工矿自动化

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孙继平, 江嬴

2022, 48(5): 1-5, 31. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17947

<摘要>(1806) <HTML> (187) <PDF>(208)

摘要:
矿井车辆无人驾驶是减少煤矿井下作业人员，建设安全、高效、绿色、智能化矿井的需要。总结了矿井车辆无人驾驶特点：煤矿井下作业人员位置全面感知、矿井车辆全部受控、矿井轨道运输设备只需一维定位、光照条件差、无线传输衰减大、无卫星信号、电磁环境复杂、电气防爆、环境潮湿、有淋水和粉尘。分析了煤矿井下超声波定位、激光定位、无线电定位（包括RFID，ZigBee，UWB，WiFi6，5G）、惯性导航、即时定位与地图构建（SLAM）、里程计等矿井车辆定位技术特点，提出了以UWB为主，惯性导航、里程计和SLAM为辅的矿井车辆联合定位方法。分析了激光雷达、毫米波雷达、红外摄像机、可见光摄像机、可见光双目视觉相机等矿井无人驾驶车辆障碍物识别与测距技术特点，提出了以激光雷达为主，毫米波雷达、红外摄像机、可见光摄像机、可见光双目视觉相机、超声波雷达为辅的矿井无人驾驶车辆障碍物识别和测距多信息融合方法。针对矿井无人驾驶车辆在遇到路况复杂，自动驾驶不能决策时，需自动转入地面远程控制模式的情况，指出基于5G无线通信系统的矿井车辆无人驾驶地面远程控制技术是首选方案，但矿用5G无线通信系统存在无线覆盖半径小、成本高等问题，可研究WiFi7在矿井车辆地面远程控制中的应用。

智慧矿山数据治理概念内涵、发展目标与关键技术

谭章禄, 王美君

2022, 48(5): 6-14. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120090

<摘要>(918) <HTML> (154) <PDF>(162)

摘要:
煤矿数据是推动煤矿智能化技术开发、应用模式创新、市场竞争力提升的核心资源，数据治理是智慧矿山初级阶段向高级阶段发展的关键瓶颈，但目前在智慧矿山数据治理的概念内涵、发展目标和关键技术等方面尚未达成共识。针对该问题，剖析了数据治理在智慧矿山建设中的重要地位，界定了智慧矿山数据治理的概念内涵：智慧矿山数据治理是在“沉淀、复用、共享、协同”的治理理念引导下，煤炭企业内各部门连同行业和政府监管部门通力协作，制定数据标准和管理规范，重塑煤炭企业数据架构和数据传输链路，打通智慧矿山数据壁垒，保障数据质量和数据安全，构建智慧矿山技术联动和业务协同机制，实现数字驱动型决策和柔性生产的过程。从总体目标、发展策略、阶段性任务3个方面探讨了智慧矿山数据治理的发展目标，指出智慧矿山数据治理的重点是解决智慧矿山建设过程中的信息孤岛问题，实现数据共享和业务协同，使得智慧矿山真正成为促进煤炭企业价值提升的有机整体；智慧矿山数据治理需要妥善处理好局部协同与整体协同、物理集成与逻辑集成、智能业务系统与数据治理平台、集团级数据治理平台与矿级数据治理平台、本地处理与云处理等5个方面的关系。提出智慧矿山数据治理需突破数据标准构建、全局数据建模、数据汇聚、数据开发、数据管理、中台架构等6个方面的关键技术。

矿用逆变器功率器件故障预测与健康管理技术现状及展望

李红岩, 杨朝旭, 荣相, 史晗, 王越, 刘宝, 王磊

2022, 48(5): 15-20. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020024

<摘要>(267) <HTML> (44) <PDF>(44)

