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2020年  第46卷  第6期

科研成果
煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法研究
孙继平
2020, 46(6): 1-5. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17617
摘要:
分析了煤矿瓦斯和煤尘爆炸特征:空气中O2浓度迅速降低,CO2和CO等有毒有害气体浓度迅速升高;环境温度迅速升高,空气压力迅速增大后回落;产生较强的红外和紫外辐射;产生高温、高压、高速的爆炸冲击波和火焰锋面;产生爆炸音和震动;产生大量烟雾和粉尘;风速迅速增大后回落,风流反向;巷道垮塌、机电设备移动和损坏;造成大量人员伤亡。提出了气体(O2,CO2,CO)浓度、温度、声音、震动、气压、风速、风向、烟雾、粉尘、红外线、紫外线、图像等多信息融合的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知报警与爆源判定方法:通过多参数变化,辨识瓦斯和煤尘爆炸;通过不同位置参数变化幅度、变化的先后时序关系和传感器损坏情况,判定爆源。提出了传感器防护与设置方法:传感器应采用流线形或圆弧形外壳,传感器外壳应采用耐高温、防火、隔热材料;传感器应设置在巷道顶部中央;采煤工作面和掘进工作面应设置传感器,传感器应设置在距工作面10~15 m处;每一段巷道(没有分支)中部应设置传感器。提出了电缆和光缆防护与设置方法:应采用铠装电缆和光缆,电缆和光缆应具有阻燃、耐高温、抗冲击等性能;电缆和光缆应埋入巷帮和底板的夹角处;电缆和光缆也可引入压风管,用压风管防护。
煤矿井下带式输送机液压卸煤装置设计
代双成, 王慕斗, 李正甲, 任晓鹏, 邢旭东
2020, 46(6): 6-11. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019120038
摘要:
以纳林庙煤矿二号井6-2116综采工作面为工程背景,针对回收煤柱工作面充填空巷用煤量大且运煤困难的问题,设计了一种煤矿井下带式输送机液压卸煤装置。该装置由支撑装置、改向装置和液压系统组成,安装在主运巷道与辅回撤通道交叉口位置;利用液压泵站为动力,通过支撑装置和改向装置相互配合将煤炭从带式输送机上卸下,再经转载运输至用煤空巷。通过该卸煤装置,原煤不需要升井后再用无轨胶轮车运输到井下,提高了经济效益和充填效率,降低了安全风险。现场工业性试验结果表明,采煤机割煤速度为0.8 m/min、刮板输送机速度为0.4 m/s、转载机速度等级为低速、带式输送机速度为1.0 m/s、改向油缸和支撑油缸伸出长度为0.7 m时,卸煤装置可实现连续卸煤,满足试验工作面充填用煤需要,保证了回收煤柱工作面的正常推进。
矿用多功能热电阻型隔离安全栅设计
张宇翔, 宋建成, 田慕琴
2020, 46(6): 12-16. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090018
摘要:
针对常见热电阻型隔离安全栅存在的抗干扰性差、集成度低、功能单一等问题,设计了一种矿用多功能热电阻型隔离安全栅。该安全栅利用带有2路互相隔离输出的DC/DC隔离电源模块分别为安全侧和危险侧电路供电,结合信号的光耦隔离实现供电侧、危险侧和安全侧的三端隔离,具有热电阻二次非线性误差修正、热电阻传感器断线故障报警、带迟滞的高温报警及电压电流信号输出转换等功能。样机测试结果表明:2路热电阻可同时工作,阈值比较电路动作稳定;随着输入温度升高,输出电流基本呈线性增加,线性度高达0.15%,对应模拟量输出传输处理误差低于0.5%,符合相关规定要求;有效抑制了尖峰脉冲及各种噪声的干扰,具有较好的抗干扰性;最大相对误差仅为0.667%,低于同类型的XX6071型安全栅。实际应用结果验证了该安全栅温度测量结果准确,高温报警动作稳定,满足矿用电气设备的实际应用需求。
