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2023年  第49卷  第10期

综述
综采工作面液压支架状态感知与分析技术研究
李建, 任怀伟, 巩师鑫
2023, 49(10): 1-7, 103. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023040075
<摘要>(205) <HTML> (39) <PDF>(74)
摘要:
综采工作面智能化是煤矿智能化的关键环节,液压支架状态感知与分析是综采工作面智能化的前提和智能控制的基础。液压支架压力和位姿是液压支架能够直接监测的关键状态数据,二者进行融合分析是液压支架智能控制和智能执行的依据。以液压支架压力和位姿为研究对象,介绍了智能化综采工作面状态感知架构。从液压支架受力和上覆岩层矿压2个角度总结了液压支架压力感知与分析技术现状,指出目前基于大数据的矿压分析尚未应用、工作面矿压与巷道压力数据未实现同步测量、未实现整个采场的全面数据分析、对超前液压支架的关注度不够。阐述了液压支架位姿感知原理和方法,总结了现有液压支架位姿分析方法。分析了液压支架压力−位姿融合分析的必要性,总结了现有的液压支架压力−位姿融合分析方法。展望了综采工作面液压支架状态感知与分析技术的发展趋势,即深入研究大数据技术、多维数据融合感知与分析技术、数字孪生技术在液压支架状态感知与分析中的应用,以实现液压支架状态数据精细化分析、智能控制与决策。
“煤矿智能供配电技术”专题
基于改进深度森林的采煤机拖拽电缆挤压力识别方法
石港, 雷志鹏
2023, 49(10): 8-16, 51. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023050042
<摘要>(130) <HTML> (27) <PDF>(19)
摘要:
采煤机拖拽电缆在运行中常受到外部挤压力作用,致使电缆绝缘发生局部放电,影响电缆使用寿命。现有研究侧重于局部放电规律和严重程度的分析,无法评估乙丙橡胶绝缘电缆所承受应力的大小,导致无法掌握矿用乙丙橡胶绝缘电缆的运行状态。针对该问题,提出一种基于改进深度森林(S−DF)的采煤机拖拽电缆挤压力识别方法。通过实验测量了不同挤压力下采煤机拖拽电缆的局部放电,分析了局部放电谱图、平均放电电流、最大放电量和击穿场强随所施挤压力和电压的变化规律,计算了局部放电的统计特征参量。基于统计特征参量,采用S−DF模型对挤压力大小进行识别。S−DF模型在深度森林(DF)中引入Stacking集成算法,以提升识别准确率。研究结果表明:不同电压下,最大放电量和平均放电电流均随着挤压力的增大而减小;击穿场强随着挤压力的增大呈先增大后减小的趋势,挤压力大于2 000 N时的击穿场强小于未挤压时的击穿场强;不同挤压力下的局部放电统计特征参量可作为放电指纹,S−DF模型能准确地识别电缆所受挤压力的大小,且识别率高于其他传统分类算法。
调制模型预测控制在基于STATCOM的煤矿电能质量治理的应用研究
张宝军, 孟庆林, 刘鹏, 纪祥, 刘伟, 张德正, 鹿伟强
2023, 49(10): 17-25. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18087
摘要:
大量电力电子设备及非线性负载接入煤矿电网,使得煤矿电网中存在大量电流谐波及无功功率,严重危害煤矿电网电能质量。传统电能质量治理策略大多采用比例积分(PI)调节器对静止同步补偿器(STATCOM)进行控制,以实现谐波抑制和无功补偿,但其参数难以调节且动态响应慢。针对上述问题,提出了一种基于调制模型预测控制(M2PC)的STATCOM控制策略。首先,采用ipiq法检测出电网中的谐波电流和无功电流作为M2PC的参考电流;其次,根据参考电流及STATCOM数学模型计算出每个扇区的2个有效矢量和零矢量的占空比及扇区代价函数;然后,通过最小化代价函数得到最佳扇区和该扇区所对应的2个最佳有效矢量和零矢量的占空比;最后,根据空间矢量调制(SVM)方式分配开关脉冲,实现固定的开关频率,从而控制STATCOM发出补偿电流,以抵消电网中的谐波电流与无功电流。仿真和实验结果表明:投入基于M2PC的STATCOM前,电网侧电流畸变严重,电网侧无功功率波动大,电网侧功率因数存在波动且小于1;投入基于M2PC的STATCOM后,由于STATCOM补偿了电网侧谐波电流,使得电网侧电流总谐波畸变率(THD)大幅度降低,且由于STATCOM补偿了负载所需无功功率,电网侧无功功率基本保持为0,电网侧功率因数稳定为1,有效改善了电能质量。
基于暂态电流导数的煤矿直流配电线路无通道保护
魏朝阳, 段建东
2023, 49(10): 26-34. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120024
摘要:
煤矿直流供配电线路故障电流具有幅值大、上升率高的特征,是威胁供电系统安全稳定的重要因素。利用直流配电系统电气特征实现故障识别的方法较少考虑保护设备的实际情况,难以处理设备误差及扰动,不满足继电保护的可靠性要求;而基于电力电子变换器的主动保护方法则较少利用故障电气量信息,仅依靠设备动作特性实现故障切除,往往不能满足继电保护的速动性要求。针对上述问题,提出一种基于暂态电流导数的煤矿直流配电线路无通道保护方案。将直流侧并联电容放电电流的二阶导数作为保护加速判据,若满足加速判据则启动加速动作,若不满足加速判据则按照断路器既定延时动作。故障发生时,电流均指向故障点,则可利用功率流向的变化初步判断故障方向,构成无通道保护,使故障线路两端断路器加速跳开,从而缩短故障切除时间。仿真结果表明,在不同故障发生位置、过渡电阻及故障类型条件下,若加速动作能够有效启动,则基于暂态电流导数的煤矿直流配电线路无通道保护方案可快速切除故障,减少故障时间;若加速动作不能启动,保护方案也能按照既定延时配合实现故障类型和区段的确定并切除故障。
基于电流谐波特征的矿用电缆劣化监测与故障诊断
卢润戈, 徐涛, 周卓蓓, 李茂, 黄潮灿
2023, 49(10): 35-42. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18144
摘要:
矿用电缆受煤矿恶劣环境影响,容易发生绝缘劣化、护套受损等情况,传统的矿用电缆检测多采用低压脉冲法、局放法等离线诊断方式,操作复杂,准确度低,难以满足现代煤矿生产需求。而现有基于谐波的电缆故障诊断方法存在检测装置笨重、检测精确低、难以在煤矿应用等问题。针对上述问题,提出一种基于电流谐波特征的矿用电缆劣化监测与故障诊断方法。提取电缆中高次谐波含量信息作为故障特征向量,对特征向量进行归一化处理后导入极限梯度提升树(XGBoost)模型,结合已知电缆故障劣化度数据,形成训练样本集,训练XGBoost模型,最后通过构建的XGBoost模型对电缆劣化度进行实时监测和故障诊断。仿真结果表明:针对电缆不同部位提取的高次谐波向量的相对能量有明显不同,表明提取的高次谐波向量可表征电缆不同部位的运行状态;XGBoost模型的拟合优度参数R2高达 0.93,且误差较小。案例分析结果验证了基于电流谐波特征的矿用电缆劣化监测与故障诊断方法可对矿用电缆运行状态及劣化故障进行实时、准确的监测和诊断。
矿区架空线路外破风险评估方法
刘振国, 于海, 封士光, 张禹
