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2024年  第50卷  第1期

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科研成果
煤矿火灾智能预警系统研发与应用
刘东洋, 张浪, 姚海飞, 徐长富, 赵尤信, 张逸斌, 段思恭
2024, 50(1): 1-8, 16. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070092
<摘要>(821) <HTML> (236) <PDF>(100)
摘要:
目前煤矿火灾监测系统实现了对矿井煤自燃标志性气体、温度、烟雾、火焰等部分指标的单独监测,未对煤矿火灾相关因素进行有效、全面、统一的监测。针对该问题,从内因、外因2个方面分析了煤矿火灾潜在危险因素,提出一种分源分区监测火情态势的方法。内因火灾方面,主要针对较易发生火灾的工作面采空区、密闭采空区及人工自然发火观测点等进行监测;外因火灾方面,主要针对机电硐室及其配电点、带式输送机系统、电缆等方面进行监测。建立了煤矿火灾分源分区监测指标体系,采用人工监测或在线监测的方式定期采集或更新火灾特征参量数据,按数据采集方式及影响程度,将火灾监测指标分为动态指标、静态指标和关联指标。设计了火灾智能预警系统的总体架构和业务流程,采用基于多指标联合逻辑推理的预警方法实现内因火灾预警,采用基于D−S 证据理论的多参量融合预警方法实现外因火灾预警。现场试验结果表明,火灾智能预警系统实现了对矿井火灾的有效监测预警,具有煤矿火灾风险预警“一张图”可视化展示功能,同时具备火灾智能模拟演示功能及避灾路线动态规划功能。
基于截割顶底板高度预测模型的采煤机自动调高技术
李重重, 刘清
2024, 50(1): 9-16. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060044
<摘要>(443) <HTML> (46) <PDF>(21)
摘要:
传统的煤层截割路径规划通过几何控制、规划计算等方式对采煤机滚筒高度进行预测,但存在预测的数据误差较大、无法适应地质条件变化的问题。针对上述问题,提出了一种基于截割顶底板高度预测模型的采煤机自动调高技术。首先,分析了影响截割顶底板高度的因素,指出影响顶底板高度的主要因素包括煤层的起伏变化数据、历史截割数据、刮板输送机的高程数据及人工操作记录,将上述4类数据融合处理,建立以长短期记忆(LSTM)模型和灰色马尔可夫模型为基础的截割顶底板高度预测模型,通过算法模型预测出截割顶底板的高度。然后,以截割顶底板的高度数据为基础,结合采煤机位姿和空间坐标,建立计算滚筒高度的几何模型,同时依据刮板输送机上窜下滑量及是否执行加减刀工艺等因素进行修正,最终将顶底板高度序列转换为滚筒高度序列,即将截割顶底板高度转换为采煤机滚筒的目标高度,由采煤机执行到目标高度,实现滚筒自动调高工业性试验结果表明:① 在自动调高技术的控制下,顶滚筒和底滚筒的预测高度与实际高度偏差值有90%的数据量均在10 cm以内,滚筒的预测高度和实际高度具有明显的一致性。② 与传统手动控制方式相比,中部截割一刀煤的人工干预调高次数由49次下降为21次,说明截割顶底板的高度预测模型和计算滚筒高度的几何模型是准确合理的,采煤机滚筒的自动调高技术是可行的。
基于对象模型的煤矿数据采集融合共享系统
尚伟栋, 王海力, 张晓霞, 王浩, 徐华龙
2024, 50(1): 17-24, 34. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070047
<摘要>(161) <HTML> (38) <PDF>(39)
摘要:
