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煤炭科学技术
煤炭科学技术

王金华

月刊

0253-2336

cst410@china.com

010-84262920 84262926

100013

北京和平里青年沟路5号

煤炭科学技术/Journal Coal Science and TechnologyCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>该刊为实用性的技术类刊物。辟有技术经验、实验研究、问题探讨、专家论坛、新产品、科技信息等栏目。是全国优秀期刊之一，第二届全国科技期刊评比获二等奖。读者对象为有关专业的科研生产设计教学管理等单位的工作者。
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    面向边缘计算的矿区障碍检测模型研究

    阮顺领王京顾清华卢才武...
    141-152页
    查看更多>>摘要：近年来,随着矿用卡车自动驾驶技术的兴起,使得矿区道路行车障碍物检测变得至关重要,基于深度学习的目标检测模型应用于矿区道路障碍检测取得了显著的效果,为矿用卡车自动驾驶技术的完善提供了可能.为解决现有模型应用于矿区障碍物检测,往往存在算法庞大与部署成本较高的问题,提出一种面向边缘计算平台的改进YOLOv8矿区道路障碍检测模型,该模型针对资源有限的边缘计算设备进行优化部署,以实现对障碍物的快速、精准检测.该模型在特征提取阶段,引入深度可分离卷积和通道注意力机制,提高模型对障碍物整体特征提取能力,从而提升对不同尺寸障碍物的检测精度;特征融合阶段采用BiFPN网络结构,轻量化颈部网络并自适应地调整融合权重,减少冗余信息,提高特征的表达能力;使用局部卷积PConv对检测头进行重新设计,减少网络参数量以提高检测效率;最后,通过引入Inner-CIoU函数对边界框损失进行优化,加快模型收敛速度并提升边界框定位效果.实验结果显示,该网络在所使用的矿区障碍物数据集上,mAP@0.5仅下降0.05的前提下,模型参数减少了 44%,推理时间缩短了 34%.相比其他轻量型检测网络,该模型在实验硬件设备上的检测速度更快,且在精度和轻量化之间实现了更好的平衡,为障碍物检测模型的实际部署提供了可行方案.

    露天矿区边缘计算障碍检测轻量化模型模型部署

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    超大采高工作面乳化液泵关键技术研究及工程应用

    李然叶健卢海承赖岳华...
    153-162页
    查看更多>>摘要：随着煤矿智能无人化开采技术的不断发展和进步,越来越多的大采高、超大采高智能无人化综采工作面陆续建成并投入生产,大采高综采高效智能化综采技术及装备又一次实现飞跃发展,这也对煤矿智能供液系统的供液能力提出了新的挑战和要求.为了满足超大采高智能无人化综采工作面供液需求,分析总结了乳化液泵在超大流量复杂工况下存在的问题,研究了提升超大流量乳化液泵站可靠性的关键技术.创新设计了一种基于人字齿轮副输入轴-曲轴轴系,解决了兆瓦级泵站系统齿轮副传动系统稳定性低的问题;进行了往复十字头-缸套摩擦副和兆瓦级传动系统关键轴承可靠性分析,提升了传动副的可靠性;通过配流阀动态特性分析、可视化技术研究与高可靠性密封技术研究,提升了超大流量高效气蚀配流性能;研究了一种基于永磁式本安型电磁铁及基于气穴卷吸的空化抑制方法及结构,提高了先导级的响应特性和卸载阀卸荷阀口抗气蚀特性,进而提升了高压大流量卸载阀的可靠性;通过创新研制云边端协同的泵站智能预警诊断系统,提升了高压大流量泵站的安全性和可用性.最后研发设计了高功重比 1 250 L/min、40 MPa五柱塞乳化液泵,并在陕煤集团曹家滩煤矿 122104综采工作面即世界首套 10m超大采高智能综采工作面进行了成套示范应用.超大流量智能乳化液泵站的成功研制为超大采高智能化综采工作面集成供液系统泵站配置提供了新思路.

