工矿自动化

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张旭辉, 谢楠, 张超, 杨文娟, 张楷鑫, 周创

2021, 47(7): 1-7. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021010057

<摘要>(89) <HTML> (17) <PDF>(18)

摘要:
基于红外LED特征的悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量系统中，外参标定稳定性和红外 LED光斑中心提取精确性对截割头位姿检测精度具有重要影响。现有外参标定方法需依靠经验将截割臂摆至正中位置(未知)，标定结果存在较大波动。针对该问题，提出了一种基于多点固定的外参标定方法，该方法控制掘进机截割臂分别摆动到左上角、右上角、左下角、右下角4个已知极限位置并采集标靶图像，计算外参矩阵值，可有效提高外参标定稳定性。现有的灰度质心法采用像素的灰度值作为权重来计算光斑质心，精度只能到像素级，仅粗略满足实际应用需求。针对该问题，提出采用亚像素级边缘检测算法改进光斑中心提取方法：首先采用灰度质心法进行光斑中心粗提取，然后采用亚像素级边缘检测算法求出亚像素级边缘坐标，最后使用最小二乘法拟合光斑中心，实现光斑中心精确提取。实验结果表明：改进光斑中心提取方法将标靶LED灯间距最大测量误差从3.2 mm缩小为1 mm，提高了检测精度；基于多点固定的外参标定方法所获得的外参数矩阵比较稳定，平移矩阵中位移的最大变化幅度为15 mm，旋转矩阵中角度的最大变化幅度为1°；视觉测量系统改进前对截割头摆角的测量误差范围为［-1.2°,1.7°］，改进后截割头水平摆角误差范围为［-0.5°,0.5°］，垂直摆角误差范围为［-0.6°,0.6°］，说明改进方法有效提高了截割头摆角的检测精度。

变速工况下采煤机行星齿轮传动系统故障诊断

毛清华, 张勇强, 赵晓勇, 张旭辉, 樊红卫, 张飞

2021, 47(7): 8-13. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17779

<摘要>(133) <HTML> (18) <PDF>(10)

摘要:
采煤机截割煤层时，牵引部行星齿轮传动系统处于变速工况，且行星齿轮传动系统结构复杂，导致振动信号存在多种调制现象，影响行星齿轮传动系统故障特征提取。针对上述问题，将阶次分析技术与包络谱相结合，提出了一种基于包络阶次谱分析的采煤机行星齿轮传动系统故障诊断方法。首先对行星齿轮传动系统的非平稳时域振动信号进行Hilbert包络分析，然后将非平稳时域包络信号进行计算阶次跟踪处理，转换为等角度的角域信号，最后对等角度角域信号进行快速傅里叶变换，得到信号的包络阶次谱。对该方法进行了仿真分析及基于动力传动故障诊断综合试验台的变速工况下行星齿轮传动系统故障诊断试验，结果表明：对于变速工况下的振动调制信号，阶次分析难以提取特征阶次，而包络阶次谱分析方法可有效提取其特征阶次，并实现了行星齿轮传动系统故障准确诊断。

基于自适应卡尔曼滤波的双惯导采煤机定位方法

杨金衡, 宋单阳, 田慕琴, 宋建成, 许春雨

2021, 47(7): 14-20. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021030113

<摘要>(131) <HTML> (14) <PDF>(14)

摘要:
基于惯导的采煤机定位方法存在误差累计、姿态角及位置漂移等固有缺陷，虽然引入误差补偿技术和多传感器组合定位技术可在一定程度上减小误差，但效果有限。针对上述问题，提出了一种基于自适应卡尔曼滤波的双惯导采煤机定位方法。实时同步采集安装在采煤机上的2套惯导系统的加速度和姿态角，以惯导系统的位置作为状态量，惯导系统之间的距离和夹角为观测量，建立了双惯导定位模型，以克服单惯导定位误差累计的缺点。然而，双惯导系统输出存在较大差异时会导致双惯导定位模型出现状态突变，降低定位模型准确度，因此采用自适应卡尔曼滤波算法，通过计算基于残差的卡方检验值评估双惯导定位模型是否发生状态突变，并采用三段模糊判别函数动态调整过程噪声的协方差矩阵，以降低状态突变对定位精度的影响。仿真和实验结果表明，自适应卡尔曼滤波相比扩展卡尔曼滤波的抗干扰能力更强，有效减小了状态突变时的估计误差；基于自适应卡尔曼滤波的双惯导采煤机定位方法的定位误差比单惯导的定位误差在各方向上均有所减小。

