综采工作面基于透明地质的硬过断层截割路径优化

安林; 范涛; 刘再斌; 韩保山; 王新苗; 陈宝辉

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505862

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (25) :10760-10766 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505862

矿冶工程

综采工作面基于透明地质的硬过断层截割路径优化

安林 ¹^,²^,³^,⁴ ,
范涛 ¹^,²^,³^,⁴^,^* ,
刘再斌 ¹^,²^,³^,⁴ ,
韩保山 ¹^,²^,³^,⁴ ,
王新苗 ¹^,²^,³^,⁴ ,
陈宝辉 ¹^,²^,³^,⁴

作者信息 +

Optimization of Cutting Path for Hard Crossing Faults Based on Transparent Geology in Fully Mechanized Mining Faces

AN Lin ¹^,²^,³^,⁴ ,
FAN Tao ¹^,²^,³^,⁴^,^* ,
LIU Zai-bin ¹^,²^,³^,⁴ ,
HAN Bao-shan ¹^,²^,³^,⁴ ,
WANG Xin-miao ¹^,²^,³^,⁴ ,
CHEN Bao-hui ¹^,²^,³^,⁴

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摘要

为了研究复杂地质条件下硬过断层最优截割路径,详细分析了综采工作面硬过断层关键参数与类型划分,提出了基于透明地质的综采工作面硬过断层的截割路径优化方法。以棋盘井903工作面为工程背景,通过模拟试验、现场验证分析了断层落差、煤层厚度、设备能力、截割深度对硬过断层割岩量的影响,结果表明:设备姿态调整位置与损失煤量呈“V”字形关系,存在最佳调整位置可使损失煤量最小;断层落差越小,损失煤量越小,且最佳调整位置越靠近断层;设备调整能力越强,对应的损失煤量越小;通过截割路径优化后的割岩量为 12 061 t,降低约 20%,提升了该综采工作面的过断层效率。该方法可为透明地质在采掘生产中的应用提供参考。

Abstract

To study the optimal cutting path for hard crossing faults under complex geological conditions, a detailed analysis of the key parameters and type classification of hard crossing faults was conducted in fully mechanized mining faces, and a cutting path optimization method for hard crossing faults was proposed in fully mechanized mining faces based on transparent geology. Taking the 903 working face of Qipanjing as the engineering background, the effects of fault throw, coal seam thickness, equipment capability, and cutting depth on the rock cutting amount during hard crossing faults through simulation tests and on-site verification were analyzed. The results show that there is a “V” - shaped relationship between the equipment attitude adjustment position and the coal loss, and there exists an optimal adjustment position to minimize the coal loss. The smaller the fault throw, the smaller the coal loss, and the closer the optimal adjustment position is to the fault. The stronger the equipment adjustment capability, the smaller the corresponding coal loss. After optimizing the cutting path, the rock cutting amount is 12 061 tons, a reduction of about 20%, which improves the efficiency of crossing faults in the fully mechanized mining face. This method can provide a reference for the application of transparent geology in mining production.

Graphical abstract

关键词

综采工作面 / 透明地质 / 过断层 / 截割路径 / 割岩量

Key words

fully mechanized mining face / transparent geology / crossing faults / cutting path / rock output

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安林, 范涛, 刘再斌, 韩保山, 王新苗, 陈宝辉. 综采工作面基于透明地质的硬过断层截割路径优化[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(25): 10760-10766 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505862

AN Lin, FAN Tao, LIU Zai-bin, HAN Bao-shan, WANG Xin-miao, CHEN Bao-hui. Optimization of Cutting Path for Hard Crossing Faults Based on Transparent Geology in Fully Mechanized Mining Faces[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(25): 10760-10766 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505862

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在煤矿智能化开采的背景下,复杂地质构造条件下的智能化开采技术已成为制约矿井常态化智能开采的核心瓶颈^[1-2]。断层的存在不仅会导致采煤机、支架等设备因调整不及时或过度调整而面临损坏风险,还会显著增加割岩量、降低煤炭回采率,进而推高开采成本、延误生产进度^[3-4]。因此,实现综采工作面过断层截割路径的精准优化,对提升开采效率、保障生产安全具有重要现实意义。

在煤矿过断层技术研究方面,早期研究多依赖经验判断与简单地质探测,因精度不足难以适应现代高效开采需求^[5-6]。随着三维地震勘探、瞬变电磁法等技术的应用,断层的位置、落差等参数探测精度显著提升^[7-8],为过断层决策提供了基础数据支撑。在工艺优化方面,学者通过调整采煤机截割参数、改进支架支护方式等手段,在一定程度上降低了过断层难度^[9-11]。透明地质技术的发展为过断层优化提供了新路径,美国、澳大利亚等国家通过构建精细化地质模型并与智能采掘设备融合,实现了部分复杂地质条件下的高效开采^[12-13];国内程建远等^[14]、毛明仓等^[15]提出透明地质智能开采的关键技术,将地质信息融入开采决策,推动了采掘过程的精准化;李森等^[16]、王新苗等^[17]、安林等^[18]进一步探索地质模型与综采集控系统的联动,为截割路径优化奠定了理论基础。