针对目前煤矿数据采集、融合与共享存在的设备属性缺乏标准化且语义不统一、数据采集规约无法跨操作系统、数据访问实时性差、数据共享效率低等问题,设计了一种基于对象模型的煤矿数据采集融合共享系统。在基于位号的煤矿数据编码标准的基础上设计设备对象模型,克服了设备属性缺少标准化和设备属性语义不统一的问题;采用工业规约采集、Restful API问答式采集和文件数据采集等数据接入方式,可支持国产化操作系统,提供了方便的报文监视工具,能够准确判断通信异常原因;通过设备对象模型映射实现数据融合,引入数据治理机制确保数据的准确性和一致性,以对象模型的形式存储数据来节省存储空间、提高存储效率;将所有设备对象数据存储到一张表中,对象化的数据共享接口可简化成实时数据共享接口和历史数据共享接口,减少了冗余接口,从而降低了数据访问次数。应用结果表明,该系统在对设备数据标准化后降低了数据使用过程中语义解析的难度,同时提高了数据的计算、存储和访问性能,为大数据分析提供了保障。
基于5G+UWB和惯导技术的井下人员定位系统
李明锋, 李䶮, 刘用, 吴学松, 徐继盛, 常建明, 王涛, 潘红光
2024, 50(1): 25-34. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023100066
<摘要>(579) <HTML> (119) <PDF>(68)
摘要:
针对煤矿井下人员定位系统在实际应用中存在因设备算力与存储资源不足导致无法使用复杂测距与定位算法,定位数据即时传输与响应性能不足,在系统部署方面人力物力损耗较大等问题,提出了一种基于5G+UWB和惯导技术的井下人员定位系统。在末端部署能耗低、抗干扰性强的UWB定位基站,定位基站与5G基站以级联的方式连接,定位基站采集UWB与惯导数据,利用5G网络回传至计算平台,在计算平台上完成定位信息的解算和存储。将基于惯导的人员位置估计作为预测值,将基于UWB的三边定位算法获取的人员位置估计作为观测值,利用卡尔曼滤波器将预测值和观测值进行融合,降低定位误差。在煤矿主体实验基地搭建测试系统,模拟真实煤矿井下环境并进行对比实验。结果表明:① 在x轴和y轴,融合惯导的卡尔曼滤波算法得出的位置信息和真实位置信息的重合度最高,说明融合惯导的卡尔曼滤波算法得出的位置信息最接近真实位置,平均误差为22.192 cm。② 5G+UWB和惯导技术组合的井下人员定位系统的位置信息和真实位置信息的重合度最高,误差为[15 cm,20 cm],x轴最大平均误差为26 cm,y轴最大平均误差为24 cm,超过目前大多数井下人员定位系统精度。
水力压冲一体化增透抽采瓦斯技术
王宝贵
2024, 50(1): 35-41. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023050014
<摘要>(124) <HTML> (36) <PDF>(15)
摘要:
现有的水力压裂、水力冲孔、水力掏槽、水力割缝等煤矿井下水力增透技术工艺复杂、适应条件单一、劳动强度大,而钻冲一体化、钻扩一体化、水力冲/压一体化等技术对硬煤增透效果不理想,且存在工序繁琐、不能连续作业等问题。针对上述问题,提出了一种水力压冲一体化增透抽采瓦斯技术,在钻进过程中利用高压水射流定点(定向、分段)对煤层实施水力增透作业,可实现集打钻、对软煤水力冲孔及对硬煤水力喷射压裂的一体化作业。揭示了水力压冲一体化增透原理,即通过水力冲孔将软煤层的部分煤体冲出,实现软煤层出煤卸压增透,对硬煤层进行定点水力喷射压裂,实现硬煤层造缝增透;研制了水力压冲一体化钻具,满足高泵压、大排量的要求,具备较强的破岩和排屑能力,其工序简单、可操控性强;给出了高压水射流冲孔和水力喷射压裂时的钻具操控方法,探讨了钻进时冲压工艺和退钻时冲压工艺。在某矿16101底抽巷使用水力压冲一体化钻具进行了现场工程试验,结果表明:在软煤段进行水力冲孔作业,比传统水力冲孔缩短时间60%~80%,而单孔出煤量增加了约2倍,单孔平均百米瓦斯抽采纯量提高了1倍;在硬煤段进行水力喷射压裂作业,单孔平均百米瓦斯抽采纯量比传统水力冲孔提高了2倍。
综述
基于电磁波的煤岩识别技术研究进展
柳圆, 司垒, 王忠宾, 魏东, 顾进恒
2024, 50(1): 42-48, 65. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070095
