工矿自动化

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张旭辉, 刘彦徽, 杨文娟, 张超, 杜昱阳, 杨骏豪, 杨雯雨

2024, 50(7): 1-11, 31. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18186

<摘要>(176) <HTML> (36) <PDF>(78)

摘要:
针对目前巷道自动成形截割控制调试周期长、调试成本大、安全风险大、成形质量难以评价等问题，提出了一种数字孪生驱动的巷道自动成形截割虚拟调试方法。采用基于即时外观建图（RTAP−MAP）技术重建巷道三维环境，构建掘进机控制系统模型，形成虚拟调试环境，并利用虚拟传感器技术实现物理空间到虚拟环境状态的精准映射。针对难以量化评估断面成形质量的问题，确立了巷道自动成形截割性能评价方法，以断面成形截割控制过程在数据传输中心的记录为基础，主要对断面成形精度、截割效率与油缸开关次数、硬岩切割调整、超挖欠挖4个评价指标进行计算，从而为深度学习算法的迭代优化提供精准反馈信号，并提出了一种融合强化学习的自动截割控制策略，以提高自动化作业的适应性和精确度。为验证该虚拟调试方法的有效性和准确性，搭建了掘进机自动控制实验平台，并将虚拟调试系统应用于掘进巷道成形截割自动控制程序中。虚拟仿真结果表明：① 被调试软件在控制关键点位处的X，Y，Z轴定位误差的最大值分别为74.8，72.93，123.67 mm，说明虚拟调试方法的定位精度达到性能要求。② 虚拟样机与物理样机轨迹基本一致，说明该调试方法实现了对物理空间的映射。应用结果表明：① 强化学习控制器在虚拟掘进测试中适应了复杂环境，将虚拟传感器输入有效转换为精准控制指令，验证了模拟−现实迁移训练的可行性。通过处理掘进精度和避免超欠挖的实时反馈，控制器学习并优化了策略。② 优化后的断面成形截割控制性能得到了提升，根据数据库中控制量时间戳的记录，用时126 s，较优化前耗时减少了8 s。③ 优化后截割部末端轨迹跟踪最大误差为6.0 mm，较优化前降低了0.3 mm，避免了截割轨迹抖动导致的欠挖，同时使得轨迹和断面更加平滑。

面向矿山救援的UWB雷达生命信息识别研究现状与展望

郑学召, 马扬, 黄渊, 蔡国斌, 丁文

2024, 50(7): 12-20. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024060024

<摘要>(166) <HTML> (64) <PDF>(48)

摘要:
超宽带（UWB）雷达可穿透煤岩等非磁性介质，实现坍塌物后人员生命信息探测。因矿井环境复杂，加载生命体征信号的UWB雷达探测回波易被环境噪声、杂波信号干扰，且人体目标信息识别困难。介绍了UWB雷达生命探测系统原理及其在矿山救援中的应用。从UWB雷达生命信息提取、动静态人体目标识别和生命体量化3个方面，对UWB雷达生命信息识别研究现状进行了归纳。指出目前UWB雷达生命探测技术在矿山救援领域应用存在的问题：① 针对井下坍塌环境中非平稳信号与环境噪声等的滤除方法研究较少。② 针对运动（或微动）目标姿势、行为、生命状态等信息的提取与表征方法有待改进，人体生命信息识别模型尚未完善且模型间特征关联性较低。③ 针对多目标产生的“混叠”问题缺乏解决方案。对面向矿山救援的UWB雷达生命信息识别研究方向作出展望：① 不断优化多类矿山灾变环境的噪声与杂波自适应滤除方法。② 构建适用于矿山救援领域的人体生命信息识别模型。③ 进一步提高对矿井遮蔽物后多目标的量化能力。④ 深入探究UWB雷达最佳探测频段确定方法。

护盾式临时支护机器人带压行驶液压控制系统研究

马宏伟, 李烺, 薛旭升, 王川伟, 王赛赛, 赵英杰, 周文剑, 张恒

2024, 50(7): 21-31. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024030001

<摘要>(153) <HTML> (53) <PDF>(46)

摘要:
护盾式临时支护机器人是适应夹矸与片帮共存的大断面巷道智能掘进机器人系统的重要组成部分，其主要功能是为实现“掘支并行”作业提供安全可靠的工作空间。为加强护盾式临时支护机器人推移行驶过程中对围岩的安全稳定支护，根据护盾式临时支护机器人结构、工作环境与作业需求，建立其带压行驶的推移量与支护力数学模型及带压行驶动力学模型，设计了护盾式临时支护机器人带压行驶液压控制系统。该系统主要由支护液压系统、行驶液压系统组成：静态支护时，支护液压系统需时刻输出大于上盾体自身重力的支护力，行驶液压系统处于待机状态；带压行驶时，支护液压系统和行驶液压系统同时工作，在保证临时支护机器人“减压不离顶”的同时，与顶板时刻带压并稳步前移。提出了基于模糊PID的护盾式临时支护机器人带压行驶精准控制方法：通过集成在推移油缸上的位移传感器与液压回路中的压力传感器实时采集临时支护机器人的压力与位移信号，用于反映临时支护机器人带压行驶途中支护力和行驶位移的变化情况，并根据支护力和推移量的误差和误差率，利用模糊PID算法对支护力和推移量的控制参数进行修正，实现基于模糊PID算法的带压行驶可靠控制。仿真与实验结果均表明，模糊PID控制的效果优于传统PID控制，在模糊PID控制下，护盾式临时支护机器人推移行驶过程中的支护力相对误差小于1%，行驶位移误差小于2 mm，且支护力和推移量控制响应速度快，保证了推移行驶过程中对围岩的安全稳定支护。

基于数据驱动的液压支架初撑后承压效果即时预测技术

贾一帆, 付翔, 王然风, 张智星, 孙岩

2024, 50(7): 32-39. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024050061

<摘要>(87) <HTML> (33) <PDF>(28)

摘要:
采煤工作面实际生产中，受顶板条件、采动、液压支架姿态影响，液压支架初撑后立柱压力可能发生变化，进而影响支架初撑后承压效果。液压支架在初撑后出现的承压失效可能导致煤壁片帮、架间冒漏、支架前倾、倒架等问题。目前智采工作面液压支架初撑力调控策略大多是直接判断升柱时立柱压力是否达到额定初撑力，缺乏考虑初撑后立柱压力变化引起的承压效果判断。针对上述问题，提出了一种基于立柱压力数据驱动的液压支架初撑后承压效果即时预测方法。将液压支架初撑后3 min内的立柱压力历史数据状况分为6种典型工况，并根据初撑后承压效果的不同将6种典型工况分为有效承压或失效承压；通过相关性分析，确定了影响支架初撑后承压效果的5个特征因素；对立柱压力样本进行有效承压或失效承压人工标注，并进行特征提取，将特征值分别输入决策树、随机森林、支持向量机、K最近邻（KNN） 4种不同算法建立预测模型，经过对比分析，随机森林模型预测准确率最高，达到95.60%，基本满足模型应用的准确率要求；建立了基于随机森林的液压支架初撑后承压效果即时预测模型，在此基础上开发了液压支架初撑后承压效果即时预测系统，并部署到煤矿现场应用，经过连续25 d的运行，该系统采集到液压支架初撑后3 min内的立柱压力后，可在5 s内输出液压支架初撑后的承压效果，预测结果与实际操作记录对比准确率为82.48%，说明该系统具有较高的承压效果预测准确性。

煤矿GIS一张图快速构建平台研究

黄坤, 江振鹏, 杨晓宇, 安宁

2024, 50(7): 40-46, 114. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024050055

<摘要>(189) <HTML> (32) <PDF>(75)

摘要:
目前，煤矿使用的工程专题地图基本都是CAD制图，高效提取CAD图件中的数据并快速组织成地理信息系统（GIS）服务，进而支持矿井空间对象创建和业务属性扩展，集成安全生产实时数据，是构建煤矿GIS一张图的关键。基于ArcGIS平台将CAD图件转为GIS服务的方法实现过程较为繁琐，且ArcGIS平台成本较高，无法较好地跨平台运行。针对该问题，设计了一种煤矿GIS一张图快速构建平台。该平台包括CAD图件管理、地图服务发布、专题地图管理3大功能模块：CAD图件管理模块用于图件基础信息管理和状态跟踪，地图服务发布模块用于地图打包发布和在线预览，专题地图管理模块用于地图服务管理、矿井对象创建及属性扩展。基于开放设计联盟（ODA）的Teigha for Java SDK实现CAD图件全要素精确识别与快速准确提取；通过构建基于GIS数据特征的煤矿CAD图件数据分层描述模型，实现了CAD图件全要素数据快速存储；按照面向对象设计思路，开发了Spring Cloud框架下的Web端煤矿CAD图件数据集存储接口及专题地图服务发布平台，实现了煤矿GIS一张图快速构建。以某煤矿采掘工程平面图为例，分别采用传统方法和快速构建平台进行煤矿GIS一张图的构建，对比结果表明，快速构建平台可大幅提高煤矿GIS一张图的构建效率，为煤矿智能化建设提供时空数字底座。

基于多因素耦合量化表征模型的冲击危险区域划分

贾海宾, 刘爱鑫, 张斌, 付相超, 蔡武

2024, 50(7): 47-54, 97. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024050015

<摘要>(90) <HTML> (40) <PDF>(20)

摘要:
针对现有冲击危险评价方法不能准确体现冲击危险因素影响下应力集中变化特征等问题，提出了基于多因素耦合量化表征模型的冲击危险区域划分方法。首先，根据地下煤层的地质条件、巷道分布、开采范围等实际情况，分析得出主要的冲击影响因素；其次，分别参考多因素叠加法和应力分析法，确定各类冲击影响因素的影响范围及相对应力集中系数；然后，基于煤岩体内部微元强度分布函数，构建冲击危险多因素耦合量化表征模型；最后，将冲击影响因素的影响范围及相对应力集中系数代入量化表征模型，得到煤层应力分布结果，根据应力分布结果进行冲击危险等级划分，得到冲击危险区域分布情况。以山东新巨龙能源有限责任公司3煤层为例，通过分析叠加断层、大巷和采空区等主要冲击危险因素引起的应力集中，制定合理的冲击危险等级划分标准，得到了3煤层冲击危险区域划分结果，并进行了现场验证。由评价工作完成前后发生的矿震事件可知，冲击震源主要集中在强冲击危险区域，这与区域划分结果较为吻合，从而验证了该方法能够有效地定量划分煤层冲击危险区域。

高应力断层构造区巷道冲击破坏特征研究

王飞, 李明利, 武轶凡, 蔡东

2024, 50(7): 55-63. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024050077

<摘要>(108) <HTML> (39) <PDF>(26)

摘要:
断层构造区静动载应力耦合作用加剧了井下断层区围岩冲击危险性，断层构造区巷道围岩应力分布规律及冲击动载响应特征存在显著特殊性。目前对于断层构造区的冲击研究主要集中于工作面采场附近，但对于断层构造区巷道冲击破坏鲜有研究。以陕西某矿深埋高应力断层构造区巷道为工程背景，分析了断层构造区巷道围岩变形破坏力学特征：① 断层面存在明显应力阻隔效应，正断层附近存在上盘应力集中区和下盘应力降低区2个特殊应力区。巷道由于断层面影响，巷帮静载集中应力呈现非对称分布特征，远离断层面侧应力集中程度大于靠近断层面侧，该侧巷道围岩冲击破坏危险程度增大。② 断层面对于应力波传递产生明显阻隔作用，正断层上盘动载响应大于下盘动载响应，由于巷道两帮应力非对称分布特征，右帮动载响应明显大于左帮。基于上述特征，提出了断层构造区巷道围岩“卸（大直径钻孔卸压）−支（梯次加固成层式吸能防冲支护）”协同防冲控制技术，工程试验结果表明：① 巷道围岩采取“卸−支”协同防冲处理措施后，巷道两帮应力集中区往围岩深部转移3～5 m，应力峰值降低18.5%～20.3%，巷道帮部围岩应力集中程度显著降低。② 采用“卸−支”协同防冲处理措施前，巷道顶底板及两帮变形量分别为856，334，325，567 mm，巷道围岩变形破坏严重，采用“卸−支”协同防冲处理措施后，巷道围岩变形量降低35.69%～62.03%，巷道围岩稳定性增强。③ 钻孔煤粉量显著低于临界粉煤量，巷道围岩动力显现降低。

采煤机智能化发展现状及关键技术展望

邱锦波, 刘聪, 吴昊坤, 庄德玉, 朱胜强

2024, 50(7): 64-78. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024050039

<摘要>(260) <HTML> (48) <PDF>(80)

摘要:
介绍了国内外采煤机智能化发展的现状：采煤机目前正朝着智能机器人化的方向发展，处于智能化初级阶段。阐述了采煤机智能化发展历程及趋势：英国远程操作长壁工作面（ROLF）计划、采煤工作面自动化系统（MINOS）、美国航空航天局（NASA）长壁自动化合作项目、澳大利亚煤炭工业研究计划（ACARP）、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）项目、欧盟长壁钻井设备新型机械化与自动化（NEMAEQ）等6项科研项目在采煤机智能化发展中扮演了重要角色；采煤机发展趋势在于利用不断发展的监测传感及远程控制技术代替人工干预及操作，不断提高工作面设备的生产效率及可靠性，朝信息化、一体化、无人化、智能化的方向发展。从采煤机智能感知、智能控制和智能通信3个方面介绍了采煤机智能化关键技术，指出基于煤岩识别的智能截割技术、智能滚筒调速技术、采煤机精确定位技术和基于三维地质模型的采煤机规划开采技术是亟待突破的关键技术。从采煤机降尘和降噪2个方面对采煤机智能化发展过程中不可忽视的人机关系进行了论述。

煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向

李晨鑫

2024, 50(7): 79-88. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024040067

<摘要>(206) <HTML> (22) <PDF>(89)

摘要:
结合现阶段煤矿用5G研究成果和应用实践经验，从煤矿用5G专网组网架构、覆盖优化、智能化应用场景构建3个方面分析了煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向。煤矿用5G专网组网方面：煤炭集团级大规模组网和矿井独立专网2类模式可满足煤矿用5G系统建设部署需求。煤矿用5G无线覆盖增强方面：煤矿用5G无线传输性能需要持续研究和提升，现阶段宜采用低频段（1 GHz以下）多载波SUL（补充上行链路）进行煤矿用5G的覆盖优化；针对井下无线电波防爆安全功率阈值可能实现的突破和提高，需要通过同步提升煤矿用5G基站与终端两侧的无线发射功率，方可实现煤矿用5G系统整体覆盖能力优化；需要开展基于6G RIS（可重构智能超表面）的煤矿用5G覆盖增强技术预研，为无线覆盖能力提升提供进一步支撑。煤矿智能化5G应用场景构建方面：需要开展矿用装备与矿用通信领域的联合技术攻关；研究基于煤矿用5G的装备远程控制及未来装备自主群体协同控制的信息物理映射；研究智能化应用的预期功能安全机制；研发小型化、轻量化及全面适配现场设备工业控制协议的煤矿用5G模组。

面向煤矿安全监测边缘计算的YOLOv5s剪枝方法

陈志文, 陈嫒靓霏, 唐晓丹, 柯浩彬, 蒋朝辉, 肖菲

2024, 50(7): 89-97. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010095

<摘要>(100) <HTML> (37) <PDF>(36)

摘要:
目前，边缘计算与机器视觉相结合具有较好的煤矿安全监测应用前景，但边缘端存储空间和计算资源有限，高精度的复杂视觉模型难以部署。针对上述问题，提出了一种面向煤矿安全监测边缘端的基于间接和直接重要性评价空间融合（IDESF）的YOLOv5s剪枝方法，实现对YOLOv5s网络的轻量化。首先对YOLOv5s网络中各模块的卷积层进行结构分析，确定自由剪枝层和条件剪枝层，为后续分配剪枝率及计算卷积核剪枝数奠定基础。其次，根据基于卷积核权重幅值和层相对计算复杂度的卷积核权重重要性得分为可剪枝层分配剪枝率，有效降低剪枝后网络的计算复杂度。然后，基于卷积核直接重要性评价准则，将卷积层的间接输出重要性以缩放因子的形式引入直接重要性空间中，更新卷积核位置分布，构建包含卷积核输出信息和幅值信息的融合重要性评价空间，提高卷积核重要性评价的全面性。最后，借鉴topk投票的思想对中值滤波筛选冗余卷积核的流程进行优化，并用有向图的邻接矩阵中节点的入度来量化卷积核的冗余程度，提高了冗余卷积核筛选过程的可解释性和通用性。实验结果表明：① 从平衡模型精度和轻量化程度的角度出发，剪枝率为50%的YOLOV5s_IDESF是最优的轻量级YOLOv5s。在VOC数据集上，YOLOv5s_IDESF的mAP@.5和mAP@0.5∶0.95均达到最