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当期目录

2022年 第48卷  第7期

“煤矿智能采掘装备技术与应用”专题
数字孪生−应对智能化综采工作面技术挑战
葛世荣, 王世博, 管增伦, 王雪松, 安文龙, 吕渊博, 陈书航
2022, 48(7): 1-12. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17959
摘要:
基于智能化综采工作面目标任务−自主完成综采工作面可靠割煤、保持工作面几何关系、顶板可靠支护,提出了综采工作面智能控制关键技术,包括采煤机定位技术、工作面可视化技术、液压支架电液控制技术(装置)、工作面通信技术、综采装备协同控制技术、采煤机自动调高技术、工作面自动调直技术和工作面围岩支护控制技术(其中前3种技术属于智能化综采工作面的感知与执行层,工作面通信技术是智能化综采工作面的传输层,后4种技术属于智能化综采工作面的决策层)。指出智能化综采工作面面临的挑战为决策层的自主决策能力不能适应复杂多变的工况、感知与执行层不能支撑决策层的信息需求和决策指令的可靠执行。针对上述挑战问题,采用基于仿真的数字孪生建模方法,提出了综采工作面数字孪生系统架构。综采工作面数字孪生系统虚拟实体包括机理模型和行为模型,利用综采装备机理模型可获得综采装备物理系统的不可测数据,行为模型可为综采工作面智能控制系统提供反映物理装备运行状态的全息信息,解决决策层数据信息匮乏问题;综采装备机理模型与其控制系统组合的离线运行模式形成综采工作面硬件在环仿真系统,为基于工艺规则的智能控制算法提供测试平台;综采装备机理模型、行为模型与其控制系统组合的离线运行模式形成综采工作面计算实验系统,为综采工作面智能控制系统真正的自主决策复杂算法开发提供测试平台。
基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量系统研究
薛光辉, 李圆, 张云飞
2022, 48(7): 13-21. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17967
摘要:
掘进机位姿准确快速测量是煤矿巷道智能掘进的前提和基础。目前悬臂式掘进机位姿测量存在非绝对位姿测量、测量精度低、布置复杂或仅能测量少数位姿参数等问题,无法满足智能掘进需要。针对上述问题,在基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量方法的基础上,设计了一种基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量系统。该系统由激光跟踪装置和激光标靶组成,激光跟踪装置安装在巷道后方,发射激光到安装在悬臂式掘进机机身上的激光标靶上并跟踪激光标靶移动,通过求解激光跟踪装置、激光标靶、掘进机和巷道等坐标系间的转换矩阵即可测得掘进方向位置、偏距、高度、偏向角、俯仰角和翻滚角6个绝对位姿参数,实现了悬臂式掘进机在巷道大地坐标系中绝对位姿的全参数实时测量。分析了该系统的误差影响因素,仿真得到了其误差分布规律:随着掘进距离增加,掘进机姿态测量误差在一定范围内变化,偏距和高度测量误差呈线性增加趋势;在5~80 m测量范围内,掘进机偏向角、俯仰角和翻滚角测量误差分别小于1.4,1,0.03°,掘进方向位置测量误差小于5 mm,偏距和高度测量误差均小于20 mm。利用履带式机器人底盘搭建了位姿测量实验系统,开展了其在模拟巷道中的位姿测量实验,结果表明,掘进方向位置、偏距和高度测量误差均小于5 mm,偏向角测量误差小于1°,俯仰角测量误差小于0.6°,翻滚角测量误差可忽略不计,与仿真结果一致,证明了该系统的可靠性。
融合近红外光谱的煤岩界面分布感知研究
杨恩, 王世博, 宣统
2022, 48(7): 22-31, 42. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17950
摘要:
近红外波段反射光谱能够基于煤岩本质物质属性不同所引起的反射光谱特征差异进行煤岩区分,识别精度高,实时性好,但尚未用于煤岩界面位置分布识别。针对采煤机记忆截割在后续截割循环中对煤岩界面自主判定的实际需求,研究了基于近红外反射光谱技术的煤岩界面分布感知技术。采用气煤、炭质泥页岩切割块样搭建了煤壁煤岩界面台架,设计了光纤准直镜−卤钨聚光光源一体式光谱探头并安装于采煤机机身,在采煤机0,3,7 m/s 3种行走速度和光谱探头3,4,5,6 °/s 4种扫描角速度下,测定了煤岩界面附近煤岩的近红外波段(1 000~2 500 nm)后向反射光谱曲线。对于光谱探头在煤壁上每条扫描轨迹中采集的所有反射光谱,在2 150~2 250 nm差异性特征波段,基于余弦距离模糊C均值聚类(CFCM)进行煤岩反射光谱无监督识别,根据每条扫描轨迹上各位置探测结果,基于高度差权重法和扫描轨迹方程确定煤岩界面点理论探测位置。研究结果表明:在采煤机和光谱探头每种运动状态下,光纤准直镜−卤钨聚光光源一体式光谱探头所采集气煤、炭质泥页岩近红外波段后向反射光谱均具有1 400,1 900,2 200 nm附近明显的差异性吸收谷谱带,随着探测入射角增大,煤岩反射光谱曲线均呈下降趋势;同种采煤机行走速度下,随着光谱探头扫描角速度增大,以及同种光谱探头扫描角速度下,随着采煤机行走速度增大,煤岩反射光谱曲线整体均趋于平缓;基于CFCM、高度差权重法、煤壁扫描轨迹方程可实现采煤机和光谱探头运动状态下煤岩界面点的快速精确探测,其中光谱探头3,4,5 °/s 3种扫描角速度下煤岩界面点探测结果的均方根误差不超过1.5 cm,为近红外反射光谱技术应用于煤岩界面分布的精确高效感知提供了参考。
近红外光谱煤岩识别装置研制
吕渊博, 王世博, 葛世荣, 周悦, 王赛亚, 柏永泰
2022, 48(7): 32-42. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17953
摘要:
目前近红外光谱煤岩识别都是在静态下采集光谱数据进行离线识别,无法适应放顶煤作业时需要实时识别输送机上高速移动煤岩的需求。针对该问题,基于近红外光谱技术研制了一种煤岩识别装置。该装置由数据采集与处理装置和光源探头一体化装置组成,通过光源探头一体化装置搜集煤岩反射光,利用数据采集与处理装置中改进的煤岩识别算法(余弦角算法和相关系数法)分析光谱数据,可在获取到煤岩光谱曲线后立即分析光谱信息并判断当前煤岩类别。为得到改进煤岩识别算法最佳特征波段与标准光谱库大小,通过实验得到了不同特征波段和标准光谱库大小对识别准确度的影响:1 300~1 500,1 800~2 000,2 100~2 300 nm特征宽度适用于大多数煤岩样本,标准光谱库大小与正确率正相关,识别时标准光谱库有必要增加曲线数量。为提高煤岩识别装置采集的光谱质量,在实验室模拟了煤岩与光源探头一体化装置的相对运动,探究了不同光谱采集参数对光谱质量的影响规律:积分时间主要参考光源的光照强度,当采集条件较好时积分时间设置为比下限略高5~10 ms最佳;考虑综放工作面对煤岩识别实时性要求高且放煤过程中刮板输送机上煤岩变化较快,积分次数设置为1最佳;平滑次数主要参考环境波动快慢,只需设置为可消除环境光变化即可。为提高煤岩识别装置在工作面煤流运动状态下识别的准确性,探究了改进余弦角算法与相关系数法在煤岩与光源探头一体化装置相对运动中识别的准确性,得到改进相关系数法是更适合在工作面使用的识别算法,正确率达到91.3%。煤矿现场煤岩识别试验结果表明,该装置在采集到1个放煤周期内放落煤岩的光谱曲线后,可通过改进识别算法立即分析光谱信息并准确判断当前煤岩类别,实现了放煤过程中煤岩实时识别。
基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位研究
王学, 周红旭, 张雷, 王华英
2022, 48(7): 43-51, 57. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17896
摘要:
针对现有掘进机无法实时定位、定位不准确、视觉定位中相机视野被遮挡导致定位失败等问题,提出了一种将基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位方案。在悬臂式掘进机机身与机臂安装近红外LED标靶,以LED作为近红外标靶构建掘进机特征信息,通过图像处理、位姿解算实现掘进机机身与截割部的三维空间定位。双目立体视觉相机安装在巷道顶部,随着掘进机不断推进,掘进机与双目立体视觉相机距离逐渐增加,造成双目图像获取失败,进而导致视觉解算截割部位姿失败。针对该问题,引入基于一维卷积神经网络(1D−CNN)的掘进机截割部磁场辅助定位方法。在掘进机机身两侧安装三轴数字磁场计,并在机臂处安装永磁体,以磁场的强度分量和双目立体视觉相机获取的位姿数据作为训练数据,构建1D−CNN模型,输出在视觉测量失效情况下掘进机截割部位姿。从深度信息和掘进机机身及截割部位姿2个方面对基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位方案进行实验,结果表明:机身测量误差在±11 mm以内,相对误差在0.4%以内。截割部测量误差在±50 mm以内,相对误差在1%以内;掘进机机身与截割部间的相对位姿误差在±2.5°以内,俯仰角的均方根误差为根0.930 1°,偏航角的均方根误差为0.922 0°。上述误差在巷道作业允许范围内,验证了该方案的有效性和可靠性。对基于1D−CNN的掘进机截割部磁场辅助定位方法进行了有效性验证,为模拟井下复杂磁场环境,在掘进机附近随机添加干扰磁源,结果表明:该方法对掘进机截割部俯仰角、偏航角、翻滚角的预测值与测量的真实值基本吻合,预测的俯仰角、偏航角、翻滚角决定系数分别为0.992 4,0.995 9,0.917 4,说明基于1D−CNN的掘进机截割部磁场辅助定位方法能够较好地满足在视觉定位失效下的掘进机定位需求。
基于非完整性约束的采煤机定位方法
宋单阳, 杨金衡, 陶心雅, 卢春贵, 田慕琴, 宋建成
2022, 48(7): 52-57. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006
摘要:
目前基于惯性导航系统和里程计组合的采煤机定位方法直接用里程计输出对惯性导航系统推算得到的采煤机前进速度进行修正,但抑制惯性导航系统误差发散的能力非常有限。采煤机在运动过程中满足非完整性约束的特点,即在采煤机不发生跳跃和侧滑的情况下,牵引齿轮和履带连接处的侧向和垂向速度为零。基于该特点,在惯性导航系统和里程计组合定位的基础上,提出了一种基于非完整性约束的采煤机定位方法。安装于采煤机机身中部的惯性测量单元输出经机械编排获得采煤机姿态、速度和位置信息;安装于采煤机牵引齿轮上的里程计输出用于计算采煤机瞬时速度。使用惯性导航系统的机械编排结果和误差传播模型建立卡尔曼滤波状态方程,在采煤机牵引齿轮和履带的连接处引入非完整性约束,利用惯性导航系统投影在连接处的速度与里程计输出的速度之差作为观测向量,建立卡尔曼滤波观测方程;将卡尔曼滤波算法处理后的结果作为误差反馈,对惯性导航系统的输出进行修正,得到采煤机姿态、速度和位置的最优估计。实验结果表明,相较于传统惯性导航系统和里程计组合的定位方法,加入非完整性约束后定位误差没有随时间发散,对实际轨迹具有良好的追踪性能;采煤机在前向、侧向、垂向上的定位误差分别降低了66%,62%,67%。
综采工作面煤层三维模型动态修正方法研究
梁耍, 王世博, 葛世荣, 柏永泰, 谢洋
2022, 48(7): 58-65, 72. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17956
摘要:
综采工作面的高精度煤层地理信息是实现智能无人开采的关键,但现阶段所构建的煤层三维模型垂向精度较低,无法满足智能开采的实际需求。针对该问题,提出了一种综采工作面煤层三维模型动态修正方法。将得到的初始煤层三维模型静态数据及开采过程中采煤机截割产生的动态数据融合,基于长短期记忆网络(LSTM)预测算法及其改进算法(基于空间卷积长短期记忆网络(Conv LSTM)、编码−解码长短期记忆网络(Encoder-Decoder LSTM)的预测算法),根据上一回采阶段的煤层数据,动态预测下一阶段未开采区的煤层底板曲面和煤层厚度。采用双层循环嵌套的网格搜索方法对上述3种预测算法进行参数调优,获取未开采区煤层底板曲面和煤层厚度的高精度垂向分布数据,作为煤层三维模型修正值,动态修正下一阶段未开采区的煤层三维模型;随着工作面不断开采,利用新获取的修正数据持续动态修正并更新初始煤层三维模型,从而提升初始煤层三维模型精度,使动态修正后的煤层三维模型能更准确地反映综采工作面实际煤层分布。以山西吕梁市某煤矿18201工作面煤层三维模型为例,采用提出的动态修正方法对该模型进行修正,在工作面推进方向16~23.2 m范围内,动态修正后的煤层底板平均误差为0.068 5 m,煤层顶板平均误差为0.076 m,相较于修正前的底板平均误差0.20 m、煤层厚度垂向平均误差0.40 m,动态修正后的煤层三维模型精度大大提升,证实了该修正方法的有效性。