2023, 49(10): 43-51. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070004
摘要:
矿区架空线路运行环境恶劣,易受到外界因素影响而导致线路损坏,需要准确评估矿区架空线路外破风险水平。然而现有的定性评估方法存在主观性强、评价结果可比性差等缺点,定量评估方法虽然有着较高的客观性,但其准确评估的基础是大量高质量数据。为均衡评估结果的客观性和评估数据的获取难度,采用半定量评估方法中的作业条件危险性分析(LEC)法,并基于矿区线路实际运行环境对其进行改进,提出了一种基于改进LEC法的矿区架空线路外破风险评估方法。首先,通过分析矿区架空线路的实际运行环境,明确主要的外破风险要素,构建矿区架空线路外破风险评估指标体系。其次,借助基于YOLOv5的图像识别策略来辨识线路环境中的外破风险源,实现线路外破风险数据的实时获取,克服了传统LEC法人工获取的数据实时性较差、数据量不足的缺点。然后,改进了LEC法的要素赋值规则,基于图像辨识结果对要素进行赋值,实现线路外破风险的实时评估,提高了评估结果的客观性,解决了传统LEC法的要素赋值依赖评价者个人经验的弊病。最后,为衡量各类风险带来的叠加影响,利用层次分析法确定各风险评价指标权重,最终实现矿区架空线路外破风险的综合评估。结合露天煤矿实际运行过程中某场景进行案例分析,结果表明该方法能对具体场景中的架空线路外破风险等级进行有效评估。
分析与研究
基于热红外图像的带式输送机托辊故障检测研究
郭砚秋, 苗长云, 刘意
2023, 49(10): 52-60. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120051
<摘要>(182) <HTML> (15) <PDF>(48)
摘要:
针对目前带式输送机巡检机器人搭载红外采集设备移动受限,存在不能实时进行数据采集、数据处理并上传至监控终端,无法完成远程故障检测,续航能力不足等问题,提出了一种基于热红外图像的带式输送机托辊故障检测方法。带式输送机巡检机器人搭载托辊故障检测器及红外热像仪,红外热像仪将采集的托辊热红外图像序列与温度数据传输给托辊故障检测器进行托辊故障检测,检测结果由托辊故障检测器内置的WH−L101无线传输模块发送给上位机。提出了一种带式输送机托辊故障检测算法:利用YOLOv5s目标检测算法提取托辊热红外图像的感兴趣区域(ROI),采用维纳滤波和自适应中值滤波算法对ROI图像进行滤波,利用自适应直方图均衡化和图像锐化算法对滤波后的ROI图像进行增强,采用基于形态学的Otsu图像分割算法对增强后的ROI图像进行图像分割,得到待检测的托辊图像,利用Harris角点检测算法提取托辊图像特征,获得托辊位置信息,提取相应位置的温度信息,并采用基于相对温差法的托辊故障检测算法判定托辊故障。实验结果表明:① YOLOv5s网络模型提取托辊ROI的目标检测结果平均准确率为99.12%。② 提出的托辊故障检测算法对托辊故障(无故障、轴承锈蚀、托辊卡转、筒体磨穿)检测的平均准确率为97.625%,帧率为16 帧/s。③ 将检测结果通过无线传输模块传送至上位机,可显示故障类型及关键区域温度,并进行报警。
基于三维激光扫描的煤矿巷道形变监测方法
戴文祥, 陈雷, 闫鹏飞, 王利欣, 李波, 袁鹏喆
2023, 49(10): 61-67, 95. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023010045
<摘要>(168) <HTML> (25) <PDF>(34)
摘要:
针对传统煤矿巷道形变监测方法存在数据采集不全面、数据形式不直观、精度差、不能实现对全巷道形变连续监测等问题,提出了一种基于三维激光扫描的煤矿巷道形变监测方法。首先利用三维激光扫描技术获取煤矿巷道真实的三维点云数据;其次利用深度学习模型VoxelNet对三维激光扫描数据进行检测去噪,将无序的点云数据转换成高维特征数据;再次利用alphashape算法对提取的巷道断面离散点进行拟合,并采用基于差值的方法对数据进行多维差值计算,以得到巷道形变的具体数据,实现矿区巷道形变监测的全覆盖。将三维激光扫描技术应用于塔山煤矿30507工作面的形变监测,对巷道三维点云数据进行了截面分析和三维整体分析。分析结果表明:通过2期巷道截面轮廓的相对偏差,可直接观测该区域的主要形变,如果上轮廓向内偏离则顶板发生塌陷;如果下轮廓向外偏离,则底板发生鼓起。随着测点距工作面的距离越近,附色模型的颜色越偏向红色和蓝色,且颜色越深,巷道形变越大。
煤岩裂隙图像识别方法研究
郝天轩, 徐新革, 赵立桢
2023, 49(10): 68-74. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120081
摘要:
煤岩裂隙与瓦斯运移密切相关,且影响煤岩体稳定性,研究煤岩体中复杂的裂隙系统对于巷道支护和瓦斯抽采有重要意义。目前煤岩裂隙图像识别方法未能综合考虑煤岩图像裂隙数量、位置、形态和类别等特点,难以获取有效信息。以鹤壁煤电股份有限公司第八煤矿掘进工作面煤岩图像为研究对象,提出了一种基于U−Net网络对图像中裂隙及类别实现像素级智能识别的方法。采用直方图均衡化、高斯双边滤波和拉普拉斯算子对煤岩图像进行预处理,以提高图像质量,更有效地提取裂隙特征信息。通过观测记录煤岩裂隙特征并分为7类,对筛选出的煤岩裂隙图像进行扩增,采用Labelme软件对图像进行像素级标注,建立煤岩裂隙数据集。采用U−Net网络构建煤岩裂隙识别模型,经调试确定网络批量大小和学习率参数,实验表明当迭代次数达到300以上时,该模型的识别精确率均值为87%,召回率均值为92%,平均交并比大于85%,类别平均像素准确率大于80%。采集井下煤岩采动裂隙和实验室张性外生裂隙对煤岩裂隙识别模型进行验证,结果表明该模型可有效提取目标特征信息并与背景特征信息区分,能够较准确地定位、识别单一裂隙。
矿井提升机健康状态评估与预测系统研究
王琛, 杨岸
2023, 49(10): 75-86. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023030092
摘要:
针对目前对矿井提升机整个系统进行健康状态评估与预测的相关研究相对较少的问题,建立了矿井提升机健康状态评估指标体系和评语集,设计了矿井提升机健康状态评估与预测系统。针对矿井提升机各组成系统的监测数据无法充分利用、健康状态评估结果不能满足实际生产需求的问题,提出了一种提升机健康状态模糊综合评估方法:引入相对劣化度表征提升机不同类型指标的健康度,并利用健康度对矿井提升机的健康状态进行量化;采用模糊综合评估法计算矿井提升机的健康状态,使用指数标度代替1—9标度对层次分析法(AHP)进行改进,以降低计算复杂度;采用CRITIC客观赋权法,结合主客观权重计算各子系统和指标的综合权重;根据模糊综合评估计算过程和最大隶属原则,得到矿井提升机的健康状态评估结果和故障原因。在提升机健康状态评估结果基础上,利用哈里斯鹰优化(HHO)算法优化支持向量回归(SVR)模型的重要参数,构建HHO−SVR模型对矿井提升机的健康状态进行预测,提高健康预测结果的准确性。实验结果表明:模糊综合评估方法能够准确实现提升机健康状态评估;与粒子群优化支持向量回归(PSO−SVR)、遗传算法优化支持向量回归(GA−SVR)、灰狼算法优化支持向量回归(GWO−SVR)模型相比,HHO−SVR模型的预测结果更接近实际值,具有更好的预测效果。
