工矿自动化

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康红普, 姜鹏飞, 刘畅, 王子越, 罗超, 郭吉昌, 陈志良, 曹晓明

2023, 49(1): 1-18. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18064

<摘要>(332) <HTML> (35) <PDF>(114)

摘要:
锚杆支护施工装备是煤巷锚杆支护成套技术的重要组成部分，直接影响锚杆支护速度与质量。经过长期发展，我国煤矿开发出多种形式的锚杆支护施工装备，包括单体锚杆钻机、锚杆钻车、掘锚机、掘锚一体机、锚杆转载机及跨骑式锚杆钻车等。系统分析了6类锚杆支护施工装备的发展历程、技术性能、技术参数、适用条件及最新进展。单体锚杆钻机轻便、灵活、技术成熟，形成系列化产品，得到广泛应用。机载锚杆钻臂可集成于不同平台，形成各种集成化施工装备：锚杆钻车形成了从两臂到九臂的多种机型，可紧跟掘进装备、与掘进装备交替作业，多臂协同、多臂平行作业完成锚杆支护施工；将机载锚杆钻臂配置于悬臂式掘进机上，开发出多种形式的掘锚机，实现了掘进与锚杆支护施工2个功能；掘锚一体机实现了国产化，研制出支护平台前移的掘锚一体机、护盾式掘锚一体机及钻锚一体化掘锚一体机；研制出从两臂到七臂的锚杆转载机、十臂跨骑式锚杆钻车，实现了锚杆支护与掘进、运输分区作业。介绍了钻锚一体化锚杆支护技术与装备，包括钻锚一体化锚杆、泵注锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统，将传统锚杆施工6道工序简化为1道连续工序，实现了“一键打锚杆”自动化作业，显著提高了锚杆支护速度和自动化程度。指出了煤巷锚杆支护施工装备发展趋势：数智化锚杆钻臂；锚杆钻臂定位、位姿自主调节及多钻臂协同控制技术；锚杆（索）结构与材料优化、锚注材料升级及施工设备完善；环境动态感知及随掘围岩稳定性判别；锚杆支护施工装备故障诊断技术；巷道围岩变形与支护体受力在线监测；建立大数据平台，实现锚杆支护自动化、智能化。

基于VO₂的超表面双气体传感器设计

刘海, 万寅辉, 陈聪, 高鹏, 戴耀威, 赵佳明, 王馨艳, 路祥宇, 赵思怡

2023, 49(1): 19-27, 79. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18041

<摘要>(197) <HTML> (26) <PDF>(25)

摘要:
针对传统矿用气体传感器易受温度和环境湿度等因素的影响而导致稳定性不高的问题，基于局域表面等离子共振原理和二氧化钒(VO₂)的相变特性，设计了一种基于VO₂的超表面双气体传感器。该传感器结构由上下三层组成，表面由多层金属−介电−金属(MDM)结构组成。根据VO₂的相变特点，通过改变施加的偏置电压，以电阻加热的形式加热金属板，精细控制VO₂的温度，通过改变VO₂的电导率来模拟VO₂的不同状态。当VO₂呈高温金属态时，上三层形成MDM结构， VO₂表现出金属性质，并在1 721.3 nm激发局域表面等离子体共振(LSPR)，实现甲烷检测，传感器的吸收率为94.3 %，甲烷灵敏度为4.21 nm/%。当VO₂呈低温绝缘态时，下三层形成MDM结构，在2 694.6 nm激发LSPR，实现氢气检测，传感器的吸收率为95.9 %，氢气灵敏度为2.10 nm/%。当环境折射率发生变化时，VO₂在2种状态下的吸收峰均发生了红移，且呈线性关系，可以用来检测环境折射率的变化。为验证该传感器的可行性，对6种不同体积分数的甲烷、氢气和4种不同的环境折射率进行了仿真和分析，结果表明：基于VO₂的超表面双气体传感器可有效检测出较低浓度的甲烷和氢气，且灵敏度较现有的气体传感器有较大提升；谐振峰偏移量与环境折射率变化量和甲烷体积分数变化量的计算值和理论值误差很小，说明该传感器具有很高的准确性；通过分析环境折射率和谐振波长的关系，得出该传感器对环境折射率的变化同样具有较高的检测灵敏度。

基于数据填补的煤自燃温度预测模型

翟小伟, 罗金雷, 张羽琛, 宋波波, 郝乐, 周妤婕

2023, 49(1): 28-35, 98. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022090032

<摘要>(198) <HTML> (50) <PDF>(34)

