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2020年  第46卷  第2期

科研成果
高强度开采综放工作面上隅角瓦斯联合抽采实践
段会军
2020, 46(2): 1-5. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019100024
摘要:
针对传统单一的上隅角瓦斯治理技术不能有效解决高强度开采综放工作面上隅角瓦斯严重超限的问题,以王家岭煤矿为工程背景,提出了利用上隅角插(埋)管和高位定向钻孔对瓦斯进行联合抽采方案。上隅角插(埋)管抽采即在工作面回风巷铺设瓦斯抽采管路,管路沿回风巷走向延伸至上隅角,在管口位置形成稳定负压区抽采上隅角瓦斯,通过抽吸作用形成人工风流,扰动上隅角位置的回旋涡流,降低瓦斯浓度。同时在工作面回风巷开掘钻场,施工高位定向钻孔向工作面切眼方向钻进,通过定向钻进技术使钻孔轨迹在采空区裂隙带内延伸,抽采采空区高浓度瓦斯。应用结果表明,上隅角插(埋)管和高位定向钻孔联合抽采后,瓦斯抽采纯量稳定在3.40~6.20 m3/min,平均为4.91 m3/min;工作面上隅角瓦斯体积分数呈阶梯式下降,最终稳定在0.30%~0.52%,平均为0.42%,上隅角瓦斯治理效果显著。
复杂矿井通风网络可视化动态解算及预警技术
谈国文
2020, 46(2): 6-11. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17461
摘要:
针对存在煤层倾角大、地质构造复杂、开采时间长等情况的复杂矿井,采用传统的通风网络人工分析方法或常见通风网络解算软件存在工作量大、效率低、错误率高、解算不全面等问题,从而不能实时、全面掌握井下各巷道的通风安全状况。以南桐煤矿通风系统为研究对象,根据其通风系统复杂特征,从通风网络动态解算模型及方法、矿井通风阻力参数测定、通风异常预警、通风系统可视化等方面研究了复杂矿井通风网络可视化动态解算及预警技术,并依据该技术开发了矿井通风网络可视化动态解算及预警系统。应用表明,该系统解算风量与实际风量的误差小于10%,解算结果可实时、动态显示,实现了矿井风速及风压参数全量程精准测定、全矿井通风网络动态解算、通风异常连续分析与预警。
一种矿用低压漏电保护装置设计
郑庆乐, 荣相, 杨帆, 李瑞
2020, 46(2): 12-17. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17505
摘要:
针对基于零序功率方向选线原理的煤矿低压电网漏电保护装置可靠性不高的问题,给出了一种矿用低压漏电保护装置软硬件设计方案。该装置根据零序电抗器并联电阻接地系统发生单相接地故障时零序电流与零序电压相位差在非故障支路与故障支路中的差异性实现故障选线。仿真及试验结果表明,该装置不受电网中零序电抗器补偿的影响,发生单相接地故障时能够快速、可靠动作。
矿用实时视频传输系统设计
李文峰, 路建通, 雷文礼, 白慧
2020, 46(2): 18-22. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090050
摘要:
针对现有煤矿井下视频传输系统存在视频清晰度低、传输速率不稳定、兼容性差等问题,设计了一种矿用实时视频传输系统。该系统采用960 nm红外激光作为辅助光源,利用MCCD图像传感器采集视频信号,提高了低光照强度或黑暗环境下视频清晰度;通过视频解码模块TVP5150将采集的PAL制式模拟视频信号转换为YUV数字信号,数字信号经多格式编码器进行H.264压缩编码,并在此基础上添加UDP报文头进行RTP封装,提高了视频数据传输的时效性;通过Live555流媒体服务器进行数据流化,使用ONVIF标准封装RTSP视频流,通过Socket网络编程实现实时视频流数据网络传输,提高了系统兼容性和传输速率稳定性。测试结果表明,该系统视频传输速率为2.190 Mbit/s,丢包率约为1.256%,达到实时视频传输要求。
