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2022年  第48卷  第4期

科研成果
矿井电火花及热动力灾害紫外图像感知方法研究
孙继平, 李小伟, 徐旭, 张森森
2022, 48(4): 1-4, 95. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17917
<摘要>(146) <HTML> (62) <PDF>(33)
摘要:
煤矿井下电缆和电气设备漏电,大功率无线电发射在金属支护和机电设备金属上感生电动势放电,均会产生电火花,进而引起矿井火灾、瓦斯和煤尘爆炸。尽早感知矿井电火花,并采取电火花防治措施,可避免或减少矿井火灾、瓦斯和煤尘爆炸。尽早感知矿井火灾及瓦斯和煤尘爆炸,及时应急救援,可减少人员伤亡和财产损失。提出了矿井电火花及热动力灾害紫外图像感知方法:在采煤工作面、掘进工作面和巷道,设置紫外摄像机、拾音器和空气压力传感器,实时采集矿井紫外图像、声音和空气压力;对紫外图像预处理;排除日光灯、白炽灯和LED灯干扰;判别有电火花紫外图像,进行电火花报警;判别有火灾紫外图像,进行火灾报警;有紫外图像,但判别不是电火花和火灾紫外图像,同时拾音器监测到爆炸音或空气压力传感器监测到空气压力突然升高,则发出瓦斯和煤尘爆炸报警。紫外图像受白炽灯和日光灯干扰大,受LED灯干扰小。随着LED灯在煤矿井下全面替代白炽灯和日光灯,煤矿井下各种照明和信号设备对煤矿井下紫外图像干扰小。因此,矿井电火花及热动力灾害紫外图像感知方法具有外部干扰小,可靠性高,同时感知电火花、外因火灾、瓦斯和煤尘爆炸多种灾害等优点。
智能化煤矿数据仓库建模方法
王霖, 方乾, 张晓霞, 苏上海, 施展, 王雅琨
2022, 48(4): 5-13. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120007
<摘要>(160) <HTML> (44) <PDF>(47)
摘要:
煤矿海量数据存在“数据孤岛”、关联性弱、因缺乏数据管理体系而导致数据质量差等问题,难以充分利用,无法为煤矿智能化提供分析决策支撑。数据仓库可满足煤矿多源异构数据集成需求,为煤矿智能化应用提供数据基础。通过分析煤矿数据类型、特点及实际数据智能化应用需求,研究了智能化煤矿数据仓库建模方法。首先,构建了智能化煤矿数据仓库分层架构,分析了原始数据层、明细数据层、基础指标层、服务数据层、公共维度层数据模型特点;其次,以综采工作面数据为例,从业务数据分析、应用需求分析、分层架构设计等方面阐述了数据仓库建模过程;再次,介绍了煤矿数据仓库中数据模型构建方法,即通过维度对齐、维度关联、维度化指标聚合等将原始数据转换为数据仓库维度模型,解决了不同维度的煤矿数据关联应用问题;最后,为解决煤矿数据仓库的可迁移性问题,提出了煤炭行业通用数据仓库+参数化ETL(抽取、转换、加载)方法的煤矿参数化数据仓库设计思路。在实验室环境下搭建了煤矿数据仓库平台,对山西天地王坡煤业有限公司综采工作面数据进行处理,并基于处理数据辅助机理模型分析、实现可视化管理驾驶舱,验证了智能化煤矿数据仓库的实用性;对比了原始数据模型与智能化煤矿数据仓库的性能指标,结果表明智能化煤矿数据仓库的数据组织度、模型复用度和迭代难易度均优于原始数据模型,且数据查询响应时间缩短50%以上。
煤矿副井矿车装载物智能识别方法
靳舒凯, 魏冠楠, 王春明, 王统海, 吴忠伦, 杨克虎
2022, 48(4): 14-19, 30. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110055
<摘要>(103) <HTML> (37) <PDF>(21)
摘要:
基于卷积神经网络实现煤矿副井矿车装载物自动分类在实际应用中因触发条件简易导致误判与漏判情况,且非矿车物体经过检测区域时会引起司控道岔误动作。针对该问题,提出了基于目标检测模型的煤矿副井矿车装载物智能识别方法。在煤矿副井井口安装工业相机采集矿车装载物图像并进行人工标注,构建矿车识别数据集,对Faster R−CNN,YOLOv4,SSD 3种目标检测模型的识别准确率与实时性进行评估,根据评估结果,得出YOLOv4模型更适用于矿车装载物识别任务的结论;为降低模型大小,提高识别速度,对YOLOv4模型进行改进,采用轻量级网络MobileNet替换原有主干特征提取网络CSPDarknet53,构建MobileNetv3−YOLOv4模型,测试结果表明MobileNetv3−YOLOv4模型的平均精度均值(mAP)为95.03%,识别速度为44 帧/s,较YOLOv4模型分别提高了0.77%,27 帧/s;为方便现场应用和部署,提高矿车装载物识别模型在嵌入式平台上的性能,提出了基于层间融合和模型量化的模型加速方法,并将加速前后的MobileNetv3−YOLOv4模型移植到Jetson TX2进行矿车装载物识别现场试验,结果表明识别速度由MobileNetv3−YOLOv4模型加速前的18.3 帧/s提升至35.42 帧/s,mAP为94.68%,满足现场实时、精确检测需求,且仅在矿车经过检测区域时启动检测任务,避免了因其他物体引起的司控道岔误动作现象。
分析研究
煤矸石分拣机器人动态目标稳定抓取轨迹规划
马宏伟, 孙那新, 张烨, 王鹏, 曹现刚, 夏晶
2022, 48(4): 20-30. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110050
<摘要>(133) <HTML> (19) <PDF>(35)
摘要:
针对机器人分拣煤矸石时,因输送带打滑、左右摆动而造成矸石定位不准确、机械臂末端抓取失败和载荷冲击等问题,提出了一种基于机器视觉的煤矸石分拣机器人动态目标稳定抓取轨迹规划方法。首先,采用基于HU不变矩图像匹配算法对目标矸石进行匹配识别并获取目标矸石位姿;其次,分别建立机器人和相机−机器人运动学方程,并进行正逆求解,实现基于视觉的目标矸石精确定位;最后,采用位置−速度−加速度三环PID控制算法进行目标矸石动态跟踪,即位置环控制器的输入为获取的目标矸石精确位置,位置环控制器的输出作为速度环控制器的输入,速度环控制器的输出作为加速度环控制器的输入,将加速度环控制器的输出叠加到伺服电动机上,使机械臂末端与目标矸石达到位置、速度同步运动的效果,实现平稳快速抓取。采用Matlab对三环PID控制算法、三维比例导引算法和三维偏置比例导引算法进行仿真对比,结果表明:对动态目标的跟踪抓取在追随式、同步式和拦截式3种情况下,三环PID控制算法的响应时间、跟踪抓取时间均较比例导引算法及偏置比例导引算法短,且三环PID控制算法在整个过程中各轴速度、加速度连续、平滑,没有出现突变情况,可实现动态目标同步跟踪、精准抓取。在煤矸石分拣系统平台上应用三环PID控制算法、比例导引算法和偏置比例导引算法进行适应性实验,结果表明:3种算法在机器人运行时各个关节均未超限;三环PID控制算法完成抓取的平均时间比比例导引算法和偏置比例导引算法短;三环PID控制算法在抓取点的平均速度偏差在1 mm/s左右,跟踪速度偏差较小,可满足对高速度目标的同步跟踪、精准抓取要求。
面向煤矿安全监控的数据仓库关键技术
刘海强, 陈晓晶, 张兴华, 陈向飞
2022, 48(4): 31-37, 113. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010053
摘要:
针对煤矿安全监控系统因采用操作型数据存储方法而导致无法有效利用海量数据,且数据分析能力较差等问题,研究了面向煤矿安全监控的数据仓库关键技术。根据煤矿安全监控业务需求,提出了煤矿安全监控数据仓库的功能结构,设计了超限分析、调校分析、异常数据分析、测点网络中断分析和人员管理分析五大业务主题。采用事实星座模型建立了煤矿安全监控数据仓库的逻辑模型,分主题设计了事实表和维度表,采用SQL Server建立了数据仓库物理模型。根据煤矿安全监控数据仓库特点,提出了数据抽取、转换和加载策略,采用不同的数据抽取规则分主题进行数据抽取,对不同来源的数据进行格式转换、清洗和排序,在数据加载过程中进行预加载、加载和加载后处理操作。
