法，采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题，模型预测精度达到９２％以上㊂４）研发了基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统，通过监测感知数据实时驱动工作面装备三维模型，同时基于大数据分析结果预测㊁分析和模拟后续开采过程，支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策㊂针对复杂条件煤层智能开采技术的研究目前尚处于起步阶段，技术㊁工艺和管理上还有许多未解决的问题，需要在环境感知㊁数据分析㊁控制算法等方面加大研究力度，充分利用物联网㊁大数据㊁深度学习等先进技术，不断提高综采装备的智能控制水平，提升复杂条件煤层智能化综采技术的系统性适用性㊁稳定性和协调性，最终降低井下工作人员的劳动强度，提高采出效率和效益㊂参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］㊀ＷＡＮＧＧｕｏｆａ，ＸＵＹｏｎｇｘｉａｎｇ，ＲＥＮＨｕａｉｗｅｉ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄｅｃｏ⁃ｌｏｇｉｃａｌｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｓｗｅｌｌａｓｃｌｅａｎｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａ：ｒｅｖｉｅｗａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１９，２９（２）：１６１－１６９．［２］㊀ＫＥＬＬＹＭ，ＨＡＩＮＳＷＯＲＴＨＤ，ＲＥＩＤＤ，ｅｔａｌ．Ｌｏｎｇｗａｌｌａｕｔｏｍａ⁃ｔｉｏｎ：ａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈ［Ｃ］／／３ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ－ＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＭｉｎｅＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ａａｃｈｅｎ：ＣＲＩＳＯＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ＆Ｍｉｎ⁃ｉｎｇ，２００３：５－１６．［３］㊀李㊀森．基于惯性导航的工作面直线度测控与定位技术［Ｊ］．７５１。
煤矿深部开采方法分析
煤矿深部开采方法分析煤矿深部开采是指煤矿井下深部开采，包括采煤工作面的布置、支护及采煤工艺等一系列工程技术。
由于深部开采工作环境复杂，地质条件恶劣，瓦斯、顶板、底板等安全隐患多，因此对深部开采方法的研究和分析显得尤为重要。
本文将针对煤矿深部开采方法进行详细的分析，以期帮助煤矿企业更好地进行深部开采工作。
一、采煤工作面的布置1.1 直接运输工作面直接运输法是指将煤炭在采煤工作面上直接装车运出矿井的一种采煤方法。
这种方法节省了井下的煤炭中转环节，减少了煤炭的损耗，并且可以减少矿井井下的堵车现象。
直接运输法需要井下设备齐全，施工条件好，并且对煤炭本身的品质有一定要求，因此适用范围有限。
综合运输法是指通过将煤炭从工作面上采运到采煤机旁再进行装车或直接在工作面上采用综合装载机进行装车的采煤方法。
这种方法可以适用于不同的地质条件和采煤工艺，具有一定的灵活性。
综合运输法也需要井下设备较齐全，对水平和垂直的机械设备要求高，需要有更高水平的自动化水平和智能化管理系统。
1.3 综合采煤工作面综合采煤工作面在布置上可采用多种方式，如单边综采工作面、双边综采工作面、交错采煤工作面等。
