工矿自动化

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2023, 49(5): 1-6, 21. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18106

<摘要>(49) <HTML>(6) <PDF>(15)

摘要:
分析了冲击地压和煤与瓦斯突出时抛出大量黑色煤岩的掩埋图像特征：监视区域内颜色及其对应图形面积变化、颜色及其对应图形数量变化、颜色及其对应图形形状变化、掩埋位置异常等。根据灾害发生时会造成监视区域内非黑色区域面积减少，且减少的速度和加速度较大的特征，提出了基于颜色及其对应图形面积变化特征的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法。根据灾害发生时会造成监视区域内非黑色区域数量减少，且减少的速度和加速度较大的特征，提出了基于颜色及其对应图形数量变化特征的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法。根据灾害发生时会造成监视区域内非黑色图形的圆形度、矩形度和面积周长比减少，且减少的速度和加速度较大的特征，提出了基于颜色及其对应图形形状变化特征的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法。根据灾害发生时会导致煤矿井下人员、液压支架顶部及靠近顶部等位置被煤岩掩埋的特征，提出了基于掩埋位置异常特征的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法。上述基于掩埋图像特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法具有响应速度快、非接触、监测范围广、成本低和使用维护方便等优点。

机器视觉感知理论与技术在煤炭工业领域应用进展综述

巩师鑫, 赵国瑞, 王飞

2023, 49(5): 7-21. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100087

<摘要>(55) <HTML>(3) <PDF>(11)

摘要:
机器视觉技术对改善煤矿安全监测手段、提高装备自动化水平具有积极意义。详细阐述了当前煤矿智能化建设过程中基于机器视觉的不同场景和系统下的设备信息状态感知原理，综述了机器视觉感知技术在煤矿安全监测、拣选识别、煤岩识别、定位导航、运输检测、位姿检测和信息测量等方面的实践应用；分析指出未来煤矿机器视觉感知技术应深入挖掘采掘工作面机器视觉场景理解需求，构建生产全视场监视检测体系，提升多时空多维度多变量集成监测效果，改善视频自主监视告警能力，增强视觉引导能力，并形成地面生产管理运行系统的视觉资料统一化管理方式等，重点研究综采装备（群）姿态同时空测量、采掘环境动态变化感知、生产全视场监测与自主告警、煤矿机器人视觉引导控制等技术；指出煤矿机器视觉感知技术在防爆或本安型智能视觉传感器研发、高效视觉测量与分析、检测识别测量精度提升、图像高质量标注方面仍存在挑战，通过开发具有边缘计算能力的视觉传感器，构建井上下视觉分布式测量方案，实现各类复杂环境下开采信息准确识别与测量，可有效提高机器视觉感知技术在煤炭行业的更深层次融合和应用。

智能化煤矿数据治理体系与关键问题研究

谭章禄, 王美君, 叶紫涵

2023, 49(5): 22-29. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18104

<摘要>(112) <HTML>(3) <PDF>(31)

摘要:
智能化煤矿数据治理是实现煤矿智能化建设高阶段发展目标的关键瓶颈，对于确保数据运营合规、保障数据质量、防控数据风险、提升数据价值具有重要意义，但目前缺乏完善的方法论体系指导智能化煤矿数据治理的理论研究和技术实践。针对该问题，从数据治理要素、治理机制、治理层次和治理过程4个维度构建智能化煤矿数据治理要素−机制−层次−过程参考模型，提供多维度融合的方法论视角和理论分析逻辑，达成对关键问题的认识。分析得出复杂系统理论、数据战略管理理论、协同创新理论、数字连续性理论、公共治理理论、信息生命周期理论、PDCA循环理论是智能化煤矿数据治理重要的理论基础。在智能化煤矿数据治理参考模型的指导下，基于相关理论基础，构建包括数据治理环境、驱动与保障因素、顶层设计、数据治理域、数据治理过程与能力5大组成部分的智能化煤矿数据治理体系框架。对标智能化煤矿数据治理体系框架，得出智能化煤矿数据治理尚需进一步突破数据价值运动规律揭示、元数据与数据字典构建、数据质量和数据安全体系管理规则设计、复杂巨系统数据耦合模型开发和数字智慧发生规律建模等5个方面的关键问题。

