工矿自动化

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孙继平, 彭铭, 潘涛, 张高敏

2023, 49(2): 1-5. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18072

<摘要>(1206) <HTML> (135) <PDF>(80)

摘要:
大功率无线电波会点燃爆炸性气体。因此，需合理设置无线电发射器发射的无线电波防爆安全功率和能量阈值，限制无线电发射器发射的无线电波功率和能量。欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》规定的无线电波防爆安全功率和能量阈值是点火功率和能量阈值。国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》直接引用欧洲标准CLC/TR 50427:2004规定的无线电波防爆安全功率和能量阈值，但错误地将连续无线电波防爆安全点火功率阈值修改为发射器的有效输出功率与天线增益的乘积，从而造成连续无线电波防爆安全发射功率阈值降低；在传输衰减和接收灵敏度一定的条件下，降低了无线传输距离，不利于矿井无线通信系统和人员定位系统的推广应用。因此，国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的连续无线电波防爆安全功率阈值应为点火功率阈值，而不是发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。

智能化矿山通信接口与协议技术规范研究

丁震, 孙继平, 张帆, 王鹏, 胡而已, 邓文革, 高静, 郑耀涛, 王波, 高秋秋, 李系民, 钱海军, 柳建华, 乔少利, 鲍震, 杨永生, 杨振宇, 李玉雪, 李昱翰, 邵光耀

2023, 49(2): 6-13. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18061

<摘要>(971) <HTML> (63) <PDF>(114)

摘要:
目前矿山智能化建设存在接口协议不统一、易形成新的“信息孤岛”等问题，导致矿山数据融合共享难度大，难以实现智能化矿山高质量发展。分析指出矿山智能化建设的关键问题在于缺乏规范统一的数据采集、传输与共享标准；按照核心规范、应用规范、运维规范，设计了智能化矿山通信接口与协议技术体系；提出了智能化矿山通信接口与协议模型，定义了该模型的感知层、传输层、应用层；构建了智能化矿山设备模型，对通信接口进行形式化描述；将智能化矿山数据分为感知数据、文本数据和音视频数据，定义了3种数据的报文结构；根据目前矿山设备、技术应用情况和发展方向，将智能矿山数据采集方式分为设备直接采集、协议转换采集、系统中转采集，给出了3种数据采集方式的适用场景，并描述了感知数据、文本数据、音视频数据的采集和传输过程。智能化矿山通信接口与协议技术规范全域覆盖矿山数据融合通信的整个过程，旨在为智能化矿山数据采集、传输、融合、共享提供统一的接口方式和通信协议规范，实现矿山各系统之间的互联互通。

矿井动目标精确定位技术及优化方法研究

郑学召, 严瑞锦, 蔡国斌, 王宝元, 何芹健

2023, 49(2): 14-22. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18020

<摘要>(294) <HTML> (56) <PDF>(56)

摘要:
现有矿井动目标定位系统存在井下无线信号传输衰减严重、非视距误差较大、井下电磁环境复杂、动静目标感知范围广、多系统信息融合联动性强等问题，目前针对矿井动目标精确定位技术及优化方法的研究未全面分析动目标精确定位服务的特点和技术要求，且缺少主流与新兴定位技术的全面对比。针对上述问题，分析了常用信号传输技术和定位测距方法在矿井动目标精确定位系统中应用的优缺点，指出无线电定位技术是较为适合、可行的矿井动目标精确定位技术。从信号防碰撞技术、误差消除方法、定位结果优化方法和融合定位技术4个方面分析了我国矿井动目标精确定位优化方法的研究现状，总结了存在的问题：① 信号防碰撞算法的综合性仍需改进。② 测距误差控制手段的高效性有待提升。③ 融合定位方法在生产现场中应用尚不成熟。④ 系统的应急救援辅助作用未充分发挥。针对现有技术的不足，展望了矿井动目标精确定位技术的发展趋势：① 研究动态环境下信号冲突机制和冲突后恢复机制，设计综合信号防碰撞方案。② 研究精确、高效、经济的测距误差控制方案，节约通信成本。③ 设计多种定位方法深度融合的动态定位方案，提升系统的可靠性、灵活性和应用性。④ 研究多系统联动方案及极端情况下应急通信与定位恢复机制，充分发挥系统在应急救援中的作用。