布置不仅要考虑矿山的地质条件和煤层赋存情况，还要充分考虑综采设备的配置和工作效率。
二、采煤工艺综合采煤工艺是在动力支架的帮助下，通过切割设备对煤炭进行切割，然后将煤炭装入运煤机或顶卸输送机，运出工作面的一种采煤方法。
综采工艺具有高效、节能、安全等优点，尤其适用于深部综采作业。
综采工艺在深部开采中仍然存在瓦斯爆炸、顶板垮落等安全隐患，需要配合合理的支护工艺。
2.2 长壁采煤工艺长壁采煤是指通过采煤机在工作面上侧向推进，对全厚煤层进行连续、交错的切割，然后通过装载机将煤炭加载到运煤机上进行运输的一种采煤方法。
长壁采煤工艺具有生产率高、成本低的优点，但是由于需要对工作面进行整体支护，因此对支护技术要求高，同时还需要解决巷道通风、瓦斯抽放等安全问题。
深部开采技术
近年来，采用应力解除法保护永久和半 永久巷道，预先用正规工作面回收保护 煤柱，然后在采空区的上下方掘进开拓 巷道(图3—1)，该巷由于处在应力释放 圈内，不会再受大的采动影响，容易维 护。这种布置方法对深井压力大和松软 地层内需长时间维护的巷道，具有明显
年代以来，美、澳两国不断创造综采工作面日产、
月产和年产的世界纪录，除了其开采自然条件好
外，这种多巷布置方式也是重要因素之一。
近年英国也引进了这种巷道布置方式，作为 促进其综采工作面实现高产高效的重要技术措施。
开采
图3—3长壁工作面的多巷布置
三、深井开采主要灾害防治
深部开采出现了一系列新问题和新
图3—7 巷道在采空区内的布置 a一 宽工作面掘进的留巷；
b一 采区上山布置在老采空区内； c一 回采巷道布置在老采空区内
图3—2 巷道在采空区内的布置 a一 宽工作面掘进的留巷； b一 采区上山布置在老采空区内；
c一 回采巷道布置在老采空区内。
3．长壁开采的多巷布置
传统的长壁工作面，其回采巷道多采用单
深井巷道矿压显现的显著特点之一是巷道 开挖就产生大的收敛变形量。这一特点是由深井 巷道围岩处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的 破裂范围决定的。
俄罗斯和乌克兰的研究表明，随开采深度加 大，巷道变形量呈近似线性关系增大；从600m 开始，开采深度每增加100m，巷道顶底板相对 移近量平均增加10％～11％(图3—1)。
一、深部矿井开采的基本状况
1.概念与意义
深部矿井开采的深部标准，目前我国尚无 明确规定。根据我国煤矿的地质条件，开采技 术水平，矿井装备水平，巷道矿压显现的特征， 一般认为采深800m及以上为深部开采，软岩 矿井采深600m及以上为深部开采。
煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想
目录
01 相关技术综述
03 参考内容
02
煤矿千米深井围岩控 制
随着煤炭行业的不断发展，煤矿开采逐步向深度拓展。千米深井的开采面临 诸多挑战，其中围岩控制及智能开采技术的构想成为亟待解决的问题。本次演示 将就煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想进行探讨，旨在为煤炭行业的可 持续发展提供参考。
在支护技术方面，目前主要有以下几种方法：
1、增加支护刚度：通过提高支护结构的刚度，限制围岩的变形和位移，提 高巷道的稳定性。
2、注浆加固：通过向围岩裂缝注入浆液，提高围岩的整体性和稳定性，防 止裂缝扩展和失稳。
3、锚杆支护：通过在巷道周边设置锚杆，将巷道与围岩牢固地连接在一起， 提高巷道的稳定性。
5、虚拟仿真与预测。通过模拟仿真技术，对矿井生产过程进行预演与预测， 为实际生产提供指导，降低突发情况对生产的影响。
参考内容
在煤矿开采过程中，随着开采深度的增加，巷道周围岩层的压力逐渐增大， 容易导致巷道变形、破裂等问题，给煤矿生产带来极大的安全隐患。为了解决这 一问题，煤矿千米深井巷道围岩支护改性卸压协同控制技术应运而生。该技术通 过一系列先进的支护方法和控制系统，实现对巷道围岩的改性和卸压，提高围岩 的稳定性和安全性。
