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2022年  第48卷  第8期

青年专家委员学术专栏
液压支架精准推移与快速跟机技术研究现状及发展趋势
任怀伟, 张帅, 张德生, 周杰, 任长忠, 苗兴, 刘科, 侯炜
2022, 48(8): 1-9, 15. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060016
摘要:
液压支架精准推移与快速跟机是实现工作面智能化开采的关键技术支撑。为实现智能化开采,将液压支架精准推移等效为煤矿环境下的阀控缸系统精准位置控制;快速跟机则需从跟机工艺、稳压供液、快速移架等方面实现。针对液压支架精准推移技术,指出可借鉴相关领域成熟的阀控缸精准位置控制技术,总结了电液比例阀、高速开关阀、电磁换向阀控缸位置控制技术的研究成果及借鉴到煤矿领域存在的问题,提出可通过研制适合井下环境的大流量高压水基电液比例阀、开发智能优化控制算法2种途径实现液压支架精准推移。针对液压支架快速跟机技术,指出目前液压支架自动跟机因跟机工艺不合理、供液系统不稳定、移架工序不合理等,导致跟机速度慢,且易出现推移不到位、丢架等情况,从优化跟机工艺、稳压供液、快速移架3个方面总结了提高跟机速度相关研究成果,指出:目前跟机工艺无法根据采煤机速度动态调整,基于设备感知的自动跟机尚处于理论阶段;优化供液系统结构和控制算法是目前实现工作面稳压供液的主要途径,但未能有效解决多支架协同动作时液压支架端压力、流量稳定问题;改进液压系统结构是实现快速移架的主流方式,但存在远距离输送高压油液时压降大和高压处爆管、增大管径导致管路布置困难等问题。针对上述问题,提出从工作面供液系统恒压控制、提高液压支架推移控制精度、保障液压支架自动跟机效果、提高工作面整体跟机速度4个层面实现液压支架精准推移与快速跟机。指出液压支架精准推移和快速跟机技术的发展趋势为集中−分布式敏捷高效供液、液压支架控制器边缘计算能力提高、跟机控制策略对采场环境适应性增强、采场−装备动态耦合与跟随控制。
矿山物联网区块链机制研究
张立亚, 李晨鑫, 刘斌, 姜玉峰
2022, 48(8): 10-15. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17978
摘要:
矿山物联网规模大和海量数据传输的特点使得传统的网络安全和隐私防护方法无法保障关键数据的可溯源性和可信度。分析认为目前矿山物联网面临的主要安全风险是缺少数据传输可追溯性和可信性保障机制、缺少系统设备全面的签名验签保障机制、系统架构中缺少安全载体部署。指出区块链技术可解决上述问题,介绍了矿山物联网区块链结构、加密算法、共识机制等关键技术。提出了矿山物联网区块链机制:在矿山物联网感知层与传输层之间增加具备边缘算力的边缘层,部署承载区块链核心功能的安全载体,构建矿山物联网区块链部署架构;设计了矿山物联网区块链机制下的数据传输流程,采用非对称加密技术保证数据传输的安全性;在矿山物联网应用层采用数据链管理平台实现关键数据上链、数据溯源、分布式存证等功能。矿山物联网区块链机制可提高矿山物联网的信息安全保障能力和安全等级,使其满足GB/T 22239—2019《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》中的扩展要求,降低对集中化运维的需求。
综述
本质安全低压直流电路放电理论及数值研究综述
朱林, 刘树林, 刘柏清, 蒋漳河
2022, 48(8): 16-25. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050054
摘要:
分析了本质安全电阻性、电感性和电容性电路的放电特性,指出电感性、电容性电路放电能量较大,且放电波形较复杂,而电阻性电路放电特性相对简单。总结了本质安全电感性电路和电容性电路放电机理及其放电数学模型研究现状,给出了放电电流线性衰减模型、放电电流抛物线模型、静态伏安特性模型、动态伏安特性模型、电弧电阻指数模型等的数学表达式。介绍了宏观及微观气体放电数值模拟方法的优缺点:宏观方法计算量小,但只能仿真气体放电的外部特性;微观方法计算量大,但能精确仿真放电过程中各粒子的运动特性。探究了直流放电电路和放电电弧的微观机理,得出了不同电极材料、不同电极间距及不同初始电气参数下,不同表面发射机理如热场致电子发射、场致发射等对气体放电的影响。针对研究现状,提出了本质安全直流电路放电研究需进一步解决的问题:① 宏观试验−数学模型表达式复杂、计算量大,部分模型适用范围单一,无法真正实现本质安全电路非爆炸评估。 ② 本质安全电路放电的研究大部分还是基于IEC火花放电装置,影响特定电路参数放电的研究。③ 放电电弧的数值仿真研究无法定量研究两电极接触分断过程的电弧形成机理。④ 针对电感性电路、电容性电路的电感、电容对放电电弧特性的影响,还没有更具说服力的研究成果。⑤ 目前对于电路断路电弧或短路火花如何引爆危险气体的理论研究较少。
实验研究
并联式选矸机器人路径规划研究
黄金凤, 张建喜, 于江涛, 苗术佶
2022, 48(8): 26-32, 42. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040073
摘要:
目前煤矸石分选机械手多采用串联式,与串联机械手相比,并联机械手能够在短时间内达到较高的运动速度,且负载能力更强,更适用于大质量煤矸石分选。以并联式选矸机器人为研究对象,对其并联机械手的“梯”型路径规划与“V”型路径规划2种动态分选路径规划方法进行对比分析。“梯”型路径规划:机械手末端执行器将矸石推出输送带后,先向上抬起一定距离,再完成回程运动。“V”型路径规划:机械手末端执行器将矸石推出输送带后,先回到标准线内,再快速运动到与下一个目标矸石平行的位置,完成1个运动周期。通过建立并联机械手动力学模型,探究机械手在沿2种路径运动时驱动电动机转矩的变化情况,计算在转矩满足要求的前提下,沿2种路径完成1个运动周期所用的时间,进而对比机械手沿2种路径的作业效率。仿真结果表明,采用“梯”型路径和“V”型路径完成1个运动周期所用时间分别为1.2,0.65 s,采用“V”型路径所用时间较短,选矸效率较高。现场应用结果表明,采用“V”型路径、“梯”型路径时,平均矸石分选率分别为94.23%和88.28%,且采用“V”型路径时的总用时比采用“梯”型路径时少近19%,选矸效率更高。
基于深度神经网络的综采工作面视频目标检测
杨艺, 付泽峰, 高有进, 崔科飞, 王科平
2022, 48(8): 33-42. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040003
摘要:
综采工作面环境较复杂,地形狭长,多目标多设备经常出现在同一场景当中,使得目标检测难度加大。目前应用于煤矿井下的目标检测方法存在特征提取难度较大、泛化能力较差、检测目标类别较为单一等问题,且主要应用于巷道、井底车场等较为空旷场景,较少应用于综采工作面场景。针对上述问题,提出了一种基于深度神经网络的综采工作面视频目标检测方法。首先,针对综采工作面环境复杂多变、光照不均、煤尘大等不利条件,针对性挑选包含各角度、各环境条件下的综采工作面关键设备和人员的监控视频,并进行剪辑、删选,制作尽可能涵盖工作面现场各类场景的目标检测数据集。然后,通过对 YOLOv4模型进行轻量化改进,构建了LiYOLO目标检测模型。该模型利用CSPDarknet、SPP、PANet等加强特征提取模块对视频特征进行充分提取,使用6分类YoloHead进行目标检测,对综采工作面环境动态变化、煤尘干扰等具有较好的鲁棒性。最后,将LiYOLO目标检测模型部署到综采工作面,应用Gstreamer对视频流进行管理,同时使用TensorRT对模型进行推理加速,实现了多路视频流的实时检测。与YOLOv3、YOLOv4模型相比,LiYOLO目标检测模型具有良好的检测能力,能够满足综采工作面视频目标检测的实时性和精度要求,在综采工作面数据集上的平均准确率均值为96.48%,召回率为95%,同时视频检测帧率达67帧/s。工程应用效果表明,LiYOLO目标检测模型可同时检测、展示6路视频,且对于不同场景下的检测目标都有较好的检测效果。