摘要:
现有煤自燃温度预测模型的建立大多基于较为完整的指标气体样本数据，但指标气体数据受仪器或人为因素影响，往往存在数据缺失现象，导致煤自燃温度预测准确率较低和过拟合等问题。针对上述问题，提出了将K近邻算法（KNN）、随机森林（RF）、决策树（DT）及基于粒子群优化的支持向量回归等填补算法（PSO−SVR）应用于缺失值填补，缺失数据和填补后的数据通过RF、SVR和极限梯度提升树（XGBoost）算法分别进行训练，并通过PSO算法优化参数，构建了基于数据填补的RF、XGBoost和SVR煤自燃温度预测模型。利用煤自然发火实验选取CO，CO₂，CH₄，C₂H₆，O₂作为指标气体，并设计整体缺失率为10%，20%，30%和CO，CO₂缺失率为40%，50%，60%共6种随机数据缺失，采用平均绝对误差百分比（MAPE）作为填补效果评价指标，采用MAPE、判断系数R²和均方根误差（RMSE）作为模型性能评价指标，对4种填补算法和3种预测模型进行对比。对比分析结果表明：在6种数据缺失情况下，DT填补算法填补效果优于其他3种算法，在CO，CO₂存在较多缺失值时，RF算法的填补值与实际值的MAPE偏大；在不调参的情况下，XGBoost模型虽然在训练集效果极好，但极易过拟合，而SVR模型预测效果极差，无法满足预测要求；在6种数据缺失情况下，基于DT填补算法的PSO−SVR、RF与PSO−RF煤自燃温度预测模型的MAPE均在4%左右，基于DT填补算法的RF模型无需优化就能较好地预测出煤自燃温度，具有良好的稳定性。

工作面采动破坏过程电阻率动态响应特征研究

鲁晶津

2023, 49(1): 36-45, 108. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18052

<摘要>(150) <HTML> (37) <PDF>(15)

摘要:
矿井电阻率法在采煤工作面水害隐患监测中发挥着重要作用，但工作面采动破坏过程的异常响应会对底板水害隐患的识别形成较大干扰。为了提高矿井电阻率法对采煤工作面底板水害隐患监测的解释精度，同步考虑覆岩破坏和底板破坏的影响，建立工作面采动破坏过程动态地电模型，通过矿井电阻率法三维数值模拟和反演成像，分别进行顶板监测和底板监测，分析采动破坏过程的电阻率动态响应特征，识别和提取底板水害隐患的电阻率响应特征。分析结果表明：采动破坏过程形成的电阻率异常区随回采工作面推进向前移动，在超前支撑压力的作用范围内会出现相对低阻异常，在采空区范围内会出现相对高阻异常；工作面固定位置的电阻率响应在回采过程中会经历先降低、后升高、再降低的过程，该过程与工作面回采过程中顶底板经历的周期性应力变化和破坏过程基本一致；底板水害隐患的低阻异常响应强度与其相对回采工作面的位置有关，当底板水害隐患的展布范围与采空区范围有所重合时，采空区的高阻异常响应会削弱底板水害隐患的低阻异常响应；当底板水害隐患的展布范围与超前支撑压力影响区范围有所重合时，二者的低阻异常响应会叠加在一起，使低阻异常响应得到一定幅度的增强；针对底板水害隐患进行纯异常提取后，可以消除采动破坏过程的影响，不同位置的底板水害隐患其纯异常响应强度基本一致，其垂向影响范围均大于采动破坏的垂向影响范围。

基于介电响应法的矿用电缆绝缘性能评估方法研究

雷志鹏, 李蔚, 何庆辉, 门汝佳, 王业, 刘洋, 吝伶艳

2023, 49(1): 46-55. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18047

<摘要>(677) <HTML> (59) <PDF>(21)

摘要:
矿用高压电缆在实际使用中易受电、热、机械应力等多种因素的复合作用，加速绝缘老化，易导致电缆漏电、短路或放电等故障。目前，介电响应法被引入矿用电缆绝缘性能及老化状态的分析、评估和诊断中。针对基于介电响应法的电缆绝缘性能及老化状态评估问题，以常用的三元乙丙橡胶（EPDM）绝缘矿用移动软电缆为研究对象，总结了介电响应法中回复电压法、极化/去极化电流法和频域介电谱法的基本原理和典型特征量，对比了3种方法的优缺点。介绍了扩展Debye模型提取的老化因子、修正介电驰豫模型提取的弛豫特征量、介质损耗积分谱等基于介电响应模型的电缆绝缘性能评估特征量。从基于回复电压法和极化/去极化电流法的矿用电缆电痕腐蚀程度判别，以及基于极化/去极化电流法和等温松弛电流、基于介电驰豫模型、基于介质损耗积分值的EPDM绝缘多应力老化状态评估等方面，综述了介电响应法在矿用电缆绝缘性能评估中的应用研究。针对基于介电响应法的矿用电缆绝缘性能评估存在的在线监测技术无法适应煤矿工况、评估用数据不足、绝缘劣化程度与特征量关系未知等问题，提出应重点研究电缆绝缘状态感知、绝缘劣化程度与特征量关系构建这2项关键技术。