采煤机运行状态数据分布式实时预测模型

张俭让, 刘睿卿, 李学文, 王智鹏, 史振东

2021, 47(7): 21-28. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020110032

<摘要>(92) <HTML> (14) <PDF>(12)

摘要:
针对采煤机大量运行状态数据不能得到及时处理的问题，研究了基于Storm的采煤机运行状态数据分布式实时预测模型。结合采煤机实际运行状态数据，通过Hadoop 分布式存储数据库模拟采煤机运行状态实时数据流；通过Storm分布式实时大数据处理框架处理大量采煤机运行状态时间序列数据，采用门控循环单元(GRU)作为预测模型，实现对采煤机运行状态数据的实时预测；结合各类数据的阈值设定，实现故障预警。以某矿综采工作面MG400930-WD电牵引采煤机的数据为例，取截割部电动机电流、截割部电动机温度、牵引部电动机电流、牵引部电动机转速、调高泵工作压力、调高泵工作转速、冷却水压、变频器电流8种监测数据作为实验数据，对预测模型进行训练和测试，结果表明：预测模型收敛速度较快，且拟合优度达到0.9以上；除冷却水压外，其余数据的预警准确率均达到95%以上；处理速度快，整个预警过程共10 s左右，可满足应用要求。

基于知识图谱的采煤机智能维护知识库构建

王岩, 曹现刚, 张旭辉, 樊红卫, 段雍, 霍小泉

2021, 47(7): 29-36.. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17786

<摘要>(158) <HTML> (18) <PDF>(19)

摘要:
为了满足采煤机元部件级故障源精确定位需求，提升综采工作面开采效率和安全可控性，将知识图谱技术引入采煤机故障检修知识的动态建模、形式化存储及智能交互过程，构建了基于知识图谱的采煤机智能维护知识库。从采煤机的硬件拓扑、故障检修、传感监测等方面，规范了相关术语与命名结构；定义并抽取了采煤机智能维护知识图谱的实体、关系与属性，建立了包含整机、部件、子部件、元件和零件5类实体的硬件拓扑网络子图，包含故障类型、位置、现象、原因、解决方法5类实体的故障检修网络子图，包含传感器、监测位置2类实体的传感监测网络子图；通过实体消岐与共指消解过程合并硬件拓扑、故障检修和传感监测3个网络子图，从而形成采煤机智能维护知识网络图，并通过对网络节点之间的相互作用关系进行形式化描述来表达智能维护知识；采用Neo4j，Py2neo等技术，搭建了一个可实现动态交互的采煤机智能维护知识库原型系统，初步实现了故障信息检索、技术指导等功能。

基于多道线性激光的带式输送机纵向撕裂检测

徐辉, 刘丽静, 沈科, 邹盛

2021, 47(7): 37-44. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17681

<摘要>(207) <HTML> (33) <PDF>(16)

摘要:
煤矿井下环境昏暗、潮湿、粉尘大，采集的监控视频图像模糊，导致输送带纵向撕裂识别难度大，且现有研究成果仅关注有无纵向撕裂，未涉及撕裂损伤定位及趋势跟踪。提出一种基于多道线性激光的带式输送机纵向撕裂检测方法：采用矿用本安型结构光发射器向输送带表面投射多道线性激光、矿用本安型工业相机拍摄线性激光条纹图像，通过提取激光条纹中心线并分析其特征，判断单帧图像是否存在纵向撕裂损伤，存在损伤时搜索损伤边界点并计算损伤宽度、深度特征值；融合多帧图像检测结果及速度传感器数据，计算完整纵向撕裂损伤长度、平均宽度、平均深度；通过检测输送带上的标志物位置定位撕裂损伤纵向位置，求取损伤起点在输送带上的位宽占比定位横向位置，并基于纵向位置实现损伤趋势跟踪。设置输送带纵向撕裂损伤长度分别为0.73，0.95 m，平均宽度为0.01 m，平均深度为0.008 m，采样速率为25帧/s，对该方法进行测试，结果表明该方法能够准确检测带式输送机有无纵向撕裂，损伤长度计算误差平均值为0.06 m，损伤平均宽度、平均深度计算误差平均值为0.001 m，纵向定位误差不超过0.1 m，并可准确判断纵向撕裂发展趋势。