基于TopHat加权引导滤波的Retinex矿井图像增强算法
洪炎, 朱丹萍, 龚平顺
2022, 48(8): 43-49. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020029
摘要:
煤矿井下光源分布不均、整体光线弱导致图像亮度低、不清晰,传统Retinex算法在处理矿井低照度图像时存在细节丢失、边缘模糊和光晕等问题。针对上述问题,提出了一种基于TopHat加权引导滤波的Retinex算法(THWGIF−Retinex)对矿井图像进行增强。首先将图像从RGB空间转换到HSV空间,并将其分离成色调、饱和度、亮度3个通道分量。其次,利用TopHat变换改进加权引导滤波的权重因子,进而从亮度分量中提取出图像的光照分量,实现光照分量的边缘增强。然后,采用自适应Gamma校正函数校正光照分量和饱和度分量,并通过Retinex算法从光照分量中获取反射分量,进一步提升图像光源处的细节和色彩效果;最后,合并色调分量、校正后的饱和度分量、反射分量并转换到RGB空间,得到增强的矿井图像。从主观评价和客观评价2个方面对THWGIF−Retinex算法、多尺度Retinex(MSR)算法、加权引导滤波的Retinex(WGIF−Retinex)算法进行对比验证。主观评价结果表明:对于无强光直射的矿井低照度原始图像,经THWGIF−Retinex算法增强后的图像色彩还原度较高,且图像边缘更清晰,视觉效果明显增强。对于有强光直射的矿井低照度原始图像,THWGIF−Retinex算法对光晕有很好的改善效果,且在还原暗区域的细节信息和清晰度上优于WGIF−Retinex算法。客观评价结果表明:对于无强光直射的矿井低照度图像,经THWGIF−Retinex算法增强后的图像信息熵提高了12.50%,平均梯度提高了109.07%,标准差提高了52.44%,无参考结构清晰度(NRSS)提高了45.46%。对于有强光直射的矿井低照度图像,与MSR算法相比,经THWGIF−Retinex算法增强后的图像信息熵提高了1.24%,平均梯度提高了81.44%,标准差提高了18.23%,NRSS提高了36.67%;与WGIF−Retinex算法相比,THWGIF−Retinex算法在信息熵方面有所降低,但在平均梯度和NRSS方面有较大改善,分别提高了72.34%和23.87%。
基于改进反馈神经网络的煤矸石图像分类模型
闫洪霖
2022, 48(8): 50-55, 113. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050026
摘要:
现有的基于深度学习的图像分类方法存在分类模型参数量大、耗时长、分类精度低,难以在模型轻便和分类精度上达到折衷。针对上述问题,提出了一种基于改进反馈神经网络(Feedback−Net)的煤矸石图像分类模型。在ResNet50模型的基础上搭建Feedback−Net模型,通过在ResNet50模型搭建反馈通路,将高低阶信息进行融合,从而提升特征的表现能力。针对搭建的Feedback−Net模型在分类准确率提升的同时耗时有所增加的问题,将Feedback−Net模型中的方形卷积核改进为非对称卷积块(ACB),通过叠加融合的方式增加卷积核的特征提取能力;将参数量最多的全连接层转换为全局协方差池化(GCP),以降低网络参数量。通过模拟煤矿井下煤矸石分拣环境,以验证Feedback−Net模型和改进Feedback−Net模型(Feedback−Net+ACB和Feedback−Net+ACB+GCP)的性能。结果表明:① Feedback−Net模型在精度上高于ResNet50模型,损失值略低于ResNet50模型。② Feedback−Net模型训练精度较ResNet50模型提升了1.20%,测试精度提升了1.21%,但训练耗时较ResNet50模型增加了0.22%。