智能化煤矿数据归类与编码实质、目标与技术方法

谭章禄, 王美君

2023, 49(1): 56-62, 72. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18032

<摘要>(250) <HTML> (46) <PDF>(42)

摘要:
智能化煤矿数据归类与编码是智能化煤矿数据治理与融合共享标准体系的关键组成部分，但目前尚未形成完善的方法论体系，亟待对智能化煤矿数据归类与编码的技术目标、技术原则与关键技术流程等进行深入研究。从分析智能化煤矿高级阶段目标实现进程中数据归类与编码要解决的核心问题出发，阐明了智能化煤矿数据归类与编码的实质：智能化煤矿数据归类与编码是对智能化煤矿信息世界的认识和构建，对智能化煤矿意识世界的优化和映射，以及对智能化煤矿物理世界的改造和描述。从总体战略目标、经营战略目标和职能战略目标3个层面分析了智能化煤矿数据归类与编码的目标要求：智能化煤矿数据归类与编码要推动煤炭企业商业模式重塑，改变价值创造驱动模式，聚焦关键价值活动，实现智能化煤矿数据的科学组织。提出了智能化煤矿数据归类与编码需要遵循科学性、规范性、完整性、唯一性、有效性的基本原则。给出了智能化煤矿数据归类与编码基本思路：智能化煤矿宜采用“基准−扩展”两阶段的数据归类思路，即第1阶段采用“业务域−数据域−对象−属性−数据元”的逻辑顺序确定智能化煤矿数据的归类基准，第2阶段采用“智能应用体系−智能业务系统−系统功能−数据资源”的逻辑顺序进行数据归类校验和补充；智能化煤矿数据编码宜采用线分类的层次编码方法。基于上述基本思路，指出智能化煤矿数据归类与编码总体上需要关注确定业务域、确定数据域、识别对象类、抽取对象类属性、定义数据元5个关键步骤。

低信噪比矿井提升机振动信号融合去噪算法

王厚超, 牛强, 陈朋朋, 夏士雄

2023, 49(1): 63-72. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18019

<摘要>(122) <HTML> (19) <PDF>(19)

摘要:
针对矿井复杂环境下提升机振动信号非线性、低信噪比的特点，提出了一种基于总体平均经验模态分解(CEEMDAN)和自适应小波阈值的矿井提升机振动信号融合去噪算法。首先，采用CEEMDAN算法对含噪的矿井提升机振动信号进行分解，得到本征模态分量(IMF)和残差，对IMF分量进行高低频判断，采用t检验方法对该均值是否显著区别于0进行检验，趋于0的IMF分量为高频分量，显著区别于0的IMF分量为低频分量。然后，选取合适的小波基函数及分解层数，结合自适应小波阈值方法对高频IMF分量进行去噪处理。最后，将处理后的高频IMF分量和未处理的低频IMF分量与残差重构，得到融合算法去噪后的振动信号。分别采用CEEMDAN去噪算法、CEEMD−小波阈值联合去噪算法、CEEMDAN−小波阈值联合去噪算法和CEEMDAN−自适应小波阈值融合去噪算法对仿真信号进行去噪处理，结果表明：① CEEMDAN−自适应小波阈值融合去噪算法去噪后的信号在局部波形特征和信号峰值上与原始信号相似度较高，信号波形的一些特征得到了很好的复原，在去噪过程中很好地保留了原始信号的特征信息。② 采用复合评价指标H作为客观评价标准，CEEMDAN−自适应小波阈值融合去噪算法的H值最小，说明融合去噪算法对于仿真信号的去噪效果要优于其他几种去噪算法的去噪效果。在黑龙江某矿正在运行的矿井提升机上进行试验，结果表明：① 采用db4小波基函数对含噪IMF分量进行4层分解，CEEMDAN−自适应小波阈值融合去噪算法去噪后的信号比较光滑，信号的一些波形特征也得到了很好的复原，在剔除噪声的同时，最大程度上保留了原有信号的特征信息。② 在实际矿井提升机振动信号的去噪过程中，CEEMDAN−自适应小波阈值融合去噪算法的H值最小，去噪效果最佳。

孤岛工作面碎软煤层跟管护孔钻进工艺研究

陈超, 陈天柱, 张马军, 王常委

2023, 49(1): 73-79. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040084

<摘要>(153) <HTML> (33) <PDF>(14)

