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针对矿用高压交联聚乙烯(XLPE)电缆局部放电(Partial Discharge，PD)信号存在大量白噪声和周期性窄带干扰的问题，提出了一种基于改进变分模态(Variational Modal Decomposition,VMD)分解的矿用高压电缆局放信号去噪方法。首先利用Spearman相关系数对VMD算法中的K进行优化，再将含噪信号分解成一系列本征模态分量(Intrinsic Mode Function，IMF)；通过峭度准则将IMF区分为噪声主导分量与PD主导分量；对噪声主导分量进行改进小波阈值去噪，对PD主导分量利用粗糙惩罚法进行平滑处理；将处理后的IMF进行重构，最终得到去噪信号。仿真和实测信号结果表明：该方法能有效地将PD信号中的噪声去除，与完全集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition，CEEMD)算法相比，信噪比提高了46.29%，均方误差降低了32.61%，具有优良的去噪性能。
针对矿用高压交联聚乙烯(XLPE)电缆局部放电(Partial Discharge，PD)信号存在大量白噪声和周期性窄带干扰的问题，提出了一种基于改进变分模态(Variational Modal Decomposition,VMD)分解的矿用高压电缆局放信号去噪方法。首先利用Spearman相关系数对VMD算法中的K进行优化，再将含噪信号分解成一系列本征模态分量(Intrinsic Mode Function，IMF)；通过峭度准则将IMF区分为噪声主导分量与PD主导分量；对噪声主导分量进行改进小波阈值去噪，对PD主导分量利用粗糙惩罚法进行平滑处理；将处理后的IMF进行重构，最终得到去噪信号。仿真和实测信号结果表明：该方法能有效地将PD信号中的噪声去除，与完全集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition，CEEMD)算法相比，信噪比提高了46.29%，均方误差降低了32.61%，具有优良的去噪性能。
<摘要>(375)
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基于现阶段对CL复合电路放电特性的研究不是特别的全面，于是，对CL复合电路的放电原理进行研究，得到了两种不同的状态，分别为振荡以及非振荡两种状态。非振荡状态因有前人进行了研究，因此，主要对振荡状态进行研究，分析了本安电路的原理，推导出CL复合电路的火花电流、火花功率以及火花能量的数学模型，利用MATLAB对电源电压、滤波电容、电感参数进行仿真，得到三维图以及二维图，分析电源电压、滤波电容、电感对CL复合电路的放电特性的影响。结果表明：随着滤波电容的增大，火花电流、功率和能量都会随着增大；随着电感的增加，对电流的阻碍越大，火花功率和火花能量都会减小；随着电源电压的增大，火花电流、功率以及能量均会增加。
基于现阶段对CL复合电路放电特性的研究不是特别的全面，于是，对CL复合电路的放电原理进行研究，得到了两种不同的状态，分别为振荡以及非振荡两种状态。非振荡状态因有前人进行了研究，因此，主要对振荡状态进行研究，分析了本安电路的原理，推导出CL复合电路的火花电流、火花功率以及火花能量的数学模型，利用MATLAB对电源电压、滤波电容、电感参数进行仿真，得到三维图以及二维图，分析电源电压、滤波电容、电感对CL复合电路的放电特性的影响。结果表明：随着滤波电容的增大，火花电流、功率和能量都会随着增大；随着电感的增加，对电流的阻碍越大，火花功率和火花能量都会减小；随着电源电压的增大，火花电流、功率以及能量均会增加。
<摘要>(176)
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采煤机作为综采工作面的关键装备之一，其智能化是实现少人化、无人化开采的必要条件。当前的智能化采煤机已经具有三维定位、记忆截割和远程监控等功能，但缺少采煤机作业区域误入人员的检测和预警保护功能，一旦出现井下人员误入其作业区域，将会带来严重的安全事故。为实现采煤机作业区域人员的安全保护，如何建立一套精确有效的人员检测系统是当前亟待解决的关键问题之一。针对综采工作面具有低照度、工况环境复杂多变的特点，提出了基于红外热成像技术的采煤机作业区域人员精确检测方法。分析了综采工作面红外图像噪声特征，提出了基于高斯掩码改进的多级导向滤波模型；基于Lucas-Kanade光流法和模糊分割理论，实现了动态背景下的移动前景目标运动信息提取并对红外场景信息进行分割；结合移动目标运动信息和红外场景分割结果，构建了基于形态学理论的权重投票法，实现了采煤机作业区域人员的精确检测。最终，在河南大有能源有限公司义煤集团耿村矿21208综采工作面进行了井下工业性试验，试验结果表明：采煤机作业区域人员检测系统于实际综采工作面的人员跟踪偏差低至0.1065像素宽度，重合比为96.10%。采煤机作业区域人员精确检测是实现有效人员安全保护的前提，该系统的建立为智能化综采工作面的安全生产提供技术支撑。