综采工作面海量数据挖掘分析平台设计

王宏伟, 杨焜, 付翔, 李进, 贾思锋

2023, 49(5): 30-36, 126. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18088

<摘要>(93) <HTML>(4) <PDF>(25)

摘要:
当前综采工作面海量数据采集的实时性和完整性差、异常数据清洗耗时大、数据挖掘时延大，导致综采数据利用率低，无法辅助管理层实时下发决策指令。针对上述问题，设计了一种综采工作面海量数据挖掘分析平台。该平台由数据源层、数据采集存储层、数据挖掘层和前端应用层组成。数据源层由工作面各类硬件设备提供原始数据；数据采集存储层使用OPC UA网关实时采集井下传感器监测信息，再通过MQTT协议和RESTful接口将数据存入InfluxDB存储引擎；数据挖掘层利用Hive数据引擎和Yarn资源管理器筛选数据采集过程中受工作现场干扰形成的异常数据，解决因网络延时导致的数据局部采集顺序紊乱问题，并利用Spark分布式挖掘引擎挖掘工作面设备群海量工况数据的潜在价值，提高数据挖掘模型的运行速度；前端应用层利用可视化组件与后端数据库关联，再通过AJAX技术与后端数据实时交互，实现模型挖掘结果和各类监测数据的可视化展示。测试结果表明，该平台能够充分保证数据采集的实时性与完整性，清洗效率较单机MySQL查询引擎提升5倍，挖掘效率较单机Python挖掘引擎提升4倍。

智能化煤矿大数据治理关键技术研究、实践与应用

方乾, 张晓霞, 王霖, 石磊, 王雅琨

2023, 49(5): 37-45, 73. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18099

<摘要>(120) <HTML>(8) <PDF>(31)

摘要:
针对智能化煤矿建设过程中存在的“数据孤岛”现象严重、数据质量低、数据治理体系缺乏、数据赋能不够充分等问题，分析了智能化煤矿大数据治理的基本需求，研究了智能化煤矿的数据采集和存储、数据清洗与标准化处理、数据资产规划、数据共享交换等关键技术。结合小保当煤矿数据治理现场实践情况，提出了基于工业互联网体系的智能化煤矿大数据治理总体技术架构，该架构功能与智能化煤矿大数据治理的基本需求相对应，向下实现多源异构感知数据的接入、集成和融合，向上为各种煤矿智能化应用开发提供数据服务，中间沉淀煤矿各类业务指标、模型算法，形成煤矿重要的数据资产。基于不同的数据接入协议，通过数据接入存储服务统一接入煤矿各系统的数据；通过数据清洗与标准化服务实现数据加工，提升数据质量；采用分层治理架构将数据转换为体系化的分层数据资产；通过数据共享服务将数据资产以标准接口的方式提供给其他系统使用，实现数据价值落地。从煤矿单系统应用、矿井级应用和公司级系统应用全方面展示智能化煤矿数据治理成果在不同业务场景下的实践应用情况，智能化煤矿大数据经过统一的数据治理之后，能够实现数据的融合应用，打破数据孤岛，提升数据质量，形成煤矿独有的数据资产，为煤矿生产运营提供重要价值。

煤矿综采设备故障知识图谱构建

蔡安江, 张妍, 任志刚

2023, 49(5): 46-51. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023020005

<摘要>(61) <HTML>(2) <PDF>(18)

摘要:
现有煤矿综采设备故障诊断方法缺乏对综采设备历史故障数据的系统化管理及应用，针对该问题，引入知识图谱技术对综采设备故障数据进行系统化管理。采用自顶而下的方法对综采设备故障知识进行本体构建，将综采设备故障知识归纳为故障位置、故障现象、故障原因、处理方法4类，并进行规范化命名；采用通用的命名实体标注方法BIOES对综采设备故障知识进行人工标注；将双向长短期记忆（BiLSTM）和条件随机场（CRF）相结合，构建BiLSTM−CRF模型，对已标注的综采设备故障知识进行命名实体识别，并通过人工抽取实体关系，从而实现故障知识抽取；结合BiLSTM−CRF模型的实体识别结果和人工抽取的实体关系，使用Neo4j图数据库存储综采设备故障知识，构建综采设备故障知识图谱。实验结果表明，相较于BiLSTM模型和BiLSTM−Attention模型，BiLSTM−CRF模型精确率显著提高，为87%，F₁值也有一定幅度上升，为69%。综采设备故障知识图谱的构建可为大规模、多域综采设备故障数据的有效分析、管理及应用提供支持。