摘要:
矿用逆变器功率器件故障预测与健康管理（PHM）技术通过对监测数据分析处理，能够提取信号特征、定位功率器件开路故障位置、预测功率器件寿命，提高矿用逆变器安全性和可靠性。详细介绍了PHM技术中信号特征提取方法（主要包括坐标变换法、频谱分析法、小波分析法、经验模态分解法）、功率器件开路故障诊断方法（主要包括状态估计法、神经网络法、支持向量机法）、功率器件寿命预测方法（主要包括解析模型法、物理模型法、数据驱动法）的原理及研究现状。分别从实现难度、时效、抗扰性、准确度和数据需求量5个方面对上述各方法进行了比较。针对目前信号特征提取方法单一、矿用逆变器多功率器件开路故障、基于数据驱动法的功率器件寿命预测未能考虑逆变器变工况条件等问题，提出了矿用逆变器功率器件PHM技术的研究方向，包括多方法融合的信号特征提取、基于智能算法的多功率器件开路故障诊断、容错控制和健康管理、变工况下功率器件寿命预测。

分层开采下分层大断面开切眼顶板稳定性评估

柴敬, 乔钰, 高士岗, 高登彦, 陈苏社, 吕情绪, 杜文刚, 韩志成

2022, 48(5): 21-31. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110029

<摘要>(215) <HTML> (117) <PDF>(22)

摘要:
为了研究分层开采下分层工作面大断面开切眼顶煤稳定性问题，以大柳塔煤矿活鸡兔井1⁻²煤层下分层203开切眼顶煤的14个钻孔为研究背景，采用理论分析、数值模拟和现场钻孔窥视分析了上分层开采与下分层开切眼掘进对开切眼顶煤塑性区的影响，并通过岩体完整性指数对顶板结构稳定性进行评价。从顶煤结构形态来看，由于上分层开采造成开切眼顶煤局部超挖或欠挖现象，开切眼的最大超挖量为1.2 m，最大欠挖量为0.8 m，顶煤不平整率为27.7%。理论分析结果表明：受上分层开切眼顶煤采动影响，底煤塑性区深度为2.02 m；受下分层开切眼掘进扰动影响，顶煤塑性区深度为1.50 m。钻孔窥视结果表明：将开切眼顶煤塑性区分别按理论计算和钻孔窥视划分为理论塑性区与实测塑性区，上分层采动影响造成的底板实测塑性区深度范围为1.06~2.04 m，下分层开切眼掘进扰动影响造成的顶煤实测塑性区深度范围为0.34~1.50 m，上分层采动影响造成的底板实测塑性区比理论塑性区平均小17.63%，下分层开切眼掘进扰动造成的顶煤实测塑性区比理论塑性区平均小25.82%。数值模拟分析结果表明：上分层采动影响造成的底煤塑性区深度范围为1~2 m，下分层开切眼掘进扰动影响造成的顶煤塑性区深度为1 m。上述3者所得结果一致性程度较高。开切眼顶煤稳定性评价结果表明：顶煤完整性指数范围为42.9%~87.9%，顶煤厚度与完整性指数呈正相关，与裂隙发育呈负相关，顶煤完整性评价为良好以上的占比超过1/2，说明顶煤整体结构基本完整。该研究结果可为分层开采下分层大断面开切眼同类工矿条件的顶煤厚度留设及支护方案设计提供参考。

煤矿瓦斯抽采钻孔孔壁电阻率测量方法

李杰, 雷志鹏, 栗林波, 任瑞斌, 王飞宇, 向学艺

2022, 48(5): 32-38. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010025

<摘要>(227) <HTML> (83) <PDF>(29)

摘要:
针对煤矿瓦斯抽采用水平定向千米钻机钻孔孔壁状态检测问题，通过分析认为常用的伽马射线法、超声波法等测井技术难以应用于煤矿环境，因此设计了七电极径向电阻率测量方法，以测量瓦斯抽采钻孔孔壁电阻率，实现钻孔孔壁状态检测。介绍了七电极径向电阻率测量方法原理，推导了电阻率计算公式，分析了屏蔽电极间距、测量电极中心距、电极分布比3个参数对电阻率测量的影响。建立了三维仿真模型和二维轴对称仿真模型，研究了不同发射信号类型和电极分布参数下，测量电极周围电流的聚焦情况和电势分布，结果表明：直流和脉冲信号的穿透能力较弱，不能穿透孔壁，无法实现孔壁电阻率测量，而交流信号具有较好的穿透能力，可用于孔壁电阻率测量；电极分布比对电流聚焦效果有显著影响，当电极分布比为2.5~3时，发射电流聚焦效果较好，能取得较好的电阻率测量效果。根据上述结果确定了发射信号类型和电极分布参数，仿真分析了以空气、泥浆、岩层、煤层为介质时发射电流聚焦情况和电势分布，结果表明七电极电阻率测量方法对电极周围介质性质具有较强的分辨能力。根据仿真结果制作了实验电极，将电极安装在1节钻杆上，分别测量土壤、空气和煤碎粒的电阻率，所得测量值均在标准参考值范围内，验证了七电极径向电阻率测量方法能够实现钻孔孔壁电阻率测量，为煤矿瓦斯抽采用水平定向千米钻机钻孔孔壁状态检测提供了有效方法。