卸压围岩技术主要是通过降低围岩的应力，提高其稳定性。具体实施方法包 括应力疏散、孔隙率降低和强度提高等。应力疏散可以通过开挖、支撑等方式， 将围岩中的应力分散，降低其应力的集中程度。孔隙率降低可以通过充填、注浆 等方式，提高围岩的密实度，降低其孔隙率，从而增加其稳定性。强度提高可以 通过添加增强材料、进行加固处理等方式，提高围岩的强度和稳定性。
4、推进数值模拟研究：数值模拟软件能够模拟巷道围岩的应力分布、变形 和破坏过程，为支护方案的设计提供参考。应进一步推进数值模拟在超千米深井 巷道支护中的应用和研究。
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术【摘要】深井、超深井和复杂结构井钻井技术是石油工程领域的重要研究课题。
本文旨在探究这些钻井技术的发展现状、工艺特点、设备创新以及工程实践案例。
通过对深井和超深井的钻井技术进行分析，可以了解到其在油气勘探中的重要性和应用价值；而对复杂结构井的垂直钻井技术研究则有助于解决在地质复杂地区开采难题。
结合工程实践案例分析，可以总结出钻井技术的发展趋势和应用前景展望。
通过本文的研究，可以为深井、超深井和复杂结构井钻井技术的进一步发展提供一定的参考和借鉴。
【关键词】深井、超深井、复杂结构井、垂直钻井、技术探究、研究目的、研究意义、钻井工艺、钻井设备、工程实践、案例分析、技术发展趋势、应用前景、总结。
1. 引言1.1 探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术研究目的：深井、超深井和复杂结构井是当今石油工业开发中面临的重要挑战，钻井技术的发展将直接影响到钻井效率和成本控制。
本研究的目的在于探究深井、超深井和复杂结构井垂直钻井技术，提高钻井效率，降低钻井成本，减少钻井事故风险，促进石油工业的可持续发展。
研究意义：1.2 研究目的研究目的是为了深入探究深井、超深井和复杂结构井垂直钻井技术的原理和方法，提高钻井的效率和安全性。
通过对这些技术的研究，可以更好地了解地下岩层情况，准确预测油气资源分布，优化钻井设计方案，降低钻井风险，提高钻井成功率。
通过深入研究钻井工艺和设备创新，可以不断提升钻井技术水平，推动钻井行业的发展。
研究的目的是为了实现钻井领域的技术创新和进步，为油气勘探开发提供更可靠的技术支持和保障。
1.3 研究意义深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术的研究意义主要体现在以下几个方面：深井和超深井钻井技术的研究可以帮助我们更好地开发地下资源，满足能源需求。
随着地表资源的逐渐枯竭，地下资源的开采将成为未来发展的重要方向，而深井和超深井钻井技术的提升可以有效增加勘探开发成功率，提高资源利用率。
煤矿开采的深部采矿技术
01
识别深部采矿过程 中的危险源
对采矿过程中的各个环节进行全 面分析，找出可能存在的危险源 。
02
评估危险源的风险 等级
根据危险源的性质、可能造成的 后果等因素，对危险源进行风险 评估。
03
制定风险控制措施
针对不同等级的危险源，制定相 应的风险控制措施，降低事故发 生的可能性。
深部采矿安全预防措施
PART 02
深部采矿的关键技术
REPORTING
深部矿体定位技术
矿体三维地震探测技术
利用地震波探测地下岩层的分布和性 质，为矿体定位提供准确的地质信息 。
地球物理勘探技术
遥感技术
通过卫星或无人机遥感获取矿区地表 信息，结合地质资料进行矿体定位。
利用地磁场、地电场等物理场进行勘 探，确定矿体的位置和形态。
某铁矿深部采矿工程
针对某铁矿深部资源，通过合理的工程设计和采矿工艺，成功开采出高品质铁 矿石，取得了显著的经济效益。
深部采矿工程经验总结
强化地质勘查
在深部采矿工程前，应加强地质 勘查工作，准确掌握矿体形态、 赋存状态和资源量等信息，为工 程设计和采矿工艺提供科学依据
