工矿自动化

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孙继平, 陈晖升

2019, 45(10): 1-4. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17517

<摘要>(213) <HTML> (6) <PDF>(35)

摘要:
宽带无线通信是智慧矿山建设的基础和关键。提出了矿井宽带无线通信特殊要求：需无线全覆盖煤矿井下长达10余千米的巷道；无线发射必须本质安全防爆；无线工作频段不宜过高；无线传输宜具有一定的绕射能力；抗干扰能力强；移动性要求不高等。研究了矿用5G和WiFi6，指出5G和WiFi6均可用于智慧矿山宽带无线通信；矿用5G具有传输速率高、传输时延小、通话质量高等优点，但系统复杂、成本高；矿用WiFi6具有传输速率高、系统简单、成本低等优点，但传输时延大、通话质量低。

矿用回转钻机离线式随钻测斜系统

张文杰, 刘宗伟, 宋建成

2019, 45(10): 5-10. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019020032

<摘要>(36) <HTML> (4) <PDF>(9)

摘要:
针对矿用回转钻机打钻过程中无法直接测量孔底钻具姿态数据和绘制钻孔轨迹的问题，基于随钻测斜原理和离线式数据同步方法，开发了一种矿用回转钻机离线式随钻测斜系统。该系统由探管、同步仪和上位机软件组成。探管通过三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器分别测量重力场和地磁场，以采集钻杆姿态；同步仪通过按键采集钻孔和钻杆编号，并根据钻杆姿态数据进行有效测点筛选；上位机软件通过测点递推算法绘制钻孔2D或3D轨迹图。功能测试结果表明：该系统测量的总地磁场矢量模长接近真实值50~60 μT，总重力加速度矢量模长接近1g，经传感器校正算法校正后的倾角最大偏差为1°，方位角最大偏差为5°。井下测试结果表明：对于已成钻孔，该系统绘制的钻孔轨迹与实际轨迹基本相同；对于钻进钻孔，孔口轨迹易受钻机本身的磁干扰而出现偏差，导致整条钻孔轨迹偏差较大，应保持钻机距离孔口3 m以上。

液压支架顶梁位姿调控仿真分析

任怀伟, 李帅帅, 李勰, 付庄

2019, 45(10): 11-16. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17470

<摘要>(42) <HTML> (3) <PDF>(8)

摘要:
针对液压支架稳态支护对液压支架控制器自适应控制快速性和强抗干扰能力要求，以ZY10800/28/63支顶掩护式液压支架为研究对象，建立了液压支架运动学模型和阀控液压缸液压系统传递函数,设计了一种包含速度补偿的RBF神经网络控制器，基于该控制器提出了一种液压支架顶梁位姿调控系统，通过控制立柱和平衡千斤顶长度，保证支护状态下液压支架顶梁高度和姿态角稳定。在Matlab/Simulink中建立了液压支架顶梁位姿调控系统仿真模型并进行实验，结果表明：RBF神经网络控制器对阶跃信号的响应时间短，未出现超调现象；在施加顶梁冲击力情况下，RBF神经网络控制器较PID控制器和滑模控制器具有更快的响应速度、更小的超调量和更强的抗干扰能力，能维持支架顶梁位姿处于目标位置，具有良好的稳定性。

矿井通风网络的反向增强型烟花算法优化研究

吴新忠, 胡建豪, 魏连江, 钱晓喻, 任子晖, 张芝超

2019, 45(10): 17-22. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17438

<摘要>(24) <HTML> (2) <PDF>(8)

摘要:
建立了以通风网络总能耗最小为目标的矿井通风网络非线性无约束优化模型。为提高该模型的优化能力和收敛速度，提出了一种反向增强型烟花算法。首先采用均匀反向初始化种群策略，将生成的均匀分布的随机种群和反向种群共同竞争，选择最优初始种群作为后续搜索的起始点；然后精细化控制烟花爆炸半径，使不同世代烟花种群的爆炸半径呈非线性递减，同代种群的爆炸半径由自身适应度值协调分配，并设定最小动态阈值以减少搜索资源浪费；最后采用精英反向学习选择策略，加强对精英烟花所在空间邻域的搜索，提高算法的全局勘测能力。实验结果表明，采用该算法对矿井通风网络进行优化后，在满足实际通风网络调节限制及用风需求基础上，总能耗可降低约23.2%，优化效果优于粒子群优化算法和增强型烟花算法。

巷道掘进机智能化技术研究现状及展望

刘送永, 张德义

2019, 45(10): 23-28. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019030031

