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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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    青海聚乎更矿区煤系页岩脆/韧性变形对孔隙结构的影响

    王安民曹代勇魏迎春聂敬...
    193-200页
    查看更多>>摘要：煤系页岩的脆/韧性变形对孔隙结构的影响是复杂构造区煤系页岩储层评价的关键因素之一.以青海聚乎更矿区广泛发育的脆/韧性变形页岩为研究对象,挑选出矿物成分相差不大的韧性变形和脆性变形的煤系页岩样品,以扫描电镜、低温液氮实验以及核磁共振为手段,归纳总结了脆/韧性变形的宏观和微观特征,并探讨了其对煤系页岩孔隙结构影响的差异性.结果表明:脆性变形主要使得煤系页岩出现大量的张性或剪性裂隙,并切割了原生孔隙,但并未改变矿物颗粒的排列方式;而韧性变形使得煤系页岩出现大量的揉皱、扭折带、以及不规则翻立等现象,改变了矿物颗粒紧密的排布方式,不仅使得孔容和比表面积增大,也使得原生的孔隙出现受压缩而变形的现象.同时,脆性变形和韧性变形对页岩孔隙类型的影响并未表现出差异性,但韧性变形使得样品的总孔容、比表面积、孔隙度以及有效孔隙度均明显高于脆性变形样品:韧性变形样品总孔容11.970×10-3～13.820×10-3 mL/g、比表面积5.779～8.287 m2/g、孔隙度4.39％～7.34％、有效孔隙度1.34％～2.52％;脆性变形样品总孔容5.546×10-3～7.720×10-3 mL/g、比表面积4.343～4.545 m2/g、孔隙度1.24％～2.76％、有效孔隙度0.43％～0.72％,且韧性变形引起的孔容和比表面积增大主要出现在小于100 nm的孔段范围内.此外,随着孔径的增大,韧性变形样品中非连通孔所占比例逐渐降低,而韧性变形样品中非连通孔所占比例变化并不明显,可以推断出韧性变形使得小孔径孔隙的连通性降低,但会使得大孔径孔隙的连通性增加,而脆性变形则是无差别影响不同孔径范围内的孔隙连通性.

    煤系页岩脆性变形韧性变形页岩储层孔隙结构储层评价

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    基于GIS和随机森林的采动区建筑物损害综合评价

    王文娜吴侃陈冉丽王瑞...
    201-207页
    查看更多>>摘要：煤炭地下开采引起地表移动变形,对影响区内的建筑物造成不同程度的损害,传统的评价方法是根据预计的水平变形、倾斜、曲率来进行损害评价,未考虑建筑自身的因素,其他方法如模糊综合评价、聚类分析等又带有一定的主观性,评价指标和方法没有与损害程度的定级结果相联系,不能够作为判断现行开采的合理性和获取建筑物损害补偿的依据.在传统采动区建筑物损害等级预计的基础上,对建筑物损害的影响因素进行综合分析,通过查阅文献和数据分析选择了影响采动区建筑物损害的曲率、水平变形、建筑时间、结构、面积5个指标,利用随机森林的机器学习方法进行损害等级的预测.以河北省某采动区的两个村庄的建筑物为研究目标,将从一村庄选取的314个建筑物的指标和实际损害调查结果作为训练样本数据集,搭载在房屋调查定级图上,采用随机森林方法进行模型的训练与应用.使用调查定级来衡量评价精度,其中用传统方法预计正确的有70个,而利用随机森林进行综合预测正确的有235个,正确率有明显提升.然后使用模型对另一村庄的278个测试样本数据集进行等级预测,有197个与实际损害调查定级结果相符,而采用传统方法预计正确的只有117个.结果表明,相比传统方法,该研究方法的评价精度有明显提升,更符合实际建筑物的受损情况,对各等级的预测情况进行分析,发现训练样本指标不够全面和等级分布不均对最终的预测精度有一定的影响.

