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2022年  第48卷  第12期

科研成果
煤矿智能化创新团队建设与关键技术研发进展
王国法, 富佳兴, 孟令宇
2022, 48(12): 1-15. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18060
<摘要>(442) <HTML> (78) <PDF>(110)
摘要:
分析了我国煤矿智能化建设存在的突出技术短板,提出了智能化系统设计、信息基础设施、智能地质保障、智能采掘运、智能安全预测预警、智能供电及智能水务、智能洗选、智慧园区、智能化露天煤矿、智能建井、智能设备及机器人、应急救援及监管监察等12个创新研发方向,组建了46个煤矿智能化优势创新团队,形成了煤矿智能化创新最强阵容。建立了创新链与产业链的目标协同、组织协同、知识协同和业务协同模式,依托136个省级以上实验平台,在煤矿智能化重要技术方向上率先取得一批创新成果,为我国煤矿智能化建设提供了技术支撑。提出了持续推进煤矿智能化建设、提高技术装备保障能力的9个重点突破方向:持续构建煤矿智能化支撑技术体系,加快构建煤矿智能化技术标准体系及建设效益评价体系,加快推进煤矿智能化“煤智云”研究应用,开发大采高放顶煤智能开采工艺成套装备,加强智能快速掘进技术及装备研发,开发高可靠性、高稳定性的矿用智能传感器,加快煤矿机器人集群关键技术研发,加快构建智能洗选成套装备及工艺包开发,强化露天煤矿智能化工艺先进成熟与核心装备稳定高可靠。
“煤矿机器人关键技术”专题
基于双目视觉的掘锚机器人行驶位移检测方法
马宏伟, 晁勇, 薛旭升, 毛清华, 王川伟
2022, 48(12): 16-25. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100066
<摘要>(240) <HTML> (46) <PDF>(37)
摘要:
针对掘锚机器人在行驶过程中存在行驶位移检测精度低的问题,以已支护锚杆为定位基准,通过分析掘锚机器人与已支护锚杆之间的距离关系,建立“掘锚机器人−已支护锚杆”定位模型,提出一种基于双目视觉的掘锚机器人行驶位移检测方法。煤矿井下环境复杂,采用传统的Census变换算法得到的视差图具有局限性,通过分析双目视觉测距原理,提出一种改进Census变换算法获取锚杆的视差图,得到锚杆图像的深度信息;提出一种锚杆特征的识别与定位方法,利用边缘检测算法对视差图中的锚杆进行轮廓提取,采用最小外接矩形与最大外接矩形算法对锚杆轮廓进行框选,提取锚杆特征点的像素坐标,通过分析坐标转换关系将特征点像素坐标转换为世界坐标,采用最小二乘法将特征点空间坐标拟合成一条直线,经过该直线建立平行于巷道截面的平面,解算双目相机与该平面之间的距离,进而得到掘锚机器人与该平面之间的距离。搭建移动机器人平台进行掘锚机器人行驶位移检测实验,结果表明:改进后的Census变换算法使误匹配率从19.85%降低到11.52%,较传统Census变换算法的误匹配率降低了41.96%;锚杆特征点识别与定位方法能够有效提取锚杆特征点的空间坐标,经过直线拟合得到相机与3个平行截面之间的距离分别为3 010.428,2 215.910,1 415.127 mm。在机器人定位实验中,将真实计算位移与理论位移进行对比,结果表明,真实计算位移曲线与理论位移曲线基本重合,理论位移与计算位移误差不超过20 mm,可实现掘锚机器人的自主、准确、实时位移检测。
基于改进YOLOv7的煤矿带式输送机异物识别
毛清华, 李世坤, 胡鑫, 薛旭升, 姚丽杰
2022, 48(12): 26-32. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100011
<摘要>(663) <HTML> (136) <PDF>(188)
摘要:
带式输送机煤流中会掺杂锚杆、角铁、木条、矸石、大块煤等异物,易导致输送带撕裂、转接处堵塞甚至断带。针对带式输送机巡检机器人难以在井下光照不均及带式输送机高速运行环境中高效、准确识别异物及模型部署不便等问题,以及YOLOv7模型对目标特征提取能力高,但识别速度较慢的特点,提出了一种基于改进YOLOv7的煤矿带式输送机异物识别方法。运用限制对比度自适应直方图均衡化方法对采集的带式输送机监控图像进行增强,提高图像中物体轮廓的清晰度;对YOLOv7模型进行改进,通过在主干提取网络引入轻量化无参注意力机制,提高模型对图像复杂背景的抗干扰能力和对异物特征的提取能力,同时引入深度可分离卷积代替主干特征提取网络中的普通卷积,提高异物识别速度;使用TensorRT引擎将训练后的改进YOLOv7模型进行转换并部署在NVIDIA Jetson Xavier NX上,实现了模型的加速。对煤矿井下分辨率为1 920×1 080的带式输送机监控视频进行识别,实验结果表明:改进YOLOv7模型的识别效果优于YOLOv5L和YOLOv7模型,识别精确率达92.8%,识别速度为25.64帧/s,满足精确、高效识别带式输送机异物的要求。