矿用超声波气体流量计参考波形自动跟踪方法
柏思忠
2022, 48(4): 38-43, 59. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021080082
摘要:
为了提高矿用超声波气体流量计的准确性,针对互相关检测信号存在“跳波”现象并影响超声波渡越时间测量精度的问题,提出了一种矿用超声波气体流量计参考波形自动跟踪方法。在计算超声波渡越时间的同时,对超声波参考波形和实时接收信号波形进行互相关运算,并计算互相关检测的可信度,设定可信度有效阈值和参考波形更新阈值,对互相关系数进行可信度评审,判定参考波形是否更新。可信度小于有效阈值时,判定接收信号无效,重新发送超声波信号;可信度大于更新阈值时,判定接收信号波形与参考波形高度吻合,不需要更新参考波形;可信度介于有效阈值与更新阈值之间时,判定接收信号有效,用当前接收信号波形替换原参考波形,实现参考波形自动跟踪。分析了可能造成超声波渡越时间差错1个波形周期的2种超声波接收信号波形变化:包络连续形变和包络瞬间畸变。气体流速、温度、压力的变化会导致接收信号包络发生连续性变化;尖峰脉冲、随机信号和周期干扰等可能导致超声波接收信号包络发生瞬间畸变,包络瞬间畸变可分为主峰严重畸变、主峰微小畸变、非主峰畸变3种情况。试验结果表明,在不同流速、温度、压力、噪声影响下,超声波气体流量计的相对误差不超过±1.0%,满足精度1.0级测量要求,参考波形自动跟踪方法为流量测量的准确性和可靠性提供了保障。
采空区遗留煤柱下方回采巷道失稳特征及控制技术研究
曹金钟, 高乐, 闫鹏飞, 李猛, 陈雷, 杨华康
2022, 48(4): 44-52. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110032
摘要:
采空区下特厚煤层开采时,上煤层遗留煤柱和相邻工作面回采将对回采巷道的稳定性产生重要影响。目前对回采巷道变形破坏机理及控制的研究未考虑近距离留煤柱开采条件下特厚煤层临空巷道这种复杂环境。针对该问题,以塔山煤矿30503修复巷为工程背景,采用现场监测、理论分析及数值模拟等方法,分析了该巷道的变形破坏机理,提出了相应的巷道围岩支护技术。在30503修复巷顶板布置顶板离层仪,实时监测记录顶板各位置岩层位移情况。监测结果表明:由于受相邻工作面回采的影响,且距上覆遗留煤柱距离较近,30503修复巷顶板内围岩已较为破碎,在巷道掘进后,顶板变形速度快、离层量不断增加且影响范围广。针对监测结果,从遗留煤柱对巷道变形破坏的影响及基本顶断裂位置对巷道变形破坏的影响2个方面进行分析:① 巷道的不合理布置是导致修复巷破坏的重要原因,同时为避开遗留煤柱的影响,将巷道布置在距煤柱中心35 m(煤柱边缘25 m)以外的范围。② 修复巷掘进位置受遗留煤柱影响严重,巷道掘进前已处于高应力集中区域;当相邻工作面回采后,基本顶破断位置位于修复巷顶板上方,这是导致巷道顶板破碎的直接原因。针对上述分析结果,对不同宽度煤柱偏应力分布演化规律进行数值模拟分析,并提出了针对性的围岩稳定性控制技术方案:① 在保证煤柱具有足够的安全性和避免资源浪费前提下,将30503修复巷区段煤柱宽度设为8 m。② 近距离特厚煤层临空巷道掘进时,采用水力致裂措施减弱上覆遗留煤柱对煤层的影响。③ 选用锚网索+喷浆+单体支柱的支护方案对新掘巷道进行联合支护。为验证围岩稳定性控制技术的应用效果,采用十字观测法对30503工作面新修复巷掘进过程中的巷道变形量进行连续监测,结果表明:回采期间两帮变形量为90 mm,顶底板变形量为331 mm,围岩变形量得到了有效控制。
基于CT扫描的受载破裂煤样注浆封堵效应量化研究
李雁, 李兵, 姚帅, 姚邦华
2022, 48(4): 53-59. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17862
摘要:
针对现有注浆煤岩体裂隙结构和注浆效果研究不能定量表征的问题,利用自主搭建的受载煤岩体注浆试验系统开展了不同受载破裂煤样(单轴和劈裂)的注浆试验,采用工业CT扫描设备对破裂煤样注浆前后的裂隙结构进行了CT扫描,应用图像分析软件VG Studio MAX对CT扫描数据重建模型所得到的数字煤样进行裂隙精准提取,对受载破裂煤样注浆前后三维裂隙形态和结构进行了数字化定量分析。结果表明:① 单轴加载破裂煤样主裂隙由煤样顶部两侧贯穿至煤样底部并汇聚,裂隙宽度基本保持不变,煤样主要在剪切应力作用下破裂,整体破碎程度较大,主裂隙网络伴生较多的小裂隙;注浆前后50 mm以上裂隙由1条转为0,总裂隙体积由12 000 mm3减小为5 700 mm3,降幅为52.5%,表明单轴破裂煤样裂隙结构相对不利于浆液扩散流动。劈裂破坏煤样主裂隙由顶部沿竖直方向向下延伸至煤样中下部,裂隙宽度较大,然后向一方倾斜45°继续延伸,裂隙宽度逐渐变小;注浆前后50 mm以上裂隙由2条转为0,总裂隙体积由3 430 mm3减小为312 mm3,降幅为90.9%,表明劈裂破坏煤样裂隙结构有利于浆液的流动和充填。② 注浆前后单轴加载破裂煤样渗透率由57×10−14 m2下降到1.2×10−14 m2,下降了97.9%;注浆前后劈裂破坏煤样渗透率由75×10−14 m2下降到1.3×10−14 m2,下降了98.3%,表明注浆对不同破坏形式煤样均具有显著的堵漏降渗效果。 ③ 对比2种煤样注浆前后裂隙体积和渗透率变化情况可以看出,虽然单轴加载破裂煤样注浆浆液仅充填了部分裂隙,但渗透率与原始煤样差别很小,表明通过阻隔漏气通道的连通性,即可有效封堵裂隙并取得良好的注浆封孔效果。研究结果可为破裂煤体注浆量化分析及煤层注浆封堵效果评价提供有益参考。
闭坑矿井积水对邻近生产矿井的影响
郝红俊, 翟晓荣, 胡儒, 庞瑶, 黄楷, 吴基文
2022, 48(4): 60-65. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110008
摘要:
闭坑矿井老空水积水会破坏矿界煤柱强度,引起煤柱失效,对邻近生产矿井存在安全威胁。针对目前对矿界煤柱采动损伤后老空水位安全极限的研究不全面的问题,以淮北矿业集团朔石矿业东部井(简称朔石东部井)和淮北双龙矿业有限责任公司(简称双龙公司)为研究对象,分析了朔石东部井闭坑老空水对双龙公司的影响,并提出对应的水害防治措施。通过理论计算和数值模拟研究矿界煤柱采动损伤,根据损伤结果计算老空水位安全极限;基于伯努利方程及Darcy−Weisbach管道流理论,计算井下已有疏水钻孔疏水能力,评价安全性。研究结果表明:在采动影响下,矿界煤柱损伤宽度约为19 m,有效宽度仅为21 m,能承受的最大水位差为33 m,朔石东部井闭坑水位回升至−398 m时,煤柱存在失稳可能;井下现有疏水钻孔疏水量约为89 m3/h,小于矿井实际闭坑涌水量160 m3/h,达到极限水位后,老空水位仍可能持续回升,存在水害威胁。提出了扩大孔径、增补疏水钻孔等水害防治措施,研究结果可为类似条件闭坑水害防治提供借鉴。
实验研究
基于CenterNet−GhostNet的选煤厂危险区域人员检测
张翼翔, 林松, 李雪
2022, 48(4): 66-71. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021080058
<摘要>(104) <HTML> (28) <PDF>(27)
摘要:
选煤厂危险区域人员全身目标检测因粉尘、雾气干扰难以准确与生产环境背景区分,而人员头部特征相对易于辨识,且人头在监控视角下被遮挡的可能性较低,因此危险区域人员检测使用人员头部检测代替人员全身目标检测。目前基于深度学习的轻量化目标检测模型在特征提取时信息损失多,对人头目标的检测能力有限。针对该问题,提出了轻量化人员检测模型CenterNet−GhostNet。