煤矿安全大数据特征及治理方法体系研究

陈孝慈, 李东海

2023, 49(5): 52-58. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18097

<摘要>(57) <HTML>(3) <PDF>(22)

摘要:
高效分析利用煤矿安全大数据，对于提高煤矿的安全管理水平和生产效率具有重要意义。目前煤矿安全大数据治理存在数据特征不明、治理方法不清等问题，针对该问题，着重分析了煤矿安全大数据特征，得出煤矿安全大数据具有5V特征，即数据体量大(Volume)、数据类型多(Variety)、处理速度快(Velocity)、价值密度低(Value)、真实性(Veracity) ，此外还具有结构化程度不一致的特征。介绍了可应用于煤矿安全管理中的主要数据治理方法及模型，并分为单变量方法、多变量统计分析方法、智能模式识别方法、系统动力学模型和综合集成模型五大类。从主体和客体的视角，提出了煤矿安全大数据治理方法体系，认为数据治理方法的选择必须与智慧矿山的主体、客体的数据治理目标相契合。基于主体的治理方法选择：根据数据主体的需求、层次、担负的任务及安全管理目标确定数据治理具体内容；基于客体的治理方法选择：根据客体对象的时效性、吞吐量要求及安全管理目标确定数据治理具体内容。最后得出煤矿安全大数据治理方法的确定需要在统一目标和统一标准下，根据作用域和作用对象的不同，满足共性和个性需求。

基于SLAM和虚拟现实的综采工作面巡检系统

任伟

2023, 49(5): 59-65. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18076

<摘要>(35) <HTML>(1) <PDF>(8)

摘要:
针对综采工作面巡检机器人由于缺乏尺度信息导致可靠性较低的问题，将虚拟现实（VR）技术引入综采工作面巡检中，设计了基于即时定位与地图构建（SLAM）和VR的综采工作面巡检系统。该系统包括位于井下的巡检机器人子系统和位于地面的VR实时渲染子系统2个部分。巡检机器人子系统利用激光SLAM技术实现实时三维扫描，并建立三维地图，同时利用全景相机实时捕获综采工作面的场景，将实时获取的激光点云及全景视频传输到VR实时渲染子系统。VR实时渲染子系统采用GPU加速技术对激光点云进行着色，通过对Unreal三维引擎渲染部分进行定制化开发，实现对激光点云的实时渲染，并将激光点云投屏到VR眼镜上。远程操作人员通过VR眼镜实时获取现场三维场景，通过操作手柄远程控制巡检机器人动作，从而实现基于第一视角的综采工作面巡检。井下工业性试验结果表明，该系统可实现视角自由切换，并对场景进行放大，从而能够更好地观察到细节部分，精确性和可靠性更高；采用GPU加速技术进行点云着色，处理时间明显比CPU处理时间短，GPU实时性更高，整个系统的延时能满足巡检任务需求。

基于CLAHE与卡尔曼滤波的掘进机机载视频稳像算法

李成城, 马立森, 田原, 贾运红, 贾曲, 田伟琴, 张凯

2023, 49(5): 66-73. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100002

<摘要>(120) <HTML>(22) <PDF>(2)