采煤机作为综采工作面的关键装备之一，其智能化是实现少人化、无人化开采的必要条件。当前的智能化采煤机已经具有三维定位、记忆截割和远程监控等功能，但缺少采煤机作业区域误入人员的检测和预警保护功能，一旦出现井下人员误入其作业区域，将会带来严重的安全事故。为实现采煤机作业区域人员的安全保护，如何建立一套精确有效的人员检测系统是当前亟待解决的关键问题之一。针对综采工作面具有低照度、工况环境复杂多变的特点，提出了基于红外热成像技术的采煤机作业区域人员精确检测方法。分析了综采工作面红外图像噪声特征，提出了基于高斯掩码改进的多级导向滤波模型；基于Lucas-Kanade光流法和模糊分割理论，实现了动态背景下的移动前景目标运动信息提取并对红外场景信息进行分割；结合移动目标运动信息和红外场景分割结果，构建了基于形态学理论的权重投票法，实现了采煤机作业区域人员的精确检测。最终，在河南大有能源有限公司义煤集团耿村矿21208综采工作面进行了井下工业性试验，试验结果表明：采煤机作业区域人员检测系统于实际综采工作面的人员跟踪偏差低至0.1065像素宽度，重合比为96.10%。采煤机作业区域人员精确检测是实现有效人员安全保护的前提，该系统的建立为智能化综采工作面的安全生产提供技术支撑。
<摘要>(254)
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为了对厚硬顶板条件下煤柱型冲击显现机制进行研究，本文采用理论分析、数值模拟、现场监测等手段，研究了厚硬顶板多煤层开采条件下的覆岩运移特征，分析了工作面冲击显现机制并讨论了后续开采过程中潜在冲击危险性。结果表明：受区段煤柱、厚硬顶板及超前支承压力影响，工作面中下部区域及区段煤柱附近围岩应力及支架压力明显大于上顺槽区域，容易产生煤柱型、厚硬顶板垮落型冲击地压；当工作面接近上覆“刀把形”采空区边界时，上覆I010405采空区边界应力可以向下传递至I010203工作面，与侧向及超前压力相互叠加，构成支承应力，从而造成I010203工作面冲击危险性进一步增大，应在此阶段加大防治力度以顺利度过危险区。现场监测的冲击危险性与理论分析结果一致。研究结果可为相似条件的矿井工作面冲击地压防治提供借鉴。
为了对厚硬顶板条件下煤柱型冲击显现机制进行研究，本文采用理论分析、数值模拟、现场监测等手段，研究了厚硬顶板多煤层开采条件下的覆岩运移特征，分析了工作面冲击显现机制并讨论了后续开采过程中潜在冲击危险性。结果表明：受区段煤柱、厚硬顶板及超前支承压力影响，工作面中下部区域及区段煤柱附近围岩应力及支架压力明显大于上顺槽区域，容易产生煤柱型、厚硬顶板垮落型冲击地压；当工作面接近上覆“刀把形”采空区边界时，上覆I010405采空区边界应力可以向下传递至I010203工作面，与侧向及超前压力相互叠加，构成支承应力，从而造成I010203工作面冲击危险性进一步增大，应在此阶段加大防治力度以顺利度过危险区。现场监测的冲击危险性与理论分析结果一致。研究结果可为相似条件的矿井工作面冲击地压防治提供借鉴。
<摘要>(185)
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针对当前井下矿灾后探测和救援难题，本文研发了面向复杂地面环境的六摆臂履带式探测机器人。首先对机器人整机结构，尤其是移动底盘进行了整体结构设计，分析了机器人典型作业的工况参数。其次，针对机器人在复杂地面的高效运动控制问题，设计了机器人控制系统的驱动方案。在机器人运动驱动系统上，对两侧履带驱动的永磁同步电机（PMSM）进行了数学建模和磁场定向控制研究（FOC）。针对传统直接转矩控制系统存在抗干扰性能弱、磁链脉动大等缺点，设计了基于自抗扰的速度环控制和基于PI控制器的电流环控制算法，用以提升电机扰动抑制能力和快速运动性能。最后与双PI环的算法进行了对比试验验证，试验结果表明：采用抗扰控制算法的机器人PMSM系统的运动响应快速无超调、抗干扰能力更强，能有效提升机器人运动的爬坡越障性能和作业稳定性。