矿用带式输送机托辊运行状态监测系统

姜阔胜, 毛中元, 谢有浩, 卞士军, 周远远, 郭帅, 胡坤

2021, 47(7): 45-49. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021040100

<摘要>(217) <HTML> (13) <PDF>(19)

摘要:
以人工巡检和振动信号诊断为主的带式输送机托辊故障监测无法保证高可靠性和实时性，因此采用电力线载波通信方式传输带式输送机托辊运行数据；传统的电力线载波通信是侵入式的，且需要定期更换电池。针对上述问题，提出了一种基于自供电和非侵入式电力线载波通信的矿用带式输送机托辊运行状态监测系统。该系统由发送端、接收端和127 V照明电力线组成。发送端安装于带式输送机托辊处，采用FPGA作为核心控制器，对托辊运行时产生的音频信号进行采集并调制成高频信号，通过电感耦合器将高频信号耦合入照明电力线中，实现非侵入式电力线载波通信；接收端安装于地面控制室，实现照明电力线中信号的解耦、解调、还原；对采集的原始音频信号和还原的音频信号进行皮尔逊相关系数分析，确认还原的音频信号的准确性后进行倒谱分析，从而判断托辊故障。实验结果表明，该系统能准确诊断带式输送机托辊故障。

用于带式输送机自检托辊的能量收集器设计

孙亮, 周公博, 王惟, 何贞志, 李婷婷

2021, 47(7): 50-56. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17792

<摘要>(67) <HTML> (10) <PDF>(8)

摘要:
带式输送机自检托辊将无线传感器节点安装在托辊内部，用于采集并无线传输温度与振动信号，为煤矿带式输送机托辊健康检测提供了一种新的思路。针对密闭托辊内无线传感器节点的能量供给问题，设计了一种基于Halbach永磁体阵列的能量收集器。介绍了能量收集器的结构设计，根据无线传感器节点实际能耗及能量管理电路效率分析了供能需求；采用COMSOL Multiphysics 5.5对能量收集器进行有限元分析，验证了Halbach永磁体阵列用于小型旋转体能量收集器时较常规永磁体阵列具有明显优势，并分析了气隙厚度、永磁体厚度、转子速度对能量收集器发电性能的影响，得出通过减小气隙厚度、增大永磁体厚度、提高转子速度等方式可有效提高能量收集器感应电压的结论；基于能量收集器供能需求分析、安装空间要求及有限元分析结果，优化了能量收集器参数，并制作了样机进行试验，结果表明：在5 r/s托辊转速下，能量收集器感应电压有效值为4.77 V，最大功率为171.33 mW，功率密度为6.78 mW/cm3，满足无线传感器节点能耗需求(165.722 mW)。

基于云平台的综采设备群远程故障诊断系统

李旭, 吴雪菲, 田野, 董博, 党恩辉

2021, 47(7): 57-62. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17794

<摘要>(99) <HTML> (13) <PDF>(18)