    智能供液技术动力传动技术耐气蚀配流技术乳化液泵电磁卸载阀故障预测与健康管理

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    视频AI算法分析的煤矿固体智能充填开采方法

    张强杨康曹津铭白雨...
    163-173页
    查看更多>>摘要：固体充填开采方法在处理煤基固废和控制地表沉降方面具有较大优势,但其充填效率低、接续时间长、劳动强度大等问题制约着绿色充填开采的发展.针对固体充填技术升级的内生动力、行业发展的迫切需求以及矿山智能化建设的必然趋势,提出视频AI算法分析的固体智能充填方法.本文首先通过分析该固体智能充填方法的内涵及难点,构建出视频AI算法分析的固体智能充填开采方法系统构架,阐述视频AI算法的工作原理与实现流程,并给出视频AI算法可以实现的功能.根据不同地质条件分析了关键充填装备在不同工序下的影响因素,通过Creo进行液压支架骨架建模,实现液压支架在不同工况下机构的运动,给出对应的调控判据及路径,并设计关键充填装备在不同工序下的控制算法流程.根据视频算法特征及算法优缺点初步选择了图像识别算法,将构建好的目标数据集经过算法模型的训练及调参最终确定了最佳算法及对应的参数.通过某矿充填面应用效果分析,SVM各评价指标均优于其他算法,表明SVM模型在工况判别时表现出色,具有高度的准确性及可靠性.本研究可实现关键充填装备机构非正常工况的识别及调控、提高充填效率、机构位姿参数识别、充填空间夯实效果展示,可为视频AI算法分析的固体智能充填开采技术研发与应用提供理论指导.

    充填开采视频AI算法工况识别与调控充填效率位姿识别

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    基于神经网络补偿的液压支架群推移系统直线度控制方法

    王云飞赵继云张鹤王浩...
    174-185页
    查看更多>>摘要：煤矿综采工作面的直线度控制是实现智能化开采的关键技术之一,液压支架推移油缸的位置控制性能直接影响着工作面直线度水平,但推移油缸电液系统的参数不确定性、建模误差和未知外部干扰等因素增加了液压支架推移系统的位置控制难度.针对此问题,首先,建立了液压支架推移油缸电液系统的数学模型,考虑到推移油缸仅有位置信息可测的实际工况,将其转化成Brun-ovsky标准型的形式.其次,设计了高阶滑模状态观测器利用可测的位置信息估计系统其他难以直接测量状态信息,同时,以系统状态信息为学习数据,设计了一种基于径向基神经网络的扰动观测器实时估计和补偿系统的未知扰动力.再次,结合反步设计原理,针对液压支架推移油缸拉架过程提出了一种鲁棒输出反馈控制器,并利用Lyapunov理论对整个闭环控制系统进行了稳定性验证.然后,基于ZY3200/08/18D液压支架推移油缸的实际物理参数建立了仿真模型,通过仿真测试发现所设计的鲁棒输出控制器的最终位置精度较传统比例积分控制器提高了 77.19%,神经网络补偿器针对不同油缸载荷的估计精度分别为 64.41%和 75.38%.最后,为了进一步验证新型控制器的有效性,搭建了一个液压支架群多缸控制系统试验台,并开展了推移油缸拉架过程的模拟实验,实验结果表明:鲁棒输出反馈控制器较比例积分控制器的平均跟踪精度提高了47.23%,最终位置精度提高了75.00%,相邻推移油缸的平均同步误差提高了 47.08%.研究结果为液压支架推移系统的动力学分析和直线度控制提供了一种思路.

    液压支架综采工作面直线度高阶滑模状态观测器神经网络位置控制

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    智能炮孔检测与路径规划系统设计与应用

    金庆雨岳中文任猛薛克军...
    186-196页
    查看更多>>摘要：钻爆法巷道掘进的装药作业是巷道掘进的一个重要工序环节,传统的装药过程机械化程度较低,依赖人工操作,导致耗时费力且安全性较差.为了解决巷道掘进过程中钻爆法装药存在的问题,基于深度学习与智能算法技术,创新性地提出了智能化改进方案——智能炮孔检测与路径规划系统.该系统可以提高装药精度和施工效率,为钻爆法的智能化装药提供技术支持.系统架构为数据访问层、业务逻辑层和表示层,包括图像采集、数据处理、炮孔检测、路径规划和可视化界面等模块.首先,通过高精度图像传感器获取掘进工作面上的炮孔图像数据;其次,采用基于深度学习的炮孔智能检测模型进行数据处理和分析,实现对炮孔数据的准确检测和识别;最后,将改进贪心算法与2-opt局部搜索算法相结合,设计装药路径规划算法,实现了对装药顺序的高效规划和优化.系统集成了可视化功能,提供了直观的炮孔数据管理、智能炮孔识别、炮孔数据存档和装药路径规划等操作,方便施工人员进行实时监控和动态调整.研究结果表明,该系统在炮孔检测方面的准确率可达96.24%,路径规划算法的平均计算耗时为100 ms左右,该系统可提高钻爆法施工过程中装药的效率、安全性和智能化水平,服务于钻爆法巷道掘进智能化装药过程中的炮孔检测与路径规划.