    随机森林概率积分模型建筑物损害采动区GIS

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    基于SBAS技术的煤矿采空区探查与稳定性评价

    张丰刁鑫鹏谭秀全李爱军...
    208-214页
    查看更多>>摘要：煤炭资源的长期开采,导致地下大面积采空区的存在.城市建设快速发展使得土地资源日益紧张,煤矿沉陷区土地成为可持续发展的重要资源.进行高精度和大面积的采煤沉陷地探查与采空区稳定性评价工作,有利于缓解地下采空与地面建设间日益尖锐的矛盾,对城市的可持续发展具有重要的现实意义.InSAR技术能够通过历史影像实现大覆盖面积、毫米级精度的地表形变反演,具有常规测量手段无法比拟的优势.为深入探究该技术在煤炭资源采空区调查和稳定性评价工作中的可用性,以济宁城市规划区为例,采用2018-09-12—2019-03-11的14景Sentinel-1影像,利用短基线集技术(SBAS)反演了研究区域的形变时间序列,成功探明了采煤塌陷地的空间分布,并结合相应时间段内的地表实测数据进行了解译精度的评价.对解译结果综合和研究分析发现:① 探测到济宁城市规划区10余处采煤塌陷地,监测成果与水准实测数据间的最大中误差为5.8 mm;研究区内大部分范围内地表形变速率低于10 mm/a,表明相应位置的老采空区已基本趋于稳定.② 所提取老采空区地面点的变形曲线符合开采沉陷的基本规律;形变解译结果能够显著区分不同开采条件下地表残余变形的特征.③ 研究成果能够查明目标区采煤沉陷地的空间分布位置,指导矿山地质环境调查工作高效、有针对性地开展;可以为老采空区稳定性的初步评价提供基础数据.

    SBAS煤炭资源采空区稳定性评价济宁城市规划区采煤沉陷地质测量

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    基于时序遥感的黄土矿区耕地变化动态监测——以大佛寺矿区为例

    郭千慧子汤伏全马婷柴成富...
    215-223页
    查看更多>>摘要：西部黄土矿区是我国重要的煤炭生产基地,大范围采煤沉陷对矿区耕地资源造成了显著的破坏性影响,但目前对于这种采动引起的耕地变化缺乏定量监测和系统研究.以黄土高原大佛寺煤矿为研究区,通过时序遥感影像分析矿区内主要农作物时序特征,利用增强型自适应反射率时空融合模型将Landsat影像和MODIS遥感影像进行融合,构建研究区30 m分辨率的NDVI时间序列数据集,采用TIMESAT程序包中的S-G滤波法对其平滑重构,结合多光谱遥感数据以及数字高程模型,采用面向对象决策树分类模型,获取研究时段内各期农耕地利用的时序数据.基于年度遥感数据,按照采煤扰动程度将研究区域划分为采空区、沉陷区、间接影响区以及非开采影响区,通过GIS空间分析技术对各影响区内农耕地面积减少的时空分布情况进行分析统计,揭示了黄土矿区耕地变化的时空分布特征,并探讨了采煤沉陷对耕地的破坏及其相关影响.结果表明:研究区内耕地的变化与煤炭资源开采紧密相关,随着采空区的增加,耕地面积逐年减少,且以采煤初期的减少幅度最大.不同采煤扰动影响区内耕地减少情况存在差异,减少幅度随着距采空区越远而逐渐降低,耕地面积减少情况主要发生在沉陷边界以及地形变化处.此外采空区、沉陷区内耕地生产能力及农作物长势情况均较采矿前有所下降,而在煤炭开采的同时,人为干预保护措施能够在一定程度上缓解耕地面积持续减少的情况.研究结果可为黄土高原煤矿区耕地资源科学利用与保护提供参考依据.

    农耕地开采沉陷遥感反演时序植被指数黄土高原动态监测

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    1.1m坚硬薄煤层智能化开采关键技术及装备——以陕北侏罗纪煤田为例

    侯刚王国法张建安王彪谋...
    224-231页
    查看更多>>摘要：针对陕北侏罗纪煤田埋深浅、普氏系数达到3左右、煤层平均厚度在1.1 m左右、工作空间狭小、大功率设备布置及智能化实施难度高等开采难题,研究了煤层赋存情况与支护成套技术,提出了工作面设备高能积比时空协同及巷道端头大落差柔性系统配套方式、工艺及成套技术.构建了端头大落差柔性系统模型,能积比达到402,满足巷道与工作面1.4 m以上大落差需求,实现了1.1～1.3 m坚硬薄煤层的安全高效智能化开采.研发了1.1～1.3 m坚硬薄煤层智能化成套设备,采煤机采用半悬机身、全悬截割矮机身结构,机身高度759 mm,装机功率1050 kW,最大牵引速度14.5 m/min;研发了高刚度抗动载液压支架,工作阻力达到9000 kN,采用防冲击大伸缩比立柱、高强度薄板结构;研发了大运力、矮机身、重叠侧卸的刮板输送机,装机功率达到3×400 kW;研发了薄煤层精小化、智能化相关装置.开发了适用于薄煤层的记忆截割、自动精准找直、智能负荷控制、有线无线双网通信、多数据融合联动、设备远程故诊断和全生命周期管理的薄煤层智能化监控系统,实现了工作面内无人操作的常态化开采模式.通过构建1.1～1.3 m坚硬薄煤层综采智能化开采核心技术体系,形成了陕北侏罗纪煤田1.1～1.3 m(特别是1.1 m)坚硬薄煤层智能化综采成套技术与装备.该研究成果已在张家峁煤矿和凉水井煤矿应用,设备及系统运行稳定可靠,达到了年产煤炭1.3 Mt的能力.