。
合理选择采矿工艺
根据矿体赋存条件和开采技术条 件，选择适合的采矿工艺，以提
水资源保护
采取措施保护地下水层，减少 采矿对水资源的影响。
大气污染控制
采取除尘、脱硫等措施，减少 粉尘和有害气体排放。
生态修复
对受损的生态系统进行修复， 促进生态平衡。
深部采矿环境恢复与治理
制定恢复治理计划
根据采矿区域的环境状况，制 定针对性的恢复治理计划。
落实责任主体
明确采矿企业对环境恢复与治 理的责任和义务。
深井超深井钻井关键技术
深井超深井钻井关键技术作者：张凯来源：《中国科技纵横》2016年第07期【摘要】随着社会的不断发展，对于燃料的需要越来越大。
这就需要有先进的技术来保证燃料的开采。
在油气的开采过程中，需要先进的开采技术。
而在对地层的油气的开采过程中，对于深井的钻井尤为重要，它能够对地层深部的油气进行探测，使得开采人员能够更加方便地作业。
因此笔者针对深井超深井钻井的相关技术进行了深入的研究，旨在提高深井超深井钻井技术，使得钻井技术可以更好地为油气的开采做贡献。
【关键词】深井超深井钻井深井超深井钻井技术是一项较为先进的技术，它具有一定的复杂性，同时它具有一定的难度。
在深井超深井钻井技术的不断发展过程中，我们需要不断研究新型技术，使得深井超深井钻井能够顺利地进行。
那么在深井超深井钻井的过程中主要需要注意的技术是什么？笔者通过自身的总结与思考，认为以下几个方面的技术较为关键，在深井超深井钻井的过程中需要加以注意。
1 关于井身结构的相关设计深井超深井钻井中需要钻深井。
在这个过程中，需要保证井身的结构合理，以保证施工的正常进行。
以往的深井超深井钻井技术是存在一定的问题的，井身的设计不合理，使得井身出现了一些安全问题。
传统的深井超深井钻井的井身设计方面主要是由2条压力曲线、6个基础参数以及必封点组成，主要是为了节约成本，但是这对于安全的保证效果并不好。
随着设计人员的不断研究，找出了以下的解决办法。
第一，在深井超深井钻井的井身设计的时候，需要结合当地的土质与地质的相关情况，采取不同的井身设计。
而对于刚开始的探井工作来讲，由于还不明确当地的地质的相关情况，需要采取谨慎的措施，设计井身的时候需要设计足够多的套管层次，起到必要的防护措施。
第二，在钻头以及套管的设计上面也需要加以注意，就现在的情况而言，套管的层数大多为2层或者3层，这就意味着其只能预防2到3个出现问题的层位，笔者认为针对钻头以及套管设计方面需要在进行进一步的研究，使得技术水平可以得以提高，使得钻头和套管能够物尽其用。
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术深井、超深井和复杂结构井的垂直钻井技术是石油勘探开发领域的重要技术之一。
随着油气资源勘探开发难度的不断增加，对垂直钻井技术的要求也越来越高。
为了更好地探究深井、超深井和复杂结构井的垂直钻井技术，本文将从技术原理、地质条件、钻井工艺和装备等方面进行深入探讨。
一、技术原理垂直钻井技术是指从地表向下钻探地下矿藏或构造地质构造的一种工艺技术。
在深井、超深井和复杂结构井的垂直钻井中，需要考虑的技术原理包括地层构造、地应力、井筒稳定性、井壁稳固、井眼完整性、钻井液控制等。
通过对这些技术原理的研究和应用，可以有效地提高垂直钻井的成功率和效率。
二、地质条件深井、超深井和复杂结构井的垂直钻井技术需要充分考虑地质条件。
地质条件包括地层性质、地下水压力、地温、地震活动性等因素。
这些地质条件对垂直钻井的施工和装备选择具有重要影响。
在钻井前需要进行充分的地质调查和勘察，以确保钻井施工的安全和顺利进行。
三、钻井工艺深井、超深井和复杂结构井的垂直钻井工艺具有一定的特点和要求。
需要选用合适的钻井工具和装备，包括钻机、钻头、钻柱、钻井液等。
需要根据地质条件和井口情况，合理设计钻井参数，包括钻速、转速、钻压等。
需要重点关注井筒稳定性、井眼完整性和钻井液控制等关键技术环节。