摘要:
掘进机等煤机装备在行进或作业期间，易因车体振动引起机载相机视频模糊，导致基于机载视频的机器视觉检测精度和可靠性下降。针对该问题，提出一种基于CLAHE与卡尔曼滤波的掘进机机载视频稳像算法。该算法由运动估计、轨迹平滑和运动补偿3个部分组成。在运动估计阶段，先采用限制对比度自适应直方图均衡（CLAHE）算法对井下巷道图像进行增强处理，再利用Shi-Tomasi算法获取每帧图像的特征点，对获取的特征点进行光流追踪和匹配，进而计算出相机的运动轨迹。在轨迹平滑阶段，利用卡尔曼滤波，根据视频前一帧的最优值预测当前时刻值，避免均值滤波需预先存储采样数据的问题，提高稳像的实时性。在运动补偿阶段，根据原始运动路径和平滑路径的关系对抖动视频逐帧补偿，生成稳定的视频序列。实验结果表明：① 经CLAHE增强处理后，特征点匹配成功率比未增强处理时提高了58%，比HE增强处理时提高了43%，说明CLAHE算法可有效提高图像特征点匹配数。② 通过像素偏移分析、差分图分析、峰值信噪比（PSNR）分析，验证了基于CLAHE与卡尔曼滤波的掘进机机载视频稳像算法具有较好的稳像效果。③ 与传统的HE+均值滤波算法相比，基于CLAHE与卡尔曼滤波的算法处理100帧视频图像的整体耗时减少了0.379 s，在去除抖动的同时，有效提高了稳像的实时性。

顾及图像增强的煤矿井下视觉同时定位与建图算法

冯玮, 姚顽强, 蔺小虎, 郑俊良, 相里海龙, 薛志强

2023, 49(5): 74-81. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022090025

<摘要>(53) <HTML>(17) <PDF>(5)

摘要:
基于特征点法的视觉同时定位与建图（SLAM）算法在煤矿井下有一定应用，但受光照不均、光照多变、明暗区域交错等因素影响，图像质量较差、纹理信息匮乏，导致视觉SLAM前端特征提取与匹配精度较低，易出现跟踪丢失问题，影响视觉SLAM算法的定位精度与建图效果。提出一种顾及图像增强的煤矿井下视觉SLAM算法，通过图像增强处理提升视觉SLAM的整体性能。采用基于改进双边滤波的Retinex算法对煤矿井下图像进行增强处理：将原始RGB图像转换至HSI色彩空间，以改进的双边滤波代替传统Retinex算法的高斯滤波作为中心环绕函数，对图像反射分量进行估计后转换至RGB色彩空间，得到最终增强图像。将基于改进双边滤波的Retinex算法引入经典ORB−SLAM2算法框架进行位姿估计和建图。基于矿井轮式机器人数据采集平台在煤矿井下巷道环境中对顾及图像增强的视觉SLAM算法进行试验，结果表明：与传统Retinex算法相比，经基于改进双边滤波的Retinex算法增强后的煤矿井下图像未出现明显的泛白及光晕现象，图像质量得到提升；与ORB−SLAM2算法相比，顾及图像增强的视觉SLAM算法提高了特征匹配质量和数量，估计轨迹与真实轨迹的重合度更高，绝对轨迹误差平均值下降了76.2%，且建立的井下巷道三维稠密点云地图更加真实和准确。

基于GCN−GRU的瓦斯浓度时空分布预测

秦嘉欣, 葛淑伟, 龙凤琪, 张永茜, 李雪

2023, 49(5): 82-89, 111. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060105

<摘要>(92) <HTML>(6) <PDF>(4)