③ Feedback−Net+ACB+GCP模型精度高于Feedback−Net和Feedback−Net+ACB模型,其收敛速度在3个模型中最快,具有最优性能。④ Feedback−Net+ACB模型测试精度、训练精度均较Feedback−Net模型提升了1.39%,且耗时减少了15.53 min,Feedback−Net+ACB+GCP模型训练精度、测试精度较Feedback−Net模型分别提升了1.62%,1.59%,耗时缩短了1.12%;Feedback−Net+ACB+GCP模型耗时较Feedback−Net+ACB模型减少了50.38 min,性能更加优越。
特厚煤层综放开采底板变形破坏深度研究
侯俊华
2022, 48(8): 56-61, 121. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050021
摘要:
为探究特厚煤层综放开采条件下底板变形破坏深度,以兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿1305工作面为背景,采用现场实测、数值模拟和理论计算等方法综合分析了该工作面采动煤层底板变形破坏深度。采用应变感应法和钻孔成像技术的现场实测结果表明:底板受采动矿压作用在水平和垂直方向上存在明显的显现特征,水平方向上超前测点50 m附近、底板浅部10 m深度位置开始受采动矿压影响,工作面推过一定距离之后底板变形破坏剧烈;底板不同深度水平方向上超前距和滞后距变化范围分别为96~115 m和48~52 m,工作面综放开采底板变形破坏深度为16~20 m,垂深20 m以下底板岩层以弹性变形为主。数值模拟的底板不同深度塑性区分布特征表明,随着距工作面底板距离越远,受采动矿压影响越小,塑性区范围越小,底板下20 m基本没发生破坏。理论计算结果确定了底板变形破坏深度为19.2 m。综合现场实测、数值模拟和理论计算结果,可知1305工作面综放开采底板变形破坏深度不超过20 m。研究结果可为矿井特厚煤层综放开采底板水害防治提供量化依据。
深部突出煤层采动断裂带发育高度确定研究
郭明功, 陶云奇, 张剑钊
2022, 48(8): 62-68, 91. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030039
摘要:
采用高位定向长钻孔抽采瓦斯技术代替高抽巷抽采采动卸压瓦斯不仅能够大幅缩减岩石巷道掘进量,有效缓解矿井采掘接替紧张局面,而且瓦斯治理效果显著,但高位定向长钻孔抽采瓦斯技术在实际应用中经常会出现因采动覆岩“三带”发育高度范围确定失准,定向长钻孔布置层位过高或过低导致应用效果不佳的问题。针对该问题,以河南平顶山天安煤业股份有限公司八矿己15−15050工作面为研究背景,采用经验公式法和数值模拟实验法确定该工作面煤层采动断裂带发育高度,得到了垮落带最大发育高度为13.2 m,断裂带最大发育高度为48 m。利用千米定向钻机在己15−15050工作面施工高位定向长钻孔对所得的断裂带发育高度进行验证,结果表明:距煤层顶板20 m处上覆岩层岩性较为破碎,断裂带高浓度瓦斯区在距顶板23 m以上;当己15−15050工作面推进至105 m时,高位定向长钻孔与采空区断裂带已充分沟通;己15−15050工作面上隅角及回风流瓦斯均保持在0.47%,且高位定向长钻孔单孔最大瓦斯抽采体积分数达13.2%,日抽采纯量保持在3~4 m3/min,配风量按2 500 m3/min计算,高位定向长钻孔抽采瓦斯量可达风排瓦斯量的25.5%~34.0%,期间未出现瓦斯超限,高位定向长钻孔布置在当前层位内能够成功治理上隅角和回风流瓦斯,验证了综合2种方法确定断裂带发育高度的正确性。
正、逆断层上盘开采冲击地压危险性分析
魏世明, 王富莹, 张泽升, 靳梦帆
2022, 48(8): 69-75. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030041
摘要:
现有针对不同条件下断层冲击地压危险性的研究大部分围绕下盘开采或单一断层形式展开,而对于不同断层上盘开采冲击地压危险性的对比研究较少涉及。针对上述问题,以河南义马耿村煤矿12220工作面为研究背景,借助理论分析、数值模拟及现场监测等方法,对正、逆断层上盘开采时冲击地压危险性进行了分析。建立了正、逆断层上盘开采的力学模型,通过对断层岩块的受力分析,得出了断层上下剪滑的力学条件,理论分析结果表明:正、逆断层上盘开采时断层是否发生剪滑与断层倾角、断层内摩擦角及岩块受到的断层面作用力等因素密切相关,且工作面越靠近断层,发生剪滑的危险性越大。开展了正、逆断层上盘开采过程的数值模拟研究,对断层面法向应力、剪切应力及滑移量变化进行了分析,结果表明:在工作面开采过程中,当工作面距断层距离小于40 m后发生剪滑及冲击地压的危险性逐渐增加,距断层10 m时危险性最大,最易发生剪滑的位置为断层面的煤层顶板和煤层处,煤层底板受开采影响程度明显小于顶板;断层类型对冲击地压危险性有一定的影响,逆断层开采时的冲击地压危险性高于正断层。对12220工作面的冲击地压危险性进行了微震监测,结果表明:当工作面距断层小于20 m时,微震事件频繁,冲击地压危险性较大,与数值模拟结果一致,验证了数值模拟分析的合理性。
基于光反射率突变的受力岩石裂纹提取方法
高祥, 高亚楠
2022, 48(8): 76-84. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040066
摘要:
裂纹识别与提取是认识围岩裂纹演变规律的基础。针对目前基于可见光照片的受力岩石裂纹提取方法对由多色矿物组成的复杂岩石(如花岗岩)裂纹提取效果较差的问题,提出一种基于光反射率突变的受力岩石裂纹提取方法。该方法包括光反射率计算、光反射率突变点识别、光反射率突变点空间分异性分析、裂纹信息提取4个关键步骤。裂纹发育引起的光反射率突变点在空间上的分异性是识别裂纹的关键特征,因此,引入反映空间点分布集中程度的指标−分异系数C,根据光反射率突变点的空间分异性判断数字图像中是否存在裂纹。判断出数字照片中存在裂纹后,一方面,通过光反射率变化速率反映裂纹活动的瞬时信息,以研究试件在何时、何处有裂纹产生或扩展;另一方面,提取出裂纹活动的累积信息,以分析一段时间内岩石表面裂纹的发育、扩展情况及贯通程度。实验结果表明:① 受力岩石裂纹发育、扩展可引起光反射率突变,突变速率可达0.2/s,远大于由其他随机因素导致的变化速率(0.03/s)。② 在裂纹活动时刻,光反射率突变点呈显著的空间分异现象(C值可达189),分异系数远大于随机分布时的值(C值为1)。③ 所提方法能够提取出裂纹活动的瞬时信息和累积信息。最后讨论了岩石破裂过程中光反射率变化的原因、所提方法的岩石力学意义及其在巷道安全巡检中的应用前景。
单轴压缩条件下不同含水率煤体裂纹扩展及破坏模式研究
卢卫永, 刘琦, 屈丽娜, 张海军
2022, 48(8): 85-91. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040036
摘要:
为研究水分侵入对受载煤体裂纹扩展及破坏模式的影响,开展了不同含水率煤体单轴压缩试验及声发射监测,对比分析了不同含水率下受载煤体应力−应变特征、宏观破坏形态及累计振铃计数的变化规律。单轴压缩试验结果表明,随着含水率增加,煤体单轴抗压强度及弹性模量持续降低,且峰后阶段内煤体应力下降速率逐渐平缓,煤样宏观破裂模式由典型的脆性破坏转变为剪切−拉张组合破坏。声发射监测结果表明,随着煤体含水率增加,累计振铃计数不断降低,而累计振铃计数曲线斜率相应增大,说明水分侵入会降低煤体裂隙发育时的能量释放,但加剧了煤体内部结构损伤。研究结果表明,水分的侵入一定程度上削弱了裂隙表面晶体颗粒间的相互摩擦,增加了煤体滑移破坏的可能性;同时水分侵入也减小了煤体表面活性能,导致煤样受载过程中产生的裂隙数量显著增多,造成煤体宏观力学强度大幅降低。
基于RCMDE和KFCM的煤矿电网故障选线方法
韩国国, 史小军, 王晖, 程卫健, 穆艳祥