该模型以CenterNet网络为基础框架,将轻量化网络GhostNet与特征金字塔相结合作为特征提取网络,GhostNet对输入图像进行特征提取,提升网络特征表达能力,特征金字塔对GhostNet提取的不同分辨率的特征图中包含的信息进行融合,在提取高层语义特征的同时保留较多的细节信息;在较高分辨率的单个输出特征图上使用3个相互独立的卷积操作分支进行解码计算,以充分利用特征图包含的细节信息。实验结果表明:CenterNet−GhostNet模型对佩戴安全帽和未佩戴安全帽两类人头目标的检测精度分别为93.7%和91.7%,均优于通用的轻量化模型SSD−MobileNet、YOLOv4 Tiny和CenterNet−Res18;CenterNet−GhostNet模型部署在NVIDIA Jetson Nano上的单帧检测耗时为67 ms,满足选煤厂危险区域人员高精度、实时检测要求。
刮板输送机双机驱动系统研究
井万里, 贾立新, 李梦毅, 马宇心, 孙文尧
2022, 48(4): 72-77. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120097
摘要:
目前对刮板输送机采用永磁同步电动机驱动的研究大多通过改造驱动系统的机械结构提升效率,对永磁同步电动机优化控制算法的研究较少。针对该问题,将最大转矩电流比(MTPA)控制和弱磁控制引入刮板输送机双机驱动系统中:电动机运行于额定转速以内时,采用MTPA控制,通过给定直轴电流实现单位电流最大转矩输出,以降低电动机损耗;通过弱磁控制扩大刮板输送机的调速范围,以适应不同生产负载场景,保证刮板输送机出煤量相对稳定。针对刮板输送机双机功率不平衡的问题,采用主从控制方式,将机尾电动机作为主机,机头电动机作为从机,将主机的转矩给定传输至从机的MTPA控制和弱磁控制中,实现功率平衡。在AMEsim中搭建刮板输送机有限元仿真模型,在Matlab/Simulink中搭建刮板输送机双机驱动系统仿真模型,通过AMEsim与Matlab/Simulink联合仿真验证双机驱动系统控制策略的有效性,结果表明:电动机突然加大负载后,在MTPA控制下定子电流稳定在130.1 A,而在传统矢量控制下定子电流稳定在149.2 A,在相同输出转矩下,输出定子电流越小越好,因此MTPA控制的优势比较明显;弱磁控制将电动机的调速范围从0~750 r/min扩大到0~850 r/min;主从控制方式能够使从机与主机转矩一致,实现双机功率平衡。
基于深度网络的滚动轴承智能故障诊断
李金才, 付文龙, 王仁明, 陈星, 孟嘉鑫
2022, 48(4): 78-88. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010008
<摘要>(100) <HTML> (16) <PDF>(20)
摘要:
针对变工况环境中滚动轴承的源域与目标域数据分布不同及目标域样本不含标签的问题,提出一种基于深度自适应迁移学习网络(DATLN)的滚动轴承故障诊断模型。首先,搭建领域共享特征提取网络,采用多尺度卷积神经网络(MSCNN)抑制噪声的干扰,进而有效提取振动信号中蕴含的局部故障信息;其次,结合双向长短时记忆网络(BiLSTM)进一步学习局部故障信息中的时间特征;最后,引入迁移学习,以域对抗(DA)训练结合自适应联合分布(AJD)度量构建域自适应模块,通过最大化域分类损失和最小化AJD距离,实现源域与目标域特征样本对齐。在开源CWRU数据集与机械故障平台实测数据集上分别进行抗噪实验和迁移实验。抗噪实验表明:① 在无噪声环境下,MSCNN−BiLSTM网络的识别准确率均达到99%以上,说明其具有较好的特征提取能力;② MSCNN−BiLSTM,LeNet−5,MSCNN和BiLSTM四种网络的识别准确率随着噪声强度的增强而降低;③ 在3,5,10 dB噪声环境下,MSCNN−BiLSTM网络的平均识别准确率比LeNet−5,MSCNN和BiLSTM 网络的平均识别准确率均高,说明MSCNN−BiLSTM网络具有较好的抗噪声干扰性能;④ MSCNN−BiLSTM网络在无噪声环境和3 dB噪声环境下,均最先达到收敛且波动较小。迁移实验表明:① 在无标签目标域数据集上,DA+AJD方法的平均识别准确率为97.36%,均高于Baseline,迁移成分分析(TCA),域对抗神经网络(DANN)的识别准确率;② 在测试集混淆矩阵上,DA+AJD方法仅有1个样本被错误识别,表明基于域适应的DA+AJD方法具备更好的故障迁移诊断性能;③ 利用t−SNE算法对处理后的源域与目标域特征样本进行可视化,DA+AJD方法只有少量目标域的滚动体故障和外圈故障特征样本被错误对齐到源域的内圈故障特征样本区域,说明DA+AJD方法可有效减少源域与目标域的边缘分布和条件分布差异,进而达到更好的特征样本对齐效果。