四、装备技术深井、超深井和复杂结构井的垂直钻井需要使用高科技装备和技术手段。
包括钻机自动化控制系统、钻头智能化设计、钻井液环境友好化等。
这些高科技装备和技术手段能够大大提高垂直钻井的效率和安全性。
五、发展趋势未来深井、超深井和复杂结构井的垂直钻井技术将更加注重高效、智能、环保、安全的发展方向。
预计在深井、超深井和复杂结构井的垂直钻井中，将出现更多自动化、智能化的装备和工艺，并将进一步提高垂直钻井的成功率和效率。
采矿业中的地下开采技术
采矿业中的地下开采技术地下开采技术在采矿业中扮演着至关重要的角色。
随着矿产资源的逐渐枯竭，地下矿藏的挖掘变得不可或缺。
本文将探讨地下开采技术在采矿业中的重要性、应用和未来发展前景。
一、地下开采技术的重要性地下矿藏存在丰富的矿产资源，而地下开采技术是开发这些资源的关键。
相比表面采矿，地下开采技术能够有效利用有限的矿产资源，并减少对环境的破坏。
地下开采技术的优点主要体现在以下几个方面：1. 最大限度地采集矿藏资源：地下开采技术可以在地下深处挖掘矿藏，进一步探索未被开发的矿石富集区域。
2. 降低环境影响：与露天采矿相比，地下开采技术在地表上留下的痕迹更少，可以减少大量的土地开垦和破坏性扰动。
3. 提高安全性：地下采矿中，工人们可以远离地表自然灾害的威胁，如地震、泥石流等，并更好地掌握工作环境的安全控制。
4. 提高矿石品位：地下开采可以选择高品位矿石进行采集，避免大量处理低品位矿石所带来的成本增加和浪费。
二、地下开采技术的应用地下开采技术在不同类型的矿石开采中得到广泛应用。
以下是一些常见的地下开采技术：1. 深井开采：通过垂直井道将工人和机械设备运送到地下，然后在地下进行矿石的开采。
这种技术适用于矿脉较为集中的矿藏，如金矿和铜矿。
2. 斜坡开采：挖掘出与地面倾斜的坡道，使工人和设备可以进入地下进行开采。
这种技术适用于矿脉较大且分布较广的矿藏，如石煤矿。
3. 长壁采煤：这是一种专门用于煤炭开采的地下开采技术。
它使用长壁采煤机在煤矿中切割长而连续的煤矸石，通过运输带将其运送到地面。
4. 岩石爆破：对于地下岩石矿物的开采，爆破技术是常用的方法之一。
通过使用合适的爆破剂和爆破装置，将岩石炸碎，并方便后续的矿石开采。
三、地下开采技术的未来发展前景地下开采技术正朝着更高效、更安全和更环保的方向发展。
随着科技的进步和工程技术的创新，一些新型的地下开采技术正在被引入和改进。
1. 无人化开采：利用机器人和智能系统，可以实现无人化的地下开采。
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流动砂浆中加药现厂验证试验结果 沉降时间（min） 沉降高度（mm） 沉砂浓度（％） 上清液透光率（％） 0.5 1 2 备 注
150 113 114 64 1. NPA-060药剂用量：～10mg/l 2. 透光率未测定
室内与现场验证试验的主要结论 （1）NAP高效絮凝剂对康家湾全尾砂具有显著的絮凝沉降效果 （2）立式砂仓中直接进行尾砂絮凝沉降浓缩是可行的 （3）现场随机取样验证试验证明，NPA药剂用量10mg/l，全 尾砂的絮凝沉降速度和上层清液透光率与室内的试验结果相符 ☆絮凝原理
NPA-D60 (用量mg/l) 砂浆 （浓度20%）
1
2 3
上清液
沉砂
流动砂浆中加药简易模拟装置示意图
流动砂浆中加药试验结果 沉降时间 （分） 沉降高度（mm） 上层清液透光率 （％） 1 160 2 170 4 6 8 176 备注 1. 给入砂浆体积1600ml
174 175
～80 2. 沉砂浓度未检测
充填配合函数
充填质量因数
2）充填配合函数
充填体应力
特性应力系数
胶结充填料
a f b
( t ) 2 b (a 0且 t )
充填体应变
临界应变值
最初表现显著的充填体 承载时的瞬间应变
非胶结充填料
3）充填质量因数M
M= EERR(充填)/ EERR(不充填)
充填料质量/b值
充填质量对M值的影响