    智能化装药炮孔检测路径规划钻爆法技术架构

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    基于改进A*与DWA算法的井下搬运机器人自主行走路径规划

    张可琨鲍久圣艾俊伟袁晓明...
    197-213页
    查看更多>>摘要：针对井下搬运过程用工多且效率低等问题以及转运环节多、转运操作难、人工转运慢等困境,以搬运机器人为研究对象,通过仿真与试验进行井下巷道路径规划方法研究.首先,对井下转运工况进行特定的需求分析,确定井下"多转运点巷道"与"最后 1km直达运输"等典型搬运场景,并分别建立自主行走策略,提升井下搬运机器人自主行走路径规划的适用性与合理性;其次,设计路径规划系统方案,对比分析常规路径规划算法的性能,分别选取A*算法与DWA算法作为井下搬运机器人的全局路径规划与局部路径规划的基本算法;然后,针对常规A*算法搜索效率低与规划路径平滑性不足的问题,依次使用指数优化法与二次B样条曲线法进行改进,同时对比分析改进A*算法的性能,仿真结果发现:改进A*算法在"最后 1km直达运输"与"多转运点自主行走"等典型井下搬运场景的路径规划时间分别缩短了 24.62%与 22.02%,路径规划效率获得了提升,且生成路径的平滑性较好;接着,针对传统DWA算法存在运行时间与路径长度欠优的问题,统筹井下巷道速度限制、移动底盘驱动电机限制与搬运机器人制动距离限制等约束性要素构建预测路径评价函数,并衡量安全性与高效性引入障碍物评价子函数改进DWA算法,仿真结果发现:基于改进DWA算法的规划路径长度与自主行走时间分别缩短了 31.27%与 42.33%,有效提升了搬运机器人动态避障能力及路径规划性能;最后,搭建试验巷道场景与搬运机器人模型开展井下搬运机器人路径规划试验,试验结果表明:改进A*-DWA融合算法在多转运点巷道自主行走A→B、A→C以及最后 1km直达运输等试验场景的路径规划效率分别提升了 21.90%、18.57%、14.67%,行驶过程实现实时有效动态避障,规划路径安全高效且具有平滑性,能够符合井下"减人、提效、增安"的目标导向以及满足搬运机器人自主行走路径规划需求.

    搬运机器人井下自主行走路径规划A*算法改进DWA算法改进

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    透明回采工作面模型构建技术及智能化应用

    王晓辉刘再斌陈宝辉马良...
    214-222页
    查看更多>>摘要：回采工作面模型是指导煤矿安全高效生产的重要前提,对实现煤炭精准开采和地质保障具有重要意义.特别是在复杂地质条件下,回采工作面模型若不能准确描述构造与地层之间的关系,将会影响煤矿生产过程中的采区规划、采掘工艺及生产效率等方面.以某复杂地质条件的矿井回采工作面为例,开展高精度回采工作面模型构建技术及智能化应用研究.首先,提出地层和断层的构建技术,成功解决了特殊地质现象及逆断层三维空间重值的难题.同时,引入动态更新技术实现了模型的局部动态修正,大幅提升了模型的准确性与实用性.其次,结合实时监测数据,提出智能规划截割与智能地质预测技术,能够有效提高生产决策的精准性与及时性.随后,构建了I030903回采工作面静态模型,并融入局部动态更新技术,将该动态模型应用于煤矿透明地质保障系统,取得了显著的应用效果.结果表明:该建模技术能够快速、准确地模拟任意复杂地质体,为处理地层不整合、地层尖灭、煤层分叉和断层切割等问题提供便利.经验证,模型误差值均处于 0.2 m以下,且0～0.1 m范围内占整体 97%.基于透明回采工作面模型的智能规划截割技术有效指导了采煤机的精准开采,而智能地质预测技术则能够在异常情况下自动生成预警信息并及时传达相关人员.该方法为煤矿智能化开采提供了技术支持和保障.