基于工业互联网的智能矿山灾害数字孪生研究

邢震, 韩安, 陈晓晶, 陈海舰, 沈毅

2023, 49(2): 23-30, 55. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120050

<摘要>(2314) <HTML> (82) <PDF>(168)

摘要:
煤矿灾害综合管控是智能矿山建设进程中需要重点解决的难题，借助数字孪生技术实现煤矿灾害的常态化管控是智能矿山建设的必然要求。从数字孪生内涵及本质出发，分析了数字孪生认识规律，并结合煤矿灾害数字孪生数据交互流程，提出了数字孪生技术在煤矿灾害研究中的应用模式：通过煤矿井下灾害监测传感器等设备进行实时监测，将监测数据通过边缘通信模块、云端通信模块上传至云端；数字孪生数值仿真软件部署在云端，利用传感器上传的监测数据作为初始条件参数、边界条件参数、效果验证参数，经过实时仿真分析，通过不断试错，寻求最佳的优化参数及解决方案；当技术手段在孪生世界应用成熟后，可用于对虚拟实体的最佳参数、解决方案等进行分析、判断、决策，并下发决策指令至井下执行器，控制灾害防治装备动作。从灾害监测方案优化、灾害预演及避灾路线精准规划、灾后救援方案制订及事故调查3个方面探讨了数字孪生赋能灾害预测性管控的实际应用。以工业互联网“云−管−边−端”架构为基础，构建了煤矿灾害数字孪生服务体系，并分析了面向矿山灾害的数字孪生关键技术，包括煤矿灾害智能感知和执行装备、煤矿灾害仿真软件、共性支撑技术，以期为数字孪生赋能智能矿山建设提供参考。

基于虚拟现实与数字孪生技术的综采工作面直线度求解

闫泽文, 谢嘉成, 李素华, 沈卫东, 王怡荣, 王学文

2023, 49(2): 31-37. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18066

<摘要>(1909) <HTML> (63) <PDF>(68)

摘要:
直线度问题是综采工作面智能化建设的卡脖子问题之一，解决该问题的关键在于刮板输送机或者液压支架群的位姿获取。目前针对综采工作面直线度的研究大多是对液压支架和刮板输送机的直线度分别进行讨论，存在成本高、实现困难等问题。针对该问题，基于虚拟现实（VR）与数字孪生（DT）技术对综采工作面直线度求解方法进行探索，将液压支架、浮动连接机构、刮板输送机看作一个系统来进行整体考虑，搭建了综采工作面直线度求解框架，主要分为机理解析、模型构建、融合推演、重构监测、预测控制5个步骤。指出综采支运装备相对位置关系分析的关键在于连接液压支架底座与刮板输送机的浮动连接机构，根据浮动连接机构的运动特性将其简化为机器人模型，进行正逆向运动解析；依据真实的煤层环境，在Unity3D中建立基于关节的综采支运装备运动仿真模型，构建VR场景，实现虚实映射；通过非接触式视觉传感器、虚拟传感器、虚实融合等技术，融合传感器及点云信息进行支运装备位姿推演；利用虚实交互技术，联合真实物理场景构建DT系统，实现综采工作面虚拟监测；在虚拟场景中对保证直线度所需的推移行程进行预测，并将其反馈至物理场景中进行直线度控制。

数字孪生在煤矿电网中的应用研究

赵建文, 孟旭辉

2023, 49(2): 38-46. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022040019

<摘要>(2223) <HTML> (105) <PDF>(96)

摘要:
立足于数字孪生的基本概念和内涵，分析了数字孪生技术在煤矿电网中的应用优势：以同步实体运行状态、数字化模拟运行 2 种手段来辅助煤矿电网的运行管理，具有数据驱动、实时更新、同步反馈的特点。提出了由煤矿电网物理实体层、煤矿电网数字孪生模型层、用户管理服务层、数据交流层组成的煤矿电网数字孪生体系基本架构，从物理实体、数字孪生模型2个方面探索了煤矿电网数字孪生体系运行模式。介绍了建立煤矿电网数字孪生体系的关键技术：煤矿电网数字孪生模型构建、智能数据采集、基于5G的智能通信、数字孪生智能数据库、数字孪生设备智能管理平台。给出了数字孪生技术在煤矿电网中的具体应用场景，包括煤矿井下电气设备状态评估、煤矿电网故障定位和保护、煤矿电网智能监控、煤矿井下线路智能巡检。将数字孪生技术应用在煤矿电网中，对煤矿电网的状态和运行进行动态仿真建模，一方面可以满足当今规模庞大的煤矿电网相对地面电网更高的运行要求，保障煤矿生产安全性，另一方面可推进煤矿电网的智能化进程，实现数据资源高效合理利用。

