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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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    断层活化特征及防隔水煤柱合理化留设研究

    朱敬忠刘启蒙刘瑜范佳俊...
    166-171页
    查看更多>>摘要：目前浅部煤炭可采储量开挖殆尽,以井工开采的煤矿正逐渐向深部含煤地层区域延伸,因面临深部"高温、高压、高瓦斯"及复杂地质构造的威胁,井下作业环境变得十分恶劣.虽然通过钻探、物探手段及巷道开挖对煤矿安全生产构成较大影响的深部隐伏断层构造进行探查,但矿井对断层性质及采动影响下断层活化等基础资料掌握程度不足.在设计断层防隔水煤(岩)柱留设尺寸阶段,往往存在断层煤(岩)柱留设过大或过小的问题,造成生产期间煤炭资源可开采量的降低,或诱发断层水害事故.以宿州煤电集团界沟煤矿F6断层为研究对象,从断层的含(导)水性、采动影响下断层活化特征、煤层顶板岩性特征及导水裂隙带发育高度等方面综合分析研究煤层防隔水煤柱宽度留设问题.利用基于有限元理论的COMSOL Multiphysics(CM)数值模拟、理论计算及矿井生产验证等多方法,确定最合理的防隔水煤柱尺寸.研究表明:F6断层在未扰动状态下表现为富水性弱,导水性差,但当工作面继续向再前推进至距断煤交线20 m时断层带附近岩层因受集中应力作用而发生塑性破坏,断层导水性质发生变化.基于以上综合分析最终确定F6断层防隔水煤柱合理留设宽度为36.13 m.研究成果对界沟煤矿安全效益和经济效益的最大化提供一定的技术保障.

    断层活化防隔水煤柱断层水害煤柱宽度

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    煤层底板隐蔽水害危险源识别与定位试验研究

    丁立王经明
    172-179页
    查看更多>>摘要：煤层底板隐伏导水陷落柱和断层突水频繁造成华北型煤矿淹井和灾害.为研究危险源在底板含水层内的多种效应以及底板隐蔽水危险源定位技术,根据华北C-P煤田的水文地质条件进行了沙槽试验研究.试验显示,在流场稳定后测区内陷落柱效应表现为水头、水温和浓度等值线都呈同心的闭合圈状,危险源位于最大等值线闭合圈内;测区内断层的效应表现为水头、水温和浓度的等值线都呈平行线状,危险源位于两条最大平行线之间.2种危险源的温度和浓度最大等值线范围都远大于水头的范围和危险源的实际尺寸,且实际位置都靠近等值线密度大的一侧.试验发现不论危险源为何种类型,水头等值线在逆水流方向上稀疏,在顺水流方向上密集;温度和浓度等值线则在顺水流方向密集,逆水流方向稀疏.当危险源位于测区以外时,靠近危险源区域的等值线的密度大,远离危险源的区域等值线的密度变小且走向发生大幅度转折.测区外两种危险源的效应类似,难以区分.根据试验结果,研究了图解法和等值线拟合法2种危险源定位方法:对于测区内的危险源,可以采用图解法和拟合法定位,即通过最大等值线区域圈定危险源范围,再经试算得出误差最小的位置;对于测区外的危险源,只能采用图解法定其存在方向.

    煤层底板陷落柱断层沙槽试验寻源定位相似模拟

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    桌子山煤田奥灰水水化学特征及成因分析

    王世东
    180-188页
    查看更多>>摘要：桌子山煤田奥陶系灰岩地下水是区域煤层开采的主要充水水源,同时也是乌海市重要的地下水水源,研究该区域水文地球化学特征及成因,对矿井水害防治及地下水资源开发利用均具有重要意义.以奥陶系灰岩水为研究对象,采集煤田奥陶系灰岩地下水样37组,综合利用piper三线图、Gibbs图及离子比例关系分析了奥陶系灰岩地下水化学特征及其形成作用.研究结果表明:桌子山煤田奥陶系灰水水化学组分的分布特征与地下水径流方向密切相关,Na++K+、HCO3-、Cl-和SO42-的离子浓度及理化指标TDS、pH值由补给区向排泄区呈现增大的趋势,Ca2+和Mg2+浓度呈现减小的趋势,并且以上指标在煤田北部和南部地区变化较大;由桌子山补给区向甘德尔山再转南北向径流的水化学类型变化较为明显,主要为"水迟缓交替作用带",经历正向离子交换作用,而由桌子山补给区向南径流的水化学类型始终为SO4·Cl-Ca·Na型,控制作用由"水迟缓交替作用带"转为"水消极交替作用带",反向离子交换作用强烈;整个桌子山煤田可划分为北、中、南3个水化学特征区,煤田北部因地质构造的缘故使地下水形成滞留区,径流过程紊乱且形成过程较复杂,中部未受到地质构造阻挡,径流方向不变,地下水化学形成过程简单,而南部因地层加深和断层阻隔的缘故形成滞留带,使地下水水化学形成过程较复杂.