摘要:
目前开发的综采设备远程故障诊断系统大多是针对采煤机、刮板输送机、带式输送机等单机设备，以及基于视频或虚拟现实的专家远程指导维护系统，而集云平台、远程故障诊断和专家远程指导维护于一体的设备群故障诊断系统研究很少。针对该问题，设计了一种基于云平台的综采设备群远程故障诊断系统。首先通过传感器采集综采工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、乳化液泵站、带式输送机及供电系统等的状态监测信息；然后通过煤矿井下环网将综采设备群运行状态监测信息传输到地面服务器，地面服务器对接收到的信息进行智能故障诊断分析、数据存储、报警查询等；最后通过MQTT协议将地面服务器的综采设备群状态监测信息按照统一格式传输至云服务器进行数据处理及格式转换，并将转换后的数据利用4G/5G网络传输至移动端和通过MQTT协议传输到PC端，从而实现综采设备群运行状态监测的可视化、故障查询、故障报警及故障预警信息的及时推送。以可视化视频监控为媒介，当综采设备出现故障时，视频信息可实时转接至对应专家，专家通过视频信息远程指导井工人员进行远程维护。该系统在陕西黄陵煤矿综采工作面进行了测试，结果表明：该系统实现了综采工作面设备群的远程故障诊断，通过手机移动平台可以实现综采工作面设备群运行状态实时监测和故障预警信息的及时推送，降低了综采工作面设备群的故障率和非计划停机次数，生产效率提高了约30％。

强噪声背景与变转速工况条件下滚动轴承故障诊断研究

宫涛, 杨建华, 单振, 刘后广

2021, 47(7): 63-71. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17757

<摘要>(155) <HTML> (31) <PDF>(27)

摘要:
煤矿机械设备工作环境恶劣，背景噪声强，轴承早期的故障特征信号微弱，从传感器所测得的振动信号中提取反映故障状态的信息比较困难；同时，煤矿机械设备工作在高速、冲击等工况下，是典型的非平稳工况，不稳定的激励及复杂工况直接导致提取轴承故障特征信号困难。针对以上问题，以矿井提升设备的运行工况为背景，提出了一种基于计算阶次分析与自适应随机共振的滚动轴承故障诊断方法。首先，模拟了矿井提升机运行过程中典型的变转速工况，分别构造故障仿真信号，并采集了轴承振动实验信号；其次，通过等角度采集同步时域鉴相序列，利用计算阶次分析将轴承非平稳的振动信号重采样为平稳信号；然后，利用变分模态分解(VMD)方法将平稳信号分解为若干本征模态函数(IMF)分量，通过轴承故障阶次实现对轴承故障类型的判断；最后，利用自适应随机共振方法来增强轴承故障特征阶次，从而实现故障特征的提取与增强，达到故障诊断的目的。仿真和实验结果证明了该方法的有效性。将该方法与最大相关峭度反褶积(MCKD)方法进行了对比，结果表明，MCKD方法虽然也可以观察到故障特征阶次，但是特征阶次比周围干扰阶次幅值仅高0.001 96，低于本文所提方法的结果，说明了本文所提方法具有一定的优越性。

低功耗一氧化碳传感器研究进展

王海波

2021, 47(7): 72-78. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17755

<摘要>(124) <HTML> (14) <PDF>(25)

摘要:
低功耗一氧化碳传感器是煤炭安全开采的重要保障和分布式无线传感技术的关键基础。阐述了低功耗一氧化碳传感器的工作原理，重点介绍了电化学和半导体一氧化碳传感器的最新研究进展，分析了它们的优缺点，展望了低功耗一氧化碳传感器的发展方向和前景。① 电化学一氧化碳传感器主要由电极和电解质构成，有两电极和三电极结构，两电极电化学一氧化碳传感器没有参比电极，结构简单，易于设计和制造，成本较低，适用于低浓度一氧化碳的监测；三电极电化学一氧化碳传感器引入参比电极，具有较宽的量程和较高的精度，但成本高。电化学一氧化碳传感器响应时间较短，具有分布式无线传感应用前景，其研究重点在于铂-碳复合电极的制备，但电化学一氧化碳传感器仍然使用了水溶剂，存在漏液风险，且难以微型化；未来的发展趋势一方面要避免采用液体溶剂，研究全固态电化学一氧化碳传感器，并控制其孔隙率，缩短响应与恢复时间，另一方面要寻找廉价高效的电极材料，降低传感器成本；此外，制造微型化的电化学一氧化碳传感器也是未来重要的工作内容。② 半导体一氧化碳传感器可分为非微加热板型和微加热板型。非微加热板型一氧化碳传感器采用的是陶瓷管基底或者氧化铝平板基底，由于加热器尺寸较大，且热传导严重，功耗较高，通常在100 mW以上，难以用于分布式无线传感场合。微加热板型一氧化碳传感器热质量低，可以大大降低加热器运行功耗，还可与集成电路工艺兼容，可得到片上系统型一氧化碳传感器，降低外围电路功耗，适合物联网应用。微加热板型一氧化碳传感器体积比固体电解液电化学一氧化碳传感器更小，且具有成本低廉、灵敏度高、易于片上集成等优点，但易受湿度影响，基线易漂移；未来研究方向是对敏感材料进行修饰改进，优化封装工艺，并采用智能算法对基线进行自校准；可以使用沸石修饰敏感材料减少湿度对传感器的影响，或者在封装工艺上采用聚四氟乙烯等的憎水膜；智能算法可以采用支持向量机和人工神经网络结合算法或人工智能算法，未来希望可以实现高效率的边缘计算，以提高效率和准确率。