<摘要>(80) <HTML> (3) <PDF>(13)

摘要:
基于巷道掘进机智能化的目标是结合智能感知技术与自适应作业实现巷道断面自动精确成形，从智能感知和自适应作业2个方面阐述了巷道掘进机智能化关键技术构架，其中智能感知包括位姿感知、成形感知、状态感知，自适应作业包括自适应纠偏、自适应截割、自适应诊断。总结了掘进机位姿检测与纠偏、巷道断面自动成形与自适应截割、掘进机安全运行保障等技术的研究现状：捷联惯导/UWB组合定位技术在井下受限空间中具有较强的适用性，目前掘进机俯仰位姿纠偏及定向行走等均已实现，但仍存在行走控制误差大、纠偏控制准确性差等问题；将大面积煤矸石带避开的截割方法为自适应截割提供了一种新的思路，但是煤矸石带位置的确定及该种方法在实践中的应用效果有待进一步研究；在故障对象确定、故障原因清晰的情况下，常用故障诊断方法具有一定适用性，但由于掘进机故障原因复杂多样，故障间相互影响，难以进行准确有效的故障诊断。指出研究检测精度高、干涉少、跟随适用性优的导航定位方法，实现掘进机机体位姿偏差动态补偿、煤岩特性与最佳截割参数匹配建模及掘进机全状态监测等是巷道掘进机智能化技术突破方向。

煤矿救灾机器人灾变环境侦测技术探讨

郑学召, 闫兴, 崔嘉明３, 郭军

2019, 45(10): 29-32. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17477

<摘要>(57) <HTML> (3) <PDF>(8)

摘要:
在分析传统的煤矿救灾机器人突水水源、火灾及瓦斯浓度侦测技术原理和特点的基础上，提出了基于无线自组网的煤矿救灾机器人突水水源侦测方法、基于大数据的煤矿救灾机器人火灾侦测方法、基于多源信息融合的煤矿救灾机器人瓦斯浓度侦测方法，可有效提高煤矿救灾机器人突水水源、火灾及瓦斯浓度侦测的准确率。指出了煤矿救灾机器人灾变环境侦测技术将深度融合云计算、人工智能、物联网等现代信息技术，从而全面提升煤矿救灾机器人灾变环境侦测结果的可靠性。

工作面回采对邻近大巷变形影响实测

张少华

2019, 45(10): 33-37. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050025

<摘要>(51) <HTML> (8) <PDF>(6)

摘要:
目前大巷围岩控制及其变形理论分析与模拟分析往往对某些现场特殊条件如断层构造进行简化考虑，导致模拟结果与实际结果出现较大差异。针对该问题，以某矿回采工作面为工程背景，采用现场实测方法分析工作面开采后其邻近大巷的变形规律，研究工作面回采对邻近大巷的影响。通过历时3个月共14次巷道变形数据实测及分析，得出结论：受采动影响剧烈区域巷道变形是工作面回采、采动断层活化和交叉应力集中综合影响的结果；随着测点与工作面水平距离逐渐增大，巷道变形速度减小，说明巷道受采动影响逐渐减小；不同测点处巷道左右帮变形速度特征与顶底板类似，顶底板变形明显大于左右帮，说明巷道主要受水平应力影响；在工作面后续推进过程中，在推进至断层交面线附近时应加强巷道围岩变形监测。

最大主应力方向对巷道围岩稳定性影响研究

李桂明, 周超, 王晓东

2019, 45(10): 38-42. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019040058

<摘要>(42) <HTML> (1) <PDF>(7)

摘要:
为了研究最大主应力方向对巷道围岩稳定性的影响，以贵州某矿1101工作面矩形运输巷为工程背景，采用FLAC3D数值模拟软件，研究了最大主应力为水平或垂直应力时巷道围岩变形情况。研究结果表明：当最大主应力为水平应力时，顶板受影响较大，易发生较严重的剪切破坏，且顶板位移较两帮大，应着重加强顶板支护；当最大主应力为垂直应力时，两帮受影响较大，易发生剪切破坏，且顶板和两帮位移均随垂直应力增大而明显增大，应着重加强两帮支护。根据数值模拟结果及该工作面水平应力大于垂直应力的情况，近似将水平应力作为最大主应力，提出了以顶板支护为主的支护方案。现场监测结果表明，采用该支护方案后，巷道顶板及两帮位移均较小，验证了该方案能较好地维护巷道围岩稳定性。