    回采工作面模型动态更新智能化精准开采地质保障

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    基于经验模态分解线性模型的矿压预测

    朱宇伟王朋飞王慧娴牛强强...
    223-232页
    查看更多>>摘要：为保证煤矿安全高效开采,减少顶板事故突发.本研究提出了一种新颖的多变量长时间序列矿压预测模型——经验模态分解线性模型(EMD-Mixer).与多数固定长度的单一特征矿压预测模型不同,该模型首先引入经验模态分解(EMD)方法将矿压信号中周期性和趋势性分离出来,再通过与长时间预测线性层(LTSF-Linear)组合,形成一个用于提取时间维度特征的模块.此外,设计了时间与通道混合策略,利用处理非线性关系的通道特征模块来处理多变量矿压数据,最后将时间与通道模块的输出使用残差与输入数据相加,得到最终的预测结果.在实验中,将历史窗口设定为 36个时间单位,并对预测长度分别为 24、36、48和 60的不同时间单位进行了测试,结果表明,EMD-Mix-er模型在短期至中长期预测范围内均表现出优异的性能和稳定性.将该模型与 LTSF-Linear、MTS-Mixer模型以及矿压预测中常用的长短期记忆(LSTM)模型进行了比较,并利用 4种评估指标:平均绝对误差(EMAE)、均方误差(EMSE)、对称平均绝对百分比误差(EsMAPE)及绝对系数(R2)对预测结果进行了评价.结果显示,EMD-Mixer模型在所有指标下均展现出更高的预测精确度和预测稳定性.EMD-Mixer模型结构简单,具有较强的泛化能力,能够更有效地适应不同场景下不同级别的多变量矿压数据.为煤矿安全高效生产以及顶板事故的提前预警提供了重要的研究思路.

    矿压预测经验模态分解长期时间序列预测长时间预测线性层时间通道混合策略

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    永磁限矩减速驱动的刮板输送机冲击动态特性研究

    冯浩帅崔红伟廉自生师理智...
    233-246页
    查看更多>>摘要：刮板输送机作为煤矿综采工作面核心装备,不断向大运量、长运距、大功率方向发展,传统的刮板输送机驱动系统多采用"异步电机+软启动装置+减速器"的方式来实现低速大扭矩驱动,智能化程度的提高及极端恶劣的工作环境使得其发生故障的概率显著增加,严重影响开采效率.因此,设计研发了一种新型的永磁限矩减速装置,高度集成了永磁同步电机、二级行星减速器和柱面摩擦限矩器,运用ADAMS和MATLAB/Simulink软件建立了刮板输送机及行星减速器的动力学仿真模型、柱面摩擦限矩器关键部件的刚柔耦合模型和永磁电机的控制模型,实现了机电耦合系统的联合仿真.仿真分析了新型永磁限矩减速装置驱动的刮板输送机在冲击载荷工况下永磁同步电机的转速、转矩、三相电流和刮板机链传动系统的速度、张力、转矩以及行星传动的转速、转矩、啮合力等动态响应.结果表明,有无限矩器保护下的冲击负载电流分别为稳定运行时的 2.9倍和 7.7倍,冲击故障下电机输出功率降低约 48%,柱面摩擦限矩器的存在很好地降低了负载端冲击载荷对电机的影响;当冲击载荷过大时,链传动系统各部件之间受到较大的力作用,此时限矩器会立刻打滑,系统进行卸载,对各传动部件起到过载保护作用;过大的冲击载荷也会导致减速器齿轮之间冲击增大,限矩器能起到快速、准确的保护,传动系统所受负载冲击减少约 78%,证明该永磁限矩减速装置能很好地满足低速大扭矩的工程应用.研究内容可为提高刮板输送机传动系统的可靠性及推进煤机装置智能化奠定基础.

    永磁限矩减速驱动刮板输送机冲击载荷动态特性机械保护

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    基于OTDR的缠绕式光纤应变传感器研制及性能测试

    陶强胜李英明王想君范朝涛...
    247-259页
    查看更多>>摘要：为了精确监测高应力软岩巷道岩体变形规律,基于光时域反射技术,研制了一种缠绕式光纤应变传感器,研究了传感器结构中的弹簧直径、节距、有效圈数及压缩位移对光纤光损耗数值与灵敏度的影响,并通过性能测试对传感器结构进行了优化.研究结果表明:传感器内光纤弯曲损耗与其空间螺旋结构的几何尺寸有显著关系,主要影响因素有光纤单位长度弯曲损耗、光纤弯曲半径、缠绕的节距及缠绕圈数,受弹簧线径影响较小.光纤初始损耗随着弯曲半径和节距的增大而减小,随缠绕圈数、压缩位移的增大而增大;初始灵敏度随弯曲半径、压缩位移的增大而减小,随节距的增大出现先增大后减小的趋势.当弹簧线径为1.2 mm、直径14 mm、节距14 mm、有效圈数4圈时,弹簧-光纤结构最大量程可以达到 50 mm,将弹簧-光纤结构改进封装成传感段,并与延时段首尾相接能够组成一个完整的传感器,单个传感器的误差较小,测得的"光损耗-压缩位移"关系式具有良好的线性关系,能够实现 100 mm的位移监测,且通过进一步改进可以实现更大量程.同时,多个传感器经串联后能够形成准分布式测量系统,可以有效实现巷道深部岩体和周边岩体变形的精确监测.

    巷道变形光纤光学光时域反射技术位移传感器弯曲损耗

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