煤矿带式输送机分拣机器人异物识别与定位系统设计
薛旭升, 杨星云, 齐广浩, 马宏伟, 毛清华, 尚新芒
2022, 48(12): 33-41. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100024
<摘要>(393) <HTML> (68) <PDF>(60)
摘要:
机器视觉已在煤矿带式输送机分拣机器人目标检测与识别方面具有一定的理论基础,但目前煤矿带式输送机分拣机器人目标识别主要针对煤矸石识别,对造成输送带穿透、撕裂等的异物目标识别的研究较少,且在目标异物精确定位方面的研究也较少。针对上述问题,设计了一种基于机器视觉的煤矿带式输送机分拣机器人异物识别与定位系统,可对输送带上存在的不同类型和不同形状的异物进行识别与定位。采用双目视觉实时获取输送带上异物图像信息,并对图像进行预处理,基于Canny算子进行图像信息增强,通过灰度拉伸方法改进图像边缘信息,突出煤矿带式输送机上异物的边缘特征;利用形态学方法提取异物形状特征,建立异物图像特征样本库,通过图像特征匹配的方式解算出异物存在区域,实现异物类型的检测、分类与识别;在异物类型成功识别的基础上,以目标异物边缘特征值为基础,建立目标异物的感兴趣区域(ROI),构建相机、输送带与目标异物坐标转换关系,利用多目标质心快速计算方法求取目标异物质心坐标,实现对目标异物的定位。系统样机实验结果表明:煤矿带式输送机分拣机器人异物识别与定位系统异物识别率不受尺寸、材质和颜色等因素影响,能够实现输送带目标异物图像的采集、处理、特征提取、识别和位置定位,识别率为92.5 %以上,目标异物位置定位平均误差为3%左右。
煤矸石智能分拣机器人研究进展与关键技术
张烨, 马宏伟, 王鹏, 曹现刚, 魏小荣, 周文剑
2022, 48(12): 42-48, 56. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100048
<摘要>(458) <HTML> (54) <PDF>(84)
摘要:
煤矿井下矸石被煤泥包裹,煤矸石识别难、分拣难;井下工作空间狭小,设备布局难、煤矸石分流难,因此,需要研发高性能、高可靠的煤矸石智能分拣机器人。分析了煤矸石智能分拣机器人中煤矸石识别、机器人轨迹规划、多动态目标多机器人协同控制技术的研究现状。指出煤矸石分拣工作环境复杂,其质量和形状不规则且呈随机分布,因此,复杂环境下煤矸石识别与抓取特征提取、非结构环境下煤矸石稳定可靠抓取、多目标任务多机器人智能协同分拣是煤矸石分拣智能机器人的3大关键技术,提出要实现机器人智能分拣煤矸石,还应在适应于井下的煤矸石识别与抓取特征提取、动态目标精确定位和同步跟踪、机械臂在线轨迹规划和多机械臂智能协同控制等方法上进行深入研究。通过对上述3大关键技术的梳理,总结得出:煤矸石数据集构建与扩增、煤矸石识别与抓取特征提取是实现煤矸石高效识别的关键技术;动态煤矸石精准跟踪、机械臂同步跟踪动态目标轨迹规划和快速大质量目标稳定抓取是实现机械臂稳定抓取煤矸石的关键技术;多任务高效分配、防碰撞路径规划和智能协同控制是实现多机械臂高效智能协同分拣的关键技术。针对目前存在的共性问题,提出了解决方案:在识别方面,研究基于多模态深度学习的煤矸石识别与抓取特征提取方法,实现井下煤矸石快速识别;在轨迹规划方面,研究动态煤矸石精准定位和实时跟踪方法,实现机器人对动态煤矸石的自适应稳定抓取;在协同分拣方面,构建多层多机械臂协同控制模型,实现多机械臂复杂环境下高效智能协同分拣。
面向煤矿巷道环境的LiDAR与IMU融合定位与建图方法
马艾强, 姚顽强, 蔺小虎, 张联队, 郑俊良, 武谋达, 杨鑫
2022, 48(12): 49-56. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022070007
<摘要>(257) <HTML> (23) <PDF>(36)
摘要:
针对煤矿井下喷浆表面、对称巷道等引起移动机器人自主导航定位与建图失效问题,提出了一种面向煤矿巷道环境的激光雷达(LiDAR)与惯性测量单元(IMU)融合的实时定位与建图方法。首先对原始点云进行分割,利用IMU预积分位姿去除原始点云非线性运动畸变,并对得到的点云进行线、面特征提取。然后将相邻帧的线、面特征进行匹配,在分层位姿估计过程中融合IMU预积分所得到的位姿初值,减少计算迭代次数,提高特征点匹配的精度,解算出当前帧的位姿。最后向因子图中插入局部地图因子、IMU因子、关键帧因子,对位姿进行优化约束,对关键帧与局部地图进行匹配,通过八叉树结构实现地图构建。为验证所提方法的定位性能与建图效果,搭建了Autolabor 、VLP−16 LiDAR和Ellipse−N IMU的实验平台进行验证,并与LeGO−LOAM、LIO−SAM方法进行定性定量对比分析。结果表明:① 在煤矿巷道环境中,面向煤矿巷道环境的LiDAR与IMU融合的实时定位与建图方法三轴方向的绝对定位误差的均值和中值均小于32 cm;对X轴的位姿估计精度最高,其累计误差为1.65 m,位置偏差为2.97 m,建图效果整体良好,建图轨迹未发生漂移;构建的点云地图在完整性和几何结构真实性方面均有着优秀的表现,可以直观反映巷道环境的实际情况,具有良好的鲁棒性。这是因为点云匹配之后进行了分层位姿估计,多因子优化可有效降低全局累计误差,对轨迹精度和地图的一致性提升具有重要作用。② 在楼道走廊环境中,面向煤矿巷道环境的LiDAR与IMU融合的实时定位与建图方法三轴的误差均小于1.01 m,误差均值为5~15 cm,误差范围小,精度高;累计位置偏差仅为1.67 m;完整性与环境匹配均有良好的性能。这是由于通过增加关键帧因子,插入因子图对其新增节点相关变量进行优化,降低了位姿估计漂移,定位与建图精度相对较高。
基于集成式因子图优化的煤矿巷道移动机器人三维地图构建
邹筱瑜, 黄鑫淼, 王忠宾, 房东圣, 潘杰, 司垒
2022, 48(12): 57-67, 92. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100041
<摘要>(301) <HTML> (147) <PDF>(35)
摘要:
煤矿井下移动机器人作业精度严重依赖于同步定位与建图 (SLAM) 技术的准确性。井下长直巷道存在特征缺失、光照条件差等问题,导致激光里程计和视觉里程计易失效,因而限制了传统SLAM方法在煤矿巷道的有效应用,且目前SLAM方法的研究主要聚焦于多传感融合建图方法,较少关注激光 SLAM 方法建图精度的提升。针对上述问题,面向移动机器人在煤矿巷道的建图需求,提出了一种基于集成式因子图优化的煤矿巷道移动机器人三维地图构建方法,采用前端构建和后端优化的策略,设计了前端点云配准模块和基于滤波、图优化的后端构建方法,使建图结果更准确、适应性更强。针对煤矿长直巷道环境退化导致三维激光点云配准精度低的问题,融合迭代最近点 (ICP) 和正态分布变换 (NDT)算法,兼顾点云几何特征和概率分布特征,设计了集成式前端点云配准模块,实现了点云的精确配准。针对三维激光 SLAM 后端优化问题,研究了基于位姿图和因子图优化的后端构建方法,构建了集成 ICP和NDT 相对位姿因子的因子图优化模型,以准确估计移动机器人位姿。分别利用公开数据集 KITTI和模拟巷道点云数据集对三维地图构建方法在不同工况下的性能进行了实验验证。公开数据集 KITTI上的实验结果表明:在全局一致性上,该方法与传统基于特征点匹配的A−LOAM方法和基于平面分割及特征点提取的LeGO−LOAM方法具有相似的性能,在建图局部精度上优于其他2种方法。模拟巷道点云数据集上的实验结果表明:该方法具有显著优势,通过因子图优化,可得到一致性较高的三维地图,提升了煤矿巷道三维地图构建的精度及鲁棒性,解决了井下长直巷道特征点缺失、激光里程计失效的难题。
煤矿移动机器人LiDAR/IMU紧耦合SLAM方法
李猛钢, 胡而已, 朱华
2022, 48(12): 68-78. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100061
<摘要>(346) <HTML> (63) <PDF>(53)
摘要:
煤矿井下机器人同步定位与地图构建(SLAM)是当前研究热点,但针对提高激光SLAM在井下复杂条件下精度、鲁棒性的研究仍然不足;传统激光SLAM方法在井下复杂环境下存在累计误差迅速增大、旋转过程鲁棒性差、特征关联错误率高等问题;现有激光−惯性融合的定位建图紧耦合融合机制仍需进一步提高对煤矿井下复杂环境的适应能力。针对上述问题,提出了一种煤矿机器人LiDAR(激光雷达)/IMU(惯性测量单元)紧耦合SLAM方法(LI−SLAM方法)。首先利用IMU观测信息预测点云运动状态并进行有效补偿,减少由于剧烈振动、快速旋转等恶劣运动工况导致的点云畸变;然后提取雷达点云的边线与平面特征,基于点−线和点−面扫描匹配构建激光相对位姿约束,并在向量空间与流形空间解析推导了约束的残差、雅可比矩阵、协方差矩阵构建过程;最后通过构建雷达相对位姿约束因子、IMU预积分约束因子、回环检测约束因子,基于因子图优化方法完成LiDAR/IMU紧耦合,实现井下复杂环境下煤矿移动机器人的定位与地图构建。