综采工作面三机数字孪生及协同建模方法

刘清, 张龙, 李天越, 杜鹏飞

2023, 49(2): 47-55. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120061

<摘要>(1363) <HTML> (35) <PDF>(117)

摘要:
针对现有煤矿设备数字孪生建模方法主要侧重对单一设备进行建模，缺少三机耦合协同关系分析的问题，提出了综采工作面三机数字孪生及协同建模方法。采用智能体建模方法构建包含感知单元、控制单元和执行单元的采煤机、液压支架、刮板输送机智能体模型，依据三维建模流程构建对应的可视化模型，以智能体模型驱动三维模型运动，二者结合构成三机数字孪生模型；采用离散事件建模方法构建涵盖三机数字孪生模型交互过程的协同工艺模型，按照时序梳理三机开采工艺，形成三机协同工艺时序表。数字孪生模型用于描述综采三机的状态与行为，进行个体层面的仿真计算；协同工艺模型用于表征数字孪生模型之间的时序动作转换，实现对三机协同过程整体的推演。采煤机数字孪生模型的摇臂升降仿真实验结果表明，与真实设备测量数据对比，模型误差小，摇臂倾角平均误差为2.3°；液压支架数字孪生模型的连续升柱动作仿真实验结果表明，模型与真实设备的一致性好，与真实设备测量数据对比，角度平均误差为0.14°，行程平均误差为6.3 mm；结合煤矿实际生产日志对构建的三机协同模型进行虚实仿真实验，结果表明，所构建的综采工作面三机数字孪生模型与真实设备实现了相互映射，仿真结果与真实记录接近，三机协同模型可以较为准确地反映协同开采过程。综采工作面三机数字孪生及协同建模方法为综采设备及其协同关系的数字孪生建模提供了新思路。

综采跟机工艺数字孪生系统架构与关键技术

崔耀, 李天越, 叶壮, 刘军伟

2023, 49(2): 56-62, 76. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18055

<摘要>(1556) <HTML> (59) <PDF>(70)

摘要:
针对综采自动化跟机工艺设计和参数调试成本高、周期长、过程繁琐的问题，提出了综采跟机工艺数字孪生系统架构，从物理设备、虚实交互、孪生数据、机理模型、仿真算法和工艺应用等层面进行分析，并对跟机工艺数据传输和存储、跟机工艺历史回放、实时跟机工艺孪生演绎、跟机工艺预演仿真、跟机工艺指令调度等关键技术进行了详细描述。提出了综采跟机工艺数字孪生系统技术路线：通过万兆光纤环网+5G通信将采煤机工艺动作数据汇集到采煤机主机，将串行支架控制器发出的支架工艺动作数据汇集到电液控主机，对工艺数据按动作时序进行收集、归类、编码，作为工艺过程回放的数据源；同时，主机将实时上报的跟机工艺数据转发给三维数字孪生系统，在三维虚拟场景中孪生演绎跟机过程；在人机交互界面完成跟机工艺参数配置后，可在三维场景中预演综采跟机工艺过程；在实时开采过程中，汇集各类传感数据，结合预演无误的跟机工艺，系统统筹下发工艺调度指令，将支架控制器从决策者转变为执行者，克服因井下空间不足导致控制器算力有限的局限性。现场应用结果表明，综采跟机工艺数字孪生系统可为综采跟机工艺设计、参数配置、仿真测试提供技术参考，使跟机工艺开发周期由14 d缩短至1 d，跟机工艺设计修改更加便捷，综采工作面跟机自动化率提高到90%以上。

煤矿气体检测设备交叉干扰及评判方法研究

陈永冉

2023, 49(2): 63-69, 93. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17871