分析研究
采掘装备绿色设计与评价技术研究
张旭辉, 潘格格, 张雨萌, 樊红卫, 毛清华, 车万里, 薛旭升, 王川伟, 赵友军
2020, 46(2): 23-28. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019060032
摘要:
针对采掘装备设计存在过于依靠经验、人工计算偏差大而导致设计质量差、设计周期长等问题,以矿山采掘装备绿色设计为切入点,围绕需求分析、绿色设计、评价三大环节分析了采掘装备绿色设计总体方案,从设计绿色化、制造工艺绿色化、激光熔覆修复再制造技术、掘进系统智能化及状态监测与故障诊断五方面分析了采掘装备绿色设计关键技术。以采煤机为例,对其进行绿色设计分析,从资源、人机、能源、环境、经济、技术六大属性出发,构建了采煤机绿色设计评价指标体系,建立了采煤机绿色设计信息数据库。在设计阶段考虑采掘装备的绿色性,可提高采掘装备的生产质量,对推进煤炭行业绿色设计资源的共建共享及增强行业绿色化设计的示范作用具有重要意义。
短钻孔快速抽采工艺在长距离掘进工作面的应用
向真才
2020, 46(2): 29-33. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019070008
摘要:
针对目前高瓦斯煤巷长距离掘进工作面瓦斯治理措施存在成本高、因回风流瓦斯体积分数高而影响掘进速度等问题,提出在长距离掘进工作面应用短钻孔快速抽采工艺,即利用检修班时间采用短钻孔进行掘进工作面快速集中抽采,通过短时间、高强度抽采小范围瓦斯,减小掘进工作面及回风流通风压力,提高煤巷掘进速度。短钻孔快速抽采工艺从时间和空间上克服了现有技术的不足,将掘进工作面长距离长时间瓦斯抽采变为短距离短时间的高效抽采。在山西霍尔辛赫煤矿3605回风巷的应用结果表明,应用短钻孔快速抽采工艺可在控制回风流与工作面瓦斯体积分数和成本的前提下,将煤巷掘进月累计进尺由170 m提高到250 m,提高了近50%,实现了对低透气性煤层长距离掘进工作面瓦斯的有效治理。
长距离定向钻孔瓦斯抽采技术在青龙煤矿的应用
薛海腾, 李希建, 梁道富, 陈刘瑜, 马晟翔
2020, 46(2): 34-38. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050022
摘要:
贵州省煤矿地质构造复杂、瓦斯含量高、煤层松软,瓦斯治理难度大。为了提高该区域瓦斯治理水平,在青龙煤矿21601工作面运输巷Y3点向前5~205 m处,利用千米钻机进行长距离顺层条带定向钻孔瓦斯抽采技术的现场应用。通过定向钻进技术和分支孔控制技术保证钻孔轨迹控制精度,避免了盲钻、盲抽等现象。应用结果表明:2次煤样检测得到的瓦斯可解吸量分别为1.772 9,2.191 3 m3/t;残余瓦斯含量分别为4.773 9,5.170 4 m3/t,均小于8 m3/t,满足矿井瓦斯抽采的基本要求;平均瓦斯抽采纯量达到1.26 m3/min,比原来提高了12%;与常规钻孔相比,采用定向钻孔抽采的瓦斯体积分数提高了50%,瓦斯治理效果显著。
闭坑矿井矿界煤柱采动损伤及其安全性评价
张文斌, 吴基文, 翟晓荣, 胡儒, 毕尧山, 王广涛
2020, 46(2): 39-44. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019060016
摘要:
闭坑矿井矿界煤柱受采动损伤后其隔水能力降低,易导致闭坑老空水破坏矿界煤柱进入相邻生产矿井,影响矿井安全生产。以淮北矿区两相邻矿井即闭坑矿井沈庄矿和生产矿井袁庄矿的矿界煤柱为研究对象,采用FLAC3d数值模拟和理论计算方法,对沈庄矿S2Ⅱ313工作面和袁庄矿Ⅲ3142工作面矿界煤柱采动损伤区宽度进行研究,根据研究结果确定矿界煤柱采动损伤区宽度为13.1 m,表明矿界煤柱已被破坏,两相邻矿井边界煤岩层已不具备阻水能力。在此基础上对矿界煤柱安全性进行了评价,得出现有矿界煤柱存在渗水和溃水危险性,需采取布置阻水帷幕或注浆加固等措施。
