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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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    基于伪随机序列的松散煤体声学测温方法及应用

    郭军高文静蔡国斌刘荫...
    123-131页
    查看更多>>摘要：长期以来,采空区、煤堆、煤仓等空间的煤自燃火灾时有发生,受限于工作区域的复杂环境和火源探测技术瓶颈等因素,较难实现煤自燃灾害高温点的快速量化识别.而声学测温技术具有测量精度高、测温范围宽、测量空间大等特点,可实现采空区等隐蔽火源位置精准探测且极具发展前景.目前该技术在松散煤体温度测量领域尚处于基础研究和实验室研究阶段,仍需开展大量研究.基于伪随机序列的优越性能,将其引入作为声源信号,并根据声学测温原理和伪随机序列声源信号产生原理,搭建了松散煤体声波测温试验系统.系统主体部分包括声学测试系统、程序升温系统、隔音系统和煤样箱体,结合试验测试和仿真模拟方法,验证了系统的准确性.利用理论分析、Matlab仿真和试验测试相结合的方法,开展伪随机序列声源信号的失真特性研究,确定了该信号的最佳处理方法,成功将其应用于松散煤体测温中.结果表明:伪随机序列可以作为采空区、煤堆、煤仓等空间的松散煤体声学测温的声源信号,但需运用二次相关PHAT-β算法对伪随机序列声源信号发生频率区间(1000～3000 Hz)进行处理,使频带变窄,能量集中;运用伪随机序列声源信号测量声波在松散煤体中飞渡时间,发现不同距离下声波飞渡时间测量结果误差小于 5%,并通过了对比验证;伪随机序列作为松散煤体的测温声源信号时,所反演温度与不同粒径的煤样温度之间的平均绝对误差为2.051℃,平均误差率5.293%,能够较为精准、可靠地反演煤温.

    声学测温松散煤体伪随机序列声源信号声波飞渡时间

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    卤盐阻化剂对煤自燃阻化作用的定量识别及机理

    孟祥宁梁运涛郭宝龙孙勇...
    132-141页
    查看更多>>摘要：煤自燃灾害严重影响煤矿安全生产,卤盐阻化是防治煤自燃灾害的主要措施之一.优化阻化工艺、提高阻化效果的前提是掌握阻化剂的物理、化学阻化作用机制.为此,探究卤盐阻化剂对煤自燃的主要抑制方式,明确其物理、化学作用对煤层阻化的贡献比显得尤为重要.基于此,提出一种定量识别卤盐阻化剂阻化作用的方法.本次研究卤盐中具有代表性的MgCl2 阻化剂,采用超声波清洗器多次反复冲洗阻化煤样和水洗煤样,得到水洗阻化煤样和水洗参考煤样.通过程序升温试验和红外光谱试验研究不同煤样的指标气体浓度、交叉点温度、阻化率和活性基团的变化规律,从宏微观角度研究卤盐阻化剂的物理、化学阻化作用.结果表明:水洗阻化煤样的产气浓度、交叉点温度、阻化率和活性基团含量明显低于原煤样,却高于阻化煤样,这说明MgCl2 阻化剂对煤自燃起到协同抑制作用,具有物理化学双重阻化效果.煤氧化反应前期,物理阻化作用大于化学阻化作用,煤氧化反应后期,化学阻化作用占主导地位,明显高于物理阻化作用.MgCl2 的化学抑制作用体现在能与煤中活性物质反应生成比较稳定的物质(ROCl)和镁络合物(Mg(OH)Cl),使得煤的活性下降,从而降低了煤的自热风险.MgCl2 阻化剂物理、化学阻化作用对平庄褐煤的贡献比分别为 56.37%和43.63%,对同忻烟煤的贡献比为 57.91%和 42.09%,对白芨沟无烟煤的贡献比为 59.60%和 40.40%.随着煤样变质程度的增加,物理阻化作用贡献比增加,化学阻化作用贡献比减小,平庄褐煤的化学阻化作用是白芨沟无烟煤的 1.08倍.该研究有助于丰富卤盐阻化剂的阻化机理,并为优化防灭火工艺提供理论指导.