煤矿机电设备智能化维护研究现状与发展趋势

刘媛媛

2021, 47(7): 79-84. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17753

<摘要>(385) <HTML> (16) <PDF>(40)

摘要:
煤矿机电设备智能化维护是智慧矿山建设的重要组成部分。从煤矿机电设备故障机理、设备状态监测、信号分析与处理、故障诊断与预测算法4个方面总结了煤矿机电设备的智能故障诊断与预测性维护研究现状：① 设备故障机理研究主要是针对不同设备，采用不同方法建立设备故障的分析模型，并对模型施加激励以获得设备故障动态响应，从而为后续的故障诊断提供评判依据；② 设备状态监测研究针对煤矿机电设备建立了较为完备的状态监测系统，能够准确及时地获取设备参数，为设备的故障诊断提供数据支持；③ 信号分析与处理研究除了采用传统的时域、频域和时频域分析方法外，还将多种方法结合的手段用于信号处理与特征提取，提高了信号处理效率和处理结果的可靠性；④ 故障诊断与预测算法主要采用人工神经网络及机器学习、深度学习等智能算法建立设备故障诊断与预测模型，从而实现故障的智能诊断和预测。指出煤矿机电设备智能化维护研究存在的问题：① 设备故障机理的研究缺少多故障复合状态下的故障机理研究，需要更多地对设备某部分的故障带来的连锁反应进行研究；② 模拟环境下所获得的故障数据不能完全真实反映设备实际的运行状况，需长时间不断采集现场监测数据，最好是设备全生命周期数据；③ 目前采用组合式的算法研究较少，并且研究对象更多局限在设备某个部分或零部件。最后给出煤矿机电设备智能化维护的发展趋势：① 研究应用灵敏度更高的智能传感器来监测设备，结合随机共振、盲源分离等方法从强噪声中提取微弱的特征信号，及时地识别出设备早期故障，从而实现预测性维护；② 采用独立的诊断方法已经不能适应实际设备的诊断需求，基于多传感器信息融合技术的诊断和预测可准确有效地识别出设备存在的所有故障；③ 将迁移学习算法作为“桥梁”，建立仿真、试验数据与现场数据的相关性，为解决仿真与试验条件和现场条件差异的问题提供数据支持和保障。

矿井5G电磁波辐射能量安全性研究

刘晓阳, 马新彦, 刘坤, 王文清, 田子建, 邓志钢, 刘晶, 王地

2021, 47(7): 85-91. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020090050

<摘要>(145) <HTML> (18) <PDF>(21)

摘要:
煤矿井下无线射频设备发出的电磁波能量耦合到金属结构上的储能元件中，一旦金属结构存在断点并发生通断接触，积聚的电磁波能量产生的放电火花就可能引起瓦斯爆炸，5G采用大规模多输入多输出(MIMO)技术，存在多个发射天线之间的功率叠加问题，增大了点燃瓦斯气体的可能性。针对该问题，分析了电磁波辐射能量与金属结构的耦合过程，得出了金属负载谐振时放电火花点燃瓦斯气体的条件：如果放电火花在100 μs内释放的能量超过0.28 mJ，则能够点燃瓦斯气体。利用射线追踪法建立了巷道电磁波能量传播模型，通过电磁仿真软件Wireless insite在5G频段下对单天线和多天线射频设备进行仿真，结果表明：电磁波能量以辐射形式传播，工作频率在700 MHz以上的单天线射频设备发出的电磁波能量是本质安全的，而4T4R(4发4收)多天线射频设备与金属结构之间的最小安全距离为0.25 m。