<摘要>(177) <HTML> (42) <PDF>(25)

摘要:
目前煤矿井下气体检测设备常因交叉干扰造成误报警甚至不报警，存在安全隐患，且现行国家或行业标准并未对气体交叉干扰提出明确的评判方法。针对上述问题，结合煤矿井下实际的环境气体类型和体积分数阈值情况，采用理论分析和试验验证相结合的方法研究了基于催化燃烧、激光和电化学3种常用原理的气体检测设备的交叉干扰机理和交叉干扰特性，设计并进行了交叉干扰试验。结合现行标准中气体检测设备误差试验通用方法，提出了基于煤矿井下特殊气体环境的气体检测设备交叉干扰评判方法：采用试验方法对气体检测设备交叉干扰特性进行评估，通入交叉干扰气样，计算气体检测设备的交叉干扰值，并与设备最高精度比较，从而判断非目标气体是否对气体检测设备造成交叉干扰影响。试验结果表明：气体检测设备交叉干扰影响普遍存在，在煤矿井下特定气体环境条件下，基于催化燃烧原理的甲烷检测设备易受硫化物和氢气干扰，应避免长时间在含有硫化氢或二氧化硫的气体环境中使用，以免造成催化剂中毒或抑制，影响测量精度；基于激光原理的甲烷和乙炔检测设备基本不受煤矿井下常见气体干扰，可以不进行交叉干扰试验，基于激光原理的乙烯检测设备易受甲烷气体的影响，经交叉干扰评判合格的，可以在甲烷环境中使用，不合格的应明确产品不能在含有甲烷的环境中使用；基于电化学原理的气体检测设备的交叉干扰特性具有不确定性，需经交叉干扰评判后，明确其可以和不可以使用的交叉干扰气体环境。

基于改进YOLOv4的综采工作面目标检测

王科平, 连凯海, 杨艺, 费树岷

2023, 49(2): 70-76. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022070080

<摘要>(369) <HTML> (103) <PDF>(43)

摘要:
综采工作面关键设备及人员的准确检测是实现煤炭智能化开采信息感知的重要环节。传统目标检测算法通过人工提取特征实现目标检测，易受环境影响，不具有普适性。基于卷积神经网络的目标检测算法可以自适应地提取深层信息，但复杂环境下检测精度不高、网络参数多、计算量大。针对上述问题，提出了一种改进YOLOv4模型，并将其应用于综采工作面目标检测。为准确从综采工作面复杂环境中检测到目标，在CSPDarkNet53网络中融入残差自注意力模块，保证参数共享及高效局部信息聚合的同时增强全局信息获取能力，提升图像关键目标特征表达能力，进而提高目标检测精度；为适应综采工作面目标检测高效性需求，引入深度可分离卷积替代传统卷积，以减少模型参数量和计算量，有利于模型的工业部署，提高目标检测速度。实验结果表明，与YOLOv3、CenterNet及YOLOv4模型相比，改进YOLOv4模型平均精度均值最高，达92.59%，且在参数量、计算量、检测精度上具有更优的平衡，可在煤尘干扰、光照不均、目标运动等复杂环境下对目标准确检测。

基于图像融合和改进CornerNet-Squeeze的煤矿井下行人检测方法

邹盛, 周李兵, 季亮, 于政乾

2023, 49(2): 77-84. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022070001

<摘要>(230) <HTML> (183) <PDF>(46)

摘要:
在煤矿井下无人驾驶和安防监控等领域，对行人目标的检测至关重要，但受井下光线昏暗、光照不均、背景复杂、行人目标小且密集等特殊工况环境的影响，图像中的行人目标存在边缘细节特征少、信噪比低、与背景相似度高等问题，难以有效识别遮挡多尺度下的行人目标。针对上述问题，提出了一种基于图像融合和改进CornerNet-Squeeze的煤矿井下行人目标检测方法。采用双尺度图像融合（TIF）算法将红外相机和深度相机采集的图像进行像素级融合，再进行形态学处理，减少背景干扰。在CornerNet-Squeeze网络基础上，将八度卷积（OctConv）引入沙漏型主干网络，处理图像特征中高低频信息，增强图像边缘特征，提高多尺度行人检测能力。实验结果表明：① 在深度图像、红外图像、融合图像3种数据集上，改进CornerNet-Squeeze模型在保持原算法实时性的同时，有效提升了井下行人检测精度。② 采用融合图像数据集训练的模型检测精度较红外图像和深度图像数据集训练的模型高，可见融合图像能充分发挥深度图像和红外图像的优势，有助于提高模型检测精度。③ 在不同程度遮挡和多尺度行人目标6种场景下，改进CornerNet-Squeeze训练的模型的行人漏检率最低。④ 与YOLOv4 相比，在 COCO2014 行人数据集上改进CornerNet-Squeeze算法的平均精度提高了 1.1%，检测速度提高了6.7%。⑤ 改进CornerNet-Squeeze能够有效检测出图像中远处小目标，对小目标的检测能力提升明显。