<摘要>(176) <HTML> (35) <PDF>(27)
摘要:
将电磁波应用于煤岩识别中,可有效提高煤岩界面分辨能力。结合煤岩界面模型,阐述了运用电磁波技术进行煤岩识别的原理;介绍了γ射线法、雷达探测法、太赫兹信号法、电子共振法、X射线法和红外热成像法6种具体的煤岩识别方法,分析了各方法的原理,对各方法的优缺点及煤矿井下适用性进行了对比,并结合实际工业应用分析了各方法的研究现状。γ射线法在探测距离上具有显著优势,但存在放射性问题,基本被淘汰;雷达探测法具有识别准确的优点,但由于其信号衰减严重,探测距离短,目前一般应用于薄煤层测厚;太赫兹信号法探测距离短,只有在井下环境组成稳定时才能应用;电子共振法信号衰减严重,探测距离较短且难度较大,所以目前矿井基本摒弃;X射线法穿透性强,成像较清晰,但危害性极大;红外热成像法中,主动红外激励法需耗费大量时间对煤岩进行激励,且在处于高瓦斯的矿井环境中,存在极大的安全隐患;截割闪温法虽耗时较短,但对于截齿多、排布复杂的情况很难实现有效的煤岩识别。指出电磁波回波信息决定着电磁波煤岩识别的准确性,后续应对其进行深层次挖掘。
分析与研究
基于双曲嵌入的露天矿区暗光环境下道路多目标检测模型
顾清华, 苏存玲, 王倩, 陈露, 熊乃学
2024, 50(1): 49-56, 114. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060021
<摘要>(149) <HTML> (59) <PDF>(25)
摘要:
露天矿环境特殊,道路场景复杂多变,在光照不足时会导致矿区道路多目标识别不清、定位不准,进而影响检测效果,给矿区无人矿用卡车的安全行驶带来严重安全隐患。目前的道路障碍物检测模型不能有效解决矿区暗光环境对模型检测效果的影响,同时对矿区小目标障碍物的识别也有较大误差,不适用于矿区特殊环境下障碍物的检测与识别。针对上述问题,提出了一种基于双曲嵌入的露天矿区暗光环境下多目标检测模型。首先,在模型的图像预处理阶段引入卷积神经网路Retinex−Net对暗图像进行增强,提高图像清晰度;然后,针对数据集中特征过多而无重点偏好的问题,在加强特征提取部分添加全局注意力机制,聚集3个维度上更关键的特征信息;最后,在检测模型预测阶段引入双曲全连接层,以减少特征丢失,并防止过拟合现象。实验结果表明:① 基于双曲嵌入的露天矿区暗光环境下道路多目标检测模型不仅对露天矿区暗光环境下的大尺度目标具有较高的分类与定位精度,对矿用卡车及较远距离的小尺度目标即行人也可准确检测与定位,能够满足无人矿用卡车在矿区特殊环境下驾驶的安全需求。② 模型的检测准确率达98.6%,检测速度为51.52 帧/s,较SSD、YOLOv4、YOLOv5、YOLOx、YOLOv7分别提高20.31%,18.51%,10.53%,8.39%,13.24%,对于矿区道路上的行人、矿用卡车及挖机的检测精度达97%以上。
基于跨模态注意力融合的煤炭异物检测方法
曹现刚, 李虎, 王鹏, 吴旭东, 向敬芳, 丁文韬
2024, 50(1): 57-65. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023110035
<摘要>(580) <HTML> (39) <PDF>(37)
摘要:
为解决原煤智能化洗选过程中煤流中夹杂的异物对比度低、相互遮挡导致异物图像检测时特征提取不充分的问题,提出了一种基于跨模态注意力融合的煤炭异物检测方法。通过引入Depth图像构建RGB图像与Depth图像的双特征金字塔网络(DFPN),采用浅层的特征提取策略提取Depth图像的低级特征,用深度边缘与深度纹理等基础特征辅助RGB图像深层特征,以有效获得2种特征的互补信息,从而丰富异物特征的空间与边缘信息,提高检测精度;构建了基于坐标注意力与改进空间注意力的跨模态注意力融合模块(CAFM),以协同优化并融合RGB特征与Depth特征,增强网络对特征图中被遮挡异物可见部分的关注度,提高被遮挡异物检测精度;使用区域卷积神经网络(R−CNN)输出煤炭异物的分类、回归与分割结果。