摘要:
在煤矿井下复杂环境下，传统瓦斯浓度预测模型的预测精度较低，虽然通过引入各种优化算法对传统瓦斯浓度预测模型进行优化，提高了瓦斯浓度预测精度，但仅从时间维度进行建模，忽略了瓦斯浓度的空间特性，易导致重要先验知识丢失，影响预测效果。针对上述问题，提出一种基于图卷积神经网络（GCN）和门控循环单元(GRU)的瓦斯浓度时空分布预测模型。首先，对瓦斯浓度历史数据进行预处理，根据各采集节点间的空间距离，构建瓦斯浓度空间节点图，用于对节点间复杂的依赖关系进行建模。然后，在每个采样时间点，将瓦斯浓度和节点间的距离权重参数作为输入，获得瓦斯的空间节点图结构后，通过GCN进行空间特征自适应学习和图卷积运算，得到瓦斯浓度的空间特征，再将瓦斯浓度的空间特征信息转化为序列数据，输入到GRU。最后，GRU对时间序列下各时刻组成的瓦斯空间特征信息进行处理，通过基于序列到序列模型和自动编码器，生成模型预测结果。试验结果表明：① GCN−GRU模型能够较为准确地预测瓦斯浓度的总体变化趋势，预测结果与实际数据的拟合度优于历史平均（HA）模型和支持向量回归（SVR）模型。② GCN−GRU模型的均方根误差较HA模型、SVR模型、移动平均自回归（ARIMA）模型分别降低了0.5%，71.4%，37.9%，平均绝对误差分别降低了10.5%，82.4%，82.4%，准确率分别提高了0.06%，17.7%，13.8%，表明GCN−GRU模型具有较强的鲁棒性，且泛化性能较好。③ GCN−GRU模型较HA模型、SVR模型、ARIMA模型更能关注到前序重要特征的影响。这主要是由于GRU的2个门关注了数据的时间特征，GRU在保留门控功能的基础上，减少训练参数，在一定程度上提高了模型训练效率，降低了训练时长。

跨工作面采空区瓦斯抽采技术研究

李乾荣, 王兆丰, 王树军, 安丰华, 田兴润

2023, 49(5): 90-95, 146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080062

<摘要>(90) <HTML>(10) <PDF>(3)

摘要:
Y型通风连续回采工作面采用沿空留巷技术提高煤炭采出率，随着工作面回采，采空区会扩大、连通，回风隅角和挡矸架内风流不畅，瓦斯不仅容易积聚，还很难稀释吹散，导致超限报警频繁。目前针对回风隅角和挡矸架内瓦斯积聚问题的解决方案，无法实现对采空区的持续抽采，且抽采能力较为分散，难以保证治理效果。针对Y型通风连续回采工作面采空区瓦斯治理难题，以东峰煤矿3202工作面为工程背景，提出一种跨工作面采空区瓦斯抽采技术。在相邻工作面的回风巷内施工定向长钻孔至采空区顶板断裂带，定向长钻孔抽采管路在工作面回采后无需撤管，可持续抽采采空区瓦斯，最大限度降低采空区及其顶板断裂带瓦斯存量，形成跨工作面，对采空区瓦斯进行抽采，减少了相邻采空区积聚瓦斯，有效防止顶板大面积垮落时采空区瓦斯突然扇出带来的瓦斯灾害。试验结果表明:跨工作面钻孔距离巷道顶板30~40 m，跨工作面定向长钻孔终孔位置在水平方向上距轨道巷20~40 m时抽采效果理想；施工定向长钻孔至采空区顶板断裂带，持续抽采采空区瓦斯，挡矸架内的瓦斯体积分数由0.67％降至0.22％，回风流瓦斯体积分数由0.47％降至0.18％，回采期间3202工作面瓦斯体积分数保持在0.6％以下。跨工作面采空区瓦斯抽采技术为采空区的瓦斯抽采方式提供了新思路。

基于改进相似模型的采煤机轴承剩余寿命预测方法

李晓昆, 耿毅德, 王宏伟, 付翔, 王然风

2023, 49(5): 96-103. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18018

<摘要>(19) <HTML>(1) <PDF>(3)

摘要:
采煤机轴承退化过程并非简单的线性或指数关系，应分为不同阶段进行分析。而目前的采煤机轴承剩余使用寿命(RUL)预测方法未充分考虑该因素。针对该问题，提出了一种基于改进相似模型的采煤机轴承剩余寿命预测方法。采用通用的相似模型描述设备退化过程，在此基础上通过对均方根聚类分析，将轴承退化过程划分为平稳运行阶段、初始退化阶段和加速退化阶段，借助传统相似模型思路分段计算采煤机轴承的健康状态并拟合得到退化曲线样本库，通过对离线样本库数据和在线采煤机实时数据进行数据预处理和相似性分析，最终得到采煤机轴承RUL。实验结果表明：基于改进相似模型的采煤机轴承RUL预测方法的误差绝对值均值较卷积门控循环单元（ConvGRU）、空间卷积长短时记忆神经网络（ConvLSTM）、卷积神经网络（CNN）、自组织映射神经网络（SOM）、循环神经网络（RNN）、传统相似模型分别降低了30.49%，7.54%，16.98%，24.74%，17.96%，9.49%，可以较好地预测轴承RUL。现场试验结果表明：对采煤机轴承连续监测87 d，轴承健康状态从0.997逐渐下降到0.972，与现场采煤机轴承实际使用情况基本吻合，验证了该方法的有效性。