灾后煤矿物联网网络空洞覆盖重构算法

胡青松, 范莘舸, 李鹤

2022, 48(5): 39-45. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17885

<摘要>(228) <HTML> (72) <PDF>(17)

摘要:
灾后煤矿物联网因部分节点损毁或障碍物遮挡，会导致网络空洞问题，阻碍网络连通。现有网络空洞覆盖算法未考虑井下灾后地理环境因素，且未对修复后的网络进行优化，无法满足灾后煤矿物联网重构需求。针对该问题，提出了一种煤矿物联网灾后有障碍物情况下的网络空洞覆盖重构算法−NHCRA−O。建立了灾后煤矿物联网模型和节点感知模型，采用Delaunay三角剖分对网络中残存节点及障碍物角点进行区域划分，通过节点感知模型判断区域内是否存在网络空洞；计算Delaunay三角形质心位置，利用质心和Delaunay三角形顶点之间的距离确定虚拟修复节点位置；对虚拟修复节点和移动节点进行可视化判断，并基于距离因子和能量因子计算二者优先级，通过预剪枝操作删除部分计算结果来提高算法收敛速度，根据可视化判断结果和节点优先级进行虚拟修复节点和移动节点双向匹配，从而确定移动节点最终位置，完成网络空洞修复；融合剩余能量因子、节点连通度和方向介数计算节点优先级，根据优先级选举簇头节点，其他成员节点就近入簇，实现网络重构。采用Matlab2016a软件对NHCRA−O的节点匹配效率、网络覆盖效率和网络生存时间进行仿真研究，结果表明：NHCRA−O完成移动节点与虚拟修复节点匹配的次数较Gale−Shapley算法减少31.4%，网络覆盖率较C−V算法和PSO算法高且移动节点平均移动距离短，NHCRA−O重构的网络生存时间明显高于SEP算法和LEACH算法重构的网络。

基于自适应双通道先验的煤矿井下图像去雾算法

王媛彬, 韦思雄, 段誉, 吴华英

2022, 48(5): 46-51, 84. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110053

<摘要>(444) <HTML> (127) <PDF>(47)

摘要:
针对暗通道先验算法在处理煤矿井下图像时存在的图像失真、细节不足和图像暗光等问题，提出了一种基于自适应双通道先验的煤矿井下图像去雾算法。首先，根据大气散射物理模型与煤矿井下特殊环境，建立了煤矿井下尘雾图像退化模型。然后，融合暗通道与亮通道建立双通道先验模型来优化透射率，并加入自适应权重系数来提高透射率图的精度，采用梯度导向滤波代替传统导向滤波对透射率图进行细化处理。最后，结合矿井环境改进大气光值求取方法，根据尘雾图像退化模型复原图像。实验结果表明：该算法能够有效去除图像中的尘雾现象，避免了光晕模糊和过增强现象；相较于暗通道先验算法、Retinex算法、Tarel算法，该算法大幅提升了图像信息熵与平均梯度，使复原后图像的细节信息更加丰富，同时缩短了运行时间。

基于改进DeepLabV3+的煤尘图像分割方法

左纯子, 王征, 张科, 潘红光

2022, 48(5): 52-57, 64. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120086

<摘要>(275) <HTML> (125) <PDF>(40)

