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2021年  第47卷  第8期

科研成果
煤矿智能化与矿用5G和网络硬切片技术
孙继平
2021, 47(8): 1-6. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17821
<摘要>(377) <HTML> (57) <PDF>(78)
摘要:
为减少煤矿井下采掘工作面作业人员,提出了采掘工作面无人5G地面远程控制方法:在采掘工作面设置工业摄像机和传感器,将视频、音频和传感器信号通过5G网络传输至地面,地面操作人员远程操作设备,将控制命令通过5G网络传输至采掘工作面,控制采掘设备动作。提出了用于综采工作面无人地面远程控制的无线传输距离和传输带宽计算方法。综采工作面两端头的基站之间无线传输距离应不小于综采工作面长度的1/2。综采工作面无人地面远程控制所需上行传输总带宽与综采工作面长度成正比,与液压支架中心距成反比,与支架和摄像机数量比成反比,与单台摄像机视频压缩后所需传输带宽成正比。为减少综采工作面无人地面远程控制对上行传输带宽的需求,可以只传输邻近采煤机的摄像机视频。综采工作面无人地面远程控制所需上行传输最小带宽与邻近采煤机的摄像机数量成正比,与单台摄像机视频压缩后所需传输带宽成正比。提出了综采工作面无人地面远程控制系统无线传输距离测试方法,用于综采工作面无人地面远程控制的5G等无线传输系统,在保证传输带宽、时延和可靠性的前提下,对无线传输距离进行测试,基站上行无线传输带宽不得小于20 Mbit/s,同时无线传输距离不小于150 m。提出了基于网络硬切片的全矿井一体化信息传输网,通过网络硬切片,给煤矿安全监控、矿井监控、人员及车辆和设备定位、视频监视、语音通信、5G通信等分配不同的信道,既保证了煤矿安全监控和矿井监控等高可靠、低时延的要求,也统一了煤矿井下信息传输网络,将煤矿安全监控网、矿用工业以太网和矿用5G通信网等多网合一。
“智能矿山建设构思与实践”专栏
智能矿山综合管控平台建设构思
韩安, 陈晓晶, 贺耀宜, 高文
2021, 47(8): 7-14. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17814
<摘要>(194) <HTML> (12) <PDF>(50)
摘要:
为有效解决煤炭行业现有单系统单业务应用模式下信息孤岛严重、业务互联互通不足、数据价值挖掘利用差,现有物联网、云计算、大数据、人工智能、智能控制等新一代信息技术应用点单一、智能化赋能不足等问题,将新一代信息技术与煤矿安全、生产、运营管控业务进行深度融合,提出了智能矿山综合管控平台建设构思。该平台基于智能矿山基础信息平台,通过煤炭工业大数据中心对海量异构数据进行汇聚、治理、存储与分析,应用数据中台、技术中台及应用中台实现在同一平台的数据融合、协同控制、业务联动与决策分析;采用统一门户、统一数据及统一风格,搭建集中统一的生产调度协同管控、风险综合防控管理、决策分析综合管控、精准运维检测等智能化管控业务应用中心:生产调度协同管控应用中心应用煤矿安全生产协同技术实现矿领导、调度指挥中心、科室、区队及班组之间业务互联与分级调度,固定场所下的融合调度与协同控制;风险综合防控管理应用中心以煤矿安全风险防控为核心,实现全矿风险危害要素的全方位感知、实时监视、动态评估、异常联动处置,保障煤矿安全生产高效有序运行;决策分析综合管控应用中心应用时序数据挖掘分析技术实现安全、生产、运营等指标态势分析及预测,通过安全生产大数据看板及个人工作台进行安全、生产、运营状况的综合展示;精准运维检测应用中心以运行探针方式,实现平台运行过程的故障监测及异常跟踪处理。
基于风险管控的煤矿安全综合防控体系