实验结果表明:在检测精度方面,该方法的AP相较两阶段模型中较优的Mask transfiner高3.9%;在检测效率方面,该方法的单帧检测时间为110.5 ms,能够满足异物检测实时性需求。基于跨模态注意力融合的煤炭异物检测方法能够以空间特征辅助色彩、形状与纹理等特征,准确识别煤炭异物之间及煤炭异物与输送带之间的差异,从而有效提高对复杂特征异物的检测精度,减少误检、漏检现象,实现复杂特征下煤炭异物的精确检测与像素级分割。
基于水传热和红外热成像的煤矸识别方法
程刚, 陈杰, 潘泽烨, 魏溢凡, 陈森森
2024, 50(1): 66-71, 137. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023050056
<摘要>(211) <HTML> (45) <PDF>(33)
摘要:
基于可见光图像的煤矸识别方法准确率不高、识别速度慢;基于高能射线透射的煤矸识别方法具有很大辐射导致较少应用。红外热成像具有穿透性强、不受光线影响等优点,但煤和矸石的表面温度在室温下相对接近,导致煤和矸石在红外热图像中没有明显差异,难以获得较好的识别效果。针对上述问题,提出了一种基于水传热和红外热成像的煤矸识别方法。在不同水温(18,21,24,27,30 ℃)条件下进行煤和矸石红外热成像实验,通过煤和矸石红外热图像和温度变化之间的差异来区分煤和矸石。实验结果表明:不同水温下煤和矸石红外热图像不同,当水温低于环境温度时,煤和矸石红外热图像之间的差异较大;在相同水温条件下,煤和矸石红外热图像之间的差异随着时间增加逐渐增大;煤和矸石表面温度变化均随水温升高和时间增加呈增大趋势,但矸石表面温度变化大于煤表面温度变化;当水温为18 ℃、时间为180 s时,煤和矸石红外热图像之间差异和温差均达到最大。这说明低温的水可作为一种传热介质,更有利于使煤和矸石之间产生较大的温差,从而实现煤和矸石红外热图像准确、快速识别。
综掘工作面风幕阻尘效果影响因素研究
夏丁超, 吕品, 杜朋, 王金月
2024, 50(1): 72-79. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060007
<摘要>(171) <HTML> (45) <PDF>(15)
摘要:
目前综掘工作面粉尘污染的研究多集中于单一因素对综掘工作面风幕阻尘效果的影响,而未充分考虑各因素间的交互作用,使得压风分流技术的工程应用效果欠佳。为明确附壁风筒径向出风距离、径向出风比及轴向出风距离对风幕阻尘效果的影响,以潘三矿810西翼机巷综掘工作面为研究对象,运用Fluent软件对径向出风距离为10~25 m、径向出风比为0.6~0.9及轴向出风距离为6~12 m条件下的风流分布和粉尘扩散情况进行数值模拟。结果表明:① 随着径向出风距离增大,径向涡流风幕在巷道内的转变更充分,综掘机司机前端的风流分布越均匀,更有利于形成风速方向均指向工作面的轴向阻尘风幕。当径向出风距离为10 m时,距工作面7 m断面内涡流特性明显,风速方向紊乱;当径向出风距离为25 m时,距工作面7 m断面内,风流分布趋于均匀,风速方向均指向工作面,形成了能够覆盖全断面的轴向阻尘风幕。② 随着径向出风比增大,整流风筒轴向风流风量减小,轴向风流风速和射流强度降低,轴向风流对综掘工作面前端气流的扰动减弱;径向出风比越大,越有利于形成风流方向指向工作面且能覆盖全断面的轴向阻尘流场,即轴向阻尘风幕。③ 径向涡流风幕的阻尘能力随径向出风比的增大先增强后减弱,轴向阻尘风幕的阻尘能力随径向出风比的增大而不断增强。④ 在采取压风分流风幕阻尘技术后,当压风总量为300 m3/min,吸风量为400 m3/min,附壁风筒径向出风距离为20 m,径向出风比为0.9,整流风筒轴向出风距离为8~10 m时,能很好地将粉尘聚集在吸尘口附近,达到高效控尘除尘的目的。在810西翼机巷综掘工作面进行现场测试,测点风速和粉尘质量浓度实测值与模拟值基本一致,高浓度粉尘被有效阻控于工作面前端,隔尘效果较为明显,验证了数值模拟的有效性。
