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2018年  第44卷  第2期

“矿山物联网顶层设计”专栏
矿山物联网云计算与平台技术
卢新明, 阚淑婷, 张杏莉
2018, 44(2): 1-5. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17308
摘要:
指出矿山物联网云计算与平台技术在矿山物联网系统中起核心支撑作用;介绍了矿山物联网云计算平台的技术目标和主要功能;论述了建设矿山物联网云计算平台的关键技术,包括以云交互数据管道为核心的平台架构、资源智能管控模型及负载均衡算法、任务调度及资源分配策略、矿山实时异构数据交换、控制命令快速编码及批量发送、数据快速提取及批量打包、面向矿山应用的推送等,给出了各技术的研究方法和技术路线,为搭建一个完整、先进、具有普适性的矿山物联网云计算平台奠定了技术基础。
科研成果
煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望
王国法, 范京道, 徐亚军, 任怀伟
2018, 44(2): 5-12. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17307
摘要:
全面总结了薄煤层和较薄煤层智能化开采、厚煤层大采高和超大采高智能化开采、特厚煤层综放开采智能化技术的创新与实践,分析了存在的不足;提出了综采装备适应围岩活动及环境动态变化所需攻克的采煤机智能调高控制、液压支架群组与围岩的智能耦合自适应控制、工作面直线度智能控制、基于系统多信息融合的协同控制、超前支护及辅助作业的智能化控制5项关键技术,为将智能开采由目前的初级阶段升级为自学习、自决策、自修正的高级阶段奠定技术基础;对煤炭行业近期、中期和远期提出了智能化、有限无人化和流态化的技术发展方向和目标,展望了可能的发展路径及需要突破的关键技术和发展方向。
液压支架平衡千斤顶控制回路优化设计
曹连民, 孙士娇, 张震, 张亚珠, 郭徽, 燕明伟, 郭震, 仲崇涛
2018, 44(2): 13-18. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017070021
摘要:
分析了采用补偿阀、高压内溢流式阀、浮动双向锁、自动平衡阀等控制液压支架平衡千斤顶的原理及不足,根据平衡千斤顶容腔压力特点,提出了一种液压支架平衡千斤顶控制回路优化设计方案。通过合理配置液控换向阀、低压卸荷阀等元件位置,可实现平衡千斤顶容腔的自动补液与卸荷,解决安全阀非紧急情况下频繁开启的问题。仿真和试验结果验证了该优化设计方案的有效性。
矿井瓦斯监测数据消噪方法
梁荣, 董丁稳
2018, 44(2): 18-22. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17288
摘要:
针对矿井瓦斯监测数据采用小波消噪容易剔除有效信号成分的问题,提出了一种基于希尔伯特-黄变换的矿井瓦斯监测数据消噪方法。该方法将原始瓦斯监测数据序列通过经验模态分解处理成若干固有模态函数分量的集合,进而通过Hilbert变换得到边际谱,依据原始瓦斯监测数据序列与各固有模态函数分量边际谱中的幅频关系来分析二者的相关性,确定噪声信号序列并剔除。实例分析表明,通过经验模态分解处理使得瓦斯监测数据序列在时间尺度上特征明显,易于识别信号的高频噪声部分,通过Hilbert谱分析,可消除瓦斯监测数据序列中的高频噪声信号,并保留原始瓦斯监测数据的本征特征,在实现消噪处理的同时避免信号失真,保持了瓦斯监测数据的真实性。
基于嵌入式实时操作系统的智能矿灯设计
张帝, 董飞, 高彬, 赵端, 丁恩杰
2018, 44(2): 23-27. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017090026
摘要:
针对目前煤矿矿灯功能单一,无法感知井下环境参数,未能和地面构成双向实时通信网络的问题,设计了基于嵌入式实时操作系统的智能矿灯。该智能矿灯以STM32芯片为主控核心,利用温度传感器、瓦斯传感器和加速度传感器分别采集环境温度、瓦斯浓度及人员运动状态;通过NRF24L01无线通信模块读取井下定位与物资标签状态,获取人员位置与物资信息;通过WiFi将数据上传到地面服务器进行显示和存储。该智能矿灯还具有手动报警与自动报警功能,上位机可下发信息,实现井下与地面的双向通信。测试结果表明,该智能矿灯性能稳定可靠,实时性高,操作方便。