基于改进BP−PID的带式输送机速度控制方法

桂改花, 苑占江

2023, 49(5): 104-111. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080058

<摘要>(13) <HTML>(0) <PDF>(3)

摘要:
针对传统BP−PID控制算法采用梯度下降法求解，存在收敛速度慢、易陷入局部极值且在低信噪比(LSNR)条件下性能下降等问题，提出了一种基于改进遗传模拟退火算法(ImGSAA)优化的BP−PID带式输送机速度控制方法(ImGSAA−BP−PID)。首先将交叉、变异概率取值与迭代时间关联，并引入反余弦函数增加遗传模拟退火算法（GSAA）动态调整和非线性变化适应能力。然后通过对传统Metropolis准则进行加权处理，提出加权Metropolis准则，对新种群个体进行修正，提升GSAA的噪声稳健性。最后利用ImGSAA对BP−PID初始参数进行优化，自动确定BP−PID的最优参数组合，从而提升参数整定的实时性和控制精度及对LSNR环境的适应能力。试验结果表明：① ImGSAA仅需11次迭代即可收敛，表明利用改进的交叉、变异策略和加权Metropolis准则对GSAA进行优化，能够有效提升算法的收敛速度和实时性。② ImGSAA−BP−PID的控制误差为−0.468 5~0.572 3 m/s，与遗传算法（GA）−BP−PID、粒子群算法（PSO）−BP−PID、GSAA−BP−PID的控制方法相比，分别提升了224.88%，104.07%，38.33%。③ ImGSAA性能受LSNR影响最小，迭代15次即收敛于全局最优解，具有较强的噪声稳健性。④ 在LSNR条件下，ImGSAA−BP−PID的控制误差均值下降了3.54%，控制性能明显优于GA−BP−PID，PSO−BP−PID，GSAA−BP−PID，更满足实际工程应用需求。

带式输送机多电动机驱动系统转速同步控制方法

李标

2023, 49(5): 112-119. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18013

<摘要>(22) <HTML>(4) <PDF>(5)

摘要:
带式输送机多电动机驱动系统在生产过程中，如果发生个别电动机转速不同步现象，会造成输送带断裂及机电设备损坏，因此需要对带式输送机多电动机驱动系统进行转速协同控制。传统的偏差耦合控制方法具备较好的综合性能，但存在控制结构复杂、扩展能力差、启动及稳态运行过程中易受负载扰动导致转速偏差等问题。针对上述问题，提出一种带式输送机多电动机驱动系统转速同步控制方法。通过引入虚拟电动机，采用各电动机与虚拟电动机之间的间接耦合关系替代传统偏差耦合结构中电动机之间的直接耦合关系，简化了系统的同步补偿器模型，减小了各电动机间的同步偏差，实现了各电动机的同步控制。当电动机数量变化时，只需在虚拟电动机转速同步补偿器中加入新的转速变量即可，原系统的转速同步补偿器无需改变，增强了系统可扩展性能。分析结果表明：① 系统启动阶段，改进偏差耦合结构中刚性连接与柔性连接电动机之间具备较好的同步性能。与传统偏差耦合结构相比，刚性连接电动机之间的同步偏差减少了4.0 r/min，使启动过程中主驱动滚筒具备良好的初始动力。② 负载突变时，刚性连接电动机之间的同步偏差为1.7 r/min，刚性与柔性连接电动机之间的同步偏差平均值为14.6 r/min，比传统耦合偏差结构分别降低了5.2，31.7 r/min，可有效降低负载突变对电动机机械结构的损伤。

基于双路径网络的矿井无线信号检测方法的研究

李旭虹, 李彤彤, 王安义

2023, 49(5): 120-126. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100052

<摘要>(219) <HTML>(19) <PDF>(2)