“煤矿智能化技术及应用”专题
煤矿巡检机器人巷道气体环境智能检测系统设计
聂珍, 马宏伟
2020, 46(6): 17-22. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17598
摘要:
目前井下危险气体巡检机器人大多采用升降机构或固定探头的形式进行气体环境感知,对机器人的行驶灵活性产生了影响,且受机器人本体机构的限制,大多数巡检机器人只能检测到传感器安装范围内的局部气体环境信息,缺乏针对巷道任意截面空间内的气体浓度检测。针对以上问题,设计了一种基于气体扩散模型的煤矿巡检机器人巷道气体环境智能检测系统。该系统以气体扩散理论为基础,结合煤矿巷道气体环境特点,引入巷道壁帮围岩、风速、气体扩散系数对煤矿巷道气体扩散模型的影响,采用虚拟像源法和遗传算法优化BP神经网络智能算法建立了巷道气体扩散优化模型。通过传感器检测系统获取巡检机器人在行进过程中任意点的气体浓度等环境信息,代入气体扩散优化模型求解最优气体扩散系数,通过输入巷道某点坐标位置,可计算求解相应点的气体浓度分布情况,随着巡检机器人的移动,可获取其路径中不同巷道截面上气体浓度分布数据。实验结果表明,该系统能够解算出符合检测误差要求的巷道任意截面上任意点的气体浓度,并实现动态实时检测;克服了传统煤矿巷道气体检测方法的局限性。利用巡检机器人取代人工巡检作业,为煤矿井下气体智能检测提供了一种新思路与新方法。
煤矿井下移动机器人运动规划方法研究
杨林, 马宏伟, 王岩, 王川伟
2020, 46(6): 23-30. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17613
摘要:
针对现有煤矿井下移动机器人运动规划所生成的轨迹存在超调、碰撞、不连续、不光滑等问题,提出了一种由路径规划、轨迹生成、轨迹优化3个部分构成的煤矿井下移动机器人运动规划方法。路径规划采用基于图搜索的A*算法实现,通过开始搜索、路径排序、继续搜索3个步骤循环迭代,快速规划出一条可通行的全局路径作为轨迹生成的初值。轨迹生成通过构建基于Minimum Snap的目标函数,并施加等式约束来实现。轨迹优化则是在轨迹生成的基础上施加不等式约束来实现:通过调整时间分配和构建基于Corridor轨迹规划的不等式约束,解决基于Minimum Snap轨迹生成在求解过程中出现的超调现象,并对整段轨迹本身进行约束,避免发生碰撞;通过引入调和函数Bezier Curve,构建基于Bezier Curve的Minimum Snap的轨迹优化问题,使得轨迹高阶目标函数的求解变得简单高效,最终生成一条适用于煤矿井下移动机器人的能量损失最小、连续、光滑、无碰撞、可执行的运动轨迹。在Matlab仿真环境中设计了随机地图,生成了包含时间分配、位置规划、速度规划、加速度规划的最优轨迹规划结果。实验结果验证了该运动规划方法的正确性和有效性。
煤矿四旋翼飞行机器人环境信息数据压缩算法
梁艳, 马宏伟, 崔亚仲, 薛旭升, 聂珍, 张力
2020, 46(6): 31-34. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019100047
摘要:
针对四旋翼飞行机器人在煤矿巷道中的飞行路径与轨迹多变,导致其在动态空间中采集的环境信息数据有较大冗余的问题,提出了一种煤矿四旋翼飞行机器人环境信息数据压缩算法。采用小波分析中的默认阈值降噪方法对原始数据进行降噪处理,以提高信噪比;以甲烷监测为例介绍数据压缩算法,将巷道空间沿巷道方向拆分成若干个截面,选取每个拆分截面的甲烷浓度有效值,并通过有效值对甲烷浓度检测数据进行重构。实验结果表明,通过算法压缩和重构的甲烷浓度信号与人工检测结果相比误差很小,数据压缩算法能够提取出甲烷浓度数据有效值,去除机器人采集到的冗余环境信息,从而提高数据传输的有效性和实时性。