用于智能矿山移动边缘计算的二维动态匹配算法
赵端, 申澄洋, 史新国, 刘柯
2022, 48(4): 89-95. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17782
摘要:
针对智能矿山井下移动边缘计算(MEC)应用中存在的由于资源分配不合理,移动用户将任务卸载到非最优边缘服务器,导致额外的传输时间和执行延迟,从而造成总任务完成率下降的问题,提出了一种基于偏好的二维动态匹配算法,优化MEC系统中资源分配决策。将1个时隙内MEC系统中移动用户的位置、任务所需计算量等数据发送至边缘服务器,根据设定的偏好值大小,形成边缘服务器对移动用户的偏好表,同时移动用户根据物理距离的不同,对所有边缘服务器也形成偏好表,2张偏好表相结合形成一张二维动态偏好表,进而抽象为一个二维矩阵,通过基于偏好的二维动态匹配算法对二维矩阵进行处理,得到移动用户和边缘服务器的匹配优化结果。仿真结果表明:与常规MEC场景卸载算法相比,基于偏好的二维动态匹配算法能够有效缓解大量突发任务场景下总任务完成率下降的问题,在极端情况下总任务完成率能够达到60%以上。
不同卸荷应力路径下煤样破坏特征实验研究
蔚斐, 张通, 刘文杰, 谭辉, 杨鑫, 于祥
2022, 48(4): 96-104. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090081
摘要:
现有对煤样破坏特征的研究存在力学参数测试较单一、应力加载方向局限性较大等问题,在反演真实地质情况下数值模拟效果存在偏差,并且对煤岩动力灾害和冲击倾向性判定是基于现场实验进行的宏观研究,对于真三轴不同卸荷应力路径下煤样的破坏特性机理研究较少。针对上述问题,以陕西彬长胡家河煤矿工程地质为研究背景,利用高频振动采集及孔内成像三轴动静载实验系统设计了3种不同卸荷应力路径下煤样真三轴实验,对煤样破坏特征、峰值强度特性、声发射响应特征和分形规律进行研究。结果表明:① 3种不同卸荷应力路径下煤样破坏模式均为拉−剪复合破坏,煤样宏观裂纹的起裂破坏大多发生在强度相对较低的煤样中;各煤样均为轴向应力不断增加,各水平应力在逐渐降低的过程中为煤样提供了拉应力,导致不同卸荷应力路径下煤样各表面破坏形态显著不同。② 3种不同卸荷应力路径下,峰值破坏阶段的应力存在明显差异,标准差达4.35 MPa,占峰值强度平均值的29.25%,当应力载荷超出3种应力路径峰值强度平均值14.87 MPa时,煤样均发生破坏。③ 在高静载作用下,煤样初始受载后孔隙压密,内部结构较均匀,无裂隙扩展使得在初始阶段损伤变量为0;在损伤稳定发展阶段,煤样内部孔隙达到极限状态发生破裂形成微裂隙,损伤变量为0.04~0.17;在加载过程中微裂隙迅速发育、扩展并汇集成裂隙网,煤样出现宏观破坏,煤样承载能力迅速下降,在损伤加速发展阶段损伤变量呈先急剧增加后平稳的趋势,最大损伤变量达1.0。当煤样受力失稳发生拉−剪破坏后,声发射能量出现突增现象;当声发射能量与损伤变量曲线交汇时煤样开始破裂,声发射能量与煤样破坏具有良好的耦合性。④ 在不同卸荷应力路径下,煤样分形维数越大,破碎程度越高。
基于PSO−SRU深度神经网络的煤自燃温度预测模型
贾澎涛, 林开义, 郭风景
2022, 48(4): 105-113. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090047
摘要:
针对传统煤自燃温度预测模型泛化能力不强、鲁棒性较差的问题,提出了一种基于改进粒子群(PSO)优化简单循环单元(SRU)的煤自燃温度预测模型(PSO−SRU模型)。首先,对煤自燃程序升温实验中采集的气体浓度数据进行预处理,选取与煤温相关性较强的O2,CO,CO2,CH4,C2H4作为煤温预测指标,并将预测指标划分为训练集和测试集;其次,构建SRU预测模型拟合训练集中煤自燃温度与气体指标间非线性规律,将平均绝对误差(MAE)作为适应度函数,利用改进的PSO算法优化SRU预测模型参数;最后,将测试集数据输入参数最优的SRU预测模型,利用SRU计算得到煤自燃温度预测值。实验结果表明:通过指标择优和参数寻优后,PSO−SRU模型在测试集上的MAE相较于基于支持向量回归(SVR)、随机森林(RF)和反向传播(BP)的煤自燃温度预测模型分别降低了12.58,7.65,5.91 ℃,表明PSO−SRU模型在一定程度上提高了预测精度;均方根误差(RMSE)分别降低了22.65,17.45,8.94 ℃,PSO−SRU模型在训练集和测试集上的决定系数(R2)仅相差0.03,表明PSO−SRU模型具有良好的泛化性和鲁棒性。
基于超声波全断面测风的矿井风网实时解算方法
宋涛, 王建文, 吴奉亮, 张国群, 陈菲, 冯雄, 李龙清
2022, 48(4): 114-120, 141. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090073
摘要:
煤矿井下风流时刻在变化,矿井通风网络解算是一种静态解算方法,无法实时解算动态风流,需要用风速传感器获取动态风流数据。但目前风速传感器稳定性差、覆盖不全面。针对上述问题,提出了一种基于超声波全断面测风的矿井风网实时解算方法。利用超声波在两点间顺风、逆风传播的时间差实现巷道全断面测风,风速测定结果与声速无关,不受声速、温湿度和气压等参数影响,而且避免了传统风速传感器的风道易受矿尘堵塞的难题,测风装置的分辨率达0.03 m/s。通过不断采集主要通风机风量、风压实时工况和部分井巷实时风量解算风网,利用固定风量法将监测风量融入通风网络中,解算得到全风网实时风量,采用拉格朗日乘数法实时修正解算风量与风阻,以解决冗余风量监测分支引起的节点风量不平衡、风阻波动产生的回路风压不平衡问题。通过算例验证了该实时解算方法的解算结果与监测值高度吻合,同时又严格遵循回路风压平衡与节点流量平衡的约束。对柠条塔煤矿含1 319条分支、945个节点的风网进行实时解算,1次解算仅用时0.9 s,解算迭代收敛次数约为105,且解算结果随时间不断更新,验证了该实时解算方法的可行性。
坚硬顶板强冲击工作面多巷交叉区域防冲技术
马宏源, 潘俊锋, 席国军, 焦彪, 刘少虹, 邬建宏
2022, 48(4): 121-127. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120039
摘要:
为保障坚硬顶板条件下强冲击工作面回采过程中多巷交叉区域安全性,以陕西彬长胡家河矿业有限公司401111工作面回采末期为工程背景,采用理论分析、现场监测的方法对末采期间工作面冲击危险区域进行等级划分,分析了导致冲击危险性升高的动静载荷影响因素,并对比了正常回采期间与末采期间动静载荷监测情况。结果表明:401111工作面开采煤层具有强冲击倾向性,在坚硬顶板条件下,本工作面采空区、相邻采空区和多巷交叉区域提供了静载荷,采空区上覆坚硬顶板悬顶和垮断及多巷交叉区域弹性能瞬时释放提供了动载荷,动静载荷共同作用导致401111工作面回采末期冲击危险性升高,且回风巷侧多巷交叉区域冲击危险性高于运输巷侧。采用冲击地压分源防治思想:针对上覆坚硬顶板,利用顶板预裂爆破技术,缩短顶板垮落步距,降低顶板大面积悬顶和垮断产生的动载扰动影响;针对巷道帮部和底板,采用大孔径钻孔卸压,减少静载荷积聚,降低围岩受载程度。同时对巷道顶板实施锚杆+钢带网与锚索联合支护方式,对巷道帮部采用锚索+钢筋梯网支护方式,提高围岩抗冲击能力。采用基于卸压和联合支护的防冲技术后,微震事件大幅降低,表明煤岩体破裂程度较低,完整性较好,保证了工作面回采安全性。
