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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>(325)
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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>(158)
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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>(214)
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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>(164)
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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>(183)
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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>(245)
2024, 50(4): 1-8.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18185
摘要: 为满足煤矿监控、定位、视频、音频、远控、5G等不同业务对时延、可靠性、带宽等指标的不同需求，煤矿信息综合承载网应具有下列功能：① 网络切片功能，支持FlexE接口技术或信道化子接口技术，将端口带宽资源划分到不同网络切片中；不同网络切片之间的业务彼此隔离承载，互不影响。② 网络切片在线带宽扩容功能，带宽调整过程中业务不出现丢包。③ 网络切片设置掉电保护功能。④ 符合IEEE 802.3和TCP/IP协议，支持IPv6协议和IPv6业务承载，支持IPv4、IPv6业务同时承载。⑤ 支持万兆光接口、千兆光接口、10/100/1 000 Mbit/s自适应接口，核心与汇聚节点宜支持5万兆及以上光接口。⑥ 宜采用环形或双环结构。⑦ 业务质量实时监测功能，实时监测指定业务的时延、抖动和丢包率情况。⑧ 1588v2时钟同步功能，支持5G基站业务接入。煤矿信息综合承载网的主要技术指标应满足下列要求：① 光端口传输距离应≥20 km；电端口传输距离应≥100 m。② 骨干网传输速率应≥10 Gbit/s；接入网传输速率应≥1 Gbit/s。③ 不同帧长的丢包率均≤0.01%（在70%网络流量负载条件下）。④ 单节点传输时延应≤1 ms（当以太网帧帧长度为1 518 byte时）。⑤ 节点转发抖动≤100 μs。⑥ 单接口支持切片数量应≥5。⑦ FlexE接口技术最小带宽应≤1 Gbit/s；信道化子接口技术最小带宽应≤2 Mbit/s。⑧ 网络重构自愈时间应≤50 ms。⑨ 在电网停电后，承载网设备在备用电源下的连续工作时间应≥4 h。
2024, 50(4): 9-17.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120003
摘要: 煤矿井下掘进工作面高粉尘、低照度的恶劣环境导致图像信噪比较低，且有效特征点数量严重减少，处理后的图像存在较大色差和噪声，在使用最佳缝合线算法进行图像拼接时出现细节错位、缝合线处过渡不自然或拼接痕迹明显的现象。针对上述问题，提出了一种基于改进最佳缝合线的矿井图像拼接方法。首先，对原始图像进行HSV空间变换，采用改进的Retinex算法对亮度分量进行增强，利用双边滤波函数代替中心环绕函数，以解决亮度差异大处产生的光晕问题，通过增强算法有效提高特征点提取数量。然后，采用SIFT算法提取特征点，并以余弦距离作为匹配度指标；引入像素余弦相似度作为约束项，并采用形态学操作对颜色差异强度进行改进，利用动态规划法对最佳缝合线进行搜索，以避免图像拼接处的错位现象。最后，结合渐入渐出融合算法，使图像过渡平滑，实现煤矿井下掘进工作面的图像融合。模拟井下实际工况环境进行实验验证，结果表明：基于改进最佳缝合线的矿井图像拼接方法与传统最佳缝合线算法相比，避免了颜色差异和噪声引起的错位拼接现象，拼接缝处的图像过渡更加自然，避免了“鬼影”和明显拼接缝的产生，且图像平均梯度提高2.38%，拼接时间提高32.5%，使得融合区域更加平滑自然，提高了拼接质量。