    煤自燃卤盐阻化剂化学阻化作用物理阻化作用阻化率

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    煤层微观孔隙特征及沉积环境对孔隙结构的控制作用——以鄂尔多斯盆地8号煤层为例

    赵伟波刘洪林王怀厂刘德勋...
    142-154页
    查看更多>>摘要：寻找深部煤层气资源分布,亟待查明深部煤储层沉积环境和孔隙分布特征.为此,在开展鄂尔多斯盆地煤岩显微组分、核磁共振孔隙和电镜分析的基础上,查明了煤岩显微组分和孔隙分布特征,评价了鄂尔多斯盆地 8号煤的煤沉积环境和孔隙结构特征之间的关系.结果表明:①研究区 8煤层煤岩有机显微组分以镜质组为主,成煤早期植物类型应主要为木本植物,后期随着覆水程度增大而逐渐转变为木本+草本混生植物为主;②本溪期 8号煤由早期为湿地森林沼泽逐步演化为后期开阔水域沼泽,沼泽水体相对滞留,沼泽环境稳定,利于有机质富集和煤层结构稳定;③研究区 8煤大孔占比与结构保存指数(TPI)两者呈正相关,而与凝胶化指数(GI)呈负相关;④基质镜质体发育密集气孔群或稀疏带状气孔群,团块镜质体中发育少量气孔,结构镜质体中发育原始组织孔,多为矿物充填,均质镜质体气孔不发育.研究认为榆林地区煤层孔隙分布受到煤沉积环境和显微组分控制,开阔水域沼泽相的煤层孔隙结构呈现三峰,其中微孔和大孔发育最好,湿地森林沼泽相煤层孔隙结构呈现双峰,微孔发育好,大孔发育较差.

    深部煤层气煤相孔隙结构煤岩显微组分鄂尔多斯盆地

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    天然气储层裂隙中气-液两相流的流态转变条件数学模型

    闫晋倪小明郭盛强何庆宏...
    155-164页
    查看更多>>摘要：气-液两相在储层裂隙中流动时可能存在气泡流、段塞流、环雾流等流态,查明流动时流态转变条件能为气-液两相流流态形成机理研究提供依据,有助于天然气井的生产管控.根据气-液两相流不同流态的流动特点,结合连续介质控制理论和动量守恒原理,构建了气泡流-段塞流-环雾状流等流态之间转变的数学模型,确定了各流态间变化的临界条件和主控因素,通过气-液运移产出微观流动物理模拟试验验证了所建数学模型的准确性.结果表明:气-液两相在裂隙中的流态转变是气/液相的物理性质、注气通道孔径、裂隙流动通道孔径、气相流体流速、液相流体流速等因素耦合作用的结果.气泡流与段塞流能否转变主要取决于初生气泡大小、流动通道空间、液相界面波高度;段塞流与环雾流间能否转变取决于气相流体能否击碎液相流体并使之悬浮.不同流态间转变的主要控制因素不同:气泡流与段塞流相互转变的主控因素为裂隙系统的孔径,注气通道孔径越大、流动通道孔径越小,越容易发生段塞流;段塞流与环雾流相互转化的主控制因素为流体流速、气/液相流体的物理性质,气/液相对速度越大、气/液密度差越小、液相表面张力越小,越容易发生环雾流.研究成果能够为天然气储层裂隙中气-液两相流态形成机理和天然气运移产出研究提供理论依据.

    储层裂隙气-液两相流流态转化流体流速气泡流段塞流环雾流

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    浅埋薄基岩顶板采动突水溃砂固流耦合相似模拟试验研究

    张贵彬王荣强马俊鹏吕文茂...
    165-175页
    查看更多>>摘要：突水溃砂作为一种新型的矿井地质灾害,具有隐蔽、突发、难监测、破坏强等特点,因此,探究覆岩采动劣化特征及突水溃砂致灾机理对松散层水害防控具有指导意义.首先,通过相似材料配比与测试试验,研究了不同材料配比对材料强度、渗透特性的影响机制,并研制出一种适宜于模拟松软岩层的新型固流耦合相似材料;然后,借助采动煤层顶板涌水溃砂灾害模拟系统,进行了浅埋薄基岩、中厚基岩的单一含水结构盖层以及薄基岩含隔双层结构盖层条件下开采的相似模拟试验,分析了不同地层结构的采动裂缝空间劣化-贯通及水砂起动、运移、涌溃灾变特征,揭示了浅埋薄基岩采动突水溃砂致灾机理.试验结果表明:新型固流耦合相似材料兼具耐水、抗崩解、抗软化、低渗透、低强度、低塑性的特性,且渗透系数随碳酸钙含量的增加呈负指数衰减,单轴抗压强度呈现二次多项式增长的特点;初次来压和第一次周期来压阶段是浅埋薄基岩采动覆岩劣化诱发突水溃砂的高发期,采动裂缝平面呈"OX"分布,随基岩与松散层底部黏土层的厚度增加,覆岩由拉剪破坏逐渐转变为拉张破坏,裂缝形态由"垂向直通形"转变为"倒楔形多层交错叠加组合",裂缝开度减小,通畅度变差,可降低诱发突水溃砂风险几率与危害程度;通道开度(宽度)与砂体粒径的相对关系(简称"裂粒比")以及通道通畅度是决定突水溃砂发生与否及致灾程度的关键.