基于ADS和HFSS的矿井UWB射频前端电磁联合仿真方法

任文清

2023, 49(2): 85-93. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18073

<摘要>(297) <HTML> (50) <PDF>(32)

摘要:
射频前端是矿井超宽带（UWB）定位系统的重要组成部分，其电磁性能影响定位精度。目前UWB定位系统射频前端设计一般针对单独器件或芯片使用ADS或HFSS进行仿真设计，随着射频前端设计的频段越来越高，分立元件、传输线等三维结构之间引起的寄生效应对射频前端电路性能的影响越来越大，需要研究板级射频前端电磁联合仿真方法。针对上述问题，提出了一种基于ADS和HFSS的矿井UWB射频前端电磁联合仿真方法。首先，采用HFSS软件对无源器件进行建模，并用HFSS软件直接进行仿真得到对应的snp文件。然后，使用ADS软件建立有源器件原理图，将参数读取控件和原理图连接，并将snp文件导入控件中。最后，在ADS中对原理图进行仿真，ADS和HFSS之间通过S参数作为媒介来进行联合操作，实现UWB射频前端电磁特性的联合仿真。综合运用ADS和HFSS对UWB射频前端有源器件、无源器件及整体板级电路进行联合仿真，并根据仿真原理制作测试样品，实验结果表明，联合仿真结果与样品实测结果匹配，可用于UWB射频前端设计和电磁性能综合测试。将以电磁联合仿真方法设计的射频前端制作成PCB样品并用于UWB定位系统进行定位极限距离测试，测试结果表明，以电磁联合仿真方法设计的射频前端完全可以满足实际产品性能需求，在设计阶段对实际产品效果预测准确，提高了设计效率，降低了设计成本。

基于GWO−NSGA−Ⅱ混合算法的露天矿低碳运输调度

文家燕, 闻海潮, 程洋, 罗绍猛, 何伟朝

2023, 49(2): 94-101. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080008

<摘要>(226) <HTML> (57) <PDF>(19)

摘要:
为了提高露天矿卡车运输效率、减少碳排放和节约运输成本，以纯电动卡车为研究对象，以运输成本、总排队时间（包含生产过程中的卡车充电时间、运行时间及维修等待时间）、矿石品位偏差为目标函数，并以破碎场破碎量、采矿场开采量、装车数量、矿石品位误差限制、车辆充电桩选择及充电限制为约束条件，建立了露天矿低碳运输调度优化模型。针对灰狼优化算法（GWO）和非支配排序遗传算法（NSGA−Ⅱ）用于求解露天矿纯电动矿用卡车低碳运输调度模型时前者容易陷入局部最优、后者容易获得全局最优但收敛缓慢的问题，提出了一种GWO−NSGA−Ⅱ混合算法。该混合算法在GWO算法中引入NSGA−Ⅱ的选择、交叉、变异3种遗传操作，有效防止算法陷入局部最优；在NSGA−Ⅱ的精英保留策略中引入狩猎和攻击操作，提高算法全局收敛的稳定性。通过5个标准测试函数验证了该混合算法在保证收敛性的情况下提升了稳定性。实例分析表明，与NSGA−Ⅱ，GWO相比，该混合算法在寻优速度上分别提高了48.7%和27.1%，在寻优精度上分别提高了17.1%和9.3%，且减少了卡车使用数量、碳排放量、运输距离和运输费用。