为了验证LI−SLAM方法在颠簸路面、复杂场景的精度与鲁棒性,基于煤矿轮式移动机器人平台,在野外、地下车库环境下进行了试验,在晋能集团塔山煤矿开展了工业性试验,并与当前最优的激光里程计与建图(LOAM)方法、激光雷达惯性状态估计(LINS)方法、雷达惯性里程计与建图(LIO−mapping)方法进行了对比。在野外颠簸路面的试验结果表明:LI−SLAM方法和LOAM方法的地图一致性最好,与真实路线基本吻合,LI−SLAM方法对旋转有更佳的适应能力,距离误差最小;LIO−mapping方法无法实时运行,在0.5倍速下可以获得完整轨迹,但在初始运动阶段出现了较大程度的方向偏移,初始化过程容易失败;LINS方法由于仅利用了最新的观测信息,在复杂地形下出现了漂移。地下车库环境下的试验结果表明:与LOAM方法、LINS方法、LIO−mapping方法相比,LI−SLAM方法具有较高的建模精度,局部精细化程度更高,运动轨迹更平滑。煤矿井下现场工业性试验结果表明:LI−SLAM方法在各类地形环境中均可以稳定、在线运行,满足鲁棒性、实时性需求;在煤矿移动机器人行驶巷道直线距离为273 m时,分析30组距离结果,平均误差小于15 cm,具有较高的定位和建模精度,基本满足煤矿移动机器人的定位建模精度需求,对于煤矿井下复杂环境下的移动机器人精确定位与地图构建有更好的适用性。
基于UWB和IMU的煤矿机器人紧组合定位方法研究
郁露, 唐超礼, 黄友锐, 韩涛, 徐善永, 付家豪
2022, 48(12): 79-85. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022070058
<摘要>(296) <HTML> (56) <PDF>(42)
摘要:
针对煤矿井下环境复杂,现有煤矿机器人定位方法受非视距误差等因素影响导致定位精度低、实时性不高等问题,提出了一种基于UWB(超宽带)和IMU(惯性测量单元)的煤矿机器人紧组合定位方法。首先利用UWB模块测量煤矿机器人与UWB基站之间的距离,使用煤矿机器人与UWB基站之间的距离真实值和实测值训练最小二乘支持向量机(LSSVM)模型,得到LSSVM修正模型;然后将煤矿机器人定位过程中UWB模块测得的实测值作为LSSVM修正模型的输入,通过LSSVM修正模型对UWB实测值进行修正,减小非视距误差对定位精度的影响,得到较为准确的距离信息;最后将经过LSSVM修正模型修正后的测距信息作为误差状态卡尔曼滤波(ESKF)的量测输入,与惯性导航解算出的位置信息构成量测方程,使用ESKF对UWB测距修正值与惯性导航解算的距离信息紧组合,完成状态更新,得到更为精确的位置信息,实现煤矿机器人的精确定位。UWB基站不同布置方案下的模拟实验结果表明:使用LSSVM修正模型可使UWB测距信息更为准确,进而提高定位精度。静态定位实验时,当4个UWB基站等高对称布置时,定位的均方根误差由0.146 4 m减小到0.1398 m;当4个UWB基站不等高对称布置时,均方根误差由0.300 8 m减小到0.200 6 m;当4个基站无规律布置时,均方根误差由0.317 5 m减小到0.314 2 m。因此,在实际场景中,应尽可能使UWB基站等高对称布置。动态定位实验时,通过LSSVM修正模型对UWB测距信息进行修正后的融合定位轨迹相较于修正前的融合定位轨迹更接近煤矿机器人的真实轨迹,验证了该紧组合定位方法能够减小非视距误差,提高定位精度。
煤矿巷道冲尘机器人关键技术研究
李世军, 任怀伟, 张德生, 马梓焱, 周杰, 赵叔吉, 杜明
2022, 48(12): 86-92. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100076
<摘要>(228) <HTML> (53) <PDF>(32)
摘要:
巷道冲尘机器人可有效解决煤矿巷道积尘问题,但目前尚未有相对成熟的产品能够实现“积尘自动监测−自主/半自主移动−自适应冲尘作业”。分析了国内外研发的轮轨式巷道冲尘装置、防爆洒水车、整车底盘外加液压机械臂的隧道冲尘车3种冲尘装备的研究现状,指出轮轨式巷道冲尘装置不含动力系统,巷壁积尘的冲尘效果受到限制;防爆洒水车自带动力,能够实现无轨长巷道全断面粉尘降尘,但喷水面较广,无法处理巷壁及管线等局部积尘严重区域;隧道冲尘车可解决长距离隧道积尘问题,但仍需人工驾驶及操作,且无法实现隧道积尘监测及自适应冲尘。通过上述分析,指出巷道冲尘机器人为了实现“积尘自动监测−自主/半自主移动−自适应冲尘作业”,需要从积尘监测、冲尘装置结构设计与控制、冲尘模式优化策略等方面进行研究。并指出上述研究面临的主要技术难题不仅包括防爆安全设计、井下精确定位、长距离无线通信等煤矿机器人共性难题,还包含积尘监测、自适应冲尘、车臂协同作业等巷道冲尘机器人特性难题。针对巷道冲尘机器人特性难题,提出了相应的关键技术:① 研发基于称重法、激光法、图像法相结合的多传感器融合的巷道积尘监测技术,实现煤矿巷道积尘长期监测及冲尘效果动态评估。② 开发基于防爆机械臂和“风−水−刷”联动冲尘装置的冲尘结构,实现自适应冲尘。③ 建立车辆底盘和机械臂的统一工作空间,研发基于力矩控制的巷道冲尘机器人小偏差自动补偿和柔性避障技术,实现动态场景下的巷道冲尘机器人的车臂协同。