摘要:
针对孤岛工作面高应力碎软煤层钻孔易卡钻、塌孔导致钻孔成孔难度大、瓦斯抽采效果差的问题，开展跟管护孔钻进工艺研究。选取王坡煤矿3206孤岛工作面作为试验地点，分析得出该工作面需要采用大转矩、高转速钻机，以增强钻具排渣效果及孔内事故处理能力，同时需要考虑高应力区段钻孔护壁工艺及孔内高效排渣工艺。提出采用跟管护孔钻进工艺过高应力区，以达到护壁效果；采用螺旋钻进氮气辅助排渣工艺，以增强排渣能力，降低钻进过程中煤炭自燃的风险；钻孔穿过高应力区后，通过优化钻具组合，进一步提高钻孔在碎软煤层中的成孔深度。现场试验结果表明：相比于直接采用回转钻进施工钻孔，采用二级护孔钻进工艺施工钻孔平均孔深提高149%，采用三级护孔钻进工艺施工钻孔平均孔深提高114%，说明跟管护孔钻进工艺比回转钻进工艺更适合3206孤岛工作面碎软煤层钻孔施工；插接式螺旋钻杆施工钻孔成孔率高于丝扣连接式螺旋钻杆，螺旋钻进氮气辅助排渣工艺的成孔深度明显大于干式螺旋排渣工艺；$ {\text{ϕ}}$100/63.5−28 mm插接密封式螺旋钻杆及氮气辅助排渣工艺最适合3206孤岛工作面瓦斯预抽钻孔施工，平均孔深为100.6 m，成孔率为80%，瓦斯抽采效果优于其他钻具及钻进排渣工艺。

悬臂式掘进机自主调速截割控制系统

张旭辉, 石硕, 杨红强, 杨文娟, 张超, 王甜

2023, 49(1): 80-89. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022110066

<摘要>(166) <HTML> (27) <PDF>(25)

摘要:
现有悬臂式掘进机截割控制采用较为单一的控制方法且截割头以定速完成巷道断面截割，未综合考虑轨迹规划和自主调速控制，在复杂地质条件下难以实现较高的巷道工程质量。针对上述问题，提出了一种悬臂式掘进机自主调速截割控制系统。首先，建立截割头和煤层的三维模型并导入ABAQUS软件进行有限元分析，获取截割头受到的反作用力与截割臂摆动速度之间的关系，进而得到截割臂摆动速度与截割头加速度之间的关系，利用k−means聚类方法对加速度进行分层。然后，采用层次包围盒算法建立截割头碰撞检测模型，规划合适的矩形巷道断面截割轨迹，经多次离散化生成离散截割轨迹规划点，对截割臂进行运动学逆解计算，获取截割头到达离散截割轨迹规划点所需的截割臂回转弧度、抬升弧度和伸长量，并利用全局最优速度模型求解截割头运动至离散截割轨迹规划点的速度。最后，利用加速度传感器采集截割臂振动信号，根据加速度分层结果确定截割臂目标摆动速度，并通过模糊PID控制使截割臂摆动速度及时准确地随截割头加速度的变化调整到目标摆动速度。实验结果表明：采用模糊PID控制可实现较为快速、无超调量的截割臂摆动速度调节；与定速截割控制相比，采用自主调速截割控制的巷道断面成形质量高，宽度规格偏差降低了37%，高度规格偏差降低了17%，满足MT/T 5009—1994《煤矿井巷工程质量检验评定标准》规定的巷道成形质量要求。

基于改进时空图卷积神经网络的钻杆计数方法

杜京义, 党梦珂, 乔磊, 魏美婷, 郝乐

2023, 49(1): 90-98. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030098

<摘要>(175) <HTML> (72) <PDF>(28)

摘要:
针对现有钻杆计数方法存在劳动重复、计数误差较大、未考虑动作的时序信息等问题，提出了一种基于改进时空图卷积神经网络（MST−GCN）模型的钻杆计数方法。首先，通过矿用监控摄像头获取井下打钻视频数据，采用Alphapose算法在图像序列中提取人体的关键点信息，得到单帧图像上的人体骨架和连续图像序列上的骨架序列数据，进而构建表征人体动作的骨架序列；然后，在时空图卷积神经网络（ST−GCN）模型的基础上设计了MST−GCN模型，采用远空间分区策略关注骨架上距离较远的关键点运动信息，通过注意力机制网络SENet融合原空间特征与远空间特征，从而有效识别骨架序列上的动作类别；最后，在打钻视频上利用支持向量机辨识打钻姿势来决定是否保存骨架序列，若骨架序列长度保存到150帧则使用MST−GCN模型识别动作类别，并根据实际打钻时间设置相邻动作的识别间隔，从而记录动作数量，实现钻杆计数。实验结果表明：在自建的数据集上，MST−GCN模型的识别准确率为91.1%，比ST−GCN、Alphapose−LSTM和NST−GCN动作识别模型的准确率分别提升了6.2%，19.0%和4.8%，模型的损失值收敛在0.2以下，学习能力更强。在相同条件的打钻视频上，MST−GCN模型、人工方法和改进ResNet方法的平均误差依次为0.25，0.75，21次，说明MST−GCN模型的计数效果更好。在真实打钻1 300根的现场应用中，MST−GCN模型的平均误差为9根，误计数结果低，能够满足实际需求。