摘要:
采用传统的语义分割网络对煤尘颗粒这种较小的目标进行分割时存在深层信息易丢失、细节提取不明显等问题。针对该问题，提出了一种基于改进DeepLabV3+的煤尘图像分割方法。从3个方面对DeepLabV3+网络模型进行改进：① 在编码器中，用CA−MobileNetV3轻量化模块代替Xception实现特征提取，确保特征提取更加细致、准确。② 在空洞空间卷积池化金字塔(ASPP)模块中对空洞率进行改进，使其更适合小颗粒煤尘提取。③ 在解码器中引入全局注意力上采样(GAU)模块，在计算量较小时对低层特征信息进行加权，用高层特征信息指导低层特征信息，实现特征融合。GAU模块用全局上采样机制代替解码器的上采样机制，使煤尘颗粒的特征信息经过长距离传输后不衰减，更加有利于捕捉煤尘颗粒的边缘细节信息。实验结果表明，改进DeepLabV3+网络模型在煤尘数据集上的召回率为90.26%，准确度为89.23%，相比于其他网络模型，改进DeepLabV3+对煤尘特征的学习能力更强，能获取更多细节信息，并大幅缩短训练时间，对小目标的分割效果更优。

悬臂式掘进机位姿视觉检测系统改进

张旭辉, 王恒, 沈奇峰, 杨文娟, 张超

2022, 48(5): 58-64. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021100051

<摘要>(1058) <HTML> (90) <PDF>(31)

摘要:
煤矿井下粉尘浓度高、照度低，图像采集质量和特征提取效果受粉尘浓度影响较大，而相机参数和图像处理参数不能根据粉尘浓度变化自适应调整，易产生点−线特征提取不稳定和图像丢帧等问题。针对上述问题，对掘进机位姿视觉检测系统进行改进，利用矿用防爆工业相机采集不同粉尘浓度下的激光点−线图像，通过透过率建立图像灰度值与粉尘浓度等级的关系模型，通过实验获取不同粉尘浓度等级下的最优相机参数和图像处理参数；提出一种参数自适应调整算法，根据粉尘浓度等级自适应调整参数值，提高图像采集质量和点−线特征提取的稳定性和精度，进而提高掘进机位姿视觉检测系统的精度。实验结果表明：改进后悬臂式掘进机位姿视觉检测系统在X，Y，Z方向的平均测量误差分别为28.26，30.58，22.54 mm，处理100张图像后得到的可用图像从75张提高到90张，说明参数自适应调整算法有效提高了图像特征提取精度和数据可用性，从而保证了悬臂式掘进机位姿视觉检测系统的精度和稳定性。

煤矿带式输送机节能优化控制方法研究

高沛林, 苗鑫, 杨方

2022, 48(5): 65-71, 78. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030057

<摘要>(368) <HTML> (51) <PDF>(64)

摘要:
由于煤炭生产的不连续性，使带式输送机常常处于空载、轻载及很少达到满载的运行状态，造成电能浪费，同时加剧了设备磨损。目前解决该问题的方法是根据煤流量对带式输送机进行调速控制。但目前的方法较少考虑带式输送机之间煤流的上下游接续关系、煤流量传感器安装位置、检测误差、信息滞后及带速改变过程中的时序关系等。针对上述问题，依据带式输送机驱动功率与运行阻力和带速的关系，得出了带式输送机最优节能运行条件和最佳节电率；根据最优节能运行条件、带式输送机上下游接续方式与物料平衡关系、额定运输质量与额定带速，得出了带式输送机最优节能控制条件下的最小带速与最优带速控制系数；考虑煤流量传感器安装位置、检测误差、信息滞后及带速改变过程中的时序关系等因素，提出了一种带式输送机节能优化控制方法。该方法根据上游带式输送机的煤流量，计算得到最优节能控制条件下下游带式输送机优化节能控制的给定带速变化曲线，依据该曲线实现对下游带式输送机带速的调节。利用搭建的带式输送机模拟节能实验平台，对最佳节电率进行了检验，结果表明：带式输送机在最优节能运行条件下的最佳节电率为20.9%~76.5%，但在实际运输系统中，由于带速不能连续调节，所以不可能达到最优运行工况。将带式输送机节能优化控制方法应用于柠条塔煤矿101号主提升带式输送机控制中，结果表明：该方法实现了煤流的平稳接续，节电率为9.1%~43.9%，节能效果明显。