当充满率超过40%以上后，最大开采深度对能量释放速率的影响逐渐减弱 能量释放速率一定，如30MJ/m2时，充填料质量对最大开采深度影响较大
3.深井充填材料及充填质量控制
砼结构
粗砂 细砂 细泥 水泥
密度/（t/m3） 2.3 2.1 1.7 1.6
泵送充填
水力充填 风力充填
几种不同充填工艺的充填材料组成
☆ 主要充填材料 1）水泥—32.5普通硅酸盐水泥 2）粉煤灰
（1）CH晶体产生，粉煤灰表面 形成水膜
（2）CH晶体在粉煤灰表面定向生长， 碱性薄膜溶液形成
（3）粉煤灰表面被腐蚀，发生 火山灰反应
（4）粉煤灰表面进一步被腐蚀， 大量凝胶产生
水泥、粉煤灰、煤矸石胶结试块的SEM照片
２）深井开采，充填倍线小（1～3），这为输送高浓度浆体、提高充填体 质量创造了必要条件。因此，研究高浓度浆体管道输送特性，根据充填料 浆特性，分析料浆制备与输送系统的适应性，是实现高浓度充填料输送， 提高充填体强度的关键之一；
３）为了实现高浓度充填浆体的自流管道输送，必须研究深井两相流输送 技术，即料浆特性、料浆配合比、密度、粘度等高浓度浆体管输特性对临 界流速的影响及相应的管道水力参数的计算；
深井开采的充填材料与 管输系统
王新民
目
1. 绪论 2. 深井矿山充填体作用机理 3. 深井充填材料及充填质量控制 4. 深井充填系统适应性分析
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5. 非机械快速浓缩全尾砂胶结充填技术研究 6. 深井两相流输送技术研究 7. 深井满管流输送技术研究 8.深井管道输送系统减压及管道磨损 9. 结论
☆膏体泵送充填
1）可泵性要求的基本条件 （1）具有良好的稳定性和饱和性 （2）管道输送摩擦阻力要小，以150mm通用管径计算，每米摩擦 阻力以50～100Pa为宜 （3）泵压过程中不允许产生离析现象 （4）膏体中必须要有足够的细颗粒含量，细粒级含量保持在 20～35%为宜 （5）膏体制备质量要稳定
M
1
0
d
胶结充填料：M≤0.25 非胶结充填料：M≥0.35
4）充填体承载效果评价
能量释放率/MJ/m2 深 度 /km
4
返回
能量释放率/MJ/m2
40
3
2
30 20 （相应M值）
0 20 40 60 80 100 0.1 0.2 0.3 0.4
40 30 20
0.5
0.6
1
充填量/%
1.0
5.0
0.1
0.5
1.0
150
7.1
10
0.733 2.667 0.119
0.035 1
240 220 200
界 面 沉 速
(mm/min)
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
5 10
20
30
40
50
60
NPA用量 (mg/l)
NPA用量对尾砂界面沉速的影响（给砂浓度：20%）
NPA用量不同时的尾砂絮凝沉降浓缩效果
NPA用量（mg/l） 界面沉速（mm/min） 沉砂浓度（％） 上清液透光率（％）
返回
工业试验上清溢流水水质参数 指标名称 排放标准 GB491385 污水综合 排放标准 GB89781996 康矿充填 站 排 出 水 PH SS Pb Zn Cd As Cu CoD 备 注 行 业 标 准 现 行 标 准
6～9 200
1.0
5.0
0.2
0.5
2.0
100
100 6～9 ～ 300
６）研究高压流动浆体对管道的动力磨损机理，实现对深井管道磨损程度 的预测，合理采用降低管道磨损的技术对策，对延长管道的服务年限，降 低成本同样十分重要。
☆ 研究目的意义
在全面分析深井充填特点与存在问题的基础上，展开深 井充填体作用机理、充填材料与充填质量控制、深井两相流 理论、深井管道系统减压、深井满管流输送技术、管道磨损 机理与防磨损技术等研究，加速完善和发展我国深井充填理 论与技术体系，对深井矿山充填设计、施工与管理提供重要 的理论依据和操作性强的实施方案，对实现我国矿业可持续