然而,当前研究仍存在着以下问题:首先,现有断层路径优化多聚焦于单一地质条件或局部参数调整,缺乏对不同断层类型、推进方向及断层落差与煤层厚度关系的系统分类研究,难以适配复杂多变的地质场景;其次,透明地质模型与截割路径优化的结合多停留在静态信息应用层面,无法精准计算最佳调整位置与割岩量的关系;最后,现有方法对割岩量的影响因素缺乏定量分析,难以指导现场实现“少割岩、多割煤”的目标。因此,现详细分析综采工作面硬过断层关键参数与类型划分,通过模拟试验、现场验证分析断层落差、煤层厚度、设备能力、截割深度对硬过断层割岩量的影响,并在棋盘井903工作面开展综采工作面采煤机硬过断层截割路径优化,有利于弥补现有研究的不足,为采矿硬过断层提供更科学、更有效的技术方法。

1 过断层关键参数与类型划分

1.1 硬过断层关键参数

1.1.1 截割路径定义与参数

综合机械化采煤工作面开采过程中,回采是从开切眼开始,通过采煤机滚筒截齿从两巷的斜切进刀、沿工作面宽度方向截割煤层,如此往复运动,逐步向前推进,最终完成整个工作面回采^[19]。采煤机截割路径是指采煤机滚筒截割煤岩壁顶底板形成的两条空间曲线。采煤机硬过断层截割路径主要包括以下几个因素:姿态开始调整位置,设备姿态调整参数(角度),割顶/割底煤,割岩位置,如图1所示。硬过断层截割路径受到地层、断层类型、综采设备、推进方向与断层线夹角γ、割岩量等多种因素的影响。

1.1.2 割岩量

在工作面某一回采循环中遇到断层时,由于采煤机、支架等机械设备调整能力有限,在过断层过程中丢煤,割岩的情况不可避免。割岩量是综采工作面在现有的设备和地质条件下,通过该断层截割岩层的质量及煤层损失量,利用该参数评价截割路径的优劣,当割岩量小时,设备磨损降低,开采效率提高;反之,割岩量大时,设备磨损量增大,开采效率低。在一个截割循环内可通过式(1)计算得到割岩量。

(1)S_g=Sdρ

式(1)中:S_g为割岩量,t;S为截割岩石面积,受到截割路径参数的影响,可通过不同截割路径计算得到,m²;d为单个循环的截割进尺,m;ρ为煤的视密度,t/m³。

因此,可通过式(1)计算得到通过每一个截割循环的割岩量,将每一个循环的割岩量进行求和即可得到通过整个断层的割岩量。

1.2 过断层类型划分

根据不同断层类型与推进方向,可将断层落差小于煤层厚度硬过断层的截割路径类型划分为四类,如表1所示。将断层落差大于煤层厚度硬过断层的截割路径也可分为四类,如表2所示。

由表1和表2可知,不同硬过断层的调整位置、设备调整角度、煤层厚度、断层落差等参数,即截割路径不同,割岩量也会不一样,因此,可以通过断层截割路径的参数与割岩量之间的关系,优化得到最佳的截割路径,达到少割岩多割煤的目的。

2 基于透明地质的硬过断层截割路径优化方法

2.1 903工作面概况

以棋盘井煤矿903工作面过DC3断层作为试验工作面。该工作面长度为3 800 m,宽度为224 m,煤层厚度为2.81~3.34 m,平均煤层厚度为3 m,煤层密度为1.4 m³/t,在进回风巷道的掘进过程中,发现存在DC1、DC2、DC3、DC4、DC5共5条断层,DC3断层落差在1.1~3.5 m范围内,断层倾角为50°~80°。根据工作面进回风巷道测量写实数据与断层写实信息,分析工作面范围内的断层影响范围及展布情况,采用TIM-3D建立903工作面的初始地层模型,模型如图2所示。

903工作面采用机械化长臂工作面采煤,采用MG1660-WD采煤机与ZY6800/12/25D型支架,采煤机适应倾角小于等于45°,滚筒直径为1 800 mm,截深为800 mm,最大下切深度为240 mm;支架宽度为1.5 m,支架数量为149 架,适应最大倾角小于等于15°。

2.2 截割路径优化方法

以割岩量作为约束实现综采工作面硬过断层截割路径的优化,优化流程如图3所示。

主要包括以下几个关键步骤。

步骤1 数据初始化与输入。建立综采工作面坐标体系,对工作面地层数据、断层关键参数、工作面关键设备参数进行数字化存储。断层的关键参数包括正逆断层、断层的走向长度、断层的落差、断层的位置等;关键设备参数包括支架的最大倾角、支架宽度,采煤机截深、最大卧底值、采煤机位置等。