煤样单轴压缩破坏过程能量耗散与应力降关系研究

娄全, 万祥云, 贾炳, 邱黎明, 宋雨萱, 彭德盛

2022, 48(5): 72-78. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110004

<摘要>(242) <HTML> (131) <PDF>(13)

摘要:
相较于煤岩破坏能量耗散，更为直观的应力降对辅助研究煤岩破坏特征及地球物理信号变化规律具有一定的现实意义，应力降是能量耗散的宏观表现形式。目前对能量耗散和应力降的研究大多只是针对单方面的研究，未对两者之间的关系开展全面研究，两者之间的关系不明确，制约了应力降指标的应用。针对上述问题，采用YAW−600型微机控制电液伺服压力试验机对煤样进行单轴压缩实验，研究分析了煤样受载破坏全过程能量耗散指标和应力降指标的演化特征及两者之间的关系；基于理论分析，进一步研究了能量耗散指标与应力水平和应力降指标乘积的关系。研究结果表明：煤样单轴压缩破坏过程中能量耗散指标与应力降指标对煤样显著断裂都有较好的响应，且在数值上处于同一数量级，但两者不完全成比例；能量耗散速率与应力水平和应力降速率乘积呈线性关系，能量耗散量与应力水平和应力降乘积呈线性关系，拟合优度分别为1和0.997 5；相较于能量耗散指标，更为直观的应力水平和应力降指标乘积对煤样显著破坏更为敏感，且呈阵发特性。该研究结果明确了能量耗散与应力降的关系，为应力降指标的应用提供了一定的理论支撑，可用于深入研究煤岩破坏特征及声发射、电磁辐射、红外辐射等地球物理信号变化规律。

煤矿井下人体姿态检测方法

王璇, 吴佳奇, 阳康, 潘子恒, 杨伟, 王文清

2022, 48(5): 79-84. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17867

<摘要>(190) <HTML> (204) <PDF>(51)

摘要:
煤矿井下作业人员姿态检测可为灾害预警和事故救援提供有效信息。井下人员姿态复杂多样，且为时间序列数据，现有人体姿态检测方法或难以处理连续相关的姿态数据，或因算法复杂需配置独立计算机而导致实时性较差。针对上述问题，提出了一种基于改进长短期记忆网络（LSTM）的煤矿井下人体姿态检测方法，通过压力传感器、角度传感器获取井下人员脚底压力、腰腿部角度等姿态数据，由人员随身携带的便携式边缘运算决策单元进行姿态判别，实现井下工作人员站立、行走、弯腰、蹲（坐）、躺卧5种姿态的实时检测。为降低人体姿态原始采样数据维度，提高运算效率，对LSTM进行改进，设计了长短期记忆稀疏自编码器（LSTMSA），先由稀疏自编码器（SA）对原始采样数据进行特征提取，实现降维，再由LSTM进行人体姿态检测。在实验室环境下采集人体姿态数据，分别对LSTMSA、LSTM、循环神经网络（RNN）进行训练和测试，结果表明：在相同的试验设置和采样数据下，LSTMSA对5种人体姿态检测的准确率均达到90%以上，与LSTM接近且大于RNN；LSTMSA运算时间较LSTM缩短50%以上，满足矿井人体姿态检测实时性要求。

基于Z型接地变压器的配电网单相接地故障柔性消弧系统

司渭滨, 马柯翔, 雷智荣, 党长富, 宋国兵, 贠保记, 刘彬

2022, 48(5): 85-92. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110024

<摘要>(238) <HTML> (41) <PDF>(18)