综采工作面大流量智能供液系统研究
司明, 邬伯藩, 王子谦
2022, 48(7): 66-72. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030033
摘要:
针对综采工作面供液系统供液能力不足、压力波动大、系统运行稳定性差等问题,提出了一种免疫粒子群优化模糊神经网络PID(IPSO−FNN−PID)算法,设计了IPSO−FNN−PID控制器,实现了供液系统稳压控制。IPSO−FNN−PID算法将粒子群(PSO)算法和免疫算法(IA)引入模糊神经网络(FNN)PID控制器,针对FNN算法易陷入局部寻优问题,采用免疫粒子群(IPSO)算法优化FNN算法,通过在PSO算法中加入IA来提高PSO算法的收敛性,实现最优PID参数输出。为验证IPSO−FNN−PID控制器的有效性,选取传统PID控制器、Fuzzy−PID控制器、FNN−PID控制器进行比较,仿真结果表明:① IPSO−FNN−PID控制器对乳化液泵的控制效果最佳,其他3种控制器的上升时间、峰值时间和调节时间均比IPSO−FNN−PID控制器长,最大超调量均大于IPSO−FNN−PID控制器。② 在加入扰动信号后,IPSO−FNN−PID控制器具有较好的自适应性和鲁棒性,恢复到平稳状态仅用了1.2 s。③ 当利用传统PID和Fuzzy−PID控制器对乳化液泵进行控制时,振荡明显,超调量大,分别为41.2%,22.3%;当利用FNN−PID控制器对乳化液泵进行控制时,振荡明显减弱,超调量降低为17.6%,调节时间减少至2.68 s;当利用IPSO−FNN−PID控制器对乳化液泵进行控制时,几乎无振荡,超调量仅为5.22%,调节时间缩短至2.61 s,遇到干扰信号时稳定性更强。④ 在受到扰动信号时,负载干扰对IPSO−FNN−PID控制器的影响较小,且收敛迅速,鲁棒性大大提升,表明IPSO−FNN−PID控制器具备良好的抗扰动及扰动补偿能力,可满足供液系统的稳压控制要求。
基于加速度计的顶煤运移时间测量系统
李增林, 靳舒凯, 刘安强, 张权, 员明涛, 康俊瑄, 杨克虎
2022, 48(7): 73-80. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060089
摘要:
多轮顺序记忆放煤工艺能够改善综采工作面的顶煤采出率和含矸率,但在现场应用中需要对每一轮放煤时间进行精确测定与控制。基于顶煤运移跟踪仪的自动化放煤技术在实际应用中顶煤运移跟踪仪仅作为标志点安置于顶煤中,无法获得更多的顶煤运移信息。针对上述问题,基于顶煤运移跟踪仪,设计了一种基于加速度计的顶煤运移时间测量系统,该系统包括标签、采集器及中心计算机3个部分。标签放置于顶煤内部,放煤过程中跟随顶煤运动,通过内置的加速度计实时采集比力值数据,并调用时间测量算法,实现顶煤运移情况监测,进而确定不同放煤阶段,计算得出不同阶段的顶煤运移时间信息;当标签从放煤口放出后,与刮板输送带产生碰撞,通过射频信号将顶煤运移时间信息向外发送给采集器,通过现场总线进一步传输至中心计算机,指导综采工作面现场实现多轮顺序放煤。详细介绍了顶煤运移时间测量标签的软硬件设计,实现了比力值实时采集、无线信号传输、数据存储等功能;搭建了以3D转台为核心,Gauss-Newton方法为标定算法的标定平台,完成了加速度计的标定工作,标定后的加速度计能够准确采集顶煤运移时间测量标签的比力值;根据顶煤在放煤过程中的运移特点,提出了基于阈值的时间测量算法及基于长短期记忆(LSTM)的时间测量算法。基于阈值的时间测量算法通过引入静态阈值、最大阈值实现运动阶段的时间识别;基于LSTM的时间测量算法通过识别时域下比力值矢量和的动态变化,寻找突变点,实现运动阶段的时间识别。通过标签的自由落体实验完成了2种时间测量算法的性能测试,其中时间测量方差分别为0.000 6、0.000 2,时间测量误差分别为13.07%、5.22%,满足现场顶煤运移时间测量需求,基于LSTM的时间测量算法在顶煤运移时间测量具有明显的应用优势。