2024, 50(4): 18-32.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18187
摘要: 煤岩瓦斯复合动力灾害是深部煤炭开采的重大安全隐患，探明其致灾机理、发展监测预警及防控技术是防治关键。提出了煤岩瓦斯复合动力灾害防治“四面体”理论，即分别从灾害分类、灾害机理、灾害预警、灾害防控4个层面概述煤岩瓦斯复合动力灾害研究进展。总结了以能量释放主体、初始瓦斯压力、载荷条件为主的复合动力灾害类型划分依据；梳理了理论分析尺度和实验室尺度下的复合动力灾害机理研究进展，发现应力路径、微裂纹动态演化和煤岩赋存地质因素临界指标是致灾机理研究的关键；概述了以前期灾害前兆信息判识、中期灾害前兆信息采集、后期灾害一体化监测预警为主线的复合动力灾害监测预警技术研究进展；揭示了复合动力灾害消能减灾一体化防控技术和多尺度分源防控关键技术科学内涵。在此基础上针对两淮矿区灾害特点，提出了深部强动载条件下复合动力灾害智能判识与预警方法和分区协同防控方法。基于当前研究进展，提出了煤岩瓦斯复合动力灾害研究亟待解决的问题，助力实现深部煤炭安全、精准、高效开采。
2024, 50(4): 33-40.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120024
摘要: 针对目前综采工作面推进度的测量和计算方式存在费时费力、累计误差大、传感器损坏后无法重新计算等问题，提出了一种基于UWB测距技术的综采工作面推进度实时测量系统。该系统采用矿用本安型测距分站与测距标志卡组合的方式，通过无线通信实现对综采工作面巷道推进度的实时测量。在综采工作面端头液压支架布置测距分站，在回采巷道固定标志点悬挂测距标志卡，通过巷道内UWB无线信号测距，当即将开采到最近的测距标志卡位置时，撤掉该处测距标志卡，后续测距标志卡接替进行巷道推进度的测量与计算，依此循环往复，不断进行更替测量。结合采煤工艺，建立了依据采煤机位置和液压支架动作的限幅中值平均滤波模型，该模型将限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波深度融合，以剔除海量数据中由于受到测量、遮挡等影响而造成的测量偏差较大的无效数据，同时消除有效数据中的最大和最小偏差数据，进一步保证了通过算术平均运算得到的测量值的准确性和有效性，实现了综采工作面推进度的连续测量。地面测试结果表明，测距分站1的最大误差为0.32 m，误差小于0.2 m的占比为84.62%；测距分站2的最大误差为0.48 m，误差小于0.2 m的占比为76.92%。井下工业性试验结果表明：该系统与矿方实测数据日平均推进度差值为0.13 m，证明了UWB测距技术在井下巷道条件下测距的可行性和基于采煤工艺的推进度测量模型的准确性。
2024, 50(4): 41-49.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120006
摘要: 针对现有液压支架姿态监测方法测量参数不全面、精度和可靠性不高、工况环境适应性差等问题，提出一种直接测量与间接测量相结合的液压支架关键姿态参数测量系统，研制了以DSP为核心、以MEMS惯导为测量元件、具备LoRa无线通信功能的姿态传感器。分析得出了影响液压支架支护姿态的关键参数，其中底座、前连杆、掩护梁和顶梁与水平面夹角及推移步距采用直接测量方式，支护高度、立柱与平衡千斤顶长度采用间接测量方式。该系统包括安装于底座、前连杆、掩护梁、顶梁处的4个姿态传感器和1个安装于底座的红外激光测距传感器，采用LoRa无线通信方式组网。底座处的姿态传感器作为网关（即网关传感器），用于测量底座与水平面的夹角，控制红外激光测距传感器测量推移步距，并解算支护高度、立柱长度和平衡千斤顶长度；其他3处的姿态传感器作为节点（即节点传感器），用于测量前连杆、掩护梁和顶梁与水平面的夹角，并将获得的角度信息上报至网关传感器。测试结果表明，姿态角测量的最大绝对误差为0.2°，支护高度、立柱长度、平衡千斤顶长度测量的最大百分比相对误差分别为0.78%，0.72%，0.83%，推移步距测量的最大绝对误差为1.9 mm。以ZY9000/22/45D型液压支架为例，分析其在不同姿态角范围下的误差分布，得到支护高度最大测量误差为27.4 mm，立柱长度最大测量误差为16.6 mm。