综掘工作面气室降尘技术研究
张京兆, 苏慧冬, 闫振国, 马文杰, 熊帅, 张宸毓
2024, 50(1): 80-87. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060062
摘要:
针对掘进巷道中的粉尘控制问题,传统的长压短抽通风降尘技术存在粉尘扩散区域大、风幕降尘技术存在射流孔易堵塞等弊端。以巴拉素煤矿综掘工作面为工程研究背景,建立了掘进作业过程中的粉尘运动数学模型,得出降低综掘工作面粉尘浓度的关键因素是控制掘进巷道风流场扰动范围及减小粉尘颗粒运动时间。以上述关键因素为依据,在风幕降尘的基础上开发了气室降尘技术,通过在正压风筒末端加装风袖,与风幕共同作用将粉尘封闭在气室区域内,再由负压风机抽出,以提高降尘效率。采用Fluent软件对长压短抽通风降尘、风幕降尘和气室降尘进行模拟对比分析,并优化了气室降尘技术参数。模拟结果表明:采用气室降尘技术时,综掘工作面人体呼吸带位置的粉尘浓度为350 mg/m3,较采用长压短抽通风降尘时的600 mg/m3和风幕降尘时的480 mg/m3大幅降低;气室降尘最优技术参数为正压风筒出风口距综掘工作面14 m、负压风筒末端直径0.6 m。在巴拉素煤矿2号煤2号回风大巷综掘工作面进行现场试验,结果表明采用气室降尘时,掘进巷道最低粉尘浓度为118 mg/m3,低于采用长压短抽通风降尘时的184 mg/m3和风幕降尘时的156 mg/m3,且降尘效率较长压短抽通风降尘平均提高54.8%。
基于煤矿井下不安全行为知识图谱构建方法
付燕, 刘致豪, 叶鸥
2024, 50(1): 88-95. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060014
<摘要>(659) <HTML> (67) <PDF>(65)
摘要:
虽然知识图谱已广泛应用于各个领域,但在煤矿安全方面,尤其在煤矿井下不安全行为方面的研究较少。构建了一种自底向上的煤矿井下不安全行为知识图谱。首先,采用传统机器学习和深度学习算法相结合的方法进行命名实体识别,采用RoBERTa进行词语向量化,采用双向长短时记忆网络(BiLSTM)对向量进行标注,提高网络模型对上下文特征的捕捉能力,通过多层感知机(MLP)解决煤矿井下不安全行为数据集数据量不足的问题,采用条件随机场(CRF)模型解决前面存在的单词关系不识别问题,并捕获全文信息和预测结果。其次,根据语句的结构特点,设计了基于知识“实体−关系−实体”三元组的依存句法树结构,对井下不安全行为领域的知识资源进行知识抽取与表示。最后,构建面向井下不安全行为的知识图谱。实验结果表明:① RoBERTa−BiLSTM−MLP−CRF模型对于导致结果、违反性行为、错误性行为及粗心性行为4类实体类别具有较好的识别效果,其准确率分别为86.7%,80.3%,80.7%,77.4%。② 在相同的数据集下,RoBERTa−BiLSTM−MLP−CRF模型训练的准确率、召回率、F1值较RoBERTa−BiLSTM−CRF模型分别提高了1.6%,1.5%,1.6%。
基于深度学习的矿井滚动轴承故障诊断方法
窦桂东, 白艺硕, 王均利, 黄博昊, 阳康
2024, 50(1): 96-103, 154. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070085
<摘要>(610) <HTML> (46) <PDF>(50)
摘要:
针对传统卷积神经网络在煤矿井下等复杂环境中难以充分挖掘数据特征等问题,提出了一种基于马尔可夫转移场(MTF)和双通道多尺度卷积胶囊网络(DMCCN)的矿井滚动轴承故障诊断方法,构建了MTF−DMCCN故障诊断模型。根据MTF和灰度图对原始振动信号进行编码后,采用双通道输入模式连接卷积网络获取浅层特征;将特征图进行融合后输入到胶囊网络,提高模型对空间信息的敏感度;在网络中引入Inception模块,聚焦多尺度特征,加强网络的特征提取能力;通过胶囊层进行向量化处理,实现滚动轴承的故障诊断与分类。消融实验、抗噪性及泛化性实验结果表明:Inception模块、灰度图输入、MTF图像输入均对轴承故障诊断具有正向促进的作用,MTF编码对模型的诊断精度提升最高;MTF−DMCCN模型具有较好的鲁棒性和抗噪声能力;MTF−DMCCN模型具有优异的变转速适应能力,在不同工况条件下具有良好的泛化性能。为进一步验证模型性能,选取格拉姆角差场(GADF)、格拉姆角和场(GASF)、灰度图、MTF等图像编码方式与不同网络相结合,采用辛辛那提大学数据集(IMS)进行对比实验,结果表明,MTF−DMCCN模型能有效识别滚动轴承故障类型,平均故障诊断准确率达99.37%。
掘锚机机载钻机姿态调整分析
吴迪, 符宝鼎, 孙博, 康乐, 刘治翔, 邹康
2024, 50(1): 104-114. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060016
摘要:
探放水作业前后,前探钻机的部署需耗费大量时间。在掘锚机上装载超前钻探设备可减少设备部署时间,提高钻探效率。目前针对集掘、锚、探于一体的掘进机机组的研究大多聚焦于设备的结构设计及液压控制系统设计,对于不同结构间干涉特性的研究相对较少。分析了机载钻机姿态调整过程中的干涉情况,根据姿态调整时的几何位置关系,建立了掘锚机与机载钻机发生干涉时的数学模型,并推导出掘锚机与机载钻机发生干涉时的最大转角计算公式。以掘锚机和机载钻机发生干涉时的最大转角为指标,研究了掘锚机与机载钻机各个尺寸参数对机载钻机各个方向最大转角的影响。结果表明:① 掘锚机龙骨倾角越大,机载钻机的俯仰调节角度越大,通过调节掘锚机龙骨能有效改变探水钻机工作时仰角的调节范围。② 龙骨高度的变化对俯仰角的影响均很小,龙骨高度的变化不会影响俯角的变动,而对仰角的影响较大,且呈正比关系;龙骨连接绞耳到龙骨尾部长度的增大使俯仰角均增大,但对仰角的影响效果不明显。若要改动仰角,可优先考虑改变龙骨高度;若要改动俯角,可优先考虑改变龙骨连接绞耳到龙骨尾部长度。③ 当掘锚机龙骨护板间距越大,机载钻机的最大水平转角度越大,当增大到一定程度时,最大水平转角度不再受掘锚机龙骨护板间距增大的影响;当掘锚机龙骨护板间距大于某一值时,掘锚机支撑油缸中心距越大,机载钻机的最大水平转角度越大;掘锚机龙骨护板间距对机载钻机最大水平转角度的影响较掘锚机支撑油缸中心距大。 ④ 当机载钻机钻头后端宽度较小时,不影响最大水平转角;当机载钻机钻头后端宽度增大到某一值时,机载钻机钻头后端宽度越大,最大水平转角越小;当机载钻机钻头后端宽度小于某一值时,机载钻机钻头部分前端宽度越大,最大水平转角越小。实例验证结果表明:增大龙骨倾角、龙骨连接螺栓高度、龙骨高度、龙骨连接绞耳到龙骨尾部长度,并减小机载钻机钻头上缘与机载钻机框架连接绞耳的高度差、龙骨上护板长度,机载钻机的最大俯仰角得到了有效增加。
煤矿巷道七自由度喷浆机器人轨迹规划与跟踪控制
程欢, 邓立营
2024, 50(1): 115-121. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023050057
<摘要>(122) <HTML> (54) <PDF>(16)
摘要:
针对煤矿巷道喷浆机器人施工过程中存在的动作不连续、位置误差大、稳定性低等问题,提出了一种煤矿巷道七自由度喷浆机器人轨迹规划与跟踪控制方法。根据喷浆机器人静止时工作臂的运动范围和喷枪沿巷道走向的喷浆长度,将巷道划分为若干待喷截面,并规划机器人在每一截面间的移动轨迹和各截面上的工作臂运动轨迹,从而保证机器人在喷浆过程中动作连续。建立了喷浆机器人运动学模型,先采用三次多项式插值法对机器人移动轨迹进行规划,再通过模型预测控制算法对三次多项式插值生成的参考轨迹进行跟踪控制,实现机器人在巷道内精确、平稳移动。根据标准的D−H参数法建立了工作臂运动学模型,采用3−5−3分段多项式插值法对机器人在待喷截面的工作臂运动轨迹进行规划,使工作臂在喷浆过程中具有连续的加速度。仿真结果表明,喷浆机器人移动过程中最大位置误差为0.07 m,最大方向角误差仅为0.99 rad,移动速度整体稳定,且速度发生波动后能快速回到稳定状态,满足机器人移动准确、平稳的要求;工作臂运动过程中,喷浆轨迹、关节变量变化、关节速度和加速度曲线整体连续、平滑,满足喷浆动作连续、稳定的要求。