基于改进双向峰−谷搜索算法的煤矸模型电磁波正演模拟
史翔予, 司垒, 王忠宾, 魏东, 顾进恒
2023, 49(10): 87-95. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18090
<摘要>(109) <HTML> (21) <PDF>(16)
摘要:
实现放顶煤过程煤矸含量自动识别是综采自动化的重要目标,现有煤矸含量自动识别方法存在准确性、实时性较低等问题。放顶煤过程产生的煤矸混合物是由煤、矸石和空气形成的三相介质,各相介质的电性参数不同,在不同组分的混合三相介质中,电磁波的传播特性也不同。煤和矸石相对介电常数差异明显,通过研究不同含矸率煤矸混合物的电性参数,可为放顶煤工作面含矸率自动识别提供新的思路和方法。为了探究不同含矸率煤矸混合物的电性差异,提出了一种基于分治策略的双向峰−谷搜索算法,基于该算法建立了煤矸多相离散随机介质模型,基于麦克斯韦方程组及其本构关系方程,利用时域有限差分法对所建立的模型进行电磁波正演模拟。分析表明,基于分治策略改进双向峰−谷搜索算法后,煤矸多相离散随机介质模型中的煤、矸石、空气三相之间不仅存在明显的相界面,且各相离散程度更大,不存在聚集现象,因此局部介质也能体现整体的电性参数,能够满足电磁波正演的介质模型需求。正演模拟结果表明:① 激励信号的频率会影响透射波的幅值,在12 GHz范围内,激励信号频率越高,透射波幅值越大;频率过低会降低信号的鲁棒性,激励频率应高于2 GHz。② 煤矸混合物的含矸率与介质整体的等效介电常数呈正相关。含矸率越高,电磁波信号的传播损耗越多,接收平面接收到的信号幅值越小,电磁波信号穿透介质所用的时间越长。不同含矸率之间呈现明显的差异性,可以用作综采放顶煤含矸率识别的依据。
埋管抽采位置及负压变化对采空区煤自燃危险区域的影响
张仲清
2023, 49(10): 96-103. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080016
摘要:
瓦斯抽采是治理矿井灾害常用方式之一,但在抽采过程中会增加采空区漏风量,进而增加遗煤自燃风险,直接影响采空区煤自燃危险区域分布。以中煤大同能源有限责任公司塔山煤矿30503工作面为研究对象,根据采空区实际情况建立几何模型,采用数值模拟方法分析了不同埋管抽采位置和抽采负压对采空区煤自燃危险区域的影响。结果表明:① 随着进风侧埋管抽采位置的深入,回风侧氧气体积分数呈增大趋势,而氧化带宽度变化不大;进风侧氧气体积分数整体呈减小趋势,氧化带宽度先减小后增大;采空区氧化带面积先减小后增大。② 在进风侧固定埋管抽采位置,抽采负压的变化对采空区进风侧氧气分布的影响更大,而对回风侧几乎没有影响。③ 随着抽采负压增大,进风侧氧化带宽度先减小后增大,而回风侧氧化带宽度几乎不变;采空区氧化带面积先减小后增大,氧化带面积与抽采负压呈二次函数关系。④ 最佳埋管抽采位置为采空区进风侧距离工作面20 m处,最佳抽采负压为5 000 Pa,此时采空区氧化带面积最小,即煤自燃危险区域最小。
不同季节条件下浅埋煤层采空区地表垂直漏风规律研究
朱兴攀, 王洋, 任晓伟, 晏立, 张林江, 刘文永, 金永飞, 陈玉良
2023, 49(10): 104-109. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023010035
摘要:
在采动影响下浅埋煤层综放工作面上覆岩层垮落形成与地表贯通的裂隙,这些裂隙导致的地表垂直漏风对采空区煤自燃有重要影响。为研究不同季节条件下浅埋煤层采空区地表垂直漏风规律,分别在冬、春、夏、秋4个季节利用SF6气体示踪法对陕西陕煤曹家滩矿业有限公司122108工作面进行地表垂直漏风测定,分析了不同季节地表和井下采空区的温度、大气压强及漏风速率变化规律。结果表明:① 冬季工作面地表和井下采空区之间的温差相对较大,最大温差可达37.7 ℃,夏季工作面地表和井下采空区之间的温差相对较小,最小温差仅为0.9 ℃;冬季工作面地表和井下采空区之间的最大气压差达40.37 hPa,夏季工作面地表和井下采空区之间的最大气压差为22.47 hPa;春季和秋季工作面地表和井下采空区之间的温差、气压差则相差不大。② 冬季漏风速率相对较大,平均最大漏风速率达8.364 m/min;夏季漏风速率相对较小,平均最大漏风速率为6.918 m/min;春季与秋季的漏风速率相差不大。③ 距工作面较近时,漏风速率较大。根据地表垂直漏风规律,可采取井下均压、进回风隅角封堵及地表裂隙覆盖等措施,以保证122108工作面安全开采。
煤层液态CO2相变致裂半径预测研究
王长禄, 彭然, 郑义, 李伟, 姚海飞
2023, 49(10): 110-117. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023040076
摘要:
预测致裂半径是确定液态CO2相变致裂增透瓦斯抽采技术布孔间距的前提,直接影响瓦斯抽采效果。现有预测方法大多基于单因素。为掌握多因素对液态CO2相变致裂半径的影响规律,有效预测布孔间距,采用ANSYS/LS−DYNA数值模拟软件,结合正交试验,开展了煤层液态CO2相变致裂半径预测研究。数值模拟结果表明:影响液态CO2相变致裂半径的因素主次顺序为地应力>瓦斯压力>煤体坚固性系数;致裂半径随地应力增大而减小,随瓦斯压力和煤体坚固性系数增大而增大,且呈线性关系。对数值模拟结果进行多元回归分析,建立了基于地应力、瓦斯压力及煤体坚固性系数3组不同因素耦合条件下的液态CO2相变致裂半径预测模型。在煤矿现场进行工业性试验,基于预测模型计算结果设置抽采钻孔,采用压力指标法对瓦斯抽采效果进行测试分析,结果表明:液态CO2相变致裂孔两侧观测孔的瓦斯压力随时间增加呈递减趋势,且抽采初期距致裂孔越远,则压力越大,与理论分析及数值模拟结果一致;液态CO2相变有效致裂范围与预测结果基本相符;观测孔瓦斯抽采体积分数较自然抽采孔提高73.4%,瓦斯抽采效率显著提高。
矿用高分辨电法监测系统设计
王冰纯
2023, 49(10): 118-126. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18101
摘要:
电阻率法是煤矿水害潜在风险判别、监测和预警的重要手段,也是矿井地质信息透明化的重要数据来源。进行井下电法监测时,单一的单巷电剖面法或双巷电透视法对富水区定位精度不高。此外,由于大规模电气设备产生的电磁干扰越来越强,传统的电法监测设备难以取得有效数据。针对上述问题,设计了一种矿用高分辨电法监测系统,该系统可在采动过程中实时进行单巷电剖面法及双巷电透视法数据的自动采集,并利用2种观测数据进行约束反演成像,提升了低阻异常体的成像分辨率。设计了二级放大及工频滤波电路,在进行电剖面和电透视数据采集时配置不同的采样时序、采样频率及数字滤波器,以抑制大规模电气设备对电法响应信号的干扰。性能测试结果表明,矿用高分辨电法监测系统可在噪声环境下有效分辨1 µV目标信号,在电透视模式和电剖面模式下,工频抑制比分别不低于35 dB和80 dB。水槽物理模拟试验结果表明,该系统可有效分辨在工作面倾向约为300 m时底板下60 m处大小约为10 m3的低阻异常体。测试和试验结果验证了该系统具有较强的工频干扰和随机干扰抑制能力,能够在煤矿有限的观测空间和强干扰条件下获得可靠有效的数据,提高了反演结果中异常体的成像分辨率。