基于RS485数据帧计时的总线设备间距离测量

柏思忠

2021, 47(7): 92-97. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020120025

<摘要>(75) <HTML> (14) <PDF>(10)

摘要:
针对煤矿井下大量工作的在线设备不具备定位功能、已安装无线定位的设备易受电磁干扰导致定位精度低等问题，结合电缆故障测距的时域反射法和无线单边双向测距飞行时间法，提出了一种基于RS485数据帧计时的总线设备间距离测量方法，即以通信电缆为载体，利用通信数据在一对主从机之间往返的飞行时间来测量主从机之间的距离，总线沿线设备通过监听数据测量自身与从机之间的距离，从而实现总线上所有设备之间距离测量，并可根据2次不同参考从机的测量结果计算出设备一维分布。从计时时钟频率、主从机时钟偏差、电路时延、电磁波传播速度4个方面分析了影响距离测量精度的因素，并提出了相应措施以提高测量精度。采用1台矿用本安型显示屏为主机、8台矿用传感器为从机建立试验平台，采用该方法测量总线设备间距离，结果表明该方法无需改变硬件，只更新软件即可测量出RS485总线上所有设备之间的距离，并可建立以主机为原点的一维分布；在电缆长度5 km范围内距离测量误差不超过±1.5 m，且测量结果不受传输损耗、电磁干扰影响。

低透气突出煤层水力割缝协同卸压增透技术

杜金磊, 张民波, 张电吉, 张党育, 张真, 崔力, 王子超, 李春欣, 张福建

2021, 47(7): 98-105. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17698

<摘要>(119) <HTML> (31) <PDF>(9)

摘要:
针对单一水力割缝对于低透气性厚煤层或存在夹矸煤层的增透卸压效果不理想的问题，以冀中能源有限公司东庞煤矿21212工作面为研究背景，提出了上下煤层水力割缝协同卸压增透技术：根据煤层具体构造，在上下煤层各自进行一次水力割缝施工，上下煤层的2个槽缝产生的裂缝继续起裂、扩展与延伸，致使水力割缝孔之间的煤体裂隙充分发育，形成互相贯通的立体裂隙网络，产生协同卸压增透作用，扩大有效抽采半径。为更加合理布置水力割缝试验孔间距，采用FLAC 3D软件建立了水力割缝协同卸压物理模型，确定了水力割缝水压为30 MPa、出煤量为4.5 m3（缝宽为0.3 m，缝深为1.57 m，上下煤层双割缝）和出煤量为6 m3（缝宽为0.3 m，缝深为1.78 m，上下煤层双割缝）的煤岩的理论有效抽采半径分别为4.5 m和4.8 m。为确定水力割缝的增透效果，对比了出煤量为4.5 m3的试验孔S1和出煤量为6 m3的试验孔S2与不割缝钻孔的抽采效果,结果表明：不割缝钻孔的平均瓦斯抽采体积分数为22.38%，平均瓦斯抽采纯量为0.206 m3/min；割缝钻孔S1的平均瓦斯抽采体积分数为75.73%，平均瓦斯抽采纯量为0.382 m3/min；割缝钻孔S2的平均瓦斯抽采体积分数为86.91%，平均瓦斯抽采纯量为0.454 9 m3/min。与不割缝钻孔相比，采用水力割缝增透措施后，煤层透气性得到很大提高，瓦斯抽采体积分数提高了约4倍，瓦斯抽采纯量提高了2倍左右，瓦斯抽采效果好。根据瓦斯压力降低法实测有效抽采半径，可得出煤量为4.5,6 m3的水力割缝的有效抽采半径与抽采时间的关系，抽采时间为30,60,120,180 d时，出煤量为4.5 m3的水力割缝的有效抽采半径为4.9,5.5,6.1,6.5 m，出煤量为6 m3的水力割缝的有效抽采半径为5.1,5.6,6.3,6.7 m。综合考虑，最后得到了适合东庞煤矿的水力割缝技术施工参数：出煤量为4.5 m3，抽采时间为60 d,有效抽采半径为5.5 m,钻孔间距为7.7 m。