基于双域和ILoG−CLAHE的矿井红外图像增强算法

范伟强, 李晓宇, 翁智, 刘斌, 杨坤

2023, 49(1): 99-108. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18033

<摘要>(215) <HTML> (22) <PDF>(21)

摘要:
针对矿井复杂作业环境导致的红外图像降质，现有红外图像增强算法在实现信噪比和对比度提升的同时易丢失场景细节信息或造成目标边缘模糊的问题，提出了一种基于双域分解耦合改进的高斯−拉普拉斯（ILoG）算子和对比度受限自适应直方图均衡化（CLAHE）（ILoG−CLAHE）的矿井红外图像增强算法。首先，利用双域分解模型将矿井红外图像分解为包含高频信息的细节子图和低频信息的基础子图；其次，利用CLAHE算法对基础子图的亮度、对比度和清晰度进行提升，用以突出监视场景的概貌特征，采用构造的ILoG算子对细节子图进行噪声抑制和边缘锐化，并消除梯度反转现象；然后，通过重构处理后的基础子图和细节子图得到了图像质量改善后的重构图像；最后，设计了一种灰度重分布的Gamma校正函数，对重构图像进行亮度调整，进而得到矿井红外增强图像。通过主观视觉和客观指标对算法进行了性能分析，结果表明：经基于双域和ILoG−CLAHE的矿井红外图像增强算法增强后的矿井红外图像，整体视觉效果和客观指标均得到了较大提升，综合增强性能和鲁棒性更好。相较于原矿井红外图像和6种对比算法（CLAHE算法、双边滤波器（BF）分解与基础子图的CLAHE增强（BF−CLAHE）算法、BF分解与Gamma变换（BF−Gamma）算法、引导滤波与Gamma变换（GF−Gamma）算法、自适应直方图均衡化（AHE）耦合拉普拉斯变换（AHE−LP）算法、基于反锐化掩膜（UM）的图层融合（LF−UM）算法），该算法的综合评价指标值分别提高了0.28，0.11，0.23，0.38，0.57，0.04，0.10，图像亮度、清晰度和对比度均得到了较大提升，并且实现了噪声抑制和边缘锐化，表明该算法适用于矿井复杂作业环境中红外图像的增强处理。

基于采煤机摇臂销轴载荷数据卡尔曼最优估计的煤岩识别方法

史光亮, 尉瑞, 王海燕, 葛津铭, 张盛涛

2023, 49(1): 109-115, 122. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060093

<摘要>(109) <HTML> (29) <PDF>(11)

摘要:
采煤机的煤岩识别技术是实现智能控制的基础，现有煤岩识别方法对现场环境及检测设备要求较高，实际综采工作面难以满足所需的必要条件。针对上述问题，提出了一种基于采煤机摇臂销轴载荷数据卡尔曼最优估计的煤岩识别方法，在不增加外部附属仪器设备的基础上，采用摇臂销轴传感器替换现有销轴感知煤岩载荷，可较好地适应环境。通过测定位于摇臂与连接架连接处摇臂销轴传感器的应变数据，采用卡尔曼最优估计算法对载荷数据进行降噪处理，使采煤机在截割煤岩等不同工况下的载荷区间相互分开，通过判断实时载荷处于的区间实现煤岩识别。构建随机载荷信号，利用卡尔曼最优估计算法、最小均方(LMS)自适应估计算法、变步长LMS自适应估计算法对相同信号进行降噪处理，结果验证了卡尔曼最优估计算法对载荷信号降噪处理的可行性与优越性。在某综采实验平台上进行煤岩识别验证，以空载、截割煤壁、截割岩石3个阶段对煤壁侧上端摇臂销轴沿采煤机牵引方向的载荷进行分析，结果表明：载荷数据未经卡尔曼最优估计算法处理之前，截割煤壁与截割岩石状态下的载荷区间存在重合部分，无法准确完成煤岩识别；载荷数据经过卡尔曼最优估计算法处理后，空载、截割煤壁、截割岩石3种工况下的载荷区间相互分开，且各工况下的载荷区间长度缩短了65.6%~83.3%，均方差降低了66.5%~72.9%，数据波动更小，有效提高了数据的辨识度。在实际工程应用中可根据该方法设定截割煤层状态时的期望载荷受力范围，一旦超出该范围，则判断此时不是截割煤壁状态，从而实现煤岩识别。