低位巷瓦斯抽采条件下采空区遗煤自燃规律研究

范加锋

2023, 49(2): 102-108, 124. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022070031

<摘要>(836) <HTML> (59) <PDF>(20)

摘要:
煤层顶板布置低位巷抽采瓦斯是解决工作面上隅角瓦斯超限问题的重要技术措施，但低位巷大流量混合抽采造成采空区漏风严重，增加遗煤自燃风险。目前针对低位巷布置与抽采流量协同影响采空区遗煤自燃方面的研究较少。针对贾家沟煤矿10106工作面布置低位巷抽采采空区瓦斯的实际情况，采用COMSOL软件建立了非均质采空区三维流−固−热多场耦合数值模型，通过数值模拟分析了低位巷抽采瓦斯诱导采空区遗煤自燃规律，结果表明：低位巷瓦斯抽采能够降低工作面上隅角瓦斯浓度；瓦斯抽采流量与自燃氧化带最大宽度、采空区最高温度呈正比，抽采流量增加，则自燃氧化带最大宽度和采空区最高温度增加，但过高的抽采压力导致上隅角附近空气“回流”至采空区，增加采空区遗煤自燃风险；当低位巷瓦斯抽采流量一定时，内错距越小，则采空区自燃氧化带最大宽度和最高温度越大。结合数值模拟结果与工程实践，确定贾家沟煤矿低位巷内错距为15 m，瓦斯抽采流量为45 m³/min，此时上隅角瓦斯体积分数为0.875%，采空区自燃氧化带最大宽度为59.14 m，有效解决了上隅角瓦斯浓度超限问题，且未显著增大采空区遗煤自燃危险区域。

不同预氧化程度焦煤CO₂冷却后自燃特性研究

王庆国, 周亮, 秦汝祥, 刘珍, 杨妍妍

2023, 49(2): 109-114, 156. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060020

<摘要>(165) <HTML> (56) <PDF>(9)

摘要:
针对利用惰性气体降低煤氧化性来解决煤自燃、复燃的问题，现有研究大多是对煤低温氧化过程及煤复燃过程进行相关实验，对惰性气体降温后煤二次氧化的自燃特性涉及较少。针对上述问题，以焦煤为例，通过低温氧化实验，探究不同温度氧化的焦煤经过CO₂冷却二次氧化的自燃特性。采用GC−4000A程序升温装置对焦煤进行预氧化（预氧化温度分别设为70，110，150 ℃），并对分别通入CO₂气体和干空气冷却至30 ℃后焦煤二次氧化过程中的耗氧速率、CO产生率、CO₂浓度和表观活化能进行分析。实验结果表明：预氧化温度相同时，与干空气冷却相比，通入CO₂冷却后的焦煤相关参数的变化规律基本一致，二次氧化初期，因预氧化焦煤吸附大量CO₂，阻碍了煤与O₂接触，耗氧速率和CO产生率减小，表观活化能增大，焦煤的氧化性减弱；随着CO₂解析，CO₂冷却也影响预氧化焦煤的后期反应，使得预氧化焦煤整个反应过程自燃危险性降低。预氧化温度不同时，70 ℃和110 ℃预氧化焦煤前期CO₂吸附量小，导致耗氧速率、CO产生率和表观活化能未发生变化，150 ℃预氧化焦煤冷却至30 ℃时，CO₂吸附量增多，导致耗氧速率、CO产生率减小，表观活化能增大，需要的能量更多，煤氧反应更难进行，自燃危险性有所降低。因此，当煤矿井下发生煤氧化自燃危险时，需长时间通入CO₂来降低矿区启封复采时发生二次氧化复燃的可能性。

基于一体化模型的矿用变频器散热性能分析

王越, 史晗, 荣相, 蒋德智

2023, 49(2): 115-124. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18017

<摘要>(187) <HTML> (48) <PDF>(18)