孔间电阻率监测在注浆效果检测的应用研究
王程, 李博凡, 吴璋, 鲁晶津
2023, 49(10): 127-132, 159. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022110089
摘要:
华北型煤田煤层底板岩溶水害防治的主要技术手段是对含水岩层进行注浆改造,目前注浆效果检测的手段主要是对注浆前后岩性特征进行分析,缺少对注浆全过程的跟踪动态监测,很难对注浆效果进行准确评价。针对上述问题,引入孔间电阻率监测系统对注浆改造岩层的电阻率变化特征进行全过程监测,以实现浆液扩散范围的精准探测。首先,采用改进电极和线缆装置将电阻率监测系统置于煤层底板长定向钻孔内,实现孔间的电阻率监测;然后,构建浆液扩散的地质模型,采用三维电阻率反演对模拟数据进行处理解释;最后,在煤矿井下注浆层位开展注浆全过程的孔间电阻率监测工程试验。模拟结果表明:孔间电阻率监测能识别浆液异常的扩散范围,根据电阻率随时间的变化趋势可推测浆液扩散范围,随着浆液逐渐扩散,异常区范围逐渐变大,异常强度逐渐增强。工程试验结果表明:通过钻孔将电阻率监测系统布置于注浆层位进行动态监测,监测数据经三维反演成像后能成功捕捉到浆液扩散导致的注浆层位电阻率变化特征,为煤矿注浆效果检测提供一种可行的技术方案。
煤巷支护参数预测研究
陈攀, 马鑫民, 向俊杰, 陈莉影, 梁厅皓
2023, 49(10): 133-141. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120047
摘要:
目前支持向量机(SVM)和随机森林(RF)等算法在煤矿巷道支护领域应用较少。研究了不同的机器学习模型进行支护参数设计的适用性,以建立一个更高性能的模型来实现锚杆支护的合理、科学设计。首先建立煤巷支护智能预测数据库:采用现场调研、问卷调查和文献检索等方式收集煤矿巷道样本;采用缺失值填补、箱形图修改离群点和局部异常因子剔除等方式对数据进行处理,建立煤巷支护数据库。提出一种基于合成少数类过采样(SMOTE)−遗传算法(GA)−SVM的煤巷支护参数预测模型:将数据库中的数据分成训练集与测试集,采用SMOTE技术平衡训练样本,提高模型对少数类样本的拟合能力;训练过程采用GA对SVM的超参数进行全局寻优,进一步提高模型整体性能。测试结果表明,SMOTE−GA−SVM模型的分类精度达到83.8%,比传统的SVM模型提高了21.8%。将SVM、人工神经网络(ANN)、RF、AdaBoost(ADA)和朴素贝叶斯分类器(NBC)等机器学习方法引入到煤巷锚杆支护参数预测中,建立对应的支护参数预测模型,比较结果表明:从最优到最差的预测模型排序分别为SMOTE−GA−SVM、RF、GA−ANN、SVM、NBC和ADA,6种模型的平均分类精度达69.9%,验证了机器学习方法在煤巷锚杆支护参数预测方面的可行性。在山西霍宝干河煤矿有限公司对SMOTE−GA−SVM模型进行了应用,模型预测准确率达87.5%,具有较强的适用性和可靠性。
循环应力损伤对煤体冲击倾向性影响研究
杨永亮, 任建慧, 李宣良, 杜涛涛
2023, 49(10): 142-150. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120064
摘要:
目前对煤岩体动力学行为特征的研究仅考虑了温度、围压等原始地质作用影响,并未考虑煤炭开采过程中产生的循环应力作用对煤体动力学特性的影响;且对煤体动力学显现特征的判定是以煤体冲击倾向性指标为基本依据,而循环应力损伤作用对煤体冲击倾向性及其动力学特性的影响尚未进行深入研究。针对上述问题,对煤样开展了循环应力损伤试验,分析了恒上下限及变上限2种循环应力损伤条件下的煤体冲击倾向性变化特征。试验结果表明:① 煤体经恒上下限循环应力作用及变上限循环应力作用后静态抗压强度分别降低了13.86%与16.00%,循环应力会对煤体力学强度产生劣化。② 原始煤体剩余弹性能指数为27.34 kJ·m−3,表示该煤体具有弱冲击倾向性,经过恒上下限循环应力损伤及变上限循环应力损伤后煤体剩余弹性能指数分别降低了约26.30%及 36.14%,表明循环应力对煤体的冲击倾向性有显著的弱化作用。③ 随着煤体剩余弹性能指数的降低,煤体动态抗压强度与动态弹性模量均减小,而动态破坏变形不断增大,表明煤体冲击倾向性将直接影响其动力学特征,煤体冲击倾向性越大,其冲击动力学相关参数劣化程度越高。④ 随着煤体剩余弹性能指数不断降低,冲击后煤体破碎分形维数降低,表明循环应力使得煤体受冲击后崩解不充分,动力学响应减弱。
褶曲构造影响区内工作面开采诱冲机理及其防治研究
杨增强, 刘畅, 宋洁, 白洋, 靳会武, 王大伟
2023, 49(10): 151-159. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022070073
摘要:
针对褶曲构造影响区内不同工作面的倾角变化所引起的矿压显现特征多变性问题,以宝积山煤矿七采区为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟和现场工业性试验相结合的方法,对倾角变化煤层内不同工作面开采期间动静载荷进行了研究。结果表明:① 煤岩组合系统刚度值大于0的累积声发射(AE)能量较煤岩组合系统刚度值小于0的累积AE能量小,说明煤岩组合系统刚度值小于0时更易累积AE能量,且在煤岩组合系统刚度值小于0时,其绝对值越大越能够积聚更高的AE能量。② 随着煤层倾角递增,沿空巷道实体煤侧内集中静载荷降低,煤柱侧内集中静载荷增高,高位厚硬关键层发生破断所需悬顶段更长。③ 煤层倾角较小时,动静载叠加作用下沿空巷道两帮内煤岩组合系统极易诱发动态破坏II型冲击地压。煤层倾角较大时,高集中静载作用下沿空巷道煤柱侧内煤岩组合系统极易诱发静态破坏型或动态破坏I型冲击地压。④ 705综放工作面开采期间沿空巷道煤柱侧极易诱发静态破坏型或动态破坏I型冲击地压,对其实施防冲措施后的电磁辐射值降幅高达67.3%,煤岩组合系统不易诱发冲击地压。
煤矿井下深孔密闭保压取样装置研制
郭明功, 张鹏伟, 于红
2023, 49(10): 160-164. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023010032
摘要:
采用敞口式岩心管取样来测定深孔煤层瓦斯含量时煤样暴露时间长、煤样易被污染、瓦斯损失量难以计量导致测量误差大,而现有密闭保压取样大多需要二次扩孔、结构复杂、取样成功率低造成难以大规模推广应用。针对上述问题,研制了一种煤矿井下深孔密闭保压取样装置。该装置采用“两级活塞+双层套管+煤样筒”的整体结构设计,通过控制井下高压水泵注入装置内的注水流量及注水时间,实现球阀由取样前密闭到取样时开启,再到取样后密闭的动作转换,达到煤样被密闭在煤样筒内的目的,防止煤样被污染及取样过程中瓦斯逸散。采用敞口式岩心管常规取样方法和深孔密闭保压取样装置分别采集了4组同钻孔同深度处煤样,进行瓦斯含量测定对比分析,现场试验结果表明:深孔密闭保压取样装置的取样深度接近350 m;相较于常规取样方法,深孔密闭保压取样测得的瓦斯含量偏大5.4%~37%,且随着取样钻孔深度增加,偏大的程度增加,表明密闭保压取样装置能够提高深孔煤层瓦斯含量测试的准确性。