摘要:
煤矿供配电系统通常采用中性点非有效接地方式，该方式下的供电线路多数采用电缆线路，井下供电系统复杂，使用的电压等级较多，发生单相接地故障时极易在接地点形成间歇性电弧。而现有中性点非有效接地配电网单相接地故障消弧技术存在消弧效果不佳、难以精准测量配电网对地参数等问题。我国煤矿10 kV变电站中变压器绕组最常用的接线方式是三角形接线，该方式需通过专用接地变压器（大多是Z型接地变压器）人为引出中性点连接消弧线圈。针对上述情况，设计了一种基于Z型接地变压器的配电网单相接地故障柔性消弧系统。当配电网发生接地故障初始时刻，首先实时测量配电网的三相电源电动势和中性点电压，当中性点电压幅值大于三相电源电动势的15%时，可判断为接地故障；对比三相电源电动势，其中电源电动势最小相为故障相。在单相接地故障发生后，迅速闭合故障相对应的快速投切开关，同时投入有源逆变器和Z型接地变压器功率转换模块，其中Z型接地变压器功率转换模块将中性点电压反相钳制接近于故障相电源电动势，中性点电压与故障相电源电压差值的幅值和相位由有源逆变器精确补偿，实现将故障点电压和电流抑制至零的控制目标。一定时间延时后切除快速投切开关，若中性点电压有效降低则可判断该故障为瞬时性接地故障，即可恢复配电网正常运行，否则判断为永久性故障，采取故障馈线隔离措施，恢复配电网正常运行。仿真结果表明，当单相接地故障过渡电阻为500 Ω和3 000 Ω时，仅通过Z型接地变压器功率转换，故障点电压和电流抑制率达79%~83%，不能完全达到消弧效果；投入柔性消弧系统可有效抑制故障点电压和电流，抑制率达98%以上，实现配电网单相接地故障的可靠消弧。

基于区块链的煤矿安监云数据安全访问模型研究

谭靓洁, 李永飞, 吴琼

2022, 48(5): 93-99. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022030023

<摘要>(444) <HTML> (155) <PDF>(43)

摘要:
煤矿安监云数据的管控十分严格，访问权限的设计应满足分类分级和安全性方面的需求。目前煤矿安监云数据在安全管控维度存在分类分级不清晰及保密性不强等问题，且现有的云数据管控模型难以适应煤矿安监数据的安全需求。针对上述问题，设计了基于区块链的煤矿安监云数据安全访问模型，包括访问权限模型和访问控制模型。在分析煤矿安监云数据访问属性和访问对象的基础上设计了基于用户层级和数据属性的访问权限模型，实现了云数据分类分级管控和权限动态生成。依据区块链分布式实现、全程透明、防篡改等优势构建了访问控制模型，实现了分布式访问控制，利用智能合约保障访问控制安全，采用加密技术增强对权限信息的安全保护。对比分析结果表明：与常用的基于角色的访问控制（RBAC）模型和基于属性的权限验证（ABAC）模型相比，基于用户层级和数据属性的访问权限模型实现了对煤矿安监云数据更细粒度的访问权限划分，用户权限直观，权限生成规则简单，符合煤矿安监云数据的安全保障需要；与基于第三方的访问控制模型相比，基于区块链的访问控制模型利用智能合约进行访问控制，能够增强煤矿安监云数据的安全性，为云数据安全问题提供了新的解决思路，满足更多场景下数据安全访问的需求。

具有故障诊断功能的液压支架电液控制器通信系统

宋单阳, 宋建成, 陶心雅, 杨金衡, 卢春贵

2022, 48(5): 100-106. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120106

<摘要>(208) <HTML> (29) <PDF>(26)

摘要:
综采工作面通信节点数量多、通信距离长、电磁环境复杂。针对现有液压支架电液控制器通信系统普遍缺乏故障诊断功能的问题，以ZDYZ−JK型液压支架电液控制器为研究对象，设计了一套具有故障诊断和故障定位功能的液压支架电液控制器通信系统。该系统具有双路通信网络，其中一路采用总线结构同时连接主控制器和所有间架控制器，另一路则采用串联结构，仅连接相邻2台间架控制器。主控制器与间架控制器间的通信采用总线方式，手动模式下的间架控制器间邻架通信及控制则采用串联方式，二者互不干扰。间架控制器在接收到主控制器的通信信号后，会实时进行故障诊断并记录故障情况，同时会周期性向相邻支架上的间架控制器发送诊断信息，使得存在总线通信故障的间架控制器的诊断结果能够通过相邻支架上的间架控制器反馈给主控制器，从而可以在间架控制器发送报文功能故障或出错时及时对错误进行上报，上报内容包含控制器编号信息，以实现故障定位。试验结果表明：① 系统在121个通信节点、最大通信距离约为1 040 m时工作良好，且节点数量可继续增加，最高可达255个，该指标满足200个节点、1 000 m通信距离的设计要求。② 可对由于工作面电磁干扰、电液控制器物理损坏、电液控制器软件错误等原因造成的多种通信故障进行诊断和精确定位。