深部“三面”孤岛工作面采动覆岩变形特征研究

任梦莉, 蔡峰, 梅胜凯

2019, 45(10): 43-48. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019040001

<摘要>(18) <HTML> (2) <PDF>(6)

摘要:
为研究左、右、上三面均存在老采空区的深部“三面”孤岛工作面回采过程中覆岩变形破坏特征，以某煤矿120502工作面为研究对象，利用FLAC3D模拟软件对回采过程中覆岩应力、位移和塑性区变形特征进行了系统的数值研究。结果表明：左、右、上三面均存在老采空区的“三面”孤岛工作面在回采过程中主要受上部老采空区扰动，倾向上左侧煤柱应力集中程度较高，走向上工作面前方的垂直应力先降低后不断升高，应力集中系数不断增大；垂直位移的方向由向下转变为向上，向下的垂直位移峰值不断增大，但向上的垂直位移峰值保持稳定；塑性区的破坏范围呈现“马鞍形”，逐渐扩大与临近3个老采空区塑性区相互贯通，且顶板上方岩体处于拉压应力区，采空区围岩裂隙发育更为充分；临近老采空区和卸压煤体内的瓦斯均向开采层采空区流动，应重点加强该工作面采空区内的瓦斯抽采工作。

煤矿救援机器人路径平滑算法研究

陶德俊, 姜媛媛, 刘延彬, 辛元芳, 罗俊

2019, 45(10): 49-54. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050069

<摘要>(31) <HTML> (4) <PDF>(9)

摘要:
针对煤矿救援机器人利用A*算法规划出来的路径存在转折次数多和路径不够平滑等问题，提出了一种基于改进A*算法的煤矿救援机器人路径平滑算法。首先利用Douglas-Peucker（D-P）算法对A*算法产生的全段路径进行处理，剔除路径中的冗余节点，提取出若干路径节点作为关键节点，解决了A*算法路径冗余节点多、路径转折次数多的问题；然后利用三次样条函数对基于关键节点的整段路径进行拟合处理，得到一条平滑的路径，有效缩短了路径长度。仿真实验结果表明，该算法通用性很强，虽然规划时间与A*算法相比略有增加，但规划出来的路径转折次数少，路径长度短，且路径质量高于遗传平滑算法。

基于狮群优化二维Otsu算法的输送带撕裂检测方法

甘福宝, 黄友锐, 韩涛, 徐善永

2019, 45(10): 55-60. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019040015

<摘要>(32) <HTML> (2) <PDF>(15)

摘要:
基于传统二维Otsu分割算法的输送带撕裂检测方法采用穷尽搜索式的阈值选取方式，图像分割时间长、实时性差，不能同时满足撕裂检测精度与速度要求。针对上述问题，提出了一种基于狮群优化二维Otsu算法的输送带撕裂检测方法。首先通过输送带撕裂检测装置采集输送带图像，采用中值滤波和直方图均衡化对采集到的图像进行去噪和增强处理，突出撕裂部位；然后采用狮群优化二维Otsu算法对预处理过的图像求取接近实际的分割阈值，用该阈值对输送带图像进行分割处理；最后通过计算分割后图像中黑色像素点的数量进行撕裂诊断。仿真结果表明，该方法比基于传统二维Otsu算法的检测方法寻优能力更强，输送带分割效果更好，可以准确地从输送带图像中分割出裂痕，撕裂识别的正确率为98.2%，提高效率的同时缩短了运行时间，可以满足输送带撕裂检测的准确性和实时性要求。

刮板输送机永磁同步电动机无位置传感器控制

胡文彬, 王玉娟, 张传金

2019, 45(10): 61-67. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019030018

<摘要>(31) <HTML> (4) <PDF>(10)

摘要:
传统转子磁链观测器受直流扰动和谐波扰动的影响无法准确估计转子磁链，进而基于转子磁链的永磁同步电动机无位置传感器控制方法无法准确估计转子位置。针对该问题，提出了一种基于三阶广义积分磁链观测器的刮板输送机永磁同步电动机无位置传感器控制策略。通过引入三阶广义积分磁链观测器，能有效抑制高次谐波分量，稳态时可完全消除转子磁链中的直流分量，且对基波的幅值和相位没有任何影响，从而准确估计转子磁链，提高转子位置估计精度。仿真结果验证了该控制策略的正确性和有效性。

基于LLE-FOA-BP模型的煤与瓦斯突出强度预测

隆能增, 袁梅, 敖选俊, 李鑫灵, 张平

2019, 45(10): 68-73. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019010054

<摘要>(28) <HTML> (2) <PDF>(8)