液压支架试验台远程多缸同步控制系统设计
沙宝银
2018, 44(2): 28-31. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017090054
摘要:
为解决30 000 kN液压支架试验台活动平台及垂直外加载平台远程四缸同步控制技术难题,设计了基于PXI平台和LabVIEW RT的液压支架试验台远程多缸同步控制系统。采用高频电液比例方向阀作为调高油缸液压系统的执行元件,高精度位移传感器作为实时闭环系统的反馈元件,通过在嵌入式实时控制器中运行模糊PID控制算法,实时调整比例方向阀开口度,从而实现调高油缸的同步。实际应用表明,在液压支架试验台活动平台调高过程中,该系统的四缸最大同步误差为0.91 mm,四缸最小同步误差为0.63 mm。
适应液压支架动作的稳压供液技术研究
王然风, 付翔, 赵阳升, 黄光平
2018, 44(2): 32-38. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17289
摘要:
为提高工作面液压支架对采煤机的跟随能力,通过对支架供液过程的理论分析,揭示了支架动作速度与液压系统压力和供液流量的耦合关系;建立了工作面液压系统仿真模型并验证了模型的准确性,仿真分析了液压系统压力和供液流量对支架动作速度的作用规律;在此基础上,提出了一种适应支架动作的稳压供液技术,即以支架动作类型和液压系统压力限值等条件为判断依据,通过调整供液流量,使支架动作时液压系统压力缓慢平稳变化、略微上升,以提高支架动作速度。采用多泵+多变频供液系统对该技术进行了试验,结果验证了该技术的有效性。
矿井提升装备健康状态监测系统设计
常用根, 江帆, 陈潇
2018, 44(2): 38-42. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017090029
摘要:
针对现有矿井提升装备健康状态监测系统采取单一的信号进行状态监测,易出现误判的问题,设计了基于信号融合的矿井提升装备健康状态监测系统。该系统分别采集矿井提升装备运行过程中的主轴扭矩信号、轴承座振动信号及钢丝绳张力信号,使用决策级的信号融合方法在主控上位机中进行计算融合,并显示融合判断结果。测试结果表明,该系统能够有效监测矿井提升装备健康状态。
综述
煤与瓦斯突出机理和模拟试验研究现状及发展趋势
刘业娇, 袁亮, 薛俊华, 田志超, 段昌瑞, 陈本良
2018, 44(2): 43-50. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017060062
摘要:
总结了煤与瓦斯突出机理的理论研究现状,分析了国内外对含瓦斯煤体相似材料和煤与瓦斯突出模拟试验装置研究的典型范例。指出了煤与瓦斯突出机理及模拟试验研究方面存在的不足之处:目前煤与瓦斯突出机理的理论研究多是定性描述,缺乏定量、统一、完整的理论体系;已有模拟试验系统和装置还无法准确地对综合考虑地质构造、地应力、煤体强度、瓦斯含量及施工过程等影响因素下的突出现象进行定量模拟,试验装置的力学加载、瓦斯充填和测试系统的精度有待进一步提高;试验仪器的试验操作与便利性不足,试验的可重复性有待提高;试验仪器的数据分析系统不完善。分析了煤与瓦斯突出机理研究与模拟试验的发展趋势,认为煤与瓦斯突出模拟试验必须符合相似理论,煤与瓦斯突出模拟试验仪器研究是机理研究突破的迫切需求。
矿井定位技术现状和发展趋势
霍振龙
2018, 44(2): 51-55. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17309
摘要:
从定位方法、无线通信技术等方面分析了常用的矿井定位技术,阐述了矿井定位技术在人员定位系统和设备近感检测中的应用情况,指出未来矿井定位系统或装备将会综合利用无线超高频测距、惯性导航、多源混合定位与多源信息融合等技术,组成一个面向服务的定位服务系统,实现井下人员和设备的精确定位、大型移动设备人员接近检测、采掘装备与井下搜救人员(机器人)自主导航与定位等服务。
实验研究
夹矸对煤层瓦斯抽采影响的数值模拟研究