针对当前井下矿灾后探测和救援难题，本文研发了面向复杂地面环境的六摆臂履带式探测机器人。首先对机器人整机结构，尤其是移动底盘进行了整体结构设计，分析了机器人典型作业的工况参数。其次，针对机器人在复杂地面的高效运动控制问题，设计了机器人控制系统的驱动方案。在机器人运动驱动系统上，对两侧履带驱动的永磁同步电机（PMSM）进行了数学建模和磁场定向控制研究（FOC）。针对传统直接转矩控制系统存在抗干扰性能弱、磁链脉动大等缺点，设计了基于自抗扰的速度环控制和基于PI控制器的电流环控制算法，用以提升电机扰动抑制能力和快速运动性能。最后与双PI环的算法进行了对比试验验证，试验结果表明：采用抗扰控制算法的机器人PMSM系统的运动响应快速无超调、抗干扰能力更强，能有效提升机器人运动的爬坡越障性能和作业稳定性。
<摘要>(203)
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摘 要：为了解决使用接触式传感器、机器视觉对矿用带式输送机的运行状态监测存在安装不便、稳定性差，且缺少对带式输送机运行状态预测的问题，提出基于音频特征融合Res-CNN-LSTM网络的带式输送机运行状态预测的方法。首先对音频信号进行滤波去噪，然后采用梅尔倒频谱法（MFCC）提取信号的一维梅尔倒频谱系数MFCC0,作为网络模型的输入；考虑到网络模型加深会导致过拟合和性能退化，引入残差块对网络模型进行优化。以实验室带式输送机平台进行试验，实验过程中不断优化网络模型参数，结果表明，音频信号可以获取带式输送机更多的运行状态信息；与其他模型相比，所设计的网络模型预测准确率最高，且训练时间短；同时在不同的工况下验证了该模型具有较高的鲁棒性。
摘 要：为了解决使用接触式传感器、机器视觉对矿用带式输送机的运行状态监测存在安装不便、稳定性差，且缺少对带式输送机运行状态预测的问题，提出基于音频特征融合Res-CNN-LSTM网络的带式输送机运行状态预测的方法。首先对音频信号进行滤波去噪，然后采用梅尔倒频谱法（MFCC）提取信号的一维梅尔倒频谱系数MFCC0,作为网络模型的输入；考虑到网络模型加深会导致过拟合和性能退化，引入残差块对网络模型进行优化。以实验室带式输送机平台进行试验，实验过程中不断优化网络模型参数，结果表明，音频信号可以获取带式输送机更多的运行状态信息；与其他模型相比，所设计的网络模型预测准确率最高，且训练时间短；同时在不同的工况下验证了该模型具有较高的鲁棒性。
<摘要>(271)
2024, 50(6): 1-5, 22.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18203
摘要: 现行国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境 第1部分:设备 通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》规定无线电发射器的阈功率为无线电发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。在无线电波防爆安全发射功率阈值一定的条件下，天线增益越大，无线电发射器的有效输出功率就越小，这将限制通过增大天线增益，提高无线传输距离。因此，有必要对国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017中规定的阈功率的正确性进行研究，提出合理的无线电波发射功率防爆要求与检测方法。提出了无线电波防爆安全发射功率与天线增益无关，国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的无线电发射器的阈功率是错误的。提出了煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W，且与天线增益无关；国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定阈功率不得大于6 W，且与天线增益相关，是错误的。提出了无线电波防爆安全性能检测方法——检测无线电发射器输出功率，这既可保证通过检测的防爆无线电设备的防爆安全，又简化了检测方法，更提高了防爆无线电设备的无线电波发射功率，解除了对天线增益的限制，将大大提高煤矿井下防爆无线电设备的无线传输距离。
2024, 50(6): 6-15.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024040064