摘要:
目前针对矿井无线信号检测的研究大多只考虑了比较理想的加性高斯白噪声信道和瑞利衰落信道，且信号检测误码率高，网络结构复杂。针对上述问题，提出一种基于双路径网络（DPN）的矿井无线信号检测方法，采用双路网络接收机（DPNR）优化正交频分复用（OFDM）接收端的整体性能，解决常规接收机的误差累积问题。首先采用残差（Res）块的shortcut对浅层特征进行一次卷积，将经过一次卷积后的特征图与经过多次卷积后的特征图相加。然后将密集（Dense）块浅层重复利用，并进行Dense块的卷积计算，得到卷积计算后的特征图。最后将两者的特征图融合成新的特征图，在牺牲较少复杂度的情况下，提取更多的特征，从而提高检测性能。实验结果表明：① 在OFDM系统中，DPNR的误码率比常规接收机低，在信噪比为13时，误码率为零；在信噪比大于7 时，DPNR的误码率较矿井环境下的常规接收机降低1个数量级以上；在信噪比大于11时，DPNR的误码率较加性高斯白噪声下的常规接收机降低 1个数量级以上。② 在通信系统滤波器组多载波/偏置正交幅度调制中，DPNR的误码率较常规接收机的降低2个数量级以上，说明其具有较好的鲁棒性。③ 随着信噪比的增加，DPNR和残差神经网络（ResNet）接收机的误码率较密集连接卷积网络（DenseNet）接收机低，且DPNR的误码率在最后阶段即信噪比大于13时更低。④ 在较高信噪比情况下，DPNR的误码率远远低于深度接收机，在信噪比大于8时，DPNR的误码率较深度接收机降低1个数量级以上。

一种矿用高隔离度三频MIMO天线设计

董佩佩, 徐艳红, 王安义, 张志文, 白婷婷

2023, 49(5): 127-132. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022090089

<摘要>(168) <HTML>(33) <PDF>(5)

摘要:
多频多输入多输出（MIMO）天线由于空间受限，存在单元间距较小产生的强耦合问题。针对该问题，设计了一种矿用高隔离度三频MIMO天线。通过在1个矩形枝节两端加载2个L型枝节组成三叉戟单极子天线，使天线具有三频特性；将2个三叉戟单极子天线单元对称放置，在2个单元之间的金属地板上加载1个T型枝节，利用寄生枝节产生的相反电流抵消未加枝节时耦合产生的电流，并蚀刻2个对称的矩形槽，通过改变地板上的电流分布来抑制地板表面波带来的互耦，从而使天线在整个频段内实现高隔离度。仿真结果表明：该天线工作在1.85～2.70，3.24～3.99，4.65～5.80 GHz频段，能有效覆盖煤矿井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR工作频段；天线在3个频段内的隔离度分别大于20，22，22 dB，较去耦合前天线的隔离度分别提高了11，9，10 dB；包络相关系数小于0.2，具有良好的分集性能；天线在工作频段内增益变化稳定，且全向辐射特性良好。该天线具有结构简单紧凑、易加工、剖面低的优势，在煤矿无线通信中具有广泛的应用场景。

冻融循环作用下不同含水率砂岩抗拉特性研究

苗浩东, 任富强

2023, 49(5): 133-138, 152. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022070074

<摘要>(46) <HTML>(1) <PDF>(2)