步骤2 工作面地质模型的构建。根据工作面的地层参数、断层参数,构建工作面高精度三维地质模型,模型能够表征断层、地层的相关参数,为割岩量计算提供数据支撑。

步骤3 割岩量对比与计算。根据设备位置、断层、地层参数,计算通过断层需要多少截割循环;将每个截割循环参数按照断层落差大于煤层厚度、断层落差小于煤层厚度进行分类,分别计算在不同截割路径下的割岩量,优选最低的割岩量对应的截割路径。

步骤4 截割路径的优化与下发。根据计算得到最低割岩量对应的截割路径,计算综采设备截割控制参数,并下发至综采工作面集控中心,综采设备按照规划控制的参数实现过断层的路径规划。

3 棋盘井903工作面过断层试验

3.1 采煤机硬过断层模拟试验

为分析综采工作面硬过断层截割路径优化的准确性,设计多组模拟试验场景,涵盖不同的煤层及断层地质条件与设备参数组合,表3所示为不同断层落差、煤层厚度、支架最大倾角等参数的取值范围及组合方式。针对每组参数组合,创建多个模拟开采循环,模拟采煤机沿工作面推进50 m,并在推进过程中遇到断层。采用MATLAB数值模拟软件模拟过断层过程,将割岩量计算公式嵌入模拟过程中,计算采煤机的运行状态、割岩量、设备调整情况等数据。对模拟试验结果进行详细分析,对比不同参数组合下的割岩量,以支架调整位置为横坐标,割岩量为纵坐标,计算得到在不同断层落差、煤层厚度、设备调整能力、截割深度等条件下的割岩量曲线,结果如图4所示。

由图4可知,在一个截割循环内,设备姿态调整位置与损失煤量存在“V”字形关系,且存在最小值,因此在实际开采中选取合适的调整位置,能够有效地降低损失煤量,提高产量。由图4(a)可知,断层落差越小割岩量越小,割岩量最低点越靠近断层位置,调整位置距离断层越近;由图4(b)可知,煤层厚度越小对应的割岩量越小,割岩量最低点越靠近断层位置,调整位置距离断层越近;由图4(c)可知,设备的调整能力越强,割岩量越低,因此在综采设备选型时,可根据工作面断层的大小优选最佳的采煤设备;由图4(d)可知,截割深度对最低割岩量对应的调整位置影响不大,但调整距离最佳位置越远时,截割深度越大,割岩量越大。

按照上述方法对903 工作面通过DC3的截割路径进行优化,部分优化结果如图5所示。

从图5可知,在推进度为670 m时,DC3断层落差为1.2 m,断层落差小于煤层厚度,通过截割路径优化,得到最优的调整位置为12#~20#支架对应的开采范围,而通过计算得到这一个截割循环通过断层最少割岩量为17.58 t;而在推进度为970 m时,需要同时通过DC2、DC3断层,DC3断层落差为4.5 m,断层落差大于煤层厚度,通过截割路径优化得到最优的调整位置为86#~106#支架,而通过这一个截割循环的割岩量为171.3 t。

3.2 过断层效果分析

通过统计903工作面实际过断层的割岩量,并与模拟分析得到903综采工作面通过DC3断层在提前或推迟每一个支架的割岩量进行对比,得到结果如图6所示。

由图6知,采用基于透明地质的过断层优化截割路径实际割岩量12 061 t,而在模拟提前或推迟调整位置时:提前5个支架进行调整的割岩量为14 664 t,推迟5个支架进行调整的割岩量为14 549.20 t。试验证明,采用基于透明地质的过断层进行截割路径优化,割岩量降低了20%,有效提高了煤炭资源回收率。此外,在生产效率方面,优化的截割路径使硬过断层过程更加顺畅,减少了设备停机时间,提高了生产效率。

4 结论

(1)硬过断层截割路径受到地层、断层类型、综采设备、推进方向与断层线夹角、割岩量等多种因素的影响;但根据不同断层类型与推进方向,可将硬过断层类型划分为八类;通过计算过断层截割路径的参数与割岩量之间的关系,可以优化得到最佳的截割路径。

(2)提出了基于透明地质的硬过断层截割路径优化方法,并通过模拟试验分析了煤层厚度、断层落差、设备调整位置对硬过断层割岩量的影响,研究发现:设备姿态调整位置与损失煤量呈“V”字形关系,存在最佳调整位置可使损失煤量最小;断层落差越小,割岩量越小,且最佳调整位置越靠近断层;设备调整能力越强,对应的割岩量越小;截割深度对最低割岩量对应的调整位置影响不大,但在调整距离最佳位置越远时,截割深度越大,割岩量越大。

(3)对棋盘井903工作面过DC3断层进行现场试验,试验结果表明:采用基于透明地质的过断层优化截割路径相较于提前或推迟五米调整,割岩量降低了20%,能够提高煤炭资源回收率和经济效益。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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