陈小林, 屈世甲, 佘九华, 张羽
2021, 47(8): 15-19. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17809
摘要:
针对以隐患管理为核心的煤矿安全管控体系存在实时性不高、覆盖面不够和复用性不强等问题,提出了基于风险管控的煤矿安全综合防控体系建设思路。通过风险辨识及风险管控措施落实、风险动态监视、隐患闭环管理等方面对煤矿风险进行整体化管控;以重大灾害风险辨识结果为依据,通过融合传统单一安全监测类系统,整合智能通风、排水、供电等系统,实现重大灾害风险的综合监视、数据分析、预警及异常联动处置;以煤矿企业风险库为核心,根据不同等级安全风险管控效果,形成安全风险指数并进行拟合,实现煤矿安全综合防控体系运行情况评估及异常预警。基于风险管控的煤矿安全综合防控体系有助于实现人员作业行为、设备安全状态、环境安全态势、管理安全等方面风险预控,达到防控重大风险、遏制重特大事故的目标。
综述
面向钻孔救援的超宽带雷达技术研究现状与方向
郑学召, 孙梓峪, 张嬿妮, 张铎, 徐承宇
2021, 47(8): 20-26. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17800
<摘要>(311) <HTML> (43) <PDF>(24)
摘要:
针对目前基于视音频的钻孔生命信息识别技术在矿山救援过程中所面临的视频遇障失效和声波衰减速度快的问题,研究了能穿透煤岩体、砖墙等障碍物进行非接触式测量,实现生命信息识别的超宽带(UWB)雷达技术。从UWB电磁波的传输衰减特性、杂波的滤除与优化、目标生命识别方法3个方面分析了UWB雷达技术在矿山钻孔救援中应用的现状和存在的问题:① UWB电磁波可对障碍物后人员生命信息进行识别与定位,其衰减与电场强度、磁场强度、频率和介质有关,但目前针对UWB电磁波传输衰减特性的研究缺乏对不同温度、探测频率、变质程度下各种煤岩体与UWB电磁波传输衰减之间的关系研究,对UWB电磁波的频率、入射角、极化形式等关键参数及变化特征与UWB电磁波衰减的关系研究较少。② 采用经验模态分解法、MUSIC算法等方法可以对UWB电磁波中的杂波进行滤除,但缺乏对杂波滤除后有效波特征和信息的准确提取和科学表征,难以提高生命信息特征提取与识别的速度与精度。③ UWB电磁波可以实现对障碍物后多目标人员生命体征如呼吸或心跳的捕捉,采用多雷达观测点可以提高低信噪比环境下生命信息探测的准确性,但目前的研究缺乏对呼吸、心跳、胸腔起伏、体温等多方位、多角度的系统识别与量化分析,缺乏对生命信息识别模型的优化方法。针对存在的问题,指出了UWB雷达技术在矿山钻孔救援应用中的研究方向:① 研究不同条件下各煤岩体自身性质和电磁波相关参数对UWB电磁波在煤岩体中传输衰减的影响,得出其传输衰减规律。② 研究适用于矿井环境下杂波的滤除优化与回波特征提取算法,利用回波中的有效特征建立学习样本数据库。③ 构建适用于矿井环境的人员生命信息识别模型,结合样本数据库对模型不断优化,以提高生命信息识别的精度和速度。
分析研究
智慧露天矿山总体框架及关键技术研究
付恩三, 刘光伟, 赵浩, 曲业明, 邸帅, 姜琳
2021, 47(8): 27-32. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021010058
<摘要>(163) <HTML> (11) <PDF>(22)
摘要:
结合我国露天矿山的特点,给出了智慧露天矿山的定义。介绍了智慧露天矿山的总体网络架构、业务架构、协同流程:采用云、边、端的总体网络架构,通过接入多源异构数据,充分应用大数据、云计算等先进技术,实现露天矿山各个生产环节的协同关联;业务架构采用“5层+3体系”的模式,“5层”自下而上分别为基础设备层、业务数据层、分析服务层、分析业务层和分析展现层,“3体系”分别为数据分析标准体系、安全规范标准体系、元数据及代码规范标准体系;智慧露天矿山协同自下而上要实现“基础+数据”支撑、矿山生产系统协同、灾害风险分析协同和经营决策协同。探讨了智慧露天矿山无人驾驶技术、数字孪生技术、大数据采集分析技术、风险监测及预警技术等关键技术。指出大数据、人工智能等技术将成为露天矿山智能化的核心驱动,平台化架构将成为未来智慧露天矿山系统的共性选择。
长钻孔远距离定点瓦斯含量测定研究
张建国, 李喜员, 高建成, 于红
2021, 47(8): 33-40. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17799
摘要:
针对定向长钻孔定点取样测定瓦斯含量存在取样时间长,因现场无解吸量而无法准确测定煤层瓦斯含量的问题,提出采用类比法推算取样过程瓦斯损失量和常压瓦斯解吸量的方法。在相同地质条件和瓦斯地质单元内,将普通回转钻机浅孔风排粉取样瓦斯含量测定结果中的损失量和现场瓦斯解吸量占总瓦斯含量的比例作为标准,类比为千米定向钻孔深孔定点取样损失量和现场解吸量占总瓦斯含量的比例,将类比的损失量和现场解吸量所占的比例加入最终所测定的残余瓦斯含量中,得到千米定向钻机深孔定点取样总瓦斯含量。将该方法用于平煤十一矿己16-17-24070工作面长钻孔瓦斯含量测定,对千米定向钻孔取样瓦斯含量测值进行修正。测试结果表明,运用类比法修正过的长钻孔瓦斯含量测值与短钻孔直接法测定的瓦斯含量测值对比,平均误差由12.07%降至0.19%;运用类比法修正过的长钻孔瓦斯含量测值与瓦斯含量预测值对比,平均误差由12.90%降至4.71%。
近距离煤层群重复采动下端面冒顶影响因素分析及防治
李强, 吴桂义, 孔德中
2021, 47(8): 41-49. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021020001
摘要:
现有对于端面顶板冒漏的研究多针对单一煤层,而近距离煤层群开采下的端面顶板稳定性不同于单一煤层,在近距离煤层群开采过程中,由于相邻煤层间距较小,上位煤层开采后会使下位煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化,容易出现端面冒顶、煤壁片帮和顶板压架等灾变问题。以发生过3次大范围冒顶事故的某矿井17101工作面为工程背景,根据煤壁、液压支架与端面顶板稳定性关系,建立了近距离煤层群重复采动下的“端面顶板-煤壁-支架”模型,确定了近距离煤层群重复采动下端面冒顶的影响因素主要为顶板-围岩强度、支架工作阻力、推进速度和端面距。利用UDEC模拟软件模拟不同影响因素对重复采动下端面冒顶的影响,得出以下结论:① 重复采动过程中顶板与煤体都受到了损伤破坏,顶板与煤壁强度降低,容易出现支架前端顶板冒落,引发顶板冒落与煤壁片帮等灾害,顶板-围岩强度越大,顶板的稳定性越好。② 液压支架工作阻力偏低是造成工作面端面冒顶的重要原因之一,液压支架工作阻力越大,端面顶板越稳定。③ 工作面推进速度对端面顶板稳定性具有明显的影响,工作面推进速度越慢,采场顶板下沉现象越严重。④ 端面距为端面冒顶的重要影响因素,端面冒顶与端面距呈线性相关,冒落高度随着端面距的增大而增加,端面距越小,端面顶板越稳定,但是端面距太小也会影响到工作面的正常开采,应根据实际情况来确定。针对4个主要影响因素,提出了重复采动下端面冒顶的防治措施,即增加顶板与围岩的强度、提高液压支架工作阻力、合理控制推进速度和减小端面距。上述防治措施可为近距离煤层群重复采动下端面冒顶提供有效的解决方法。
动压高帮回采巷道围岩稳定性控制研究
申斌学, 袁超峰, 古文哲, 刘治成, 宋天奇, 潘浩