摘要: 为克服单一信息源无法精确表征矿山滑坡灾害演化特征的问题，基于多源信息融合技术，从矿山边坡多源信息获取、矿山边坡多源信息融合、矿山边坡位移预测及滑坡风险评价3个方面概述了矿山边坡滑坡灾害研究进展。总结了典型的“天”“空”“地”边坡监测手段及“天−空−地”一体化协同监测方法；梳理了包含数据级、特征级和决策级融合的边坡多源信息融合流程；整理了位移与应力、位移与水文气象及其他不同类型的监测数据融合形式；阐述了基于多源信息融合的边坡位移预测及滑坡风险评价相关研究现状。基于当前矿山边坡滑坡灾害研究存在的灾害分析的准确性严重依赖监测数据质量、对岩石力学机理知识利用不足等问题，指出了矿山边坡滑坡灾害研究发展趋势：统一多源数据采集接入标准；开发监测数据与岩石力学机理融合的矿山边坡滑坡灾害分析方法；优化“天−空−地”多源信息的时空关联挖掘算法；加强基于多源信息融合的矿山边坡滑坡灾害预警平台建设。
2024, 50(6): 16-22.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024040042
摘要: 现有的沿空留巷采空区密闭方法大多集中于构筑密闭墙及封堵墙体裂隙，施工周期较长且反复进行，消耗大量人力成本，自动化程度低，易发生二次破坏。针对上述问题，设计了一种沿空留巷采空区自动化密闭系统。该系统以柔性密闭气囊为载体，将未充气的气囊置于采空区密闭墙和单体液压支柱之间，对气囊充气使其与沿空留巷顶底板及采空区密闭墙外侧贴合接触；智能感知矿压显现导致的巷道围岩变形，气囊随时变化形状柔性应对，即当气囊内部压力上升并超过安全泄压阀额定压力时，自动释放气囊气体缩小体积，以重新与顶底板围岩紧密贴合，达到持续密闭采空区的效果，抑制采空区危险气体泄漏。现场试验结果表明：安全泄压阀在柔性密闭气囊内部压力达到约4 kPa时正常开启，压力达到2.7 kPa左右停止泄气；柔性密闭装备感知压力变化后收缩体积以重新适应围岩形态，可长时间并持续性地密闭采空区；柔性密闭装备安装后与采空区密闭墙贴合度高，密闭墙墙体前瓦斯体积分数降低0.13%，有效抑制了瓦斯溢出。
2024, 50(6): 23-29, 45.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023090004
摘要: 受深部开采冲击地压等地质灾害扰动的影响，存在矿井超前支护系统自感知能力差、智能抗冲自适应能力弱、缺乏决策控制能力等问题。针对上述问题，提出了一种基于数字孪生和深度强化学习的矿井超前液压支架自适应抗冲支护方法。通过多源传感器感知巷道环境和超前液压支架支护状态，在虚拟世界中创建物理实体的数字孪生模型，其中物理模型精确展现超前液压支架的结构特征和细节，控制模型实现超前液压支架的自适应控制，机理模型实现对超前液压支架自适应支护的逻辑描述和机理解释，数据模型存储超前液压支架实体运行数据和孪生数据，仿真模型完成超前液压支架立柱仿真以实现超前液压支架与数字孪生模型虚实交互。根据基于深度Q网络（DQN）的超前液压支架自适应抗冲决策算法，对仿真环境中巷道抗冲支护进行智能决策，并依据决策结果对物理实体和数字孪生模型下达调控指令，实现超前液压支架智能控制。实验结果表明：立柱位移与压力变化一致，说明超前液压支架立柱仿真模型设计合理，从而验证了数字孪生模型的准确性；基于DQN的矿井超前液压支架自适应抗冲决策算法可通过调节液压支架控制器PID参数，自适应调控立柱压力，提升巷道安全等级，实现超前液压支架自适应抗冲支护。
2024, 50(6): 30-35.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120009
摘要: 目前多步液压支架压力预测大多为单步液压支架压力的累计预测，单步累计次数越多，累计误差就越大，影响预测精度。针对该问题，提出了一种基于长短时记忆（LSTM）−Informer模型的液压支架压力时空多步长预测方法。采用卡尔曼滤波消除液压支架压力数据中的振动噪声后，在工作面端部和中部各选取相邻的5台液压支架压力数据建立2个时空数据集（数据集1和数据集2），并对时空数据进行标准化预处理。将时空数据输入LSTM模型提取时空特征，并将提取的时空特征输入Informer模型的编码器，经过位置编码后利用多头概率稀疏自注意力来关注压力序列的变化特征，经过最大池化和一维卷积消除最终输出特征图的冗余组合。利用多头概率稀疏自注意力来关注压力序列的变化特征，将Informer模型的解码器改为全连接层，得到液压支架压力的预测结果。实验结果表明：与基于门控循环单元（GRU）、LSTM和Informer模型的预测方法相比， 基于LSTM−Informer模型的预测方法在预测6，12，24步长液压支架压力时的均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）均最小；其中基于数据集1预测的6步长液压支架压力的RMSE分别降低了41.63%，49.74%，11.85%，MAE分别降低了41.75%，50.00%，12.00%；基于数据集2预测的6步长液压支架压力的RMSE分别降低了48.15%，59.86%，19.88%，MAE分别降低了49.87%，54.90%，13.16%。