    薄基岩采动裂缝地层结构突水溃砂相似材料模拟试验

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    河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙-涌水量时空演化的FDEM-CFD耦合分析

    杨泽斌李浩马立强麦龙泉...
    176-184页
    查看更多>>摘要：河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙分布与涌水量是工作面安全生产的决定性因素之一.数值模拟是二者重要预测方法,其合理性的关键在于建立岩体破坏-裂隙流体耦合理论及相应的模拟方法.以路家村矿 15404工作面为研究背景,构建拉/剪应力下非贯通裂隙开裂、贯通裂隙的法向与切向本构关系,并基于二相流质量守恒、动量守恒与状态方程,结合增强的浸没边界算法识别流-固界面,通过流体体积法实现裂隙内流体自由面的追踪和重构.在此基础上形成FDEM-CFD河下采煤覆岩裂隙与涌水量预测数值模型耦合程序,通过相邻工作面地面钻孔冲洗液消耗量观测法验证导水裂隙带发育高度,以及采用大井法理论对涌水量结果进行对比.结果表明:采动岩体破坏-裂隙流体耦合理论及相应的FDEM-CFD程序,可数值实现河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙形成,以及裂隙内流体运移过程.当工作面推进至 80～120 m时覆岩内形成贯通地表的导水裂隙.招山河水的主要下泄路径为工作面后方 8～20 m位置处的导水裂隙,其斜向采空区、倾角 65°～72°.模拟所得采空区涌水量为18.78 m3/h,与大井法计算结果接近.上述成果在路家村矿区得到初步应用,为进一步开展河下浅埋厚煤层防治水工程提供理论支撑.

    河下浅埋煤层覆岩裂隙涌水量本构模型FDEM-CFD耦合

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    基于主动激励的掘进机回转台振动抑制研究

    谢苗王贺李玉岐刘治翔...
    185-196页
    查看更多>>摘要：悬臂式掘进机截割过程由于煤岩形状、硬度分布的随机性,当截割到硬岩时截割头会产生无规则的剧烈振动,瞬时高强度的冲击对掘进机关键受力部件回转台影响最大,其动态可靠性和寿命影响着截割效率和截割稳定性,为减弱截割过程回转台的振动,首先,基于截割现场回转台易失效损坏现象,建立截割过程回转台力学模型,推导回转台力学方程,研究回转台受力随截割参数变化规律;通过搭建截割试验台,测试截割过程回转台振动响应,结合有限元进行回转台振动模态分析,求解回转台前 6阶固有频率及振型,分析回转台剧烈振动的原因.其次,基于工况路径分析理论,建立截割过程回转台工况传递路径分析模型,模拟回转台合成振动,分析各激励点对回转台振动贡献量及贡献程度,准确找到回转台主要激振源.最后,通过施加外部主动激励的方式,分析不同激励频率加载下回转台振动情况,探寻能够降低截割过程回转台振动的激励频段.试验结果表明:外部激振频率处于20～60 Hz,回转台振动幅值降低明显,此频段激励频率对回转台振动控制效果良好,有益于提高回转台寿命,且激振频率为 40 Hz时回转台振动最小,回转台振动抑制效果最佳.研究结果有益于丰富回转台振动相关研究理论,实现在不改变机械结构基础上,降低回转台受力与结构变形,可为掘进机回转台的振动问题提供理论参考.

    掘进机回转台空间力学模型工况传递路径激振源主动激励振动控制

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    基于数字孪生的液压支架群跟机工艺虚拟调试方法

    李娟莉郭清杰高波边强...
    197-205页
    查看更多>>摘要：针对物理综采工作面"三机"跟机自动化工艺参数调试周期长,费用成本高,以及工作环境搭建困难等问题,基于数字孪生技术,研究了液压支架群跟机行为工艺虚拟调试关键技术.首先基于现代建模技术构建了 1∶1构综采"三机"孪生体,利用虚拟现实引擎对综采"三机"运动单元进行了虚拟重构和虚拟仿真;然后基于现代设计理论,依据"三机"协同原则实现了跟机自动化过程中的不同参数配置,建立了采煤工艺的支架行为工艺决策模型和支运装备直线度协同控制模型,并在虚拟场景中对决策模型进行预演;最后利用TCP协议建立了虚实交互通道,通过半实物仿真试验对决策模型进行了验证.结果表明:虚拟场景在执行采煤工艺时可对物理工作面场景进行精准复现,通过支架群行为决策模型可提前对液压支架工艺行为进行决策规划,通过反向控制试验可对支架控制器进行实时虚实交互,有望克服井下调试环境阻碍,对综采"三机"电液控程序的合理制定与修正提供参考价值.