煤矿智能监测与预警技术研究现状与发展趋势
郑学召, 童鑫, 郭军, 张铎
2020, 46(6): 35-40. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17530
摘要:
从物联网、大数据、云计算及人工智能方面综述了我国煤矿智能监测与预警技术的研究现状。针对煤矿智能监测技术的实际应用情况,指出了煤矿智能监测与预警存在井下煤矿监测设备前兆信息采集可靠性差、云端平台集成应用融合深度不够、数据库安全性较弱、人工智能技术在煤矿监测中的应用尚不成熟等问题。展望了煤矿智能监测与预警技术的发展趋势:煤矿智能监测系统应用石墨烯/氧化石墨烯光纤传感器可实现多源信息感知,提升前兆信息采集的可靠性;研究多技术深度交叉融合技术,以探究监测数据的深层价值;构建基于区块链技术的煤矿监测数据库,保证数据库不可篡改,且具有较好的读写性能;研发具备自适应和深度学习的煤矿智能安全监测预警系统,实现矿井自动监测、智能预警。
采煤机健康状态智能评估方法研究
曹现刚, 李彦川, 雷卓, 雷一楠
2020, 46(6): 41-47. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17596
摘要:
针对现有采煤机健康状态评估方法存在评估指标权重确定受人为因素影响较大导致评估准确率不高、采用单一评估算法存在局部搜索能力弱和抗干扰能力差、寻找全局最优值能力不足等问题,提出了一种基于主成分分析(PCA)与遗传算法(GA)优化BP神经网络算法(PCA-GA-BP算法)的采煤机健康状态智能评估方法。根据采煤机结构和工作原理选择采煤机状态监测点位,获取采煤机健康状态相关的各项状态参数,采用PCA对采煤机状态参数进行数据降维和特征提取,避免BP神经网络输入的复杂化;引入GA对传统BP神经网络寻找全局最优权值;通过训练参数建立基于GA-BP的采煤机健康状态智能评估模型,将降维后的采煤机状态参数自动输入评估模型,通过智能评估算法输出测试结果,实现自学习、自寻优和自主判断采煤机的健康状态。实验结果表明,基于PCA-GA-BP算法的采煤机健康状态智能评估方法可准确、快速和智能评估采煤机健康状态,相比于基于单一BP神经网络的评估方法,训练时间短、评估流程简单且评估准确率高,准确率达97.08%。
矿用带式输送机智能监测系统研究
毛清华, 毛金根, 马宏伟, 张旭辉, 李铮
2020, 46(6): 48-52. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17595
摘要:
针对矿用带式输送机运行过程中存在的托辊、滚筒等关键部件与输送带摩擦发热,钢丝绳芯输送带内部损伤与撕裂,运行功耗大等问题,设计了一种矿用带式输送机智能监测系统。该系统包括基于弱磁检测法的钢丝绳芯输送带损伤监测系统、基于红外热成像温度检测法的带式输送机关键部件故障诊断与预警系统和基于视觉检测法的煤流监测、异物监测、胶带撕裂监测及人员安全监测系统,详细介绍了各系统的实现原理。对钢丝绳芯输送带内部损伤识别及带式输送机关键部件故障诊断预警进行了实验验证,结果表明该系统对钢丝绳芯输送带损伤识别的准确率约为98%,且可准确识别带式输送机关键部件故障并发出预警。
基于通风等效面积的矿井通风难易程度分析方法
王延平, 范京道, 闫振国, 李川, 常心坦, 李学文
2020, 46(6): 53-58. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17597
摘要:
针对目前矿井通风难易程度评价中常用的等积孔不能有效反映通风难易程度细节、通风阻力测定不能很好地衡量复杂通风系统并联影响的问题,提出了一种基于通风等效面积的矿井通风难易程度精细化分析方法。该方法根据获取的巷道通风信息对通风系统进行网络解算,得到系统中各节点风压,并以各节点风压大小为依据对通风系统进行分段;每个分段中的巷道均为并联,按等积孔的特性,先计算各巷道的等积孔,综合获得各分段的等效面积,由此得到各节点对应的通风等效面积;为直观、清晰地表达通风系统各段的通风难易程度,用图形化的方式表示通风等效面积,包括风压-等效面积图、节点-等效面积图、风压-等效能耗图和节点-等效能耗图;根据通风等效面积图,对矿井通风难易程度进行通风“瓶颈”、阻力分布及通风能耗等精细化分析。实例验证结果表明,该方法能有效分辨出通风系统中的阻力较大区域、局部阻力位置及通风“瓶颈”位置,可服务于矿井通风的分析和优化。
基于等效电导的矿井电网智能漏电保护方法
王清亮, 杨博, 高梅, 刘新茹, 李磊, 郝兆明
2020, 46(6): 59-64. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17594
摘要:
矿井电网谐波和弧光现象日益严重,漏电故障信号畸变,弧光漏电发生概率增大,导致故障信号畸变严重,基波分量较少,而现有矿井电网漏电保护方法采用零序基波分量作为故障特征参数,对弧光漏电辨识率较低。针对上述问题,提出了一种基于等效电导的矿井电网智能漏电保护方法。在分析漏电故障特性的基础上,根据非正弦电功率理论,以畸变零序电压为基准正交分解零序电流。采用畸变等效电导作为故障特征参数,通过比较各馈线等效电导的符号和大小辨识漏电线路:等效电导最大且符号为负的线路判为漏电支路,报警并发跳闸命令;符号为正的等效电导代表相应各非漏电馈线当前的绝缘水平,实现对电缆绝缘状态的自动监测。采用正交无功电流反映本级电网的电容电流水平,为矿井供电安全分析与故障预警提供数据支撑。仿真结果表明,该方法能同时实现漏电故障识别、漏电支路定位和电缆绝缘状态的自动监测,满足选择性、快速性和灵敏性要求,尤其适用于弧光漏电故障的辨识,有效提高了矿井供电的安全性。
分析研究
煤矿综放工作面硫化氢动态运移规律研究
金永飞, 许亚奇, 刘荫, 张典, 郭军
2020, 46(6): 65-71. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019100051
摘要:
针对目前煤矿综放工作面的硫化氢(H2S)浓度分布规律研究多采用单一手段、难以验证研究结果的可靠性等问题,以陕西某煤矿工作面为研究背景,运用Fluent软件构建数值模拟模型,研究了该工作面H2S浓度分布及动态运移规律;在工作面进行测点布置,采用CD4型气体检测仪对工作面空间内的H2S浓度进行现场测定。数值模拟和现场测定结果均表明:在垂直方向,随着距底板高度增加,H2S浓度先增大后减小;在水平方向,随着与工作面煤壁距离增加,H2S浓度逐渐减小;在风流方向,随着与采煤机距离增加,H2S浓度逐渐减小。数值模拟结果与现场监测结果一致,验证了数值模拟方法的可行性,可为现场H2S运移规律研究提供参考。
厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量预测
王小朋
2020, 46(6): 72-75. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090079
摘要:
综放工作面与单一回采工艺工作面不同,采用AQ 1018-2006《矿井瓦斯涌出量预测方法》预测综放工作面瓦斯涌出量时存在较大误差,且目前缺少厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量预测方面的研究,导致瓦斯治理技术依据性不强。针对上述问题,提出了厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量预测方法。通过分析厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出特点,确定了综放工作面瓦斯涌出来源,包括割煤、放煤、采空区、邻近层涌出瓦斯;针对不同瓦斯涌出来源,得出了相应的瓦斯涌出量计算公式,由此得到厚煤层分层开采综放工作面瓦斯涌出量计算公式。采用该方法对乌东煤矿及碱沟煤矿综放工作面瓦斯涌出量进行预测,预测值与实测值的误差均小于5%,满足实际生产需求。