2024, 50(4): 50-54.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010055
摘要: 针对目前风速传感器启动风速高、设计方案复杂、无法准确测量巷道整个断面平均风速的问题，基于超声波对射式测风原理，设计了以STM32为核心的矿用对射式风速风向传感器，介绍了传感器总体结构、收发电路设计、滤波算法及软件流程。该传感器改变了以点带面的测风方式，通过大距离（5～12 m）超声测风技术测量巷道中线风速，以该风速代表整个巷道的平均风速，提高了巷道风速测量的准确性和实时性。依据设计方案研发了测试样机，在环形风洞中的测试结果表明，该传感器测量值与风速标准值在0.1～15 m/s内具有较好的一致性，测量误差小于0.1 m/s，能够满足智能化矿井对巷道风速测量精度的要求。
2024, 50(4): 55-62, 77.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023100074
摘要: 基于光散射原理测定粉尘质量浓度只能定时定点手动检测，实时性差，且只能检测出粉尘质量浓度，并不能给出粒径分布范围。目前基于图像分析的粉尘颗粒检测研究主要是针对粉尘质量浓度或粒径分布进行单方面研究，并不能实现粉尘质量浓度和粒径分布范围的同时检测。针对上述问题，提出了一种基于图像分析的掘进工作面粉尘颗粒检测方法，探究图像特征与粉尘质量浓度、粒径分布间的关系。通过粉尘样本收集及图像采集装置，采集粉尘颗粒图像并获取采集图像时的粉尘质量浓度。编写粉尘样本图像处理算法，提取图像的灰度特征、纹理特征、几何特征相关参数。对提取的图像特征与实测粉尘质量浓度进行相关性分析，选取相关性较大的图像特征作为参数建立回归数学模型。提取粉尘颗粒对象像素点个数，结合转换系数，基于几何当量等效面积径计算粉尘粒径大小及分布范围。实验结果表明：实测粉尘质量浓度与建立的图像特征多元非线性回归模型数学模型计算值间的平均相对误差为12.37%，标准实测粒径与几何当量等效面积径得到的粒径分布间的最大相对误差为8.63%，平均相对误差为6.37%，验证了基于图像特征的粉尘质量浓度回归数学模型和基于几何当量等效面积径分布数学模型的准确性。
2024, 50(4): 63-68.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010063
摘要: 现有矿井图像去噪算法对于复杂噪声的去除效果有限，且处理速度不能满足实时监控需求。针对该问题，提出一种基于改进切尾均值的矿井图像去噪算法。首先，采用切尾均值滤波器对图像噪声进行初步滤除，同时引入二次检验机制处理残留的噪声点，通过引入离散系数提升算法对不同像素的区分能力，增强去噪性能；其次，采用基于极值数量的分类处理及再次检验机制，有效减少残留噪声问题；然后，在小波函数中引入新的控制变量优化软阈值函数和硬阈值函数，构建双阈值函数，结合Radon变换增强对线性特征的处理，增强对矿井图像的检测能力；最后，采用均方误差（MSE）与峰值信噪比（PSNR）进行图像质量评价。实验结果表明：相较于切尾均值算法、硬阈值算法、软阈值算法，基于改进切尾均值的矿井图像去噪算法处理的图像的MSE增长相对缓慢，MSE最小，图像去噪效果最好；引入离散系数后，去噪图像的MSE相较于引入前低300 dB左右，PSNR相较于引入前高20 dB左右，引入离散系数能有效减少噪声点对算法的影响；相较于卡尔曼遗传优化算法、变换域图像去噪算法、交叉分支卷积去噪网络，基于改进切尾均值的矿井图像去噪算法处理的图像MSE分别降低了27，21，13 dB，PSNR分别提升了8，6，3 dB，去噪耗时分别缩短了0.20，0.16，0.14 s。