基于改进1DCNN的煤岩识别模型研究

尹玉玺, 周常飞, 许志鹏, 史春祥, 胡文渊

2023, 49(1): 116-122. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080051

<摘要>(234) <HTML> (46) <PDF>(24)

摘要:
随着煤矿智能化建设的加速推进，煤岩高效识别已成为煤炭智能化开采亟待解决的技术难题。针对复杂煤矿地质条件下现有煤岩识别方法精度低、通用性差且难以工程应用等问题，提出了一种基于改进一维卷积神经网络（1DCNN）的煤岩识别模型。以1DCNN为基础，使用多个连续卷积层提取一维振动信号特征，通过全局均值池化（GAP）层代替全连接层，以减少模型训练参数，节省计算资源，同时采用带有线性热启动的余弦退火衰减方法优化学习率，以避免模型训练陷入局部极小值区域，提升训练质量。为直观描述改进1DCNN模型对煤岩截割振动数据的特征提取过程和分类能力，采用t−分布随机近邻嵌入（t−SNE）流形学习算法对模型的特征学习过程进行可视化分析，结果表明，改进1DCNN模型通过逐层特征学习，很好地实现了对煤岩截割状态的识别。以陕西某矿MG650/1590−WD型采煤机截割煤岩时的实测振动数据为样本进行模型训练，结果表明，改进1DCNN模型在训练集上的准确率为99.91%，在测试集上的准确率为99.32%，可直接用于采煤机截割煤岩时的原始振动信号分类，并能够有效识别煤岩截割状态。与传统机器学习、集成学习及未改进的1DCNN模型相比，改进1DCNN模型具有明显优势，平均识别准确率达99.56%，同时大大节约了计算成本，提高了模型识别速度。

冲击倾向煤样在不同应变率载荷作用下破裂的声发射及碎片分形特征

吕鹏飞, 路康斌, 曹树斌, 丛日盛

2023, 49(1): 123-130, 139. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050022

<摘要>(172) <HTML> (32) <PDF>(10)

摘要:
现有研究针对岩石受载破坏过程的声发射特征和试件碎片分形特征进行了相关分析，并取得了一定成果，但针对冲击倾向煤样在不同应变率单向受载条件下破坏程度的定量描述及与加载应变率定量关系的研究较少。针对该问题，基于MTS−C64.106型电液伺服系统对原煤试件在单轴静态载荷基础上施加不同应变率载荷试验，试验中采用PCI−2卡型声发射卡对试件受载破裂过程开展实时监测，同时应用分形理论对试件破裂碎片进行处理分析，定量评价试件破碎程度及与载荷应变率的关系。结果表明：① 在静态载荷基础上，试件破坏的峰值强度随着应变率动载荷的升高而逐渐上升。② 随着加载应变率增大，声发射总体数量减少，高能声发射事件增多，声发射振铃计数和能量幅值经历缓增−急增−突增的一致转变过程。③ 试件受载的能量输入速率与声发射振铃计数、内部撞击数增长趋势基本一致，即也会经历缓增−急增−突增的变化。④ 声发射与震动强弱正相关的常数随加载应变率增大而减小，与高低能震动数之比负相关的常数随加载应变率增大而增大；原煤试件的破坏模式会发生剪切破坏−劈裂破坏−爆裂破坏的转变。⑤ 当加载应变率较低时，试件主要是上半部分破坏，应变率增大后由试件中部逐渐向下半部分延伸破坏，原煤试件在动载应变率作用下的破坏过程主要是裂纹的脆性扩展行为。⑥ 试件冲击碎片质量分维与加载应变率呈二次函数关系，即存在加载应变率极值使试件破坏程度达到最大，试验显示该值为2.8×10⁻³ s⁻¹。

基于小波包能量的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别方法

余星辰, 王云泉

2023, 49(1): 131-139. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18070

<摘要>(179) <HTML> (37) <PDF>(19)

摘要:
针对目前煤矿瓦斯和煤尘爆炸监测漏报率和误报率高，难以满足瓦斯和煤尘爆炸事故应急救援需求的问题，提出了一种基于小波包能量的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别方法。在煤矿井下重点监测区域安装矿用拾音器，实时采集煤矿井下设备工作声音及环境音等；通过小波包分解提取声音的小波包能量占比，构成表征声音信号的特征向量；将特征向量输入BP神经网络中，训练得到煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型；提取待测声音信号的小波包能量占比，并构成特征向量输入模型中,识别待测声音信号的类型。根据特征向量和输出结果要求，建立了输入层、隐含层和输出层节点数分别为8，8，1的BP神经网络用于识别模型的训练；通过分析煤矿井下声音信号小波包分解结果，确立了采用Haar小波函数，选择小波包分解层数为3。实验结果表明：瓦斯和煤尘爆炸声音通过小波包分解后的能量占比与其他声音差异明显，且不同时长的同一声音信号的小波包能量占比分布稳定，因此小波包能量占比可有效表征声音信号特征，且具有较强的鲁棒性；BP神经网络训练速度快，仅需较少的训练迭代次数就能达到期望误差，且在煤矿井下众多干扰声音信号存在的情况下识别准确率达95%，与极限学习机模型、支持向量机模型相比，BP神经网络识别效果最优。