尾矿浆浓度与超声波衰减系数的关系研究
汪建新, 程俊豪
2020, 46(2): 45-49. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050038
摘要:
针对目前基于超声波法的尾矿浆浓度测量方法没有直接表达浓度与散射衰减系数、黏滞衰减系数的相关关系的问题,采用数值计算方法,研究了超声波在尾矿浆中的衰减特性,得到了声波衰减系数与浓度的相关关系,并通过实验数据的分析论证了数值计算的准确性。研究结果表明:浓度在10%以内时,浓度越大,声速越小;浓度在5%以内时,超声波的衰减系数与浓度近似成正比关系;当超声波频率、粒径一定,浓度在10%以内时,浓度越大,超声波的衰减系数越大。研究结果为超声波在尾矿浆浓度在线监测中的实际应用提供了依据。
实验研究
基于雾计算的煤矿全场景监测系统研究
曹健萍, 李敬兆
2020, 46(2): 50-53. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050031
摘要:
目前煤矿全场景监测系统主要依赖于云计算实现数据处理、存储与决策,云计算需实时处理海量监测信息,严重影响系统决策层的时效性与精确度。针对该问题,提出一种基于雾计算的煤矿全场景监测系统,以神经元感知节点为单元设计雾计算神经网络,缓解云计算数据处理压力。针对基于粒子群优化算法(PSO)的节点部署方法存在过早收敛现象和局部最优解的问题,通过改进的PSO算法优化神经元感知节点部署,实现网络结构优化。仿真结果表明,与经典PSO算法相比,改进PSO算法能够更快寻得最优解,整体通信覆盖率的最优值、最差值和平均值分别提高了3.19%,3.31%,3.25%,具有收敛快速有效、适应性强、稳定性高等优势。
井下视频行人检测方法
李现国, 李斌, 刘宗鹏, 冯欣欣, 刘晓, 宋金水, 张磊
2020, 46(2): 54-58. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019060024
<摘要>(107) <HTML> (10) <PDF>(14)
摘要:
针对现有基于深度学习的行人检测方法存在计算量较大、检测效率严重依赖硬件性能等问题,对基于SSD网络的行人检测方法进行改进,设计了一种基于DenseNet网络的轻量级卷积神经网络作为SSD网络的基础网络,以满足井下视频行人实时检测需求,并设计了基于ResNet网络的辅助网络,以增强特征表征能力,提高行人检测准确性。将基于改进SSD网络的井下视频行人检测方法部署在嵌入式平台Jetson TX2上进行实验,结果表明该方法对井下视频中行人的检测准确率为87.9%,针对井下行人低密度场景的检测准确率近100%,且运算速度达48帧/s,约为基于SSD网络的行人检测方法的4.4倍,满足井下行人实时检测需求。
矿井通风系统三维模型的构建与应用
张珂, 杨应迪, 刘学通, 蒋成龙
2020, 46(2): 59-64. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019070072
摘要:
现有的巷道三维模型建模算法复杂,且以巷道两端端点坐标直接确定巷道的走势,不能较好地体现巷道的起伏。针对上述问题,以煤矿工程平面图为基础数据,利用巷道间的拓扑关系进行定位点采集,采用中心线加载断面的算法构建了矿井三维巷道模型。基于矿井三维巷道模型,将通风设施模型同步到三维系统中,生成了矿井通风系统三维模型及相应数据库,生成的立体图能清晰地展示矿井巷道的整体走势,结合数据库信息管理可对矿井模型进行添加、修改等智能操作。实际应用结果表明:该模型实现了矿井通风系统二维图到三维图的快速转换,可真实地展示煤矿巷道信息及工作面状况,生成的矿图数据库可实时更新,为研究矿井通风网络解算和灾变模拟提供了优良平台。
井下局部通风机储能型变流器控制策略研究
袁静泊, 琚云鹏, 杨龙月, 吕承阳