2022, 48(8): 92-99. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17911
摘要:
针对普遍采用谐振接地系统的煤矿电网发生单相接地故障时难以准确选线的问题,提出一种基于精细复合多尺度散布熵( RCMDE)和核模糊C均值聚类( KFCM)的煤矿电网故障选线方法。以幅值、极性和波形相似度作为选线特征量具有以下局限性:基于幅值和极性差异的选线方法适用性有限;若线路中的零序电流互感器极性接反,基于极性的方法直接失效;采样不同步时,基于波形相似度的选线方法难以得到正确结果。为克服上述局限性,引入RCMDE来度量各线路暂态零序电流信号的复杂程度和不规则度,以RCMDE作为选线特征量。采用KFCM算法对RCMDE进行聚类分析,以实现故障线路自动识别,并通过判断轮廓系数是否超过阈值来区分母线故障和馈线故障。最后,通过聚类得到的隶属度矩阵判断馈线故障点所在线路。仿真结果表明:① 故障点所在的故障线路对应的RCMDE曲线与非故障线路间具有较大差异,可分为2类。RCMDE可作为筛选故障线路的特征指标。② 发生母线故障时聚类结果中存在平均轮廓系数小于阈值的分簇,而发生馈线故障时聚类结果各分簇的轮廓系数均大于阈值,在各类故障场景下,基于RCMDE和KFCM的煤矿电网故障选线方法均能实现正确选线,说明其准确性不受故障线路、故障位置、故障合闸角及接地电阻等因素的影响。③ 在噪声干扰情况下,基于RCMDE和KFCM的煤矿电网故障选线方法在小电阻接地或高阻接地情况下均能实现正确选线,具有较强的抗干扰能力。④ 在采样不同步及故障线路零序电流互感器极性反接等情况下,基于RCMDE和KFCM的煤矿电网故障选线方法仍可实现正确选线,选线结果具有较高的鲁棒性。
矿用高频隔离型变频调速无速度传感器矢量控制
刘文壮, 刘建功, 王毅颖, 伯磊, 郝育红
2022, 48(8): 100-106. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050020
摘要:
在煤矿中、高压及有限场合,变频器采用工频变压器接入电网且被控电动机大多采用开环控制,存在工作空间狭小、结构复杂和电动机控制鲁棒性差等问题。针对上述问题,提出了一种基于高频隔离型变频调速拓扑结构的无速度传感器矢量控制策略。对矿用高频隔离型变频调速主电路拓扑及功率传输进行了分析:通过不可控整流环节将输入的三相工频交流电源整流为直流电源,将脉动直流电源进行平滑滤波处理,得到稳定的直流电源,经高频隔离DC−DC级进行变压,然后经三相逆变级将直流电源逆变为电压和频率均可调的交流电源。为减少IGBT开关损耗、节约整体成本并减少其整体结构复杂性,三相整流级采用二极管不控整流策略;高频隔离DC−DC级采用等脉宽调制策略(EPWM);三相逆变级采用无速度传感器矢量控制策略,在该控制策略中采用模型自适应系统(MRAS)进行异步电动机速度估测。采用0.75 kW的三相异步电动机作为被测电动机,对矿用高频隔离型变频调速无速度传感器矢量控制策略进行实验验证,结果表明:① 高频隔离DC−DC级两侧直流母线电压波动小于10 V且高频方波电压相等,原边单相逆变方波和高频变压器耦合方波电压波形平滑,整体稳态性能好。② 三相逆变级电压、电流波形正弦度良好,波形对称且光滑度较好,三相逆变级稳定性能好,满足电动机运行要求。③ 随时间增加,励磁电流变化较稳定,转矩电流在启动时响应迅速,且启动阶段转矩电流较大,能产生较大的转矩。④ 电动机速度稳定阶段速度波动小,加、减速阶段波形趋于一次函数,电动机能够平稳启停。电动机在刚启动时最大转矩可达到稳定转矩的5倍以上,能够较快启动进行工作。
经验交流
基于故障树的柔索驱动拣矸机器人系统分拣可靠性研究
乔心州, 武琛琛, 刘鹏, 樊红卫, 毛清华
2022, 48(8): 107-113. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022050075
摘要:
拣矸机器人的分拣可靠性与煤的品质及分拣效率息息相关,对拣矸机器人系统分拣可靠性进行研究十分必要。现有机器人系统可靠性研究主要是针对其结构可靠性进行研究,而没有对其工作任务可靠性即分拣可靠性进行研究。针对该问题,以柔索驱动拣矸机器人系统为研究对象,采用故障树分析法对其分拣可靠性进行研究。首先,从拣矸机器人系统的结构出发,分析了拣矸机器人系统分拣故障的原因,采用演绎法构建拣矸机器人系统的分拣故障树;然后,将故障树底事件发生概率考虑为区间变量,根据区间性质、运算法则和顶事件的概率表达式得到分拣故障树顶事件概率区间参数,结合设计要求计算出反映拣矸机器人系统分拣可靠性的非概率可靠性指标;最后,基于非概率可靠性指标公式及模糊重要度定义,提出了一种区间重要度指标,对分拣故障树底事件的区间重要度进行求解并排序,结果表明分拣可靠性满足拣矸机器人可靠分拣要求,煤矸石流瞬时含矸率增大和工业相机故障是影响其分拣可靠性的重要因素。根据非概率可靠性指标计算结果和区间重要度排序找出了拣矸机器人系统的薄弱环节,并针对薄弱环节提出了3个改进措施:在分拣前对煤矸石流振荡混合;根据识别的矸石信息,智能控制带式输送机带速;在拣矸机器人系统中增加备用工业相机。
基于风险监测预警的非煤矿山安全监管监察模式
姜红年, 陈小林, 王超, 胡然, 张羽
2022, 48(8): 114-121. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030071
摘要:
目前非煤矿山安全监管监察主要包括安全管理检查、现场安全监管检查2种方式,分别依托安全信息化管理平台和安全监察人员现场检查,监察效率低,信息获取不及时,且难以实现动态全面监管。针对上述问题,考虑非煤矿山多、散、贫、小的特点和不同类别非煤矿山风险及信息化管控程度的差异性,提出了一种基于风险监测预警的非煤矿山安全监管监察模式,即基于非煤矿山风险监测预警系统,从中抽取人员、环境、设备设施、管理及监测专题5个方面的风险监测指标数据,以风险点、风险面2种方式分别进行单一风险预警分析和综合风险报警分析,实现单一风险预警分级推送和综合风险报警分级管控。梳理了各类别非煤矿山监测数据和专题,介绍了单一风险分级预警触发及处置机制,重点阐述了综合风险研判分级监管模型的构建过程:基于非煤矿山风险监测数据建立风险监测指标体系;采用熵权法对风险监测指标赋权,并制定评分标准,对非煤矿山风险指标打分;基于指标权重和得分确定矿山企业综合风险等级。基于风险监测预警的非煤矿山安全监管监察模式实现了监管部门对非煤矿山在不同监管周期、不同范围的分级监管监察 ,优化了监管监察资源配置,提高了监管监察效率。
矿用综合调度管控平台设计
陈华颖, 杜志刚, 宋兴家
2022, 48(8): 122-126. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17965
摘要:
煤矿各系统有独立的管控终端平台,在出现突发事件时需要调度员在不同平台之间来回切换,存在调度指挥效率低、信息获取不全面、数据无法在一个屏幕里完整显示、缺乏统一的可视化管理平台等问题。针对上述问题,设计了一种矿用综合调度管控平台。该平台以调度主机为核心,通过语音网关实现多种异构通信系统的互联互通和一体化语音调度;以有线/无线IP传输网络为基础,以视频接入服务器为核心,通过协议对接屏蔽视频终端的差异,实现视频的统一接入,同时通过视频交换服务器实现视频会议功能;利用GIS技术引入矿井采掘工程平面图,打造“一张图”模式来呈现多系统不同资源,实现地图调度;基于B/S架构开发数据可视化界面,通过“一机三屏”方式汇聚展示不同系统数据,提升数据使用效率。测试结果表明,该平台集语音调度、视频调度、地图调度、数据可视化于一体,可进一步加强生产调度指挥信息沟通和管控能力,提升煤矿应急救援能力,助力煤矿应急管理信息化建设。
智能矿井多元监控数据集成关键技术研究
李国民, 章鳌, 贺耀宜, 高文, 黄综浏
2022, 48(8): 127-130, 146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060088