矿井主要通风机切换过程供给风量优化控制研究

蔡佳浩, 王前进, 辅小荣, 马小平

2023, 49(1): 140-145, 161. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050059

<摘要>(267) <HTML> (48) <PDF>(20)

摘要:
矿井主要通风机切换过程中存在供给风量大范围波动甚至中断问题，易导致瓦斯浓度超限。常用的基于模型的主要通风机切换控制方法难以很好地对约束进行处理，基于智能算法的控制方法依赖专家知识和经验，具有主观性和随意性。针对上述问题，以中国平煤能源化工集团有限责任公司二矿主要通风机切换过程为研究背景，研究了主要通风机切换过程供给风量优化控制问题。基于流体动力学方程和图论概念，建立了主要通风机切换过程动态模型，并采用泰勒展开式对其进行线性化处理，以降低计算复杂度。考虑矿井主要通风机切换过程具有强非线性、系统状态受约束，且为离散的多输入多输出系统，采用模型预测控制（MPC）算法研究风量控制问题，设计了主要通风机切换过程MPC系统，将风量优化转换为二次规划问题。采用原对偶神经网络在线求解优化问题，实现主要通风机切换过程的供给风量实时优化控制。试验结果表明：MPC系统可有效实现主要通风机切换，切换过程中4个风门风量可很好地跟踪参考值；各采样时刻运算时间为0.027 s，满足切换过程实时性要求；供给风量波动最大值仅为0.9%，明显优于传统PID控制效果。

叠加效应下多孔水力割缝联合抽采参数优化研究

倪兴

2023, 49(1): 146-152. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060110

<摘要>(107) <HTML> (36) <PDF>(12)

摘要:
针对低透高瓦斯煤层在水力割缝过程中存在割缝扰动范围不清、割缝钻孔最佳布孔间距不明确的问题，以贵州豫能高山煤矿1908工作面为研究背景，在建立水力割缝煤体瓦斯抽采流固耦合模型的基础上，借助COMSOL数值模拟软件对高山煤矿1908工作面水力割缝钻孔有效抽采半径、孔周瓦斯压力变化情况进行了研究，并依据模拟结果深入分析了水力割缝钻孔在多孔布置时，受孔间抽采叠加效应影响下有效抽采范围及孔间瓦斯压力变化情况，最终得出其最佳布孔间距及抽采时间。结果表明：① 水力割缝钻孔单孔抽采效果随割缝深度显著提升，但钻孔有效抽采半径增速变缓，为得到最佳割缝深度，对各钻孔有效抽采半径进行三项式拟合，随着水力割缝深度的增加，有效抽采半径范围在快速增加后放缓且最终趋于平稳，并得出了高山煤矿最佳割缝深度为1.5 m，有效抽采半径达为3.1 m。② 在相同抽采时间下，煤体内瓦斯压力随两孔距的缩短而降低，说明孔间距越小，孔间受水力割缝所造成的扰动越剧烈，抽采叠加效应影响越显著。③ 在保证消突达标的前提下，选择孔距为7 m进行水力割缝钻孔布置效果最佳。④ 原本在“正方形”布孔方式中，孔心位置可能出现抽采盲区的点最大瓦斯压力仅为0.67 MPa，小于临界值，“正方形”布孔较“正三角”布孔的有效覆盖面积更大且减少了抽采重复区域，从而减少了钻孔施工量，提高了瓦斯治理效率。⑤ 通过现场试验得出在60 d抽采周期内，水力割缝钻孔布置采用孔距为7 m的“正方形”布孔可有效提高瓦斯抽采浓度及抽采纯量，并达到了延长高效抽采周期的效果，且可消除孔间煤体瓦斯抽采空白带，实现孔间区域煤体消突达标。

基于HDF5的煤矿地质三维层叠网格模型分布式存储研究

郭军

2023, 49(1): 153-161. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18056

<摘要>(134) <HTML> (34) <PDF>(17)