综放工作面初采期抛物线型高位钻孔瓦斯抽采研究

刘清宝, 陈龙, 龚选平, 尉瑞, 成小雨, 丁建勋

2021, 47(7): 106-114. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17699

<摘要>(100) <HTML> (10) <PDF>(9)

摘要:
针对采用常规高位定向长钻孔在工作面初次来压期间瓦斯抽采效果不佳的问题，以中煤华晋集团有限公司王家岭矿12309综放工作面为工程背景，通过物理相似模拟和数值计算分析了初采期综放工作面煤层顶板覆岩结构和裂隙发育规律：初采期的煤层顶板裂隙发育高度低、数量少，随着工作面的推进，顶板裂隙逐步发育，裂隙发育的高度和范围随着推进距离的增加而增大，裂隙最大发育高度约为28 m，工作面来压步距约为50 m；初采期工作面瓦斯浓度和涌出量较大，沿工作面倾向，瓦斯浓度从20~150架支架逐渐增大，沿工作面走向，由煤壁300 mm至后刮板输送机瓦斯浓度逐渐增大，采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的50%以上，瓦斯涌出量整体上呈上升趋势，且有明显的阶段性特征。根据现场实际情况和初采期综放工作面瓦斯涌出特征、覆岩结构及裂隙演化规律，对初采期的常规高位定向钻孔的轨迹进行了优化设计，提出了初采期抛物线型高位定向钻孔瓦斯抽采方法。将钻孔的终孔位置设计在煤层里，与采空区直接导通，用于工作面初采期采空区低位瓦斯抽采，解决了初采期常规高位水平长钻孔层位较高的问题。现场应用结果表明：相比于常规高位定向钻孔，采用抛物线型高位定向钻孔可在工作面采空区基本顶初次来压前有效抽采采空区低位瓦斯，瓦斯抽采纯量平均提高了约37%，上隅角和回风流最大瓦斯体积分数均小于0.80%，达到了瓦斯抽采的预期效果。

不同煤体结构煤岩抗拉强度测试

黄楷, 吴基文, 翟晓荣, 毕尧山

2021, 47(7): 115-119. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020120057

<摘要>(145) <HTML> (15) <PDF>(13)

摘要:
煤岩作为一种特殊的沉积岩，在形成后大多会经历多期构造运动，造成煤体结构的多样性，很难直接采用某一种方法进行不同煤体结构煤岩抗拉强度测试。为获得不同煤体结构煤岩抗拉强度，以淮北矿业（集团）有限责任公司孙疃煤矿10煤为研究对象，分别采用巴西劈裂试验和点荷载试验对不同煤体结构煤岩进行了测试。结果表明：① 通过巴西劈裂试验测得原生结构煤、碎裂煤平均抗拉强度分别为1.174，0.710 MPa；通过点荷载试验测得原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤平均点荷载强度分别为0.368，0.248，0.112，0.041 MPa。② 煤的点荷载强度与抗拉强度具有较好的线性相关性，对点荷载强度与抗拉强度测试结果进行线性拟合，获得点荷载强度与抗拉强度的转换关系式，进而根据关系式计算得到碎粒煤、糜棱煤平均抗拉强度分别为0.345，0.126 MPa。③ 从原生结构煤到碎裂煤、碎粒煤再到糜棱煤，即随着煤体结构破坏程度增加，煤岩抗拉强度显著降低，且下降幅度呈逐渐增大趋势。

不同含水率煤的燃烧特性实验

高鹏永, 石必明, 张雷林, 薛创, 钟珍, 刘义

2021, 47(7): 120-124. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021030017