2021, 47(8): 50-55. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021030023
摘要:
动压高帮回采巷道是指受动压影响严重、巷帮高度较大的巷道,该类巷道不仅在掘进期间要经历掘进过程的扰动,而且在后期使用过程中要先后经历相邻工作面和本工作面的回采扰动,使得该类巷道的围岩变形破坏过程异于常规的回采巷道,且高帮围岩的稳定性相对较弱。以某矿动压高帮回采巷道15312工作面进风平巷为研究对象,采用数值模拟和现场监测相结合的方法研究了动压高帮回采巷道变形破坏机理,并据此优化了动压高帮回采巷道的支护参数。通过分析15312工作面进风平巷的破坏特征,得出影响该进风平巷围岩稳定性的因素主要包括围岩自身强度、巷道断面尺寸、围岩所处的应力环境和围岩支护强度。从围岩自身强度低、巷道断面尺寸大和围岩所处的应力环境较为复杂的角度控制巷道稳定性较为困难,因此确定从优化巷道支护参数的角度来提高巷道整体的稳定性,即采取增大巷道两帮支护强度和支护范围的措施。数值模拟仿真结果表明,支护参数优化后的围岩支护应力场近似呈圆形,且其帮部围岩支护应力场范围较大,更适合15312工作面进风平巷围岩稳定性控制。现场锚杆和锚索受力情况监测结果表明,支护参数优化后,能实现动压高帮回采巷道的围岩稳定性控制,围岩变形量较小,控制效果较好。
非均质岩石损伤效应下沿空留巷煤柱宽度研究
解振华, 马添虎, 范张磊, 范超军, 刘虎生, 胡江, 李云飞
2021, 47(8): 56-62. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020120037
摘要:
目前对沿空留巷煤柱宽度留设的研究集中在煤柱强度、煤柱载荷与煤柱稳定性方面,很少考虑岩石非均质性及损伤效应对煤柱留设宽度的影响。以乌兰木伦煤矿四盘区12煤沿空留巷为工程背景,在考虑岩石非均质性-损伤效应基础上,综合运用理论分析、数值计算、现场实测等方法,研究了煤柱留设宽度。研究结果表明:岩石非均质性-损伤效应模型可较好地反映岩石破裂特征,即在弹性阶段仅有少量颗粒发生破坏,在塑性阶段裂隙开始发育并出现贯通现象,在破坏阶段形成沿对角线方向的宏观剪切裂纹;随着煤柱宽度增大,巷道整体变形量先减小后增大,在煤柱宽度为6 m时发生突变,煤柱周围损伤区域范围及损伤程度不断减小;采动侧巷帮变形量大于非采动侧,但随煤柱宽度改变的变化量较非采动侧小,采空区侧围岩损伤分布大于实体煤侧;根据理论分析、数值计算确定沿空留巷煤柱宽度为5 m并应用于工程现场,工作面前方巷道整体变形量不大,工作面后方60 m后顶板覆岩移动变形基本稳定,验证了沿空留巷煤柱宽度留设的合理性。
适用于井下的PWM整流器LCL滤波器设计
李山, 刘小东, 粟昶博
2021, 47(8): 63-68. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17683
摘要:
应用于刮板输送机、采煤机等机械设备的双PWM变频调速系统需在整流器网侧设置滤波器以抑制谐波电流。现有的LCL滤波器设计方法依赖经验,效率较低,且对阻尼损耗问题考虑不足,易导致器件发热,不适于井下应用。通过分析双PWM变频调速系统整流器的LCL滤波器模型,推导了电感比、阻尼电阻与电流衰减系数、谐振频率、阻尼损耗之间的数学关系,进而提出了适用于煤矿井下的PWM整流器LCL滤波器设计方法,即:在考虑滤波效果、电流快速跟踪能力、系统快速响应能力基础上,为减小整流器体积,应选取较小的总电感;在保证滤波效果前提下,尽量增大滤波电容;在允许的电流总谐波畸变率范围内,尽量选取电感比和阻尼电阻最小值。在Matlab/Simulink中搭建三相电压型PWM整流器控制模型进行仿真验证,结果表明采用该方法设计的LCL滤波器可使PWM整流器具有很小的超调量、快速的响应能力、较低的电流总谐波畸变率;通过样机实验验证了LCL滤波器能较好地抑制PWM整流器网侧电流,提高并网电流波形质量;通过对比验证了该方法设计的滤波电感和阻尼电阻均明显小于传统方法设计值,可有效减小滤波器体积,降低成本。