经验交流
基于Fisher判别模型的煤层底板突水水源预测
段李宏, 戴磊, 张金陵
2022, 48(4): 128-134. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110019
摘要:
针对传统矿井突水水源判别方法对矿井煤层底板突水水源判别准确率低的问题,以城郊煤矿二2煤层为例,建立了Fisher矿井底板突水水源判别分析模型。城郊煤矿二2煤层具有突水威胁的含水层分别为煤系砂岩含水层和底板太原组岩溶裂隙含水层,考虑到水化学离子的重要性及数据的有效性,采用煤层底板有突水威胁的砂岩水、太灰水和混合水3类水样分析资料作为样本,选取Ca2+,Mg2+,Na++K+,HCO3,Cl,SO42−这6种离子含量和矿化度作为矿井突水水源判别分析的变量。利用SPSS软件求得2个典型Fisher判别函数(第1和第2判别函数),计算出典型判别函数在3类水样类别的中心值,通过比较待判水样函数值与这3类水样类别的中心值距离即可判别样本归属哪一类别。利用回代估计法对Fisher矿井底板突水水源判别分析模型进行检验,结果表明:该模型的判别正确率达93.3%,判别结果可信度高。利用该模型对城郊煤矿二2煤层10个已知水样进行分类,得出10个水样的判别结果与实际情况吻合,判别正确率为100%。
基于透明地质的综采工作面三维煤层建模
薛国华
2022, 48(4): 135-141. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090079
摘要:
基于透明地质的三维煤层建模方法是间接解决煤岩识别难题的有效途径。现有三维煤层建模方法的研究大多集中于对空间三维实体的表达,对开采过程中煤层顶底板动态变化的过程缺乏研究,对于复杂地质条件的煤层顶底板高程的预测精度不高,难以满足采煤实际需求。针对上述问题,提出了一种基于透明地质的综采工作面三维煤层建模方法。基于进回风巷地质数据、钻孔测量数据、工作面切眼数据及利用三维地震再解释技术、槽波地震勘探技术与无线电磁波透视技术获得的煤层地质数据,应用离散平滑插值(DSI)算法预测煤层顶底板高程,构建综采工作面静态三维煤层模型。为提高工作面静态三维煤层模型精度,通过切眼开采新揭露的地质信息和DSI算法对其进行动态更新,获得更为精确的工作面动态三维煤层模型,基于更新后的三维煤层模型动态规划采煤机截割曲线,指导采煤机进行自动调高控制,从而实现自适应割煤。将该方法应用于黄陵一号煤矿810综采工作面,结果表明:DSI算法对煤层顶底板高程预测效果优于克里金插值算法和样条函数插值算法,插值平均绝对误差为0.015 5 m;每截割5 m对三维煤层模型更新1次,煤层顶底板高程预测误差≤6.3 cm,满足采煤机截割轨迹精确规划要求。
煤矿消防灭火机器人系统设计
陈骋, 陈秀田, 朱明亮
2022, 48(4): 142-146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090019
摘要:
消防灭火机器人是煤矿井下防灭火治理及灾后救援的重要装备,但目前针对煤矿井下复杂地形的机器人定位、路径规划、火灾险情识别及精准灭火等方面的研究较少。针对该问题,提出了一种煤矿消防灭火机器人系统设计方案。结合超宽带(UWB)、激光雷达技术,采用迭代最近点(ICP)算法实现机器人定位初始化;结合惯性测量装置和里程计数据,采用自适应蒙特卡洛定位(AMCL)算法实现机器人实时定位,实测定位精度达5~10 cm;通过加入寻找新目标点的容忍距离参数对A*算法进行优化,并采用优化A*算法实现机器人路径规划,测试结果表明,采用优化A*算法进行路径规划用时短,规划的路径合理;通过先验知识生成着火点特征图片库,采用模板匹配方法识别险情目标,测试结果表明,机器人对动态多着火点的虚警率在10%以内,识别率达90%,满足应用要求;采用速度、位置双闭环的串级控制器实现云台俯仰轴和偏航轴角度控制,并通过云台控制将消防弹投射至险情目标,为煤矿精准灭火提供技术支持。