摘要:
矿用变频器空间密闭，运行过程中内部功率器件自身会产生大量热量，易产生热退化和热失效现象。现有研究主要是针对矿用变频器某类功率器件或散热器进行单独分析，未考虑它们相互之间的热交换作用，且现有研究与矿用变频器运行状态的结合不够紧密，导致生热和传热过程与实际情况偏差较大，降低了散热性能分析的准确度和全面性。针对上述问题，以630 kW/1 140 V四象限矿用变频器为研究对象，基于一体化模型对矿用变频器散热性能进行分析。建立了考虑等效电阻的矿用变频器主电路拓扑模型，分析母排与电缆、充/放电电阻、吸收电阻、IGBT模块、输出电抗器的电气特性并计算功率损耗。采用强制水冷+风冷+自然冷却方式对矿用变频器的散热系统进行优化设计。将IGBT模块、吸收电阻置于水冷散热器的基板上，配置风机加速输出电抗器的热交换效率，其他功率器件则自然散热。基于一体化模型对矿用变频器内部温度场特性、对流换热特性进行数值模拟分析，并搭建矿用变频器加载试验平台验证基于一体化模型的温度场仿真的正确性及散热设计的有效性。结果表明：① 在内部功率器件的传导、对流及辐射换热作用下，隔爆外壳的温度高于环境温度，最低为36 ℃，且后基板的温度高于其他隔爆面，最高可达70 ℃。矿用变频器内部组件均未超过80 ℃，远低于相关标准规定值，具有良好的散热性能。IGBT模块的温度最高，机心母排组件的温度次之，直流滤波电容组件的温度最低。② 充电过程中功率器件产生了较大的损耗，但由于充电时间极短，该损耗不会引起温度的剧烈变化，功率器件的瞬时温度最高不超过59 ℃；放电电阻的瞬时温度最高可达267 ℃，100 ℃以上的作用时间为200 s，梯形铝壳电阻的耐高温冲击能力可满足该应用场景，且未形成热应力循环，不会产生热击穿、热失效现象。③ 各功率器件在2~3 h后温度逐渐趋于稳定，各标定测温点的实验与仿真结果在整体趋势上保持较好的一致性。

基于谐波匹配补偿和无键相阶次跟踪的轴承故障诊断

武杰, 卢振连, 马洪儒, 朱艳芳, 吴耀春, 薛晓峰, 姜阔胜

2023, 49(2): 125-133, 140. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17983

<摘要>(172) <HTML> (77) <PDF>(23)

摘要:
煤矿机械设备轴承在强冲击、大载荷工况下产生的振动信号表现出强烈的瞬态非平稳与局部非线性特性。经典的时域统计分析方法和全局域变换方法难以识别故障特征；传统阶次跟踪方法存在设备安装不便、难以获取瞬时频率的问题；传统的无键相阶次跟踪方法在转速波动剧烈的条件下估计出的瞬时频率精度低，导致故障识别效果差。针对上述问题，提出了一种基于谐波匹配补偿和无键相阶次跟踪的轴承故障诊断方法。首先，利用基于谐波匹配补偿的时频分析方法对轴承振动信号进行处理，准确估计瞬时频率；其次，通过Vold-Kalman滤波方法自适应提取谐波分量信号；再次，采用Hilbert变换计算谐波的瞬时相位，进而获得时间域与角度域的映射关系，完成原始时间域信号在角度域的重采样；最后，对重采样的信号进行快速傅里叶变换，通过分析包络阶次谱，实现轴承故障特征识别。仿真和试验结果表明，该方法估计的瞬时频率与实际值之间的最大相对误差不超过1%，表征轴承故障特征阶次准确且明显，可有效诊断轴承故障。

采空区垮落煤岩渗透特性研究

杨晓晨, 贾男, 张晓明, 佐佐木久郎

2023, 49(2): 134-140. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022090015

<摘要>(180) <HTML> (46) <PDF>(17)