顺层定向长钻孔在厚煤层沿顶掘进工作面的应用
史永涛
2020, 46(6): 76-80. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019110071
摘要:
厚煤层沿顶掘进工作面因煤层厚度大,采用普通钻孔不能有效抽采巷道底板煤体瓦斯,易造成工作面瓦斯超限,影响巷道掘进效率。以山西某煤矿主运大巷为试验巷道,通过分析掘进工作面瓦斯治理存在的问题,从抽采工艺参数设计、钻孔施工、抽采试验3个方面开展了顺层定向长钻孔在厚煤层沿顶掘进工作面的应用研究。现场试验结果表明:采用顺层定向长钻孔抽采工艺后,掘进期间主运大巷回风流及工作面瓦斯浓度整体较稳定,回风流平均瓦斯体积分数为0.34%,工作面平均瓦斯体积分数为0.16%,瓦斯涌出量明显下降,瓦斯治理效果显著;与采用普通钻孔抽采工艺相比,巷道掘进月进尺由150 m提高至240 m,工作面瓦斯体积分数由0.53%~0.79%降至0.25%~0.48%,回风流瓦斯体积分数由0.63%~0.96%降至0.28%~0.69%,掘进400 m巷道总用时由175 d减少至138 d,掘进效率得到有效提高。
带式输送机托辊故障检测方法
曹贯强
2020, 46(6): 81-86. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018100035
摘要:
针对现有带式输送机托辊故障检测方法采用接触式测量、不便于安装操作、不适合于井下大范围故障检测等问题,提出了一种基于小波去噪和BP-RBF神经网络的托辊故障检测方法。采集托辊运行时的音频信号,采用结合了软阈值法和硬阈值法的折中法对音频信号进行小波去噪处理;将每一层小波分解信号的能量和作为该层的特征值,通过处理系数对低频部分的特征值进行转换,以减小其在总能量中的占比,使故障特征更加明显;将提取的特征向量输入BP-RBF神经网络模型中进行故障检测。测试结果表明,对于正常托辊信号、托辊表面存在裂痕、托辊表面磨损3种情况,该方法的故障识别率达到96.7%。与传统的频谱分析诊断技术相比,该方法所需的工作量更少、准确率更高;相较于基于温度检测等的故障检测技术,该方法采用非接触安装方式,安装更方便,检测范围更大,具有良好的应用前景。
实验研究
岩石受载破坏过程声电信号时频特征研究
刘洋, 邱黎明, 娄全, 韦梦菡, 殷山, 李鹏鹏, 程肖禾
2020, 46(6): 87-91. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019120045
摘要:
岩石受载破坏过程声电信号时域特征分析大多从声电信号幅值、振铃计数、能量等参数方面定性得出结论,并未直接给出声电信号时域相关性,且声电信号频域特征分析所用参数较单一。针对上述问题,开展了单轴压缩条件下岩石试样受载破坏过程声电信号监测实验,分析了岩石受载破坏不同阶段声电信号时频特征。结果表明:① 在压密阶段和弹性阶段,声电信号幅值基本为零;在加速破坏阶段,声电信号幅值逐渐增强,信号数量逐渐增多;在完全破坏阶段,声电信号幅值几乎同增同减,当载荷达到峰值时,声电信号幅值同时达到最大;在受载破坏全程,声发射信号幅值大于电磁辐射信号幅值。② 在加速破坏阶段,声电信号显著相关;在完全破坏阶段,声电信号高度相关;在受载破坏全程,声电信号随时间变化趋势基本相同,声电信号在时域上高度相关。③ 在加速破坏阶段和完全破坏阶段,电磁辐射信号以低频和甚低频信号为主;与电磁辐射信号相比,声发射信号频带更宽、主频幅值更大;声电信号主频集中范围相近但不完全一致;完全破坏阶段声电信号主频幅值大于加速破坏阶段声电信号主频幅值。