褐煤煤尘爆炸固态残留物粒度变化及气态残留物可燃性分析
祝超, 王浩
2021, 47(8): 69-76. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021040040
摘要:
煤尘爆炸固态、气态残留物是分析起爆地点、传播路径的物证及部署救援工作的依据。采用20 L球形爆炸系统对不同浓度、不同粒径的褐煤煤尘进行爆炸实验,分析了褐煤煤尘爆炸固态残留物的粒度变化和气态残留物的可燃性。结果表明:褐煤煤尘爆炸固态残留物的粒度范围较原始褐煤煤尘有所扩大;煤尘浓度一定时,随着煤尘粒径减小,褐煤煤尘爆炸固态残留物的D10变化率趋于负向增大,D50变化率在10%~20%范围内波动,D90变化率趋于正向增大;煤尘粒径一定时,随着煤尘浓度增大,褐煤煤尘爆炸固态残留物的D10先减小后增大,而D50和D90不断增大;褐煤煤尘爆炸气态残留物中主要含有O2,CO,H2,CO2,CH4,C2H6,C2H4,C2H2,C3H6;随着煤尘粒径减小或浓度增大,气态残留物中O2和CO2含量不断减小,CO,H2及CH4等烃类气体含量不断增大;煤尘粒径一定时,100~200 g/m3浓度范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物的可燃性指数小于1,表明气态残留物不可燃,300~600 g/m3浓度范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物的可燃性指数大于1,表明气态残留物可燃;煤尘浓度一定时,180~250 μm粒径范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物的可燃性指数小于1,表明气态残留物不可燃,38~180 μm粒径范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物的可燃性指数大于1,表明气态残留物可燃;气态残留物中H2和CO含量是影响褐煤煤尘爆炸气态残留物是否可燃的关键因素,且H2的影响程度最大,CO次之。
实验研究
煤矿带式输送机异物检测
杜京义, 陈瑞, 郝乐, 史志芒
2021, 47(8): 77-83. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021040026
摘要:
针对现有基于深度学习的带式输送机异物检测方法存在检测速度慢的问题,提出了一种改进YOLOv3模型,并将其应用于煤矿带式输送机异物检测。该模型以轻量化网络DarkNet22-DS作为主干特征提取网络,DarkNet22-DS利用深度可分离卷积替换标准卷积,大幅减少了网络参数,并通过复合残差块提高了特征利用效率;通过引入加权双向特征金字塔网络及双尺度输出来改进特征融合网络,提升了模型对大块异物的检测效率;采用完全交并比损失函数作为目标框回归损失函数,充分利用目标框信息间的相关性,提高了模型的收敛速度和检测精度。将改进YOLOv3模型部署在嵌入式平台Jetson Xavier NX上进行煤矿带式输送机异物检测实验,结果表明,相较于YOLOv3模型,改进YOLOv3模型权重文件大小降低了91.4%,大幅减少了模型参数,检测速度提高了16倍,达30.7帧/s,满足煤矿带式输送机异物实时检测需求。
基于GAF和DenseNet的滚动轴承故障诊断方法
姜家国, 郭曼利, 杨思国