    桌子山煤田水化学特征水化学形成作用奥陶系灰岩地下水地下水水源地

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    基于惯导/全站仪组合的掘进机自主定位定向方法

    马宏伟毛金根毛清华张旭辉...
    189-195页
    查看更多>>摘要：针对目前煤矿井下掘进机定位定向不准确、自动化程度低等问题,提出了一种基于光纤惯导与数字全站仪组合的掘进机自主定位定向方法.通过分析光纤惯导与数字全站仪的组合定位定向原理,建立了光纤惯导和数字全站仪的误差模型和组合定位定向系统的状态方程和量测方程,运用卡尔曼滤波器对组合定位定向系统的状态量与量测量进行预测估计,并考虑数字全站仪的定位精度对融合效果的影响,得到掘进机自主定位定向的融合信息.搭建了掘进机定位定向试验平台,通过运用惯导与全站仪组合的自主定位定向方法对模拟在巷道中线行走的掘进机进行了定位定向试验.试验结果表明:根据数字全站仪定位精度确定量测噪声方差R时,组合定位定向精度最高,其中x轴方向定位最大误差为0.03 m,y轴方向定位最大误差为0.02 m,航向角、俯仰角和横滚角定向误差小于0.005°,能够满足煤矿井下掘进机定位定向技术要求,解决了光纤惯导姿态角累计误差和位置发散问题,实现了掘进机的精确自主定位定向,为煤矿井下掘进工作面的智能化发展奠定良好的基础.

    掘进机光纤惯导数字全站仪定位定向卡尔曼滤波

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    基于双目视觉的动态煤量测量方法

    董立红宋伟思符立梅
    196-203页
    查看更多>>摘要：煤矿井下带式输送机主运输面煤量测重设施不完善.在复杂的煤矿井下环境中,皮带秤的测重方法对其精度有很高的要求、易受到人为操作,使得测量误差较大,难以获得真实的煤产量数据;激光三维扫描的测重系统价格昂贵,难以普遍使用.根据煤矿井下带式输送机主运输面煤量测量问题存在的不足,针对性地提出一种基于双目视觉的动态不规则物体测重方法.首先,采用双目相机获取煤矿井下带式输送机主运输工作面的左右俯视图,研究适用于煤矿井下图像特点的预处理方法;接着根据双目视觉的原理采用改进的半全局块匹配算法(Semi-Global Block Matching,SGBM)计算得到密集视差图并对视差图进行空洞填充以消除误匹配点;再对填充后的的视差图采用改进的分水岭分割算法将视差图中的原煤目标分离出来;然后在采用基于三角测量的方法恢复各点的深度信息后计算其对应点的三维信息;在三维信息的基础上提出了一种新的动态不规则体积测量方法计算带式输送机表面的原煤体积;最后,应用煤量计算公式完成煤量测量.用双目相机获取真实煤矿图像进行试验,证明所提方案的有效性.研究表明:该系统所需的硬件设备为一个质量轻、体积小的双目摄像机,能实时采集到目标图像和距离;真实重量和测量重量误差低于10％,为煤矿井下煤量测量提出了一种有效的方案,能够满足实际煤矿井下煤产量的估计需求.