刘泉霖, 王恩元, 李忠辉, 孔祥国
2018, 44(2): 55-62. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017100046
摘要:
为解决含夹矸煤层瓦斯抽采钻孔的合理布置问题,通过建立瓦斯抽采的煤岩体变形控制方程、瓦斯运移控制方程和孔隙率与渗透率演化方程,结合瓦斯抽采的初始及边界条件,推导出了瓦斯抽采固气耦合模型。利用多物理场分析软件COMSOL Multiphysics,并结合某矿IV13煤层的实际地质条件,对煤层单一抽采钻孔周围煤体的瓦斯压力、渗透率、位移的分布规律进行了数值模拟与分析,确定了含夹矸煤层瓦斯抽采钻孔的孔间距,从而为含夹矸煤层抽采钻孔的优化布置提供了依据。研究结果表明,在瓦斯抽采过程中,随着煤体距钻孔距离的减小,煤层不含夹矸时钻孔周围煤体瓦斯压力下降幅度、渗透率上升幅度最小,钻孔周围煤体位移量最大;钻孔未穿过夹矸时钻孔周围煤体瓦斯压力下降幅度、渗透率上升幅度最大,钻孔周围煤体位移量最小。
瓦斯抽采钻机连续装卸钻杆装置设计
武斌波, 郭文亮, 寇子明, 宫晓琴, 辛宇鹏
2018, 44(2): 63-67. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017070019
摘要:
针对当前瓦斯抽采钻机频繁启停易使钻孔内煤粉堆积、煤孔壁坍塌,进而导致钻杆断裂、钻具丢失、钻孔无法使用等问题,设计了一种新型瓦斯抽采钻机连续装卸钻杆装置,阐述了该装置总体设计方案及钻杆接续工作过程。瓦斯抽采钻机连续装卸钻杆装置主要由前后动力头、测速装置、夹持定位装置、给进装置等组成,可实现无需停钻而连续连接下一根钻杆,减少钻机频繁启停对孔壁的破坏。基于ABAQUS有限元软件的装置力学性能分析结果表明,该装置基座、导轨等关键部分构件的安全系数较高,可满足使用要求。
基于小波包的矿井供电系统单相接地故障选线方法
罗超, 耿蒲龙, 曲兵妮, 宋建成, 2刘聚财, 都志立, 原磊明
2018, 44(2): 68-74. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017050003
摘要:
针对现有矿井供电系统单相接地故障选线方法存在准确度低、可靠性差的问题,提出了一种基于小波包的矿井供电系统单相接地故障选线方法。该方法首先对各条线路的暂态零模电流进行小波包分解,去除包含稳态工频量的最低频段,求取各频段小波包能量总和并排序;然后按照能量最大的原则确定特征频带,对各线路特征频带小波包分解系数模最大值极性进行比较,极性相反的线路确定为故障线路。根据故障线路、非故障线路暂态零模电流特征量的差异,构成单相接地故障选线的双重判据,解决了单一判据故障选线失败后无法进行正确选线的难题。仿真试验结果证明了该方法的正确性和有效性。
基于PSO-BP神经网络的煤矿井下自适应定位算法
崔丽珍, 许凡非, 王巧利, 高丽丽
2018, 44(2): 74-79. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017090028
摘要:
提出了一种基于PSO-BP神经网络的煤矿井下自适应定位算法。针对传统的基于测距模型的定位算法易受煤矿井下环境干扰、测距误差大的问题,选择指纹匹配定位模型。针对煤矿井下环境强时变性,易增大实时采集的指纹信息与离线阶段建立的静态指纹数据库信息的匹配误差问题,将信标节点作为参考点的校准节点,以更好地反映参考点随环境变化的情况,避免增加额外的校准节点;在不增加硬件成本的同时,通过动态补偿法实时修正目标节点指纹数据,解决了指纹匹配定位模型自适应差的问题。匹配定位阶段采用PSO优化BP神经网络权值,以加速BP神经网络收敛,提高学习速度。实验结果表明,该算法更加适应随时间变化的煤矿井下环境,满足井下自适应定位要求。
液压绞车自动控制系统设计
温毅, 张耀成
2018, 44(2): 80-83.. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017080038
摘要:
目前液压绞车大多采用开环手动控制和单纯PID闭环控制方式,运行的平稳性完全取决于操作人员的经验,造成液压绞车自动化程度低、操作人员工作强度大等问题。针对上述问题,设计了一种液压绞车自动控制系统。该系统通过单片机和PID控制器的协同控制对液压绞车速度进行调节:单片机收到目标转速指令后,自动判断绞车的运行状态,控制各液压阀的开启;单片机通过分割目标转速,协同PID控制器自动将卷筒转速调整至目标转速,从而提高了液压绞车运行的自动化水平。仿真结果验证了该系统的可靠性。
基于改进GA算法的远场震源定位方法
李月, 陈卿, 丁恩杰, 程龙
2018, 44(2): 84-89. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017090042
摘要:
针对震源置于远场时定位精度急剧下降的问题,提出了基于改进GA算法的远场震源定位方法。改进GA算法综合利用拟牛顿法收敛速度快和GA算法可全局搜索的特点实现震源定位,仿真结果表明,改进GA算法运行速度约为GA算法的3倍。针对传感器单轴排列导致y轴定位精度无法保证的问题,提出将传感器的位置布置改为双轴,在双轴上各自设置独立的子目标函数,保证双轴误差最小,分析结果表明,新目标函数的收敛速度更快、更稳定,可有效提高y轴定位精度。
带式输送机拉紧装置及其张力控制系统研究
揭施军, 熊晓燕, 武兵, 刘点点
2018, 44(2): 90-95. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017090034
摘要:
针对带式输送机拉紧系统非线性、大惯性、滞后和时变的问题,建立了拉紧装置数学模型,并提出在其中串联一个校正环节,以消除系统振荡;提出将动态矩阵控制和PID控制相结合,充分利用动态矩阵对惯性、延迟适应能力强的特点和PID控制抗干扰性强的优点,建立带式输送机拉紧装置张力控制系统模型;采用AMESim/Simulink分别对带式输送机的机械液压部分和控制算法部分进行建模。仿真分析结果表明,在动态矩阵和PID串行控制下,带式输送机拉紧装置张力控制系统对延时和变结构有很强的鲁棒性,张力峰值小,能精确地跟踪张力设定值。
一种矿用开关电源设计
林引
2018, 44(2): 95-99. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017070020
摘要:
针对现有矿用开关电源存在的谐波电流较大、功率因数较低等问题,采用主动功率因数校正与谐振软开关电源技术设计了一种矿用开关电源,介绍了该电源的设计指标及硬件电路设计方案。试验结果表明:在170 V交流输入且输出满载条件下,矿用开关电源输入电流未出现脉冲状,谐波电流小;50 ℃环境温度下,电源主要器件的最大温度为98.5 ℃;在输入电压为AC90~265 V时,电源功率因数不小于0.96,纹波电压小于30 mV,电源效率达86.5%;绝缘耐压试验中绝缘电阻不小于50 MΩ,漏电流低于1 mA。
经验交流
施工组织设计在石河子南山煤田火区6火区的应用
包兴东, 曹飞
2018, 44(2): 99-105. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017060092
摘要:
针对现有煤田火区治理时缺乏施工组织计划,存在规划不合理、人为因素影响较大等弊端,以南山煤田火区6火区为研究对象,提出了将施工组织设计应用于该煤田火区治理的方案。以该火区的燃烧状况和灭火条件为基础,确定采用剥离、钻探、注水注浆、覆盖和植被恢复的综合治理方案。详细阐述了施工的前期准备工作、各分项工程的施工方案和方法,制定了施工进度计划、质量和安全的保障措施,确保了火区的治理成果和治理进度。通过该火区的成功治理,初步取得了煤田火区施工组织设计方面的实践经验,对指导煤田火区科学治理具有一定的参考价值。
用于矿井提升机钢丝绳张力测量的光纤光栅传感器设计
王德堂, 李海伟, 王公华, 徐传洪, 孟祥如, 张红光
2018, 44(2): 106-110. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2017080024
摘要:
针对用于矿井提升机钢丝绳张力测量的电子传感器存在可靠性低、抗潮能力差、寿命短等问题,设计了一种光纤光栅传感器。该传感器采用双栅结构,利用差动补偿法消除温度的影响;通过光检测装置检测光栅的中心波长偏移量,根据中心波长偏移量与压力之间的线性关系可间接推算出传感器受到的压力,即为钢丝绳张力。实验及测试结果验证了该传感器的可靠性。