要的现实意义。
☆块石胶结充填
返回
深井矿山中，如果废石量较大，或尾砂等充填骨料供应量不
足以充填井下空区时，则应该考虑使用块石胶结充填系统。 块石胶结充填优点 （1）投资较小、经营费用低 （2）充填体强度高、整体稳定性好 （3）节省了矿山的提升费用，减轻了提升负担 （4）缓解充填管道的压力，减轻管道的磨损 （5）充填体强度形成快，可缩短回采作业循环时间 （6）系统充填能力大，充填效率高
给砂量 （ml） 1600 1200 950 780 650 5185
界面沉速 （mm/min） 140 107 90 73 56
沉砂累积体 积（ml） 400 650 820 950 1100
透光率 （％） ＞85 ＞85 ＞85 ＞8.93
19.60
４）深井管输系统，由于地表与井下高差大、充填倍线小、料浆在输送过 程中，流速大，将对管道形成较高的压力，因此必须解决系统减压问题， 否则将严重影响到管输系统的安全运行；
５）深井自流管输系统由于料浆运行速度高，将对管道垂直段产生严重的 冲击磨损，因此研究满管流输送技术，实现深井充填系统满管流输送，降 低冲击磨损具有非常重要的工程意义；
2）评价 膏体加压输送系统应该是未来深井开采充填系统的一个
重要发展方向，但目前大量推广应用尚有一段距离
☆膏体自流充填
膏体自流输送结合了细砂管道胶结充填系统和膏体泵送充填
系统各自的优势，应该是深井矿山充填系统的首选方案。 膏体自流充填系统目前只在充填倍线介于1.1～2之间的少数 浅井矿山使用，因此将其使用范围扩大到深井矿山，具有十分重
5.非机械快速浓缩全尾砂胶结充填技术研究
☆必要性
分级尾砂
尾砂利用率低
传统全尾砂
细泥尾砂堆坝困难
机械浓缩成本高
非机械快速浓缩全尾砂
生产能力有限
☆主要特点
（1）实现了低浓度全尾砂浆在立式砂仓中快速沉降、快速浓缩 （2）立式砂仓溢流上清液达到国家工业废水排放标准 ☆全尾砂絮凝沉降浓缩试验 （1）研究对象—水口山矿务局选厂质量浓度20%全尾砂 （2）试验药剂采用高效絮凝剂 NPA
粉煤灰、水泥、磷石膏硬化体的SEM照片
1:1:6灰料比硬化体的SEM照片
100 3CaO· SiO2 80
水化 程 度60 /%
40
3CaO· Al2O3 3CaO· SiO2 2CaO· SiO2
20
粉煤灰
0 0 1 2 天 3 4 5 0 10 周 20 30
活性矿物水化程度示意图。粉煤灰在初期阶段几乎不发生水化
3）分级尾砂和全尾砂 4）冶炼炉渣 5）棒磨砂、风砂及冲击砂
6）废石
7）煤矸石
8）磷石膏
☆ 充填质量控制
1）料浆的配合比
矿山名称 水泥:粉煤 灰：尾砂 金川公司 金川公司 新桥硫铁矿 新桥硫铁矿 高峰矿业公司 高峰矿业公司 康家湾矿 康家湾矿 康家湾矿 康家湾矿 柿竹园矿 柿竹园矿 1:0.5:5 1:0.5:5.2 1:0:5 1:2:6 1:0:6 1:2:6 1:0:5 1:0:5 1:0:6 1:2:6 1:0:6 1:2:6 质量浓度 % 71 72 70 68 70 68 70 70 70 68 70 68 料浆密度 t/m3 1.85 1.88 1.82 1.79 1.93 1.89 1.80 1.75 1.70 1.65 单轴抗压强度（Mpa） R3 1.04 1.06 R7 1.72 1.74 0.62 0.58 0.32 0.28 1.95 1.88 0.54 0.45 1.08 0.48 R28 4.12 4.38 1.56 1.75 0.60 1.14 3.56 2.60 1.87 2.09 1.59 1.34 R60 5.90 6.02 2.40 2.49 1.52 1.49 5.20 3.23 2.02 3.42 2.64 3.23 分级尾砂 分级尾砂 自然分级全尾砂 自然分级全尾砂 自然分级全尾砂 自然分级全尾砂 分级尾砂 自然分级全尾砂 全尾砂 全尾砂 自然分级全尾砂 自然分级全尾砂 尾砂种类
人工假顶R28>5MPa