2021, 47(8): 84-89. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021040095
摘要:
基于模型和基于信号的滚动轴承故障诊断方法存在建模困难、信号分析较繁琐等问题;基于数据驱动的滚动轴承故障诊断方法多采用卷积神经网络,但网络训练时随着网络层数增多会出现梯度消失问题,且将滚动轴承振动信号直接作为网络输入会造成特征提取不全。针对上述问题,提出了一种基于格拉姆角场(GAF)与密集连接卷积网络(DenseNet)的滚动轴承故障诊断方法。将滚动轴承振动信号一维时间序列通过GAF转换为二维图像,保留了时间序列数据之间的相关信息;将二维图像作为DenseNet的输入,通过DenseNet对二维图像进行特征提取,提升了特征信息利用率,进而实现故障分类。采用凯斯西储大学轴承数据集上的数据进行实验,结果表明,该方法能有效识别滚动轴承故障类型,故障诊断准确率达99.75%。为进一步证明该方法的优越性,选取灰度图+DenseNet、GAF+残差网络(ResNet)、灰度图+ResNet故障诊断方法进行对比,结果表明:GAF+DenseNet方法准确率最高,灰度图+ResNet方法准确率最低;经过GAF转换的二维图像与灰度图相比,保留了原始时间序列数据之间的相关信息;与ResNet相比,DenseNet由于采取更加密集的连接方式,能够更充分地提取故障特征。
基于时序数据的工作面设备故障预测研究
郑磊
2021, 47(8): 90-95. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17694
摘要:
煤矿工作面设备通常由多个复杂系统模块组成,各模块间具有强耦合性,且设备故障机理复杂,在进行设备故障预测时需对设备的运行状态、环境数据、操作数据等进行实时监测,从而获取电气、机械、热工类多参数时序数据。提出一种基于时序数据对工作面设备进行故障预测的方法:首先,采用时序对齐算法将采集的设备监测数据对齐,即对监测数据的时间列重新排序,以时间列为关键值,各监测数据作为标签值填入,空缺值以前值填充;然后,根据故障表征现象和发生机理选取故障相关因素,通过Pearson相关系数分析法计算相关因素间的相关性,由此确定故障预测因素集;最后,采用长短期记忆(LSTM)网络建立工作面设备故障预测模型,以归一化的故障预测因素集作为LSTM预测模型的输入、故障作为输出,将迟滞时间段引入LSTM预测模型,实现了迟滞性故障的超前预测。以采煤机过热跳闸故障为例进行试验,通过分析得出故障预测因素集为{滚筒温度,滚筒电流,滚筒启停,牵引温度,变压器温度,摇臂温度},当LSTM网络细胞层数为10、隐藏细胞数为10、学习率为0.001、迭代次数为1 500、1次读取样本个数为120时,采煤机过热跳闸故障的迟滞时间为30 min,采用测试集进行故障预测时可实现超前26 min预测,与迟滞时间相差4 min,表明采用LSTM网络可基于时序数据有效实现工作面设备故障的超前预测。
一种矿用变频器异步电动机参数离线辨识方法
蒋德智, 荣相, 陈雯雅, 王越, 连超
2021, 47(8): 96-101. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17815
摘要:
在无速度传感器条件下,变频器调速性能与异步电动机参数密切相关,现有异步电动机参数离线辨识方法大多采用快速傅里叶变换等计算电流幅值和相位,存在频谱泄漏和栅栏效应,易导致测量误差。针对该问题,提出了一种将异步电动机等效电路作为负载的矿用变频器异步电动机参数离线辨识方法。采用稳态响应法辨识定子电阻,采用瞬态响应法辨识转子电阻和漏感;在此基础上,建立同步旋转坐标系下的电动机模型,在恒压频比空载运行状态下,对电流瞬时值进行旋转坐标变换,计算电流幅值和相位,进而辨识定转子互感和空载励磁电流,避免了频谱泄漏和栅栏效应。Matlab/Simulink仿真结果表明,转子电阻和漏感参数辨识结果与给定的电动机模型参数相符,验证了参数辨识方法的准确性。380 V/22 kW电动机参数辨识实验结果表明,变频器施加给电动机的电压信号得到了正确的电流响应,与仿真结果一致,且电动机参数辨识过程可重复性较好,辨识精度较高。搭建660 V/90 kW矿用变频器机芯,将辨识出的电动机参数用于矿用变频器矢量控制系统,实测结果表明,变频器能够在额定转矩下带载启动并持续稳定运行,电动机参数辨识结果可满足矿用变频器矢量控制要求。
基于随机森林回归的煤矿瓦斯涌出量预测方法
吴奉亮, 霍源, 高佳南
2021, 47(8): 102-107. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021010024
摘要:
为了提高煤矿瓦斯涌出量预测精度和效率,研究了基于随机森林回归的煤矿瓦斯涌出量预测方法。采用bootstrap自助法重采样技术采集训练样本数据,构建随机森林回归模型,取决策树输出值的均值作为煤矿瓦斯涌出量预测结果,利用袋外数据评价回归模型预测性能。通过计算袋外数据残差平方均值和拟合优度,确定随机森林回归模型的最优超参数;采用袋外数据残差平方均值的增加量来表征特征变量的重要性,用累计影响权重达到90%的部分特征变量代替煤矿瓦斯涌出量的全部特征变量,筛选出采煤高度、煤厚、煤层瓦斯含量、采出率、埋深、日进度、开采强度、邻近层间距8个重要程度高的特征变量作为模型的输入变量。测试结果表明,采用全部特征变量和部分特征变量的随机森林回归模型均具有较好的预测性能,进行特征变量选择后,模型的平均绝对误差由022 m3/min下降到021 m3/min,平均相对误差由355%下降到347%。基于特征变量选择的随机森林回归模型在保证较好的预测性能的前提下,降低了预测模型特征变量的维度,减少了原始数据获取工作,提高了预测效率。
高地温矿井采空区煤自燃O2浓度场分布研究
刘轶康, 牛会永, 聂琦苗, 鲁义, 李石林
2021, 47(8): 108-114. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020120021
摘要:
针对采用理论分析及实验研究的方法研究高地温对采空区煤自燃的影响难以全面反映采空区煤自燃O2浓度场分布情况的问题,采用Fluent数值模拟软件对高地温矿井采空区及进风侧、回风侧和采空区中段O2浓度场分布规律进行了研究。结果表明:① 在通风量相同情况下,温度从248 ℃升高到40 ℃时,O2随着风流向整个采空区渗入,O2浓度随采空区深度增加而减小;在温度相同情况下,当风量从1 800 m3/min增大到2 700 m3/min时,采空区漏风范围大幅度提升,采空区O2浓度场变化明显,O2几乎充满整个采空区,并且高浓度O2存在范围增大,此时由于热量积聚导致采空区温度升高,采空区内部遗煤温度也持续增加,煤氧复合作用加快,遗煤自燃的可能性增大。② 随着采空区距工作面距离增大,O2浓度减小,进风侧O2浓度大于回风侧O2浓度,表明进风侧煤自燃危险性大于回风侧。③ 随着采空区深度增加,进风侧与采空区中段O2体积分数持续减小,曲线斜率呈先增大后减小趋势;回风侧O2体积分数随采空区深度增加呈减小趋势;大量高浓度O2存在于采空区150 m之前,整个采空区进风侧与采空区中段煤自燃危险性均大于回风侧。④ 当温度为40 ℃、通风量为2 700 m3/min时,氧化带最大宽度为131 m,将该最大宽度视为开采最大理论宽度,进一步计算安全推进速度,可为煤矿开采提供理论依据。
经验交流
基于国产化的煤矿安全监控系统联网平台设计
陈清
2021, 47(8): 115-120. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021030093