煤矿自动驾驶磁寻迹定位技术

杨丽

2022, 48(5): 107-111. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110049

<摘要>(424) <HTML> (136) <PDF>(39)

摘要:
煤矿辅助运输车辆大多采用无线定位方式，动态定位精度为3 m以上，不能满足煤矿自动驾驶车辆定位精度的要求；车辆实时定位数据响应时间在400 ms以上，不能满足自动驾驶车辆对定位信息实时获取的要求。针对上述问题，提出了一种煤矿自动驾驶磁寻迹定位技术。在辅助运输自动驾驶车辆的合适位置安装磁感应天线装置，在车辆行驶路线上布置数个带有编号的无源感应磁钉，当感应天线经过无源感应磁钉时，无源感应磁钉受感应天线磁场的作用产生脉冲信号，该脉冲信号发生的位置在磁感应天线磁场范围内的具体位置可实时获取，磁感应天线将定位信息通过CAN总线通信接口转发给车辆控制系统，控制系统根据磁感应天线中心点与磁感应磁钉的相对位置，通过批通知树（BIT*）算法计算出车辆所在巷道位置和行驶路线中心的偏差位置，从而达到定位寻迹的目的。为验证该磁寻迹定位技术的有效性，在陕煤集团神木张家峁煤矿进行了工业性试验：在常规路段采用单排等间距布置磁钉；在井口、弯道和车辆行驶路线的终点前后处，根据不同的应用需求采用5排4磁钉和2排5磁钉相结合的方案布置无源感应磁钉，实现了自动驾驶车辆毫米级高精度、毫秒级低延时、有效的寻迹定位，使自动驾驶车辆按照最优路径准确行驶至终点。

煤矿巡检机器人控制系统设计

蔡治华, 周东旭, 赵明辉

2022, 48(5): 112-117. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120034

<摘要>(634) <HTML> (89) <PDF>(52)

摘要:
针对传统煤矿巡检机器人控制系统多采用裸机程序进行控制，导致实时性差、数据易丢失等问题，设计了一种基于QT和RT−Thread的煤矿巡检机器人控制系统。该系统按照功能划分为上位机−人机交互控制台和下位机−微控制器2个部分。利用QT软件开发了巡检机器人控制系统上位机，为用户提供人机交互界面，完成对巡检机器人的远程控制，显示传感器数据与报警记录，提升了人机交互性能；利用RT−Thread实时操作系统开发了巡检机器人控制系统下位机，通过线程调度器以时间片轮转方式调度传感器数据采集、以太网通信、雷达信号处理、指示灯报警等线程任务，实现了机器人自动巡检过程中多线程任务之间的宏观并行，提高了控制系统实时性；在控制系统中设计环形队列数据缓冲区，解决上下位机之间运行时钟不同步引起的数据丢失问题，并通过引入内核对象信号量对环形队列数据缓冲区进行优化，解决线程任务间的资源互斥问题，实现上下位机之间数据长时间稳定、可靠传输。测试结果表明，该系统线程切换延迟时间平均值为1.08 μs，在数据传输周期为100 ms时的数据丢失率仅为0.06%，具有很高的实时性，且线程切换过程稳定性好，保证了大量数据快速传输时的可靠性。

一种深立井井筒数据采集及分析系统设计

赵佰亭, 庞猛, 贾晓芬

2022, 48(5): 118-122. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021120088

<摘要>(248) <HTML> (41) <PDF>(32)