一种矿用管道检测机器人设计及牵引性能分析
赵鹏洋, 闫宏伟, 张登崤, 肖粲俊, 何勃龙
2024, 50(1): 122-130, 162. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023040063
<摘要>(428) <HTML> (37) <PDF>(21)
摘要:
针对瓦斯抽采管道破损泄漏检测问题,设计了一种具有管道检测和运动控制功能的螺旋式矿用管道检测机器人,介绍了该机器人的结构和检测与控制系统方案。建立了机器人在管道中运行的力学分析模型,并通过动力学仿真研究了影响机器人牵引性能的因素,结果表明:机器人在管道内运行时的牵引力与管道材质、螺旋角、管壁与驱动轮之间法向力有关;机器人在不同材质的管道中运行时最佳螺旋角不同,在相同材质的管道中运行时,无介质运输情况下牵引力高于有介质运输情况;机器人牵引力随法向力的增大而增大,但最佳螺旋角无明显变化;随着螺旋角增大,牵引力先增大后减小,螺旋角为40°时牵引力最大。为提高机器人通过弯管时的性能,提出一种变螺旋角过弯策略,即机器人主动控制螺旋角随螺旋运动单元转动以正弦式规律变化,使管道内侧的螺旋角小于外侧。搭建机器人测试平台对矿用管道检测机器人进行测试,结果表明:机器人在直管中运行的最佳螺旋角为40°;可通过增加法向力来提升机器人的牵引性能;采用变螺旋角过弯策略时,机器人在弯管中的通过性能和平稳性优于定螺旋角过弯。
基于PSO−Elman神经网络的井底风温预测模型
程磊, 李正健, 史浩镕, 王鑫
2024, 50(1): 131-137. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023090062
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摘要:
目前井下风温预测大多采用BP神经网络,但其预测精度受学习样本数量的影响,且容易陷入局部最优,Elman神经网络具备局部记忆能力,提高了网络的稳定性和动态适应能力,但仍然存在收敛速度过慢、易陷入局部最优的问题。针对上述问题,采用粒子群优化(PSO)算法对Elman神经网络的权值和阈值进行优化,建立了基于PSO−Elman神经网络的井底风温预测模型。分析得出入风相对湿度、入风温度、地面大气压力和井筒深度是井底风温的主要影响因素,因此将其作为模型的输入数据,模型的输出数据为井底风温。在相同样本数据集下的实验结果表明:Elman模型迭代90次后收敛,PSO−Elman模型迭代41次后收敛,说明PSO−Elman模型收敛速度更快;与BP神经网络模型、支持向量回归模型和Elman模型相比,PSO−Elman模型的预测误差较低,平均绝对误差、均方误差(MSE)、平均绝对百分比误差分别为0.376 0 ℃,0.278 3,1.95%,决定系数$ {{R}}^{\text{2}} $为0.992 4,非常接近1,表明预测模型具有良好的预测效果。实例验证结果表明,PSO−Elman模型的相对误差范围为−4.69%~1.27%,绝对误差范围为−1.06~0.29 ℃,MSE为0.26,整体预测精度可满足井下实际需要。
胡家河煤矿综放工作面矿压显现规律预测及主控因素研究
席国军, 余智秘, 李亮, 李小菲, 丁自伟, 刘江, 张超凡
2024, 50(1): 138-146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070066
摘要:
现有工作面矿压显现规律预测方法中,基于数值模拟与统计回归的方法无法实现对工作面矿压显现规律的实时精准预测,深度学习方法存在超参数较多且难以设置、模型训练速度慢等问题。针对上述问题,以胡家河煤矿402102回采工作面采动过程中监测到的煤体内部应力变化时序数据为基础,将基于粒子群优化的门控循环单元(PSO−GRU)应用到回采工作面矿压显现规律预测中。采用PSO算法对GRU进行优化,构建PSO−GRU模型,实现对超参数的自动寻优,从而提高GRU的训练速度和预测精度。以预测结果为依据,采用层次分析法建立402102回采工作面矿压主控因素评价指标体系,将顶板条件、回采工艺、煤层赋存、地质构造确定为影响工作面矿压的一级指标,进一步细分出具有代表性的14个二级指标。测试结果表明:① 与未经优化的GRU模型相比,PSO−GRU模型的均方误差(MSE)降低了83.9%,均方根误差(RMSE)降低了59.8%,平均绝对误差(MAE)降低了59.0%,决定系数R2提升了28.9%。② PSO−GRU模型对矿压数据预测的拟合度达0.980以上,具有良好的非线性拟合能力和泛化能力。③ 地质条件中的煤层赋存因素对回采工作面矿压的影响最大,权重为0.47;可人为干预的影响因素中工作面推进速度对矿压的影响最大,权重为0.13。
坚硬顶板切顶卸压技术对巷道围岩变形规律影响
赵常辛, 李晓旭, 石蒙, 冀瑞锋, 张焱
2024, 50(1): 147-154. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023030029
摘要:
针对特厚煤层坚硬顶板、宽煤柱条件下临空巷道面临的高围岩应力、大变形等问题,以老石旦煤矿16403综放工作面为工程研究背景,从宽煤柱顶板侧向破断结构角度对临空巷道大变形的影响因素进行了理论分析,采用数值模拟方法研究了对16402运输巷实施不同切顶卸压方案时,临近采空区的16403回风巷侧向顶板采动应力传递规律,并在现场施工水力压裂钻孔进行切顶卸压,实现临空巷道围岩变形控制。研究结果表明:“低位坚硬岩层悬臂梁+高位坚硬岩层砌体梁”破断结构是特厚煤层宽煤柱临空巷道大变形的主要原因,可采用切顶卸压技术破坏宽煤柱顶板侧向破断结构来控制临空巷道围岩大变形;切顶角变化可使关键块B长度发生改变,切顶角越大,则关键块B长度越小,临空侧顶板载荷向煤柱传递的程度越弱,临空巷道围岩承受的采动应力越小,切顶角为100°时临空巷道围岩垂直应力与变形量最小;在16402运输巷以切顶角100°施工水力压裂钻孔后,16403回风巷顶底板变形量较未实施切顶卸压的16402回风巷减小86.5%,两帮变形量减小87.1%,临空巷道围岩稳定性得到极大提高。
长焰煤气水相渗特征实验研究
陈功辉, 唐明云, 甯江琪, 张海路
2024, 50(1): 155-162. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023070022
摘要:
长焰煤内部蕴藏大量煤层气,随着开采深度的不断增加,需要对煤储层中煤层气与地下水之间的复杂渗流特性进行探索,以降低煤层气开采难度、提高煤层气开采效率。以内蒙古鄂尔多斯准格尔旗魏家峁矿区长焰煤为实验对象,采用TCXS−Ⅱ型煤岩气水相对渗透率测定仪进行长焰煤气水相渗实验,利用非稳态法得到不同有效应力、孔隙压力和温度作用下长焰煤在气驱水过程中的气水相渗特征,结果表明:① 当有效应力由3.7 MPa增大至7.7 MPa时,气相相对渗透率上升幅度减小,而水相相对渗透率下降幅度略有增加;有效应力的增大会对流体的渗透能力产生抑制作用,且对水相渗流的抑制作用大于气相渗流;残余水饱和度随着有效应力的增大而增大。② 当孔隙压力由2 MPa增大至6 MPa时,水相相对渗透率曲线下降幅度变缓,气相相对渗透率曲线上升幅度更加明显,气水共渗范围变宽,等渗点饱和度增大,残余水饱和度减小。③ 当温度由20 ℃升高至80 ℃时,气相相对渗透率增长幅度及水相相对渗透率下降幅度均逐渐变大,气水共渗范围变宽,残余水饱和度呈下降趋势,气相渗流量呈增长趋势。该研究结果可为长焰煤储层水力压裂和注热开采等煤层气开采技术研究提供理论依据和实验参考。