    浅埋深薄煤层大落差柔性成套技术与装备智能化开采

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    煤矸分拣机器人设计与关键技术分析

    商德勇章林牛艳奇范迅...
    232-238页
    查看更多>>摘要：煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,煤矸在线分拣机器人可实现煤和矸石的自动识别与分拣,是实现煤矿智能化分选的重要装备.在总结国内外煤矸分拣机器人和煤矸图像识别技术的研究现状和成果基础上,针对煤矸自动分拣机器人分拣速度低,智能化程度不高等问题,设计了一种基于图像识别的Delta型并联机器人应用于煤矸自动分拣领域.阐述了煤矸分拣机器人的工作原理和设计方案,针对煤矸分拣的特定工况场景,对工业相机、光源、镜头等图像识别系统的硬件进行了选型设计.提出了一种基于灰度和纹理特征融合的煤矸图像SVM识别算法,介绍了机器人控制系统的软件功能设计方法,最后搭建了试验平台并进行了多组煤矸在线识别分拣试验.结果表明,该并联机器人可有效对煤和矸石进行自动识别,并通过控制机器人气动机械手实现对6 kg以下的矸石抓取.针对设计及试验过程中遇到的问题,进一步提出了机器人刚柔耦合动力学模型和误差传递规律、基于深度学习和多特征融合的煤矸石识别算法、考虑外部负载干扰的并联机器人自适应稳定控制策略等关键技术,为进一步加快煤矸分拣并联机器人的推广应用,最终实现煤矿智能化、无人化分选提供一种新途径.

    煤矿智能化智能分选煤矸分拣并联机器人图像识别

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    煤矿抽水蓄能电站水下巡检机器人姿态调节系统建模与分析

    何涛王传礼高博陈凡...
    239-247页
    查看更多>>摘要：姿态调节是决定水下机器人作业能力和运动稳定性的关键,为此针对煤矿抽水蓄能电站水下巡检机器人提出了一种基于全水液压的沉浮和姿态调节一体化系统.该系统主要由对称设置于机器人两侧的姿态活塞缸、变量泵及专用六位六通控制阀组成,传动介质来自机器人外部水体环境,其有沉浮、纵倾、横倾和对角侧倾四种调节状态.沉浮调节为机器人与外界水体的质量交换过程,而在调节姿态时机器人与外界水体交换通道关闭,可确保姿态调节过程中机器人本体始终处于悬停状态,提高了机器人调姿过程的稳定性.在结构创新基础上,推导了机器人重心及姿态角方程,建立了其姿态调节AMESim仿真模型,分析了机器人沉浮和姿态调节过程,并研究了活塞缸总长、间距、直径及浮心z向坐标等参数对姿态角的影响规律.结果表明:增大活塞缸直径、浮心z向坐标、活塞缸总长及活塞缸间距均有助于提高姿态角调节的灵敏性,其中浮心z向坐标越大,则其对姿态角的影响作用越明显,活塞缸直径越大,则其对纵倾姿态角的影响越小,而活塞缸总长仅对纵倾姿态角产生影响,活塞缸间距仅对横倾姿态角产生影响;且经过优化,机器人的最大纵倾姿态角和横倾姿态角分别可达78.46°和达68.20°.提出的基于全水液压的沉浮和姿态调节一体化系统具有结构紧凑、调节方便、节能环保等诸多优点,研究结果为后续沉浮及姿态调节系统的研制奠定了理论基础.