摘要:
现有的煤矿安全监控系统联网平台主要基于国外公司软硬件设备构建,对该平台进行国产适配,以响应国家信息安全自主可控的战略目标号召,设计了基于国产芯片、国产操作系统、国产数据库和国产中间件的煤矿安全监控系统联网平台。该平台的软硬件均适配国产化软硬件环境,同时搭配少量Java生态圈的开源框架。服务器和终端机CPU均采用飞腾处理器,打印机采用立思辰打印机;服务器操作系统采用银河麒麟,终端机操作系统采用统信;数据库采用开源内存数据库Redis、国产关系数据库达梦和开源列式存储数据库HBase;中间件采用东方通的TongLINK/Q和TongWeb;办公套件采用金山WPS,浏览器采用Firefox。利用内存数据库Redis建立实时数据缓存区,实现热点数据高效访问;基于达梦数据库性能指标,通过数据库表分区等模式进行存储结构设计;基于列式存储数据库Hbase设计历史数据存储系统,实现历史数据回溯性分析。现场测试结果表明,该平台数据传输延时小于10 s,实时数据查询耗时为240~300 ms,支持历史采样数据秒级回溯,能够满足煤矿监管监察国产化的应用需求。
安全监控系统瓦斯电闭锁检测装置设计
戴万波
2021, 47(8): 121-127. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020090027
摘要:
煤矿安全监控系统多采用基于CAN总线的多主通信机制或基于RS485总线的主从通信机制,通过截取甲烷超限报文时刻和断电器断电报文时刻来计算断电时间。由于不同厂家监控系统通信机制、通信协议各不相同,无法设计统一的瓦斯电闭锁检测方法和装置。并且目前针对缩短瓦斯电闭锁断电时间的研究较多,但在瓦斯电闭锁检测方面的研究很少。针对上述问题,基于传感器通信切换和模拟传感器报文发送的检测方法设计了一种安全监控系统瓦斯电闭锁检测装置。传感器通信切换方法不受通信协议和总线形式的限制,检测时采用同一厂家传感器、分站、断电器和安全监控软件,不需要知晓通信协议。该方法操作简单,且不需要厂家配合,适用于采用主从通信机制的瓦斯电闭锁检测。模拟传感器报文发送方法由检测装置模拟甲烷传感器发送报文与分站通信,不需要知晓通信协议,不需要考虑通信机制问题,报文由厂家提供,按照报文发送顺序和次数进行配置。该方法操作较为繁琐,需要厂家提供通信报文,但测试精度更高,适用于各种通信协议的瓦斯电闭锁检测。验证结果表明:传感器通信切换方法不适合基于CAN总线的多主通信;基于RS485或CAN总线的模拟报文发送方法均可实现本地断电时间<2 s,异地断电时间<20 s;2种检测方法的计时精度均可达到0.01 s。
基于灰色预测模型的井下精确人员定位方法
唐丽均, 吴畏, 刘世森
2021, 47(8): 128-132. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021060027
摘要:
井下精确人员定位系统的定位精度受非视距误差和时钟误差的影响,目前系统多采用基于卡尔曼滤波的定位方法来减小误差,但当测量数据出现粗大误差时定位精度不高。针对该问题,提出了一种基于灰色预测模型的井下精确人员定位方法。携带标志卡的人员进入定位读卡器覆盖范围时,定位读卡器通过无线定位技术计算出标志卡与读卡器之间的测量距离,并将测量距离存储至数据缓存区;根据数据缓存区内的测量距离,采用GM(1,1)模型计算出下一时刻标志卡与读卡器之间的预测距离;当该预测距离的预测精度等级为优,且与测量距离之差超过误差判断阈值时,用该预测距离替代测量距离,实现对测距误差的优化补偿。测试结果表明,该方法不受测距误差影响,当测量距离存在粗大误差时,该方法的定位精度明显优于基于卡尔曼滤波的定位方法。