2024, 50(6): 36-45.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024030037
摘要: 目前国内的光纤微震监测系统多是基于光学光栅传感技术，而光纤光栅波长解调限制了系统检测频率与灵敏度，且长时间、连续不间断的微震监测成功案例较少。针对上述问题，提出了一种新型全光纤微震监测系统。以潘二煤矿11023工作面回采过程中底板突水监测为工程背景，使用全光纤微震监测系统与ESG微震监测系统进行对比，得出全光纤微震监测系统具有以下优势：记录的波形频谱特征更清晰，表现出高信噪比优势；对扰动深度的监测范围更大，远距离监测效果更好；震源定位结果分布更加合理，更符合工作面实际开采情况。在监测工作面回采全周期内，分析了11023工作面断层异常区底板破坏与微震活动性关系：在断层和煤层变薄异常区附近，微震事件的数量增多、强度增大；工作面初采期间应力集中释放，受采动影响，底板破坏较深；相对大能量事件主要分布在断层异常区的底板，底板破坏深度约为27 m，微震事件在3煤底板60 m以下没有成线或成面聚集的情况，说明裂隙并未扩展，未形成导水通道，工作面安全回采。
2024, 50(6): 46-53, 60.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010094
摘要: 随掘地震超前探测技术可实现探掘平行，为巷道快速智能掘进场景下实时、精准地质保障提供了可能。随掘震源产生的是复杂、变频、连续信号，信号特征认知直接影响数据处理与成像精度，而目前针对岩巷全断面掘进机（TBM）随掘地震信号特征的认知仍不清晰，且暂时还没有针对性开展过信号处理与成像研究工作。针对上述问题，以谢桥煤矿瓦斯治理巷TBM随掘地震超前探测试验为例，分析了刀盘先导信号与岩壁接收信号的时间域、频率域及时频域特征：岩巷TBM随掘地震信号中不同振幅能量成分比例呈现金字塔形，但分布随机，不对称程度较高；机械运转信号能量较大，刀盘先导信号强度是岩壁接收信号的200倍左右；频率域变频特征明显；机械运转信号基础频率较低，刀盘先导信号频率成分主要集中在10～80 Hz与150～200 Hz，主频为36.99 Hz，岩壁接收信号频率成分主要集中在50～200 Hz，主频为137.97 Hz；刀盘先导信号较岩壁接收信号时频域能量团分布更为规则，多次震源激发现象明显，能量团之间的差异性特征表明了多次震源激发时振幅能量与持续时间的随机性。利用脉冲化算法与绕射叠加偏移成像方法对岩巷TBM随掘地震信号进行数据处理与成像试验，结果表明：① 脉冲化等效单炮记录与利用常规震源得到的超前探测单炮记录特征一致性较强，同相轴清晰且连续性较好，可满足现场探测分析需要。② 对探测范围内岩体情况的超前预报结果与实际揭露情况一致，说明岩巷TBM随掘地震超前探测可提供有效地质保障。
2024, 50(6): 54-60.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120032
摘要: 目前煤矿顶板灾害防治措施决策及事故原因分析等过程主要依赖人工经验，智能化水平较低。顶板灾害防治知识图谱可整合顶板灾害防治知识和经验，辅助顶板灾害事故原因分析和顶板灾害防治措施决策。提出了一种煤矿顶板灾害防治知识图谱构建方法。采用本体方法完成煤矿顶板灾害防治知识建模，将顶板灾害防治领域的概念分为矿井地质类、开采技术类、防治措施类和事故表征类，将概念之间的关系定义为使用、引发、易发、治理、预防和适用，为煤矿顶板灾害防治知识抽取（实体抽取和关系抽取）奠定基础；结合煤矿顶板灾害防治领域文本存在大量嵌套实体和关系之间存在实体重叠的特点，确定了基于跨度的实体抽取方法和基于依存句法树引导实体表示的关系抽取方法；构建了顶板灾害防治领域语料库，采用Neo4j图数据库存储数据，为顶板灾害防治知识图谱的应用提供数据来源支撑；展示了煤矿顶板灾害防治知识图谱局部构建结果，说明该知识图谱可辅助顶板灾害事故原因分析和防治措施决策，从而提高顶板管理的智能化水平；指出基于该知识图谱，结合自然语言处理和知识推理等技术，可实现顶板管理知识问答。