摘要:
地震法常用于分析采空区垮落煤岩孔隙率和渗透率的相关性，现有研究大多采用有效介质理论，将采空区垮落煤岩的各向异性和不均匀性转换为等效的介质参数，对粒径、孔隙率、空间特征等因素对地震波的影响考虑较少。以采空区垮落煤岩为研究对象，根据实际采空区垮落煤岩颗粒级配和孔隙率，制备了破碎煤岩样品，通过实验验证了其孔隙率和波长−粒径比与实际采空区垮落煤岩一致。在此基础上，通过实验分析了煤岩粒径、孔隙率、地震波频率等因素对波速、振幅衰减系数及渗透率的影响，结果表明：破碎煤岩中P波速度随孔隙率增大而减小，随粒径增大而增大，受地震波频率影响较小；振幅衰减系数随孔隙率增大而增大，随粒径增大而减小，孔隙率较大时更易受地震波频率影响；破碎煤岩的渗透率随孔隙率和粒径增大而增大，遵循Kozney-Carman方程，基于实验结果建立了采空区垮落煤岩渗透率预测公式，计算得现场采空区垮落煤岩渗透率为1 225×10⁻¹²~178 930×10⁻¹² m²；为消除粒径对地震波振幅衰减系数和煤岩样品渗透率的影响，提出单位波长振幅衰减系数（振幅衰减因子），并通过最小二乘法拟合得到振幅衰减因子与渗透率之间的经验关系式，为初步判断采空区垮落煤岩的渗透率提供了思路。

保德煤矿智能综放工作面建设关键技术研究

邬喜仓, 张学亮, 阮进林, 王志强

2023, 49(2): 141-148. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060103

<摘要>(257) <HTML> (44) <PDF>(39)

摘要:
针对现有智能综放工作面建设的研究成果缺乏某个综放工作面系统化建设实施研究的问题，以国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司保德煤矿81309智能综放工作面为研究背景，在液压支架电液控制系统及综采自动化系统配置的基础上，详细介绍了设备升级改造、有限透明开采模型构建、智能放煤工艺决策、煤矸识别方法优化、多模式融合集成控制等关键技术。① 对采煤机电控系统进行国产化升级改造，加装惯导系统，配套光纤复合电缆/5G通信，实现采煤机姿态及控制数据高效稳定传输。采用迈步自移设备列车系统并配套管缆伸缩装置，实现设备列车拉移由1～2人完成。② 对智能规划中心数据源中的地质模型进行迭代修正，经过一系列换算和多源异构数据融合，形成有限透明开采地质模型。③ 针对 81309工作面一刀一放2轮顺序放煤方式，构建了10个智能综放回采阶段并设计了对应的采煤机、综放液压支架、前后刮板输送机的动作和时间，实现了中部跟机自动化采放、三角煤区域自动开采。④ 采用振动煤矸识别与视频煤矸识别相结合的方式，建成智能综放煤矸识别系统。⑤ 以SAM型综采自动化控制系统为枢纽，通过整合液压支架电液控制、视频监控、采煤机电控、三机泵站集控，构建出智能化集中控制系统，初步建成基于透明开采的“采−支−识−放−运”各环节自适应的综放开采工作面。调试结果表明，81309综放工作面中部实现单班自动控制割煤4刀，液压支架实现自动跟机拉架、联动收伸护帮/伸缩梁、自主推溜等功能，智能化集中控制系统可一键启停生产系统，对设备运行数据进行实时监控。

带式输送机托辊故障检测方法

武国平

2023, 49(2): 149-156. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022100022

<摘要>(276) <HTML> (66) <PDF>(43)

摘要:
针对现有输煤传送机托辊故障检测方法存在识别精度较低、抗环境干扰能力较差、无法长期稳定运行等问题，提出了一种基于融合信号（TFM）及多输入一维卷积神经网络（MI−1DCNN）的输煤传送机托辊故障检测方法。首先，通过拾音器采集输煤传送机沿线托辊运行的音频信号，采用dB4小波无偏风险估计阈值降噪法对信号进行预处理，消除背景噪声，提高信噪比。然后，对降噪音频信号的时域、频域和梅尔频率倒谱系数（MFCC）及其一阶二阶差分系数进行归一化处理，并进行拼接，得到特征TFM。最后，将TFM输入到多尺度卷积核的MI−1DCNN模型，在网络通道末端进行特征融合，通过Softmax函数完成对正常托辊和故障托辊的分类识别。以某煤矿实际采集的输煤传送机托辊音频信号样本对TFM−MI−1DCNN模型进行试验，结果表明：故障托辊平均识别准确率达98.65%，较改进小波阈值降噪−反向传播−径向基函数网络、MFCC−K 邻近方法−支持向量机的平均识别准确率分别提高了1.50%和1.03%。现场应用结果表明：该方法下故障托辊平均识别准确率为98.4%，说明该方法适用于现场应用。

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2023年第49卷第2期

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