    煤矿图像带式输送机双目视觉煤体积估计分水岭图像分割

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    采煤机滚筒高度测量传感器工作环境磁场仿真与屏蔽研究

    李曼郑思雨刘浩东王志鹏...
    204-209页
    查看更多>>摘要：为实现煤矿井下综采工作面复杂电磁环境下采煤机滚筒高度的测量,保证工况条件下传感器的可靠性,在分析滚筒式采煤机摇臂结构和工作原理的基础上,利用TLE5012B磁敏感角度传感元件设计了采煤机滚筒高度传感器.传感器通过安装于摇臂销轴处的摇杆—旋转装置获取摇臂摆角,由角度计算获得采煤机滚筒高度.依据现有煤矿井下工况条件、设备分布以及传感器安装位置,分析确定滚筒高度传感器在井下工作环境中的主要磁场干扰源为采煤机的截割电机、破碎电机、牵引电机以及采煤机供电电缆和巷道铺设电缆.采用SolidWorks三维建模软件,以Eickhoff公司的SL1000型采煤机为参照,建立相关电缆、电动机、采煤机摇臂及周边部分等干扰源模型.采用COMSOL Multiphysics仿真软件,求解各干扰源模型的磁场分布,并对采煤机滚筒高度传感器工作位置的磁场环境进行了定量分析.仿真结果表明:截割电机及巷道铺设电缆处的磁感应强度较大,是影响传感器工作的主要电磁干扰源.采煤机摇臂及周边部位和传感器安装部位的磁感应强度为1～4 T,超出了TLE5012B的30～50 mT正常工作范围.为减小电磁干扰对传感器的影响,基于低频磁屏蔽原理及传感器结构,以硅钢片为屏蔽材料设计了磁屏蔽装置,该装置可有效屏蔽99％的磁场干扰,屏蔽后传感器周围磁感应强度为10～45 mT.

    传感器滚筒高度电磁干扰磁屏蔽采煤机

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    基于校准补偿和VBUKF平滑的超宽带采煤机定位技术

    曹波王世博葛世荣刘万里...
    210-219页
    查看更多>>摘要：采煤机精准定位一直是多年来亟需解决的瓶颈,是实现井下采煤机智能化、无人化开采的关键.针对当前采煤机定位精度较低的问题,提出将超宽带(Ultra-Wideband,UWB)基站安装在综采工作面端头,当采煤机运行至端头时,由UWB定位系统为惯性导航端头校准提供基准.为使UWB定位系统获得较高的定位精度,考虑到基站位置误差、尺度因子误差和偏差对定位精度的影响.提出了一种校准方法,能够独立计算这些参数,对基站的位置误差进行校准补偿;由于非视距(Non-Line-of-Sight,NLOS)环境的影响,NLOS偏差因距离变化而有所不同,同时考虑到测量噪声的不确定性和时变性,提出了变分贝叶斯无迹卡尔曼滤波(Variational Bayesian unscented Kalman filter,VBUKF)对NLOS测距信息进行平滑处理,减小NLOS误差的影响,提高距离估计精度.在校准补偿和VBUKF平滑基础上,采用Caffery定位方法(Caffery localization,CL)解算目标节点的坐标,为进一步提升定位精度,采用高斯-牛顿迭代算法(Gaussian-Newton,GN)对CL算法的结果进行优化,并通过UWB定位系统进行动静态试验验证所提方法的有效性.试验结果表明:VBUKF平滑能够有效地减小NLOS误差,GN算法能够进一步提升定位精度;经过校准补偿和VBUKF平滑后,X轴,Y轴及Z轴的平均定位误差大大减小,CL算法和CL-GN算法的平均定误差分别由0.347、0.250 m减小为0.239、0.109 m,平均定位精度分别提高了31.1％,56.4％;同时动态运动轨迹更加接近实际轨迹,表明该方法能提升UWB系统的定位精度,能够为井下定位技术提供理论参考,但是该方法有待进一步现场试验的验证.