固体充填液压支架全位姿测量及虚拟仿真
王裕, 史艳楠, 王毅颖, 齐朋磊, 王翰秋
2022, 48(7): 81-89. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030078
摘要:
针对固体充填液压支架处于复杂地质条件下时空间位姿状态动态变化难以直接识别,现有位姿测量系统存在位姿参数部分缺失的问题,设计了一种固体充填液压支架全位姿测量系统。利用3D Max建模软件建立了固体充填液压支架三维模型,基于固体充填液压支架不同的特征节点,采用多传感器融合测量方法获取反映其空间全位姿的9个参数,即支架底座倾斜角(与水平面夹角)、顶梁姿态角(与水平面夹角)、支架高度、推矸推移距离、护帮板状态、推压密实机构倾角(与后顶梁夹角)、推压密实机构推移距离、支架组护帮板之间的距离、刮板输送机中部槽与支架推矸的夹角。将倾角传感器布置于前顶梁、后顶梁、底座、推压密实机构千斤顶等处,用于测量支架的底座倾斜角和前后顶梁姿态角等,将位移传感器安装在支架的推矸和推压密实机构上,用于测量推移距离等。利用视觉传感器采集图像数据,通过建立单目视觉测量模型及全局坐标系与局部坐标系的转换,分析计算固体充填液压支架组护帮板之间的距离、支架推矸与刮板输送机中部槽之间的角度、护帮板状态和支架高度等。针对现有固体充填液压支架虚拟仿真系统在数据分析、运动关系约束等方面缺乏深入研究的问题,设计了基于 Unity3D 的固体充填液压支架虚拟仿真系统,该系统利用Unity3D实现了支架运动仿真,可实时反映支架运行时的位姿状态变化。基于 Unity3D 的固体充填液压支架虚拟仿真系统与固体充填液压支架全位姿测量系统配套使用,可真实反映固体充填液压支架的运行状态,保证固体充填液压支架仿真的稳定性及数据的可靠性,为固体充填液压支架平稳运行提供了技术支持。
分析研究
采煤工作面火灾风险阶段性多指标综合评价方法
陈小林
2022, 48(7): 90-95, 104. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120083
摘要:
针对矿井火灾风险评价方法存在评价维度单一、评价指标不全面、评价结果不可靠等问题,基于层次分析法,提出了一种采煤工作面火灾风险阶段性多指标综合评价方法。针对采煤工作面内因火灾风险,选取自燃倾向性、自然发火期、百万吨发火率、煤层厚度、煤层倾角、地质构造、煤层瓦斯等级、采煤工艺、采空区处理方法、采煤工作面上下行风压差、防灭火措施有效性、自热期阶段、Graham指数作为评价指标,采用插值法计算评价指标评分,并对各评价指标赋权,进而获得采煤工作面内因火灾潜伏期、自热期和燃烧期3个阶段火灾风险评分。当采煤工作面内因火灾潜伏期风险评分大于50分时,将该评分作为采煤工作面内因火灾风险最终评分,否则进入自热期风险评价;采煤工作面内因火灾自热期风险评分大于50分时,将该评分作为采煤工作面内因火灾风险最终评分,否则进入燃烧期风险评价;当进入燃烧期风险评价时,直接将采煤工作面内因火灾风险评分设为0。针对采煤工作面外因火灾风险,依托火灾在线监测、风险分级管控及隐患排查机制,选取温度、O2体积分数、CO体积分数、隐患超期未接单、隐患超期未整改、隐患复查不合格、风险管控措施超期未反馈、风险管控措施超期未复查、风险管控措施复查不合格作为评价指标,对采煤工作面外因火灾风险进行评分。以采煤工作面内因火灾和外因火灾风险评分最低值作为采煤工作面火灾风险评分,该评分越高,表明采煤工作面火灾危险程度越低。
煤矿微震监测台网监测能力分析与优化方法
陈法兵, 吴红军, 崔保阁, 王元杰, 李岩
2022, 48(7): 96-104. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020048
摘要:
微震监测台网的监测能力取决于多种因素,如台网布置、速度模型、震相读取误差、走时区域异常、定位算法、设备运行状态和环境噪声等,其中台网布置现阶段可以人为优化。为了对微震监测台网的监测能力进行有效评价,并在此基础上对台网布置进行优化,提出了一种煤矿微震监测台网监测能力分析与优化方法。分析了台网布置因素中对微震监测台网监测能力影响最大、最直接的四因素:有效波形数、最大空隙角、近台震中距和台站高差,指出有效波形数、近台震中距和台站高差对震源深度求解误差起决定性作用,有效波形数和最大空隙角对震中定位精度起决定性作用。结合现有台网和工作面情况,得出四因素的分布云图,通过四因素分布云图逐项对微震监测台网监测能力进行评价,根据评价结果进行优化,得出新的台网布置方案;对新方案进行定位误差与灵敏度分析,得出全矿井的震中定位误差、震源定位误差及区域灵敏度,对新方案进行二次评价;若二次评价结果满足要求,则可将新方案作为最佳台网布置方案;若二次评价结果不满足要求,则重新进行四因素分项评价并对方案进行优化,直至满足要求为止。现场试验结果表明,利用提出的方法对唐口煤矿5307工作面的微震监测台网进行优化后,爆破震源定位误差均值由59.2 m降到37.2 m,定位误差最大值降到100 m以下,误差在50 m以下的爆破事件占总数的69.0%,说明提出的方法能够有效提高微震定位精度,优化台网监测能力。
深部巷道围岩复合注浆加固技术
付玉凯, 王涛, 孙志勇, 岳延朋
2022, 48(7): 105-112. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040063
摘要:
针对深部巷道围岩复杂地质条件下单一注浆方式和注浆材料不能达到理想的注浆效果问题,提出了一种深部巷道围岩复合注浆加固技术。以山西某矿3210孤岛工作面为例,阐述了复合注浆加固技术原理及应用。首先,结合现场试验区域的地质力学测试结果、煤岩体物理力学参数等,计算3210回风巷各破裂区的范围;其次,基于围岩分区破裂特点,提出3步注浆工艺,即浅部低压渗透注浆、深部高压劈裂注浆和补充注浆,并根据各分区的范围确定3步注浆工艺中各个钻孔的深度;然后,根据各个分区中裂隙的发育程度和裂隙开度,选择相应的注浆材料:高渗透区宜采用无机水泥注浆材料,中等渗透区宜采用超细水泥注浆材料,低渗透区宜采用高分子化学浆液进行补注;最后,根据现场注浆试验,确定不同破裂区的注浆压力参数。采用注浆加固岩体锚固力、注浆加固岩体单轴抗压强度和围岩完整性3个指标综合判断3210回风巷注浆加固效果:采用复合注浆加固技术后,巷帮煤体锚固力提高144%,达到230 kN;顶板和巷帮围岩单轴抗压强度分别增加10.9%和18.5%,分别达到50.68 MPa和23.37 MPa;巷帮煤体波速提高15.2%,达到750 m/s。从注浆区域与未注浆区域围岩变形速率和变形量来看,复合注浆加固技术取得了良好效果。
实验研究
基于线扫描原理的煤矿巷道变形测量系统
杨洪涛, 于印, 许吉禅, 沈梅, 陆广慧
2022, 48(7): 113-117, 148. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060012
摘要:
针对采用三维激光扫描技术测量煤矿巷道变形存在有效扫描距离受限、获取的点云密度低、细节缺失严重、测量精度和效率低等问题,提出了一种基于线扫描原理的煤矿巷道变形测量系统。该系统通过巷道测量机器人的测量相机拍摄线扫描激光器投射出的光平面在巷道表面的光条图像;对光条图像使用线结构光光条中心提取技术,获取光条中心坐标,并将光条中心坐标代入通过光平面标定技术拟合的光平面方程,求解出测量相机坐标系下巷道表面的光条图像点云数据;由旋转电动机带动线扫描激光器和测量相机同步转动,获取巷道全部点云数据;采用多组追踪相机拍摄机器人上的靶标图像,实现机器人位姿连续不间断地追踪与测量;结合机器人位姿测量结果对巷道全部点云数据进行拼接,重构煤矿巷道点云;利用点云切片对煤矿巷道点云进行处理,实现煤矿巷道变形快速测量。实验结果表明,该系统测量误差小于7 mm,具有操作简单、灵活性高、测量速度快、测量范围广及测量精度高等特点。
基于改进完备集成经验模态分解的钢丝绳缺陷漏磁检测方法
钟小勇, 陈科安, 张小红