摘要:
目前大部分煤矿监控系统采用私有数据采集协议,相互之间无法兼容。针对该问题,从数据采集、数据融合、数据存储3个方面入手,探讨了智能矿井多元监控数据集成关键技术。数据采集:为了加强系统的开放性、兼容性,可将私有协议封装为驱动动态链接库(DLL),通过加载适配OPC,MQTT等协议及挂接私有协议驱动的方式实现各业务系统的数据采集,并采用多线程技术满足多通道、多协议数据传输的高效性、实时性要求。数据融合:可将各系统之间共享频率高的数据进行统一规范,形成煤矿主数据,以保证各系统之间数据的一致性。数据存储:对实时性要求高的数据可选用时序数据库,对实时性要求不高的数据可选用关系型数据库,经对比分析,InfluxDB更适用于煤矿监控数据的实时存储,MySQL Community更适用于对实时性要求不高的数据存储;可运用Redis缓存技术实现数据高效缓存,以保证煤矿监控数据的完整性。
基于微震监测的厚松散层大采高工作面围岩破坏规律研究
衡培国, 翟常治, 辛崇伟, 王延路, 陈洋
2022, 48(8): 131-139. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040082
摘要:
针对厚松散层薄基岩条件下的围岩运移规律研究大多采用建立力学模型、数值计算等理论研究手段,缺乏基于现场动态实测的研究。微震监测技术近年来在矿井动力灾害监测预警方面得到广泛应用,但基于微震监测技术的厚松散层薄基岩条件下的围岩破坏规律研究较少。针对上述问题,以焦煤集团有限责任公司赵固一矿16001工作面为工程背景,选用孔−巷联合台网布置方式,构建高精度微震监测系统,基于微震监测结果对厚松散层薄基岩条件下大采高工作面围岩动态破坏规律进行研究。根据围岩累计释放能量,采用核密度分析法分析微震事件的能量密度,以达到研究围岩裂隙发育状况的目的。分析结果表明:顶板最大破坏高度达87.8 m,底板最大采动破坏深度达21.7 m,最大值均出现在工作面回采见方阶段,该阶段顶板突水危险性最高;见方阶段顶板承载岩梁破坏,出现异常来压,顶底板及超前破坏程度加剧,验证了应力击穿效应的存在;距工作面顶板48.3 m处的砂质泥岩为顶板隔水关键层,距顶板67.7 m的粉砂岩为击穿控制层,距底板26.6 m的砂质泥岩为底板隔水关键层。通过底板钻孔窥视对微震监测分析结果进行验证,结果显示,见方区域底板破坏深度大于18 m,其他区域底板破坏深度为12~18 m,与微震监测结果吻合。
基于综合赋权的煤层底板突水危险性评价
郑剑英
2022, 48(8): 140-146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010016
摘要:
针对现有煤层底板突水危险性评价模型针对含复杂地质构造工作面泛化能力不强且准确性较低的问题,提出一种基于层次分析法(AHP)和改进熵权法(IEW)综合赋权的煤层底板突水危险性评价模型。基于单指标未确知测度,采用AHP−IEW综合赋权法给出影响煤层底板突水各评价指标的综合权重;建立煤层底板突水危险性综合评价模型,运用该模型计算各评价指标的未确知测度值,再根据置信度识别准则进行等级判定,得出评价结果。以盘道煤业有限公司1305工作面为研究对象验证该模型的可行性:① 根据该煤矿的实际情况,选取影响底板突水风险的开采深度、煤层厚度、煤层倾角、含水层水压、有效隔水层厚度、底板脆性岩厚度、断层分形维数、底板完整性作为评价指标,并建立了底板突水危险性分级标准;② 构建单指标测度函数,得到各评价指标的测度值;③ 采用AHP−IEW综合赋权法得到各评价指标的综合权重;④ 结合综合权重和评价指标的未确知测度矩阵确定综合测度评价向量;⑤ 根据综合测度评价向量对该煤矿研究区域内的调查点进行危险等级划分,并与现场调查结果进行对比分析。验证结果表明:与IEW评价结果相比,基于AHP−IEW综合赋权的煤层底板突水危险性评价模型的预测结果更准确,评价结果与工作面开采过程中的实际调查情况相符。