煤矿井下多旋翼飞行器避障控制方法研究
郭爱军, 王妙云, 马宏伟, 张旭辉, 薛旭升, 杜昱阳, 张超
2022, 48(12): 93-100. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022110020
<摘要>(214) <HTML> (56) <PDF>(25)
摘要:
多旋翼飞行器以其机械结构简单、可悬停和多方向飞行的优点,在煤矿井下生产巡检方面具有良好的应用前景。但多旋翼飞行器移动速度较快,飞行时易受外界各种因素的影响,难以建立精确的数学模型,使得飞行控制算法的设计较为复杂,现有基于激光雷达的同步定位与地图构建方法难以满足多旋翼飞行器快速飞行的实时性要求。针对上述问题,研究了一种利用虚拟远程操控技术对煤矿井下多旋翼飞行器进行避障的控制方法。构建了煤矿井下巷道多旋翼飞行器虚拟远程操控系统,根据煤矿巷道初始信息在虚拟远程操控系统中建立虚拟巷道模型及全局导航地图,获得飞行器移动过程中已知的静态障碍物信息,建立已知的静态环境模型,减少多旋翼飞行器运动过程中对环境感知建模的任务量,提高虚拟远程操控的运行效率。在巡检过程中,多旋翼飞行器通过自身携带的传感设备检测移动方向的动态障碍物信息,虚拟远程操控系统将动态障碍物信息实时重建于初始虚拟巷道模型中,对虚拟环境状态进行实时更新,为飞行器局部避障控制提供可靠的环境依据;虚拟远程操控系统通过读取障碍物与飞行器的位置数据和移动速度信息,采用复合虚拟势场(CVFF)避障控制算法进行避障路径规划,如果检测到前方障碍物对飞行器移动产生较大威胁,远程操控人员可根据规划的避障路径对飞行器进行远程干预,实现了自主避障飞行和人为远程干预控制。为提高飞行器对动态障碍物的感知效率和精度,在虚拟势场(VFF)算法的基础上引入飞行器与障碍物、目标点之间的相对速度影响,提出了一种CVFF避障控制算法。从静态和动态障碍物避障路径2个方面对CVFF避障控制算法进行仿真验证,结果表明:静态情况下,相比VFF算法,CVFF避障控制算法在减少了迭代次数的同时,也缩短了飞行器的轨迹长度;动态情况下,飞行器成功避开了提前设定的2个动态障碍物,顺利到达设定目标点,验证了采用CVFF算法的煤矿井下多旋翼飞行器避障控制方法的有效性。
青年专家委员学术专栏
井下碎软煤层顶板加砂分段压裂瓦斯高效抽采技术
孙四清, 李文博
2022, 48(12): 101-107. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18050
<摘要>(180) <HTML> (63) <PDF>(13)
摘要:
碎软煤层瓦斯治理常采用的底板穿层钻孔抽采瓦斯方式存在掘进工程量大、治理周期长、钻孔揭煤段短、抽采治理效果受限等问题,顺层短孔抽采方式存在成孔性差、抽采钻孔短、抽采区域小等问题。通过统计淮北、淮南、焦作、晋城、阳泉5个典型碎软煤层矿区煤层及其顶底板围岩力学参数和地应力,可得顶板岩层弹性模量为碎软煤层的2.56~6.71倍,泊松比为煤层的0.48~0.84倍,分析认为碎软煤层顶板岩层具有高弹性模量、低泊松比特征,顶板较碎软煤层更易压裂改造。参考地面煤层气水平井顶板加砂分段压裂思路,提出了井下碎软煤层顶板加砂分段压裂瓦斯抽采思路,即在煤层顶板稳定岩层中施工定向长钻孔(与煤层距离一般小于10 m),对钻孔由里向外逐段携砂压裂,形成以定向长钻孔将岩层完全联通、煤岩层中压裂缝网将煤层充分沟通的多级缝网,通过支撑剂保障缝网处于开启状态,实现碎软煤层瓦斯顶板定向长钻孔大区域高效抽采。建立了山西新景矿煤业有限责任公司某工作面3号煤层顶板加砂压裂地质模型,采用FracproPT软件对煤层及顶板水力加砂压裂进行数值模拟,得出顶板压裂裂缝在垂直方向上主要向煤层延伸,在水平方向上压裂缝长为煤层压裂缝长的3.49倍,表明碎软煤层顶板间接压裂较煤层直接压裂效果更好。在该工作面3号煤层顶板施工2个609 m定向长钻孔进行水力加砂分段压裂瓦斯抽采工程应用试验,2个钻孔压裂影响半径为20~38 m,压裂钻孔瓦斯抽采纯量分别为1 025.11,2 810.60 m3/d,百米瓦斯抽采纯量为同区域顺层未压裂钻孔的5.6~15.4倍,实现了碎软煤层大区域瓦斯高效抽采。
基于边缘智能的煤矿外因火灾感知方法
赵端, 李涛, 董彦强, 王志强, 刘春