    煤矿智能开采采煤机超宽带校准补偿变分贝叶斯无迹卡尔曼滤波定位精度

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    自移轨道式液压支架既定轨迹转向路径分析

    李国华张宏陈有张志宏...
    220-226页
    查看更多>>摘要：为解决煤矿巷道设备列车转向难的问题,设计了1种适用于巷道弯道转向的交替循环自移轨道式液压支架,探讨了自移轨道式液压支架弯道转向工作原理,通过对该型支架本身原地旋转掉转车头和在狭窄巷道内带动设备列车转弯2种工况的定性分析,建立了转向物理模型计算公式,研究了转向油缸工作循环自移轨道式液压支架关键点的运动位置变化情况;为使设备列车按照既定轨迹强制转向,在巷道底板安装了地锚,构建了支架轨道、设备列车与地锚的碰撞运动状态表达式;应用ADAMS对自移轨道式液压支架转弯两种工况的运动特性进行了虚拟仿真试验.研究结果表明:转向油缸工作状态的改变引起了旋转基点的变化,支架原地旋转时以基点C为圆心,以A、B两点与C点之间的距离为半径在底板形成半圆轨迹,支架原地旋转只需保持转向油缸的行程一致,即可实现支架原地旋转;而带动设备列车转弯过程中,需要在每一步转向步进中改变转向油缸和步进油缸的活塞杆伸缩行程,来微调自移轨道式液压支架的方向,B点轨迹的曲率半径约为1000 mm,设备列车与地锚相碰撞时平均碰撞力约为60000 N,平均速度约为450 mm/s.支架转向轨迹路线的研究为煤矿综采工作面设备列车弯道快速转向提供了有效的解决思路和方法.

    液压支架自移轨道转向碰撞轨迹路线

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    基于功能分析的带式输送机自动巡检机器人设计

    孟娜娜钟鹏程雷超江帆...
    227-235页
    查看更多>>摘要：带式输送机具有长距离连续运输等优点,成为运输煤炭等矿山物料的重要设备.在长时间连续运行过程中,带式输送机关键部件的性能退化会引发输送带打滑、跑偏和断带等故障,迫切需要对其工作状态进行实时监测.针对传统带式输送机自动巡检系统上下坡驱动打滑、平稳性差等问题,设计了一种基于轨道摩擦和齿轮齿条啮合混合驱动的自动巡检机器人.基于功能分析,设计了巡检机器人的总体方案,提出了水平运动时采用行走轮和轨道的摩擦式驱动和上下坡运动时采用齿轮齿条啮合驱动的两阶段驱动方式,增加了巡检机器人的爬坡能力,避免了传统巡检装置存在的上下坡打滑的不足.考虑到带式输送机恶劣的巡检工况,详细设计了巡检机器人的驱动系统和行走系统等机械结构,并采用Creo软件建立了巡检机器人的三维模型.针对巡检机器人的控制系统实现的功能,完成了巡检机器人的控制系统硬件选型和控制系统程序的流程图设计,并计算出巡检机器人的续航时间.采用ANSYS软件对底板和托架进行了有限元分析,完成了底板轻量化设计并对底板和托架的强度进行了校核分析.采用ADAMS软件对巡检机器人的运动过程进行了仿真分析,运动学仿真结果表明:巡检机器人能够顺利实现水平运动和上下坡运动的无干涉平稳切换.

    带式输送机巡检机器人混合驱动控制系统有限元分析运动学仿真

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    煤与矸石图像特征分析及试验研究

    李博王学文庞尚钟高新宇...
    236-246页
    查看更多>>摘要：为实现基于机器视觉的绿色高效、高智能化的煤矸分选.探讨了煤和矸石共420张图像的2个灰度特征和4个纹理特征的分布情况,并分别模拟生产中的光照、淋水、粉尘环境对煤和矸石进行了图像采集,研究其对煤矸图像特征的影响;此外,针对光照强弱、湿度、煤粉沾染程度和样品种类4个试验因素,对影响因素进行了量化处理,应用Box-Benhnken Design(BBD)试验设计理论设计四因素三水平试验,以样本灰度均值为响应指标,研究各因素对煤矸图像灰度值影响的显著性及其交互作用,从而得到区分煤和矸石的最明显特征.特征分析表明,煤和矸石的灰度特征比纹理特征具有更好的区分度,从灰度均值和峰值来看,6～36 W的光照条件对灰度均值影响有限,却使灰度峰值波动严重;样本表面喷雾量的增加使灰度均值和峰值大幅下降,以0.08 g的喷雾量为转折点,灰度均值呈现出先急后缓的对数曲线下降趋势;煤粉量与灰度均值呈一次线性反比关系,灰矸的线性比例约为块煤和黑矸的4～5倍;单因素试验表明灰度峰值对环境变化较为敏感,而响应面试验表明煤和矸石的灰度均值在同一水平下区分度明显.研究结果有利于推进机器视觉煤矸分选技术的应用,实现井下煤矸分选,亦对煤岩界面识别技术具有参考意义.

    井下煤矸分选煤矸识别图像特征灰度纹理响应面法

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