摘要:
针对目前煤与瓦斯突出强度预测精度低、稳定性差及训练速度慢等问题，提出了一种基于局部线性嵌入法-果蝇优化算法-BP神经网络（LLE-FOA-BP）模型的煤与瓦斯突出强度预测方法。借助LLE算法的非线性数据特征提取优势，提取煤与瓦斯突出影响因素原始数据的本质特征，形成重构有效因子，降低数据间的冗余信息及噪声；利用FOA算法较强的全局寻优能力优化BP神经网络的权值和阈值，避免陷入局部极小，提高参数寻优效率；将重构有效因子输入优化后的BP神经网络进行训练，实现煤与瓦斯突出强度快速、准确预测。测试结果表明，LLE-FOA-BP模型的平均相对误差为8.06%，相对误差的方差为3.69，经过24次迭代训练就达到10-8的训练精度，能够在保证预测精度的基础上，提高鲁棒性和学习效率。

留巷巷道定向水力压裂卸压机理及试验

李武军, 付玉凯, 王涛, 张占涛

2019, 45(10): 74-79. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019030008

<摘要>(54) <HTML> (3) <PDF>(6)

摘要:
煤柱上部应力是留巷巷道强烈变形的力源，对于变形严重的留巷巷道围岩控制，采用传统爆破卸压技术存在安全风险较高、污染环境、围岩破坏严重等问题。针对上述问题，提出了留巷巷道定向水力压裂卸压机理，即通过水力裂缝的扩展在顶板岩层中产生弱结构面，降低顶板岩石的整体强度，在采动应力作用下，使弱化后的坚硬顶板及时破断垮落，降低留巷巷道应力水平。以山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司长平煤矿4312综采工作面为试验地点，确定了定向水力压裂钻孔方案及钻孔布置参数。压裂结果显示：横向切槽深度达5 mm，切槽效果良好；进行分段逐次压裂时，随着压裂处距钻孔孔口距离的增加，裂缝扩展所需压力相应增大。对留巷巷道压裂段和未压裂段进行了表面位移、煤柱应力监测，监测结果表明：留巷巷道变形主要以两帮变形为主，压裂段两帮和顶底板平均移近量比未压裂时分别降低约40.79%和69.80%；未压裂段的煤柱应力在接近工作面时出现峰值点，而压裂段的煤柱应力在距离工作面切眼后方200 m左右出现峰值点，定向水力压裂转移了煤柱上部应力峰值位置。

一种煤矿机械轴承故障诊断方法

徐青青, 赵海芳, 李守军

2019, 45(10): 80-86. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019020005

<摘要>(37) <HTML> (2) <PDF>(11)

摘要:
针对现有煤矿机械轴承故障自适应诊断方法易受高频噪声和间断噪声干扰而导致原始信号分解和特征提取精度较低的问题，提出了一种基于改进局部均值分解的煤矿机械轴承故障诊断方法。该方法在局部均值分解方法的自适应分解部分采用噪声辅助分解方法，将高斯白噪声加入原始信号，然后进行局部均值分解，以抑制高频噪声及间断噪声对信号分解的影响；在特征参数提取部分对乘积函数分量进行Hilbert变换，然后进行特征参数提取，以实现在全部取值范围内提取特征参数。仿真及测试结果表明，该方法对轴承故障信号分解和特征参数提取的效果较好，对轴承内外圈故障诊断的准确性较高。

可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统

孟祥豹, 王俊峰, 张延松, 刘博

2019, 45(10): 86-90. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019010059

<摘要>(67) <HTML> (16) <PDF>(10)

摘要:
针对干粉灭火剂会造成污染、清洗困难、可能造成设备损坏等问题，设计了一种可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统。火焰传感器检测到可燃性粉尘燃烧火焰信号后，高压蓄能系统第一时间产生高压水并迅速形成高压细水雾，然后供水系统快速增压到工作压力，接替高压蓄能系统继续提供高压水并持续生成高压细水雾。测试结果表明，可燃性粉尘环境用高压细水雾自动灭火系统响应速度快，火焰传感器和控制器的平均响应时间分别为4 ms和12 ms；高压细水雾生成速度快，平均生成时间为96 ms，最长生成时间为100 ms；灭火及时有效，在高压细水雾作用于燃烧火焰1 s后，燃烧火焰基本被扑灭，燃烧火焰传播至距中心点火位置0.2 m左右停止了传播扩散，验证了该系统能够有效避免可燃性粉尘燃烧火焰的蔓延，防止可燃性粉尘火灾事故。