摘要:
目前用于深立井井筒数据采集的罐道巡检机器人能够搭载的传感器数量较少，且没有安全保护装置，存在安全隐患，此外，深立井井筒数据可视化方案大多采用3D GIS进行渲染和显示，存在不易移植、开发周期长等问题。针对上述问题，设计了一种深立井井筒数据采集及分析系统。对罐道巡检机器人进行改进，通过增加车轮锁装置保证机器人运行过程中的安全性，以带车轮锁的罐道巡检机器人作为移动平台，通过搭载红外摄像头、光电编码器、超声波测距模块及各种传感器实现深立井井筒数据采集。采用云服务器加前端可视化面板的方式进行数据处理和显示，通过云服务器接收罐道巡检机器人发送的各类数据，并对数据进行分类处理：温湿度传感器和气体传感器数据直接存储在相应文件夹内；视频数据采用卷积神经网络（CNN）进行处理，分析罐道和井壁是否出现裂缝、形变等，再将分析结果存储在相应文件夹内。对前端可视化面板进行轻量化处理，采用异步JavaScript和XML（Ajax）从云服务器定时读取数据，并采用JavaScript编写上位机界面显示程序，以提高系统的便携性和可移植性。测试结果表明：以带车轮锁的罐道巡检机器人作为数据采集装置，提高了数据采集的可靠性和安全性；可视化面板加云服务器的数据处理和显示方式将上位机软件所占内存缩小至5 MB以内，页面刷新快，可移植性强。

矿用宽输入电压范围级联变换器设计

刘扬清, 周远

2022, 48(5): 123-127. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021100013

<摘要>(178) <HTML> (24) <PDF>(29)

摘要:
针对目前用于电源的变换器电压增益低、功率管电压应力大、电气非隔离、控制复杂等问题，为满足煤矿 AC127～1 140 V供电电压等级，设计了一种矿用宽输入电压范围级联变换器，能够自适应AC70～1 400 V电压输入。该变换器采用3路Buck变换器与LLC变换器串联方式提高变换器电压增益；采用电容串联分压方式降低功率管电压应力；Buck变换器采用输入电压前馈补偿降低输入电压波动影响，同时通过输出电压闭环PI调节以提高变换器稳定性；LLC变换器具有输入输出电气隔离性能，采用脉冲频率调制技术对输出电压进行闭环PI调节，再通过压控振荡器对功率管进行变频驱动，调节变换器谐振频率，从而稳定输出电压。仿真和实验结果表明，在输入电压为AC70～1 400 V时，变换器负载效应在5%以内，输出电压偏离值在5%以内，满足MT/T 408—1995《煤矿用直流稳压电源》要求。

煤层底板断层抗渗性能“三孔”原位测试与评价

戴磊, 段李宏

2022, 48(5): 128-132. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110018

<摘要>(167) <HTML> (30) <PDF>(25)

摘要:
针对“双孔”法现场压渗测试技术采用单一方向的压渗测试，未考虑岩层裂隙的方向和各向异性特点，导致结果与复杂岩层多向受压的实际情况有较大差异的问题，采用“三孔”法现场压渗试验方法，分别对城郊煤矿二水平煤层F_N-6正断层进行了正向、反向压水试验。在典型巷道布置3个钻孔分别用于注水和监测水压，第1次压水试验为正向压水试验，第2次压水试验为反向压水试验。将水压监测孔水压和压渗流量明显随注水水压同步变化的点作为起始渗透特征点，对应的注水水压确定为起始导渗水压力，若注水水压按照设计值持续增大，测渗水压较注水水压小且保持稳定，注水流量相对稳定，则表明在原始状态下，现场岩层的抗渗能力极强，为隔水层，反之为导水裂隙。正向压水试验表明：在初始状态下F_N-6正断层上段的导水能力极其微弱，属于隔水层；随着注水水压升高，压水孔和水压监测孔间的岩体密集发生劈裂产生了裂隙，但规模较小，导水能力较弱，仅以微小裂隙的渗流为主。在反向压水试验过程中，导水通道数量较正向压水试验时有所增加，导致压水孔和水压监测孔间的压差降低，在水压监测孔和压水孔间形成了优势导水通道，只有超过临界导渗水压（F_N-6正断层的临界导渗水压为11 MPa）时才能形成实际的渗流状态。

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2022年第48卷第5期

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