2022, 48(12): 108-115. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080046
<摘要>(268) <HTML> (46) <PDF>(31)
摘要:
对煤矿外因火灾隐患进行检测,实现对初期火灾的可靠判识,对于提升煤矿火灾检测水平有重要意义,也是未来智能矿山建设的重要方向。为了提高煤矿外因火灾检测速度、精度和实时性,提出一种基于边缘智能的煤矿外因火灾感知方法。对YOLOv5s模型主干网络特征尺度进行改进,使模型能够充分学习浅层特征,改善小目标检测性能,同时在原有的特征金字塔网络(FPN)基础上添加自适应注意模块,提高模型检测精度。为解决井下光线条件差、粉尘多及摄像机拍摄角度引起的图像检测误差和漏检问题,采用多传感器辅助检测,通过动态加权算法对视频检测信息和多传感器检测信息进行加权融合判识,构建了YOLOv5s−as模型。将YOLOv5s−as模型移植到智能边缘处理器上,并进行轻量化处理,实现边缘智能设备部署。实验结果表明:与未加入传感器信息融合推理的YOLOv5s−a模型相比,YOLOv5s−as模型推理时间略长,但交并比为0.5时的平均精度均值(mAP@0.5)提高了7.24%;与移植前的YOLOv5s模型相比,移植到智能边缘处理器上并进行轻量化处理的YOLOv5s−as模型mAP@0.5提高15.04%;SSD 300,SSD 512及YOLOv5s模型无法识别小目标火源,YOLOv5s−a,YOLOv5s−as模型能够检测出小目标火源,适应性较好;使用边缘处理方式时,YOLOv5s−as模型的响应周期为238 ms,比集中式处理方法缩短了38.66%。
分析研究
基于DEMATEL−ISM−BN的煤矿透水事故影响因素分析
洪伟斌, 盛武
2022, 48(12): 116-122. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060079
<摘要>(192) <HTML> (43) <PDF>(15)
摘要:
透水事故是继瓦斯事故和顶板事故之后的第三大煤矿事故,分析探究透水事故致因及各因素间的内在关联,可有效实现透水事故管控和遏制。现有煤矿透水事故研究大多针对某一地区或某一方面,缺少对影响因素之间复杂因果关系及各因素对事故影响程度的深入研究。针对该问题,采用决策试验和评价试验法(DEMATEL)和解释结构模型法(ISM)对煤矿透水事故影响因素进行分析,构建多级递阶结构模型,并将其映射到贝叶斯网络 (BN)模型中,得到DEMATEL−ISM−BN模型。基于数据驱动思想,对典型事故案例进行研究,确定了诱发煤矿透水事故的18个影响因素;结合专家打分结果进行DEMATEL分析,计算各因素的影响度、被影响度、原因度和中心度;根据DEMATEL分析结果计算得出ISM的可达矩阵,构建多级递阶结构模型;结合煤矿透水事故真实案例样本数据构建BN模型,利用BN模型的故障诊断功能进行致因链分析。DEMATEL分析结果表明,水害认识不足、水文地质探测不到位是煤矿透水事故发生的主要影响因素,其次是安全管理混乱和技术手段薄弱;ISM分析结果表明,三违行为和水源威胁在透水事件多级递阶结构模型中处于顶层,是诱发透水事故的直接因素;BN分析结果表明,水文地质探测不到位→水源威胁→透水事故是最可能的致因链。要有效遏制煤矿透水事故的发生,应提高员工水害意识,严格进行水文地质探测工作,从根本上杜绝生产人员的违法违规行为。
煤矿井下无线电波防爆安全功率阈值研究
梁伟锋, 孙继平, 彭铭, 潘涛, 张高敏
2022, 48(12): 123-128, 163. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18045
<摘要>(297) <HTML> (57) <PDF>(61)
摘要:
为防止煤矿井下无线设备发射的无线电波引起瓦斯爆炸,需限制煤矿井下无线电波的功率和能量。介绍了不同标准中规定的连续无线电波防爆安全功率阈值:① GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境 第1部分:设备 通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》参考了欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》的相关内容,省去了当爆炸性环境中不存在能作为接收天线的细长结构物体(如起重机)时,I类环境(代表性气体为甲烷)中连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W这一条款,并不加区分地规定I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W;② 