低功耗蓝牙模块能耗特征分析

卓敏敏, 赵立厂, 李继云

2019, 45(10): 91-94. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019080056

<摘要>(22) <HTML> (2) <PDF>(11)

摘要:
煤矿电气设备可通过集成低功耗蓝牙模块，实现低功耗蓝牙通信功能，但在集成设计过程中，需要根据低功耗蓝牙模块的能耗特征设计电源保护电路、计算电池容量。针对该问题，在不同供电电压和射频功率下，采用高端电流监测芯片ZXCT1010对低功耗蓝牙模块在复位、初始化、广播、连接等不同工作状态下的能耗特征进行了分析。结果表明：低功耗蓝牙模块在射频收发时的能耗较大，且射频收发持续时间短，在射频静态时的能耗小，且射频静态持续时间长；低功耗蓝牙模块能耗受射频功率变化影响小，但受供电电压变化影响较大，供电电压越高，低功耗蓝牙模块各运行状态下的工作电流越大、能耗越大。因此，低功耗蓝牙模块集成应用时，应提供合适的供电电压，但无需限制射频功率。

煤矿井下微机电系统陀螺随机误差辨识

丛琳, 王小龙, 燕斌

2019, 45(10): 95-98. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018090084

<摘要>(58) <HTML> (14) <PDF>(7)

摘要:
针对常用随机误差辨识方法不能揭示潜在的误差源、很难分离出具体随机误差、数据采集时间过长等问题，利用Allan方差分析法对煤矿井下微机电系统（MEMS）陀螺随机误差进行辨识。介绍了Allan方差分析法原理，利用Allan方差分析法对MEMS陀螺实测数据进行处理，给出了Allan标准差曲线，通过最小二乘拟合得到MEMS陀螺的主要随机误差系数。实验结果验证了Allan方差分析法用于MEMS陀螺随机误差辨识的有效性。

煤矿井下水力压裂切顶卸压护巷技术应用研究

董志勇

2019, 45(10): 99-103. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17474

<摘要>(46) <HTML> (2) <PDF>(7)

摘要:
杜儿坪煤矿北三盘区8号煤瓦斯含量高，直接顶和基本顶均为坚硬的石灰岩，工作面回采后在上隅角容易形成较大面积悬顶，短期内不易自然垮落，致使相邻工作面保护煤柱内应力集中程度高。在工作面回采过程中，布置在煤柱下方的底抽巷受超前及侧向支承压力的影响，往往发生较大变形，严重影响了巷道通风和瓦斯抽采。受强烈动压影响的底抽巷，矿压显现剧烈，不能满足一巷两用需求。针对上述问题，以68306工作面为研究对象，开展了水力压裂切顶卸压护巷（底抽巷）技术研究。在回风巷靠煤柱侧不采帮顶板上实施水力压裂切顶卸压护巷技术，切断巷道和煤柱上方基本顶的连接，减小侧向悬臂梁的长度，削弱或转移煤柱上覆的高应力，降低煤柱的载荷，使68306底抽巷处于低应力区域，从根本上改变巷道围岩的应力状态，达到卸压护巷的效果。试验结果表明，实施水力压裂切顶卸压护巷技术后，明显降低了底抽巷围岩变形量，两帮和顶底板变形量分别控制在12%和20%以内；回风巷实施水力切顶后，工作面上隅角悬顶面积得到了有效控制，避免了上隅角瓦斯积聚。

煤矿旋转机械在线故障诊断及预警系统设计

杨一晴, 马宏伟, 樊红卫, 张旭辉, 张超, 韩磊

2019, 45(10): 104-108. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019010092

<摘要>(34) <HTML> (2) <PDF>(8)

摘要:
针对现有煤矿机械在线监测与诊断技术未实现故障特征在线提取及故障类型自动识别的问题，设计了一种基于LabVIEW的煤矿旋转机械故障在线诊断及预警系统。该系统采用频谱分析、功率谱分析、包络谱分析、倒频谱分析等方法分析振动信号，得到旋转机械运行过程中各部件的特征参数，与故障类型数据库里的特征参数进行对比，实现故障诊断。设计了精细诊断和粗略诊断2种故障诊断模式，通过互锁的方式将2种模式关联起来，若旋转机械各主要部件结构参数已知，可选用精细诊断模式，否则选用粗略诊断模式。通过模拟旋转机械转子不平衡故障验证系统性能，结果表明，该系统能够准确识别故障并发出提示，且操作简单、可靠性高。

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