摘要:
利用真三维网格化地质模型实现煤矿地质环境的多分辨率表达和多参数的融合是煤矿地学大数据研究的重点内容之一，其核心问题是三维地质模型数据组织、存储和管理等。针对煤矿三维地质网格模型的数据规模、分布式存储和查询性能等问题，提出了一种基于HDF5的煤矿地质三维层叠网格模型分布式存储方案。在网格数据组织方面，采用层叠网格模型对三维地质模型数据进行压缩和分块组织，通过数据分块解决大规模地质网格模型数据的组织问题，数据分块同时将空间相近的数据集中在相邻的硬盘扇区或存储设备中，有利于提高数据调度效率。在数据存储方面，HDF5作为存储的持久化层，用来存储所有的原始数据，采用内存数据库Redis存储热点数据、HDF5元数据等相关信息。在Web服务方面，使用H5Serv发送和接收HDF5数据。在HDF5实现分布式方面，利用网络文件系统（NFS）实现HDF5数据在不同节点服务器之间的共享；利用Rsync和Inotify实现HDF5数据在不同节点服务器的数据实时同步；通过Nginx实现访问时反向代理和数据服务节点的负载均衡。使用Docker容器技术将数据节点服务和Nginx服务进行统一部署，通过JupyterLab交互式分析平台实现实时数据资源的调度和管理。实验结果表明：基于层叠网格的地质模型数据组织和基于HDF5的分布式存储可实现煤矿三维地质网格模型的有效存储管理和空间查询；相对于体素模型和八叉树模型，层叠网格模型数据量小，便于实现地质界面的空间快速查询，空间查询性能优于关系型数据库MySQL和非关系型数据库MongoDB，更适合煤系沉积地层结构的网格化表达和数据组织；基于HDF5的文件存储明显比MySQL和MongoDB数据库存储更加节省空间，主要原因在于HDF5的DataSet可直接存储数据块，不需要额外存储信息。基于层叠网格模型和HDF5的数据组织和存储方案可为煤矿三维地质网格模型的有效存储管理提供借鉴。

矿井无轨胶轮车智能化管理系统研究

杨坤

2023, 49(1): 162-170. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18002

<摘要>(354) <HTML> (84) <PDF>(72)

摘要:
针对煤矿井下工作地点分散、运输路线复杂、巷道内弯道和交叉路口较多的特点与煤矿智能化建设的需要，从需求分析、系统架构、关键技术等方面对矿井无轨胶轮车智能化管理系统进行了研究。通过需求分析，得出矿井无轨胶轮车智能化管理系统需具有矿井车辆精准定位、矿井车辆工况信息实时采集、矿井车辆移动通信、矿井车辆智能导航、矿井车辆状态实时监测与控制、矿井车辆防碰撞预警等功能。对系统关键技术进行了详细介绍：分析了UWB定位技术在矿井无轨胶轮车定位中的应用；提出矿井车辆移动通信技术宜采用WiFi与4G/5G技术；讨论了常用路径规划技术的特点，得出矿井无轨胶轮车导航技术宜采用成熟度较高的基于图搜索的路径规划算法，矿井无轨胶轮车导航和轨迹回放技术应与GIS技术相结合；研究了矿井车辆红绿灯控制技术，提出了十字交叉口模型和单车通行巷模型；研究了车辆防碰撞预警技术，根据行人和车辆位置及其与UWB基站的相对方向和距离，分析了同基站与跨基站2种模式下的防碰撞预警原理。实验结果表明，基于UWB的矿井车辆通信、基于A^*算法的矿井车辆路径规划及轨迹回放、红绿灯控制、防碰撞预警等功能均能满足应用需求。

矿井UWB定位系统中圆极化天线的优化设计和应用

鞠晨

2023, 49(1): 171-176. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18071

<摘要>(166) <HTML> (99) <PDF>(28)

摘要:
天线是矿井UWB定位系统的重要组成部分，为了抑制矿井UWB定位系统接收到多径反射信号，提高矿井UWB定位系统的定位精度，对传统圆极化天线结构进行优化，设计了一种新型右旋圆极化微带天线。先将矩形开槽改为十字开槽，改变电流轨迹，使两正交线性极化电场的相差更接近90°，从而降低轴比，使天线的圆极化纯度更高；再将十字开槽平滑扩展为菱形开槽，达到提高交叉极化电平、抑制正交旋向的效果，使天线实现更高的右旋圆极化纯度。采用HFSS软件对该新型右旋圆极化微带天线进行仿真，仿真结果表明，主辐射方向交叉极化电平＞10.4 dBi，可以达到很好的右旋圆极化效果。新型右旋圆极化微带天线样品的工作频带和回波实测结果同仿真结果基本吻合，说明该新型天线结构易于加工且正常容差内的工艺偏差对天线性能的影响程度相对较小。将制作的新型右旋圆极化微带天线样品用于基于到达相位差的UWB定位系统，并在隧道环境下进行现场测试，测试结果表明，信号到达相位差稳定性有明显改善，对多径效应有明显的抑制效果，可以有效提高UWB定位系统的定位精度。该新型右旋圆极化微带天线具有体积小、质量轻、易于制作等优点。

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2023年第49卷第1期

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