英国标准BS 6656:1991《Guide to prevention of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation》规定I类环境中连续无线电波工作频率大于30 MHz时,无论是否有起重机等细长环形结构物体,连续无线电波防爆安全功率阈值均为8 W;③ 英国标准BS 6656:2002《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》及欧洲标准CLC/TR 50427:2004均规定没有起重机等细长环形结构物体的I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为8 W,有起重机等细长环形结构物体的I类环境中连续无线电波防爆安全功率阈值为6 W。分析了煤矿井下环境和设备特点:煤矿井下一般没有起重机;煤矿井下为受限空间,巷道较长,但巷道断面较小;沿巷道轴向敷设的电缆、水管、铁轨、钢丝绳、架空线、胶带架等轴向导体细长,但不会形成利于无线电波接收的环形天线;巷道工字钢支护等横向导体可以形成利于无线电波接收的环形天线,但工字钢导体截面大,不满足细长结构特征;综采工作面液压支架可以形成环形结构,但液压支架千斤顶将其分为多个环形结构,支架导体截面大,不满足细长结构特征。指出了煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值没有执行6 W之前,漏泄、感应、透地、多基站等矿井无线通信系统已广泛应用煤矿井下,未见有引起瓦斯和煤尘爆炸事故的案例。因此,不加区分地将煤矿井下无线电波防爆安全功率阈值定为6 W,缺乏理论分析和实验验证。特别是5G,WiFi6,UWB,ZigBee等矿用移动通信系统及人员和车辆定位系统工作频率较高,因此煤矿井下连续无线电波防爆安全功率阈值应为8 W。
实验研究
矿用变频器IGBT尖峰电压抑制的协调优化方法
王越, 史晗, 荣相, 蒋德智
2022, 48(12): 129-136, 143. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17884
<摘要>(140) <HTML> (33) <PDF>(20)
摘要:
目前常用优化母排结构参数、改变栅极驱动电阻、设计吸收电路等方法抑制因杂散电感引起的矿用变频器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)尖峰电压,但现有研究未揭示各方法之间的协调统一关系及协调优化准则。针对该问题,以BPJ5−630−1140型矿用四象限变频器为研究对象,在分析杂散电感对IGBT电−热性能影响的基础上,提出了IGBT尖峰电压抑制的协调优化方法:① 分析母排结构参数、栅极驱动电阻对IGBT尖峰电压和功率损耗的影响,结果表明,随着交流母排长度增大、宽度减小,IGBT尖峰电压和功率损耗均增大;随着栅极驱动电阻增大,IGBT尖峰电压减小,功率损耗增大。② 设计二极管钳位式吸收电路,通过试验验证了该电路可降低IGBT尖峰电压和功率损耗。③ 考虑到交流母排宽度对IGBT布局和散热性能无影响,选择栅极驱动电阻和交流母排长度为决策变量,采用BP神经网络−带精英策略的非支配排序遗传算法(BP−NSGAⅡ)实现IGBT尖峰电压、最高结温及散热器表面最高温度的多目标极值寻优。试验结果表明:在散热器表面最高温度为55~65 ℃、IGBT最高结温为74~80 ℃时,IGBT 尖峰电压最小值为1 861 V,相应的栅极驱动电阻为5 Ω,交流母排长度为300 mm、宽度为200 mm;优化后BPJ5−630−1140型变频器IGBT尖峰电压为1 856 V,较优化前的2 856 V降低了35%,有效抑制了IGBT尖峰电压,提高了矿用变频器运行可靠性。
基于振动信号的采矿机截割负载分类
许志鹏, 刘振坚, 庄德玉, 尹玉玺
2022, 48(12): 137-143. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022070078
<摘要>(138) <HTML> (41) <PDF>(11)
摘要:
针对人为判断采矿机截割负载类型的方式具有一定误差和滞后性的问题,提出了一种基于小波包分解和麻雀搜索算法优化BP神经网络(SSA−BPNN)的采矿机截割负载分类方法。该方法包括信号特征提取和模式分类2个部分:在信号特征提取部分,对采集的采矿机摇臂振动信号进行小波包分解,得到各子频带能量及信号总能量,经归一化处理后得到表征不同负载类型的特征向量,并利用主成分分析法对特征向量进行降维处理;在模式分类部分,通过SSA优化BPNN的初始权值和阈值,将特征向量作为SSA−BPNN的输入,从而实现负载分类识别。以MG500/1170−AWD1采矿机为对象,将磁吸式加速度传感器吸附于采矿机摇臂一轴靠近支架侧的壳体处,采集采矿机滚筒空载、截割铝土和岩石3种工况下的振动信号进行试验。试验结果表明:不同截割负载下振动信号在各子频带能量上表现出一定的差异性,表明经小波包分解后得到的能量特征可以作为区分不同负载类型的特征向量;与BPNN相比,SSA−BPNN收敛速度更快、识别准确率更高,负载分类识别准确率达95.3%。
水岩作用下区段煤柱合理宽度研究
孔繁龙, 刘敬东, 田灵涛, 张智强, 王冬冬, 郑志强, 徐强
2022, 48(12): 144-150. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060062
<摘要>(133) <HTML> (40) <PDF>(11)
摘要:
采空区积水与煤岩作用会弱化区段煤柱强度而引起煤柱逐渐破坏和失效,水岩作用是区段煤柱合理宽度设计必须考虑的关键因素。以内蒙古鄂尔多斯新街矿区某矿31采区与33采区间煤柱留设为工程背景,开展了单轴压缩实验和理论分析,结果表明:水岩作用对煤体强度参数弱化产生显著影响,区段煤柱积水侧塑性区宽度随煤体强度弱化程度的增加而扩大;基于区段煤柱保持稳定的基本条件,计算得到区段煤柱合理的理论宽度为53.62 m。利用FLAC3D模拟了水岩作用的过程,分析了不同宽度煤柱的稳定性特征,结果表明:煤柱宽度较小时,采空区积水弱化作用对较高应力集中的弹性核区具有更强的破坏能力;随着煤柱宽度的增大,弹性核区应力集中程度降低,采空区积水侧垂直应力低于原岩垂直应力的区域范围则有所增大,煤柱两侧应力集中分布趋于均匀,采空区积水弱化作用对弹性核区的影响不再显著。综合理论计算与数值模拟结果,确定区段煤柱宽度为70 m。工程应用结果表明,70 m宽留设煤柱可以有效承载顶板压力,巷道围岩变形小,锚索受力稳定,保障了矿井安全生产。
经验交流
煤矿井下水处理装置智能控制系统设计
赵康康, 刘波
2022, 48(12): 151-157. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050056
<摘要>(207) <HTML> (54) <PDF>(37)
摘要:
煤矿综采工作面乳化液配制用水水处理装置多采用手动或液控方式进行制水与滤芯清洗,无法实时监测产水数据和装置工作状态,自动化程度低,操作复杂,维护工作量大。通过分析煤矿井下水处理装置智能控制需求,设计了双控制器热冗余方案,即采用2台控制器分别实现水处理装置制水和自动清洗功能。基于该方案设计了煤矿井下水处理装置智能控制系统:以KXH12B型矿用本安型控制器为核心控制单元,采集水箱液位传感器、压力传感器、流量传感器、电导率仪等监测的数据,实时监测水处理装置运行状态;2台控制器以主从模式分工协作,主从控制器分别实现自动制水、自动清洗等控制功能,且在主控制器发生故障时,其制水功能可自动切换至从控制器,保障了煤矿井下乳化液配制用水不受影响。搭建测试平台进行系统测试,结果表明该系统实现了自动制水、自动清洗、数据监测等控制功能及主从控制器热切换功能。该系统已应用于煤矿现场水处理装置,运行稳定可靠,实现了煤矿井下制水设备无人值守。
矿用电磁先导阀换向特性低功耗测试平台设计
李俊士
2022, 48(12): 158-163. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060072
<摘要>(142) <HTML> (38) <PDF>(21)
摘要:
电磁先导阀是综采工作面实现无人化开采的核心元部件之一,目前矿用电磁先导阀测试方法多采用乳化液泵作为液源,功耗较大,此外,系统压力调节多采用手动调节方式,效率低。针对上述问题,设计了一种矿用电磁先导阀换向特性低功耗测试平台。该平台包括液压系统和测控系统2个部分。液压系统主要包括电气比例阀、气液增压泵、被试阀、蓄能器等部件,采用双头气液增压泵作为液源,以降低能耗;采用电气比例阀调节气液增压泵入口气压,将被试阀入口压力调节至所需值,实现系统压力自动调节。测控系统包括上位机、采集卡、程控电源、电气比例阀控制器(PID控制器)、多种传感器等,根据传感器安装和精度要求,选用激光位移传感器测试电磁铁顶杆位移,并采用PID控制器调节电磁先导阀进液口的压力。该平台可实现电磁先导阀换向过程中各项性能指标的实时动态监测和数据存储,包括电压、电流、进出口压力、顶杆位移、动态响应时间和实时功耗等,最大功率仅为800 W,提升了测试安全性和效率,大幅度降低了系统能耗,为研究人员提供了高效、可靠的测试和验证手段。