矿用钢丝绳损伤检测系统设计
王红尧, 李小伟, 韩亦淼, 吕昕
2020, 46(6): 92-97. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17546
摘要:
矿用钢丝绳在运行过程中会发生表面断丝翘起现象,可能导致运行中的钢丝绳把探伤仪孔壁划伤或带走的情况,甚至会对钢丝绳造成二次伤害,影响检测结果。针对该问题,基于超声波测距及强磁检测原理,设计了一种矿用钢丝绳损伤检测系统。该系统采用超声测距装置检测钢丝绳表面断丝翘起幅度,若检测值超过限定距离则发出报警,若检测值未超过限定距离,则由强磁检测装置进一步探测钢丝绳损伤情况。测试结果表明,针对设置的20,30,35 mm钢丝绳表面断丝翘起幅度,该系统的检测误差基本上不超过±2 mm,从而验证了该系统可有效、准确地检测钢丝绳表面断丝情况及断丝翘起幅度,避免了表面断丝翘起幅度过大对强磁检测装置等造成损伤。
带式输送机煤流量自适应检测方法
李瑶, 王义涵
2020, 46(6): 98-102. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090087
摘要:
针对现有带式输送机煤流量检测方法存在检测精度易受环境影响、实现过程复杂、信息提取耗时较长等问题,提出了一种基于机器视觉的带式输送机煤流量自适应检测方法。首先,采用基于小波变换的融合算法对带式输送机运输煤料原始图像进行增强处理,并采用OTSU算法将增强图像分割为胶带图像和煤料图像;然后,对煤料图像进行空洞填充、轮廓检测和面积计算等处理,获取煤料图像面积信息;最后,采用基于数学建模的煤流量检测算法,通过计算煤料瞬时体积获得煤流量检测值。试验结果表明,该方法平均检测时间约为30 ms,检测结果与电子胶带秤测量结果的误差约为5%,满足带式输送机自动调速控制系统对煤流量检测实时性和准确性的要求。
一种矿用相控开关短路电流过零点预测算法
于铄航, 荣相, 杨帆, 魏礼鹏
2020, 46(6): 103-107. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020030074
摘要:
现有短路电流过零点预测算法存在计算复杂、误差大等问题。针对煤矿供电系统三相短路故障,提出了一种矿用相控开关短路电流过零点预测算法。该算法利用三相短路故障发生后1个基波周期内短路电流采样数据,通过累加和的方法计算短路电流的直流分量,可减小计算量、消除谐波干扰;将采样数据与直流分量相减,得到短路电流的交流分量;利用交流分量周期性的特点,可预测1个基波周期后任意采样时刻的交流分量;将1个基波周期后任意采样时刻的直流分量与交流分量相加,即可重构出任意采样时刻的短路电流,从而预测短路电流过零点。仿真和实验结果验证了该算法的准确性。
复合型本安电路放电特性影响因素分析
师亚萍
2020, 46(6): 108-112. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019110048
摘要:
现有针对复合型本安电路放电特性的研究或缺少数学分析,或对放电特性影响因素考虑不全面。针对上述问题,分析了复合型本安电路放电原理,推导出复合型本安电路在非振荡状态下的放电电流、功率及能量数学模型,采用Matlab软件对电源电压、电感、电容、电阻等参数对复合型本安电路放电特性的影响进行了仿真研究。结果表明:随着电源电压增大,放电电流和功率稳定值增大,同一时刻的放电能量增大;随着电感增大,对电流的阻碍作用增大,放电功率和能量均逐渐减小;在初始阶段,放电电流、功率和能量不随电容变化而变化,之后均随电容增大而逐渐增大;电阻R越小,对放电电流、功率及能量的影响越大;放电电流、功率及能量均随电阻R1增大而减小。