    煤矿抽水蓄能电站水下机器人姿态调节沉浮调节水液压

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    基于AKPCA算法的井下WLAN位置指纹定位

    宋明智钱建生胡青松
    248-256页
    查看更多>>摘要：为改进井下WLAN人员定位系统中位置指纹数据库的特征提取及在线定位匹配性能,提出了自适应核主成分分析(Adaptive Kernel Principal Component Analysis,AKPCA)算法.AKPCA算法将最优AP选择算法与核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis,KPCA)算法相结合,使本征维数的计算具有一定的子区域自适应性,有效改善了KPCA算法中使用最大似然估计法求解的本征维数对于区域划分后的位置指纹数据库过于单一的问题.最优AP选择因子能够根据区域中AP信号的覆盖状态在位置指纹数据库构建及区域划分后完成最优本征维数的确定.井下人员定位试验结果中,AKPCA算法在各子区域本征维数的计算精度上要优于KPCA算法,且在定位误差为4 m时的置信概率达到了近100％,高于KPCA算法的91.4％.而在定位过程的内存占用对比方面,AKPCA算法的平均内存使用为0.832 GB,要优于KPCA算法的1.278 GB和其他位置指纹匹配算法.综上,AK⁃PCA算法不仅在定位精度上要优于其他特征提取算法,同时也能够有效减少定位系统在线定位过程中的资源消耗.在未来的研究中,将致力于进一步改善区域划分后的井下定位精度.

    井下人员定位位置指纹特征提取最优AP选择

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    基于超宽带系统的采煤机端头定位策略及定位技术研究

    曹波王世博葛世荣刘万里...
    257-266页
    查看更多>>摘要：采煤机的精准定位是实现无人开采的关键,但是现阶段的采煤机定位技术定位精度较低,无法满足高精度定位的要求.为此,提出在综采工作面的两个端头位置分别设置导轨,使超宽带(Ultra-Wideband,UWB)基站群能沿着导轨整体移动,当采煤机运行到端头时,利用对应端头的UWB定位系统获得采煤机的位置坐标,完成一刀截割之后,UWB基站群沿着进刀方向迁移,为下一次端头定位做好准备,实现"一刀一迁移"的端头定位策略,为惯性导航提供端头校准的依据.考虑到井下实际环境中测量噪声较大,提出了基于最小均方误差准则(Minimum Mean Square Error Criterion,MMSEC)的收缩估计方法;以定位终端与基站群之间的距离构建观测方程,建立扩展卡尔曼滤波(Ex⁃tended Kalman Filter,EKF)模型,进一步消除距离残差对定位精度的影响,提高UWB定位系统的位置估计精度;以基站群迁移装置和定位终端移动平台为基础,模拟采煤机的运动,研究所提基站群迁移策略和定位算法.试验结果表明,MMSEC收缩估计方法能够提高运动轨迹的定位精度,第4刀和第5刀的定位精度提升比较明显,平均定位误差由0.341 m,0.394 m减小为0.296 m,0.339 m,定位精度分别提升了13.1％和13.9％,经过EKF平滑处理后,第4刀和第5刀的平均定位精度进一步提升13.5％和10.6％;随着基站群迁移次数的增加,平均定位误差逐渐增大,x轴和z轴平均误差逐渐增加,y轴平均误差基本保持在0.2 m之内;MMSEC-EKF算法的前3刀的定位精度小于0.2 m,因此采煤机完成3次循环截割后,重新测量基站群的坐标,能够获得更好的定位效果;提出的端头"一刀一迁移"的定位策略及定位算法为井下定位技术提供理论参考,该方法有待井下环境的进一步试验验证.

    采煤机定位超宽带最小均方误差准则扩展卡尔曼滤波迁移策略

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    悬臂式掘进机导航技术研究现状及发展趋势

    田伟琴田原贾曲张凯...
    267-274页
    查看更多>>摘要：为推动掘进工作面的智能化发展,提升掘进装备自主导航技术,分析了目前悬臂式掘进机导航定位技术面临的问题,详细列举分析了各类悬臂式掘进机导航定位技术的研究现状,如光电导航、惯性导航及多传感器融合等.其中光电导航又细分为全站仪、激光指向仪、空间交汇、iGP S、超宽带、视觉导航几个部分,并分别对各类悬臂式掘进机导航技术进行了归纳总结.最后通过分析悬臂式掘进机导航定位技术的应用与未来发展趋势,对未来悬臂式掘进机导航技术的发展做了展望.认为光电导航技术成熟,但环境适应性差;惯性导航定位精度高、环境适应性强,但难以克服悬臂式掘进机长时短距作业方式带来的误差累积问题;将两者结合的多信息多传感器融合(组合导航)技术将是未来悬臂式掘进机导航的主要研究方向.然而目前硬件技术方面突破难度较大,因此可以优先考虑从应用鲁棒性更强的算法入手对现有导航技术进行融合,以提高悬臂式掘进机导航精度,从而进一步推动矿山智能化的发展.

    悬臂式掘进机导航定位光电导航惯性导航多传感器融合

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