2022, 48(7): 118-124. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020037
摘要:
钢丝绳小缺陷信号往往被淹没在股波噪声中,存在钢丝绳小缺陷检测困难、易漏检等问题。针对该问题,提出了一种基于改进完备集成经验模态分解(ICEEMD)的钢丝绳缺陷漏磁检测方法。为了避免钢丝绳表面润滑剂或尘埃对检测信号造成影响,采用电磁检测法。将ICEEMD、小波阈值滤波(WTF)、维纳滤波(WF)相结合,得到ICEEMD−WTF−WF多级降噪方法:通过ICEEMD分解钢丝绳漏磁信号,得到本征模态函数(IMF)分量;计算IMF分量的能量比、排列熵、互相关系数,取出IMF趋势分量和IMF股波噪声分量,并对股波噪声分量进行WTF,筛选有用的IMF分量重构信号;对重构后的信号进行WF,去除随机噪声。提取降噪后的缺陷特征值,输入BP神经网络并进行训练,识别钢丝绳缺陷漏磁信号。实验结果表明:ICEEMD−WTF−WF多级降噪方法对钢丝绳漏磁信号具有良好的降噪效果,信噪比、峭度指标优于WTF、移动平均滤波和WF;基于ICEEMD−WTF−WF的BP神经网络模型检测耗时短,对小缺陷的平均准判率达到98.13%,能较好地满足钢丝绳缺陷检测要求。
矿用多频段微带天线设计
张志文, 徐艳红, 周梦丽, 王安义
2022, 48(7): 125-129. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040078
摘要:
随着5G技术在煤矿的应用,多系统之间的信号干扰愈发密集,严重影响数据、语音和图像通信的质量,煤矿井下多系统共存问题日益凸显。针对该问题,设计了一种可同时工作于WiMAX/WiFi/4G/5G NR频段的矿用多频段微带天线。该天线在平面单极子天线的基础上,通过加载2个L形枝节及在地板上加载倒L形枝节的方式,使天线能够在多频段工作。仿真结果表明:该天线的中间、右侧和左侧枝节分别产生了2.4,3.5,4.8 GHz的谐振点,而在地板加载的倒L形枝节则提供了1.9 GHz的谐振点,天线可工作在3个频段,分别为1.88~2.73,3.26~3.79,4.7~5.9 GHz,能够有效覆盖WiMAX/WiFi/4G/5G NR煤矿井下全部的工作频段;由天线的峰值增益和归一化方向图可知,该天线在需要的工作频段内增益性能和整体辐射性能良好。
基于分位数回归的煤炭发热量预测
赵先枝, 陈军林
2022, 48(7): 130-134. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060023
摘要:
目前应用较多的煤炭发热量预测模型以传统的线性回归模型为主,但存在难以表达较复杂的自变量和因变量关系、需要数据服从特定的分布假设、对异常值敏感等问题。针对上述问题,提出了基于分位数回归的煤炭发热量预测方法。选取全水分、灰分、挥发分等容易测量的煤炭工业分析指标,分别应用线性分位数回归和分位数回归森林2种分位数回归方法对煤炭发热量进行预测,并与传统的线性回归方法进行对比。结果表明:线性回归给出的煤炭发热量预测值仅是1个条件均值,而通过分位数回归能够给出煤炭发热量预测值的范围;分位数回归森林的预测效果优于线性回归和线性分位数回归方法;全水分对于煤炭发热量预测的重要程度远大于灰分和挥发分;全水分对低发热量煤炭的发热量预测影响大,对高发热量煤炭的发热量预测影响小;挥发分和灰分对低发热量煤炭的发热量预测影响小,对高发热量煤炭的发热量预测影响大。
预氧化煤低温氧化放热和动力学特性研究
闫国锋, 黄兴利, 闫振国
2022, 48(7): 135-141. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030032
摘要:
现有氧化煤自燃特性研究大多以较低氧化温度和空气条件下制取的煤样为研究对象,缺乏对预氧化煤氧化过程中动力学特性的分析。针对上述问题,利用C80微量热仪以不同氧化温度(100,200,300 ℃)和氧气体积分数(21%,15%,5%)条件下制取的预氧化煤为对象,研究了其低温氧化反应的放热和动力学特性,并探讨了氧化温度和氧气浓度对预氧化煤低温氧化反应活化能的影响。预氧化煤低温氧化放热特性分析结果:① 预氧化煤低温氧化进程滞后于原煤样,且滞后程度随氧化温度和氧气浓度升高而增大。② 预氧化煤低温氧化反应的放热量低于原煤样,且放热量随氧化温度和氧气浓度升高逐渐降低。当氧化温度为100 ℃时,不同氧气浓度预氧化煤的t1(热流>0时对应的温度)、t2(热流增长率最大值对应的温度)及低温氧化过程的反应热基本相等。③ 随着氧化温度升高,氧气浓度对t1t2及低温氧化过程的反应热的影响才逐渐明显。表明氧气浓度对预氧化煤低温氧化反应的影响在较高的氧化温度下才体现。但是,太高的氧化温度导致预氧化煤低温氧化反应进程严重滞后且反应放热量<0。预氧化煤低温氧化动力学参数分析结果:① 预氧化煤低温氧化反应加速氧化阶段的活化能高于原煤样,快速氧化阶段的活化能低于原煤样。表明预氧化煤氧化反应进入加速氧化阶段的门槛提高,却更容易进入快速氧化阶段。② 从指前因子数据可看出,预氧化煤低温氧化反应相较于原煤样更为迅速。③ 预氧化煤低温氧化过程的活化能没有随氧化温度和氧气浓度的变化表现出明显的规律性:在加速氧化阶段活化能随氧化温度升高而增大,随氧气浓度升高呈先降低后升高趋势;在快速氧化阶段,当氧化温度为100 ℃,活化能随氧气浓度升高呈先降低后升高趋势,而氧化温度为200 ℃时则相反。
多特征融合的煤矿网络加密恶意流量检测方法
霍跃华, 赵法起, 吴文昊
2022, 48(7): 142-148. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17944
摘要:
针对煤矿网络面临由恶意软件所产生的安全传输层协议(TLS)加密恶意流量威胁和检测过程加密流量误报率高的问题,提出了一种基于多特征融合的煤矿网络TLS加密恶意流量检测方法。分析了TLS加密恶意流量特征多元异构的特点,提取出煤矿网络TLS加密恶意流在传输过程中的连接特征、元数据和TLS加密协议握手特征,利用流指纹方法构造煤矿网络TLS加密流量特征集,并对该特征集中的特征进行标准化、独热编码和规约处理,从而得到一个高效样本集。采用决策树(DT)、K近邻(KNN)、高斯朴素贝叶斯(GNB)、L2逻辑回归(LR)和随机梯度下降(SGD)分类器5个子模型对上述特征集进行检验。为提高检测模型的鲁棒性,结合投票法原理将5个分类器子模型结合,构建了多模型投票(MVC)检测模型:将5个分类器子模型作为投票器,每个分类器子模型单独训练样本集,按照少数服从多数原则进行投票,得到每个样本的最终预测值。实验验证结果表明:所构建的特征集降低了样本集维度,提高了TLS加密流量检测效率。DT分类器和KNN分类器在数据集上表现最好,达到了99%以上的准确率,但是它们存在过拟合风险;LR分类器和SGD分类器子模型虽然也达到了90%以上的识别准确率,但这2个子模型的误报率过高;GNB分类器子模型表现最差,准确率只有82%,但该子模型具有误报率低的优势。MVC检测模型在数据集上准确率和召回率达99%以上,误报率为0.13%,提高了加密恶意流量的检出率,加密流量检测误报率为0,其综合性能优于其他分类器子模型。
煤矿企业数据中心网络安全服务链技术研究
孙磊, 孙淑昕, 王博文, 任贺贺, 彭辉
2022, 48(7): 149-154. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17926
摘要:
目前,煤矿企业生产网络和数据中心之间的网络安全设备大多采用串行部署方式,存在单点故障、链路瓶颈、运维耦合等问题。针对上述问题,研究了基于软件定义网络(SDN)的煤矿企业数据中心网络安全服务链技术。设计了煤矿企业数据中心安全设备并行部署方式,在物理拓扑上串入1台服务功能链(SFC)交换机,将各安全设备接入SFC交换机,通过SDN控制器控制安全设备及经过SFC交换机的流量,通过SFC交换机定期向安全设备发送检测报文来实现安全设备健康状况检测,并根据配置实现安全设备故障、升级、增加情况下的SDN安全服务链,保障安全设备无感知上下线。测试结果表明,该技术支持安全服务资源的可视化灵活调度,可按需启用/停用服务链上安全服务或配置不同优先级的服务链,在安全设备故障情况下可自动更新安全服务路径,且丢包率低,实现了无感知切换。