摘要:
我国寒冷地区矿山受冻融循环作用的影响，岩石内部因不均匀胀缩而产生裂隙，同时裂隙间水分冻胀使得裂隙扩大，造成岩石破坏，进而影响边坡的稳定性。为研究冻融循环作用下不同含水率砂岩的抗拉特性，对不同冻融循环次数（0，10，20，30次）下不同含水率（0，35%，70%，100%）砂岩进行巴西劈裂试验，同时进行声发射监测，分析了含水率和冻融循环作用对砂岩抗拉特性的影响。结果表明：① 当砂岩含水率小于35%时，砂岩抗拉强度降低幅度较为缓慢，含水率大于35%时抗拉强度降低幅度变快。② 砂岩声发射信号峰值频率分布有明显频带特征，含水率增大会使砂岩声发射信号峰值频率主要集中区延后出现。③ 随着冻融次数增多，非完全饱水砂岩的声发射振铃计数和累计能量峰值不断降低，完全饱水砂岩的声发射信号减少且声发射振铃计数峰值呈先升后降趋势，含水率相同的砂岩声发射信号低峰值频率从50 kHz降低到10 kHz以下，其中冻融10次时砂岩加载过程中的声发射信号以峰值频率小于20 kHz的低频信号为主，冻融20次后砂岩声发射信号峰值频率降到10 kHz以下。④ 砂岩整个加载过程以低频低幅值声发射信号为主，主要发生小尺度破裂。

卸荷作用下煤岩异性结构面失稳机制研究

陈曦, 刘广建, 滕杰田, 张恒, 朱亚威, 季宪军

2023, 49(5): 139-146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022090037

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摘要:
目前针对岩体结构面滑移失稳方面的研究未考虑开挖过程中的卸荷效应，且对煤岩异性结构面的研究较少。为了探究触发煤岩异性结构面滑移的条件及其影响因素，通过建立异性结构面力学模型，理论推导了卸荷作用下异性结构面解锁滑移的判据，采用通用离散单元法程序（UDEC）建立平滑结构面数值模型，以验证理论分析异性结构面解锁滑移触发条件的准确性，分析异性结构面解锁滑移的影响因素。研究结果表明：煤岩异性结构面解锁滑移与结构面倾角、内摩擦角及水平应力与轴向应力的比值有关；当水平应力等于轴向应力时，异性结构面始终处于稳定闭锁状态，不会发生解锁滑移；水平应力和轴向应力增大、内摩擦角减小均会增大异性结构面解锁滑移难度；对于下行解锁滑移，当结构面倾角小于$45^\circ + \dfrac{{{\varphi _{\rm{f}}}}}{2}$（$\varphi _{\rm{f}} $为内摩擦角）时，其增大会增大解锁滑移难度，大于$45^\circ + \dfrac{{{\varphi _{\rm{f}}}}}{2}$时其增大会减小解锁滑移难度；对于上行解锁滑移，当结构面倾角小于$ 45^\circ - \dfrac{{{\varphi _{\rm{f}}}}}{2} $时，其增大会增大解锁滑移难度，大于$ 45^\circ - \dfrac{{{\varphi _{\rm{f}}}}}{2} $时其增大会减小解锁滑移难度；对于异性结构面稳定闭锁状态，结构面倾角不大于30°时，若轴向应力大于抗压强度，则煤岩组合体发生脆性破坏。

基于人机关系的煤巷掘进作业优化

高宇, 刘佳

2023, 49(5): 147-152. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022070069

<摘要>(23) <HTML>(5) <PDF>(4)

摘要:
目前针对煤巷掘进效率提升的研究大多从改进掘进设备的角度出发，对煤巷掘进作业工序及人员配置的考虑较少，而保持和谐稳定的人机关系是保障煤巷掘进效率的关键。以马道头煤矿8404工作面2404进风巷为工程背景，在考虑人机匹配关系的基础上，提出了煤巷掘进作业优化方案。对掘锚机割煤支护工序进行了优化，提出了顶部和帮部锚杆空间不成排的掘进巷道支护体系，即在连续作业2个循环进尺后不退掘锚机组，使顶部锚杆领先帮部锚杆300 mm，以节约巷道支护时间。数值模拟结果表明，顶部和帮部锚杆空间不成排支护的应力场与顶部和帮部锚杆空间对齐成排支护的应力场相差不大，验证了顶部和帮部锚杆空间不成排支护体系的可靠性。通过多工序并行作业优化了煤巷掘进作业流程，进而计算各工序任务量，优化各工序相关的人员配置。工程应用结果表明，基于人机关系对煤巷掘进作业进行优化后，日循环数由10次增加到15次，月进尺由300 m增加到450 m，工人效率从0.1 m/工提升到0.14 m/工，循环周期由80 min缩减到44.6 min，明显提升了煤巷掘进效率。

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