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摘要:
为研究水分含量对煤燃烧特性的影响，以朱集西煤矿烟煤为研究对象，利用锥形量热仪测试了不同含水率煤样点燃时间、热释放速率、总热释放量、烟气生成速率、总烟释放量、CO生成速率等参数，并分析了煤样燃烧效率。实验结果表明：① 煤样点燃时间随着含水率增大先减少后增加，煤样点燃时间从长到短对应的含水率排序为17.82%＞13.82%＞1.82%＞5.82%＞9.82%；煤样热释放速率峰值随含水率增大先减小后增大再减小，煤样热释放速率峰值从大到小对应的含水率排序为9.82%＞1.82%＞5.82%＞13.82%＞17.82%；煤样总热释放量、烟气生成率和总烟释放量随含水率增大先减小后增大再减小，其从大到小对应的含水率排序为1.82%＞9.82%＞5.82%＞13.82%＞17.82%；在燃烧后期，含水率5.82%的煤样CO生成速率最低，含水率17.82%的煤样CO生成速率最高，高水分含量会增大CO产率；煤样燃烧效率从大到小对应的含水率排序为9.82%＞5.82%＞1.82%＞13.82%＞17.82%。② 适当的水分含量可提高煤的燃烧性能，应选择含水率为5.82%～9.82%的煤，可缩短煤点燃时间，减小烟气生成率、总烟释放量和CO生成速率，提高热释放速率和燃烧效率。

基于UWB与激光测距的综采工作面定位系统

牛永刚, 窦学丽, 殷鹏, 李京生, 栾良良, 蓝祥

2021, 47(7): 125-129. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17732

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摘要:
传统的无线定位技术精度低，UWB定位技术可实现厘米级高精度定位，满足综采工作面定位系统的精确度要求，但现有研究忽略了安装在液压支架上的基站位置变化对定位效果的影响。针对上述问题，将激光测距技术应用到矿山环境中，设计了一种基于UWB与激光测距的综采工作面定位系统。定位基站安装在液压支架上，液压支架位置变动，基站位置随之变动，采用矿用本安型激光测距传感器测量定位基站之间的距离。定位基站外接天线，发射固定功率的UWB无线信号，与佩戴在人员身上或安装在设备上的定位标志卡通信，通过飞行时间测距方法确定移动目标的位置信息。定位基站通过矿井环网将位置信息数据上传至地面数据中心。在高河煤矿E2308工作面进行了系统测试，结果表明:该系统定位精度达0.193 m，定位精度较高，系统基站位置校准精度在0.011 m左右，有效解决了基站位置校准问题。

基于433 MHz无线通信与虹膜识别的矿用唯一性检卡装置

张炜, 付元, 刘昕

2021, 47(7): 130-134. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17769

<摘要>(141) <HTML> (13) <PDF>(11)

摘要:
煤矿井下人员出入井口应设置检测识别卡工作是否正常和唯一性检测的装置。利用基于掌纹与指纹、人脸图像、步态等生物特征的唯一性检测技术对本人携带本卡进行检测存在受环境影响识别精度不高的问题；现有矿用唯一性检卡装置受检测区域外识别卡干扰，对人员携带多张识别卡、携带错误识别卡、未携带识别卡的情况检测效果不理想。针对上述问题，设计了一种基于433 MHz无线通信与虹膜识别的矿用唯一性检卡装置。首先，通过调节定向天线的发射功率，实现检测区域范围实时配置；433 MHz无线通信模块通过定向天线向检测区域内识别卡配置检测区域标志符，读卡基站读取识别卡的电文数据，通过判断电文数据的检测区域标志符是否与配置的检测区域标志符相等，以排除区域外识别卡的干扰，对检测区域内识别卡数量进行检测，将检测结果写入中间数据库的结果表。然后，采集待检人员的虹膜信息，通过识别虹膜信息查询该人员的识别卡信息。最后，判断根据虹膜信息查询到的识别卡信息与中间数据库的结果表信息是否匹配，实现识别卡唯一性检测。测试结果表明，针对携带多张识别卡、携带错误识别卡、未携带识别卡与本人携带本卡的情况，该装置的检测准确率均为100%，且平均检测时间均不超过2 s。

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