2020, 46(2): 65-72. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050061
摘要:
针对传统集中式变流器的结构已无法满足井下通风机应急供电需要的问题,设计了一种集充放电为一体的双级式井下局部通风机储能型变流器,该储能型变流器既能在系统停电时作为应急电源使用,又能实现电网正常运行时的无功补偿功能。提出了双级式储能型变流器的控制策略:当局部通风机的双回供电线路正常工作时,储能型变流器处于在线运行模式,PWM逆变器采用P/Q控制策略,此时主要对蓄电池进行充电并对电网进行无功补偿;当局部通风机的双回供电线路出现故障时,储能型变流器处于应急供电模式,PWM逆变器采用V/f控制策略。提出了一种基于状态反馈共电流内环的平滑切换控制策略,将V/f控制器状态与P/Q控制器的输出反馈至输入,用以解决储能型变流器在应急供电和在线运行时2种运行模式切换过程中产生的电流冲击问题,实现储能型变流器的平滑切换。仿真结果表明:在2种运行模式下,该控制策略可使变流器实现稳定运行,并能够实现平滑切换,具有较好的稳态与动态特性。
预制裂隙岩石单轴压缩声发射特征研究
牛心刚
2020, 46(2): 73-77. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019120017
摘要:
为了研究预制裂隙岩石失稳破坏过程中声发射特征,对预制不同倾角裂隙岩石进行了单轴压缩声发射试验,分析了预制裂隙岩石变形破坏特征及声发射信号变化规律。结果表明:随着预制裂隙倾角的减小,岩石试件的抗压强度逐渐降低,达到峰值应力的时间逐渐缩短,破坏时的轴向应变逐渐减小,试件由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变;随着预制裂隙倾角减小,试件首次出现声发射能量和振铃计数峰值的时间提前、所需加载的轴向应力减小;声发射累计振铃计数随加载时间的增加呈非线性上升趋势,且预制裂隙倾角越小,声发射累计振铃计数上升速率越快。
一种改进的三边定位算法
高莉, 杨雪苗
2020, 46(2): 78-81. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019120032
摘要:
针对基于加权最小二乘(WLS)的三边定位算法在线性化过程中损失定位信息的问题,提出了一种改进的三边定位算法。该算法利用WLS算法粗略估计未知节点的坐标,并利用损失的定位信息构建定位模型,通过求解该定位模型实现精确定位。仿真结果表明,与基于WLS的三边定位算法相比,该算法有效提高了定位精度,且巷道长宽比越大,定位性能越好。
基于高阶累积量和DNN模型的井下信号识别方法
王安义, 李立
2020, 46(2): 82-87. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019100064
摘要:
针对矿井复杂异构的无线环境,提出一种基于高阶累积量和DNN模型的井下信号识别方法,实现了井下BPSK,QPSK,8PSK,2FSK,4FSK,8FSK,32QAM,64QAM,OFDM等数字信号的自动调制识别。分析得到9种数字信号的高阶累积量理论值,并通过傅里叶变换提高信号辨识度;分析井下小尺度衰落信道对高阶累积量的影响,推导出经过井下衰落信道后信号的高阶累积量计算表达式,根据高阶累积量理论值构造特征参数并训练DNN模型,实现信号识别。仿真分析结果表明,该方法在矿井Nakagami-m衰落信道下有出色的调制识别性能,信噪比为-5 dB时平均正确识别率为89.2%以上,信噪比为5 dB以上时平均正确识别率为100%。该方法为在特殊复杂环境下的信号识别检测提供了新思路。
倾斜煤层水力冲孔有效影响半径数值模拟研究
华明国, 姚邦华, 李建伟
2020, 46(2): 88-93. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019070040