    虚拟现实虚拟调试液压支架群"三机"协同行为决策

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    融合金字塔结构与注意力机制的煤矿井下巡检机器人PT目标检测算法

    王茂森鲍久圣鲍周洋阴妍...
    206-215页
    查看更多>>摘要：近年来,煤矿机器人已成为现代煤机装备领域的研究热点,多数煤矿的主煤流运输系统基本实现了连续化、机械化和自动化,因此对主运输巷道内的安全监控与巡检效率提出了更高的要求,而精准的目标检测是实现煤矿井下智能化安全监控的必要保障,但现有的目标检测算法应用于复杂恶劣的煤矿井下巷道环境,存在目标检测精度较低的问题.面向井下低照明、环境杂乱的特殊工况检测需求,制作了井下巷道环境内目标物数据集,完成数据集标注并展开多维度分析;提出一种基于金字塔结构与注意力机制融合的PT目标检测算法,利用注意力机制模块替换金字塔结构中的卷积模块,在控制特征计算量的同时提高对全局特征的提取能力,实现目标物局部特征与全局特征融合的提取效果,提高了图像中目标感兴趣区域特征的表达能力.最后,面向煤矿井下巡检机器人应用场景,将提出的PT算法与传统经典的Faster R-CNN、YOLOv4算法进行对比分析.结果表明:所提出的 PT目标检测算法能够有效识别复杂环境下巷道内目标物,相较于主流的 Faster R-CNN、YOLOv4目标检测网络,PT算法有更好的综合识别能力,识别煤矿人员的准确率分别提升了 2.90%和 4.30%,识别井下障碍的准确率分别提升 0.20%和 4.80%,识别矿井裂缝的准确率分别提升了4.40%和 8.60%,识别井下设备的准确率分别提升了 3.00%和 8.70%.因此,PT目标检测算法能够更好地适应井下环境,目标检测算法较其他算法能够获得更高的准确率与检测速度,可为井下巷道安控系统建设提供理论依据与技术支撑.

    煤矿井下巡检机器人目标检测金字塔结构注意力机制

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    基于阈值和权重Census变换的煤矿井下图像立体匹配算法

    杨春雨宋子儒张鑫
    216-225页
    查看更多>>摘要：双目图像立体匹配是实现煤矿井下无人辅助运输车自主避障和视觉侦察的关键技术,但煤矿井下高粉尘、光照条件不稳定等因素会导致视觉传感器采集到的图像产生椒盐噪声,使得立体匹配的误匹配率很高.为此,提出一种基于阈值和权重相结合Census立体匹配算法,减少椒盐噪声对立体匹配影响.具体改进包括:①先对支持窗口内所有像素的灰度值进行阈值处理,去除支持窗口内灰度值极大和极小的像素点,解决异常值对加权融合的影响;②再将中心点对应的 4条斜对角像素进行加权融合代替中心点像素,选择中心像素点 4条斜对角线上的像素点,步长取 1～3,根据对应的步长分别赋予 0.7、0.2、0.1的权重,将这 12个像素点中有效的像素点分别乘上对应权重,然后除以有效权重之和,得到经过加权处理后的中心像素点值,解决传统算法对Census变换窗口中心点依赖的问题,从而提高匹配精度.试验结果表明:基于阈值和权重Census代价计算全部区域的误匹配率相比传统Census算法降低了 5.64%;相比基于均值Census算法降低了 1.71%,且在不同噪声下全部区域的误匹配率相比传统Census算法降低了 15.93%;相比基于均值Census算法降低了 16.62%;而在非遮挡区域,算法的误匹配率相对于传统Census算法降低 17.19%,相对于基于均值Census算法降低 18.11%.所提出的基于阈值和权重相结合Census立体匹配算法有效的增强了抗噪声的鲁棒性,降低了误匹配率,提高了匹配精度.

    无人辅助运输车双目视觉Census变换椒盐噪声立体匹配

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