摘要:
针对目前水力冲孔技术研究较少考虑倾斜煤层水力冲孔卸压范围随方向变化的特点及煤层倾角对水力冲孔卸压有效半径影响的问题,以某煤矿3号煤层为研究对象,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics 对倾斜煤层水力冲孔有效影响半径进行了数值模拟,研究了不同方向上的钻孔有效抽采半径。数值模拟结果表明:在冲孔作用下,抽采影响范围随抽采时间的增加而不断扩大,但扩展速度随时间下降; 在冲孔卸压作用下,煤层渗透性大大增加,钻孔周边影响范围呈近似椭圆形分布; 连续抽采90 d后,上部方向的影响半径为6 m左右,下部方向的影响半径为4 m左右,水平方向的影响半径为5 m左右;为了确保抽采达标,该煤层水力冲孔钻场横向钻孔布置间距设定为3.5 m左右,纵向钻孔布置间距为4.0 m左右。该研究结果对于优化水力冲孔工艺参数、指导抽采钻孔的准确布置、提升矿井的瓦斯治理效果具有重要的现实意义。
经验交流
微服务在煤矿监控类软件开发框架中的应用
荆诚, 王爱军
2020, 46(2): 94-99. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019070056
摘要:
针对煤矿监控类软件开发面临版本混乱、重复开发、维护困难,软件的定制化修改导致不同煤矿监控软件之间的通信变得困难等问题,提出了一种采用微服务架构的煤矿监控类软件开发框架。基于微服务架构,通过规范化开发流程、简化技术栈优化煤矿监控类软件的开发流程;将基础业务固化在开发框架中,专有业务通过微服务的方式进行加载运行,减少了基础代码的重复编码工作,并使得专有业务可以重用;沙盒运行方式让微服务的部署不受运行环境影响,部署方便,跨平台移植性强,微服务托管平台可对微服务进行统一的版本管理。实际应用结果表明:采用微服务架构的煤矿监控类软件通过将常用功能拆分为微服务,可以最大程度减少软件功能的重复开发,微服务的数据存储效率比现有垂直架构更高,使用Docker镜像部署,软件安装过程更为便捷,为监控类软件开发提供了一种更为高效的开发方式。
基于嵌入式软PLC的掘进机控制系统设计
朱伟, 王虹, 李首滨, 赵文生
2020, 46(2): 100-106. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019070067
摘要:
针对现有以普通PLC和专用控制器为核心的煤矿掘进机控制系统存在开发成本高、维护量大、跨平台移植难等问题,设计了一种基于嵌入式软PLC技术的掘进机控制系统,分析了系统的功能需求和实现原理,提出了以嵌入式软PLC为核心的控制系统架构。该系统通过实时操作系统的定制、软PLC运行时系统的移植及驱动组件的开发,实现了掘进机基本逻辑控制、全功能遥控和自动截割功能,可对掘进机状态进行实时监测,通过遥控器实现全功能远程遥控,通过设定断面形状、路径类型、巷道高度、巷道宽度和截割间距等参数实现巷道断面的自动截割成形等。相比于以PLC和专用控制器为核心的控制系统,采用嵌入式软PLC的掘进机控制系统可更好实现掘进机装备的标准统一和系统的组态开发,跨平台移植性好。测试结果证明该系统基本控制功能和遥控操作性能良好,自动截割断面边界最大误差小于10 cm。
煤矿机电监控系统异常信号传输延迟消除方法
董广民
2020, 46(2): 107-110. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019040093
摘要:
针对现有异常信号传输延迟消除方法生命周期较短且延迟消除效率较低的问题,提出了一种煤矿机电监控系统异常信号传输延迟消除方法。该方法采用FIR数字滤波器对异常信号进行滤波,进而检测异常信号传输延迟;利用动态树构建异常信号聚集树模型,对未经过延迟消除的信号进行标记,计算所有经过标记的信号的时槽,挑选出时槽最小的信号,对信号进行延迟消除。仿真结果表明,该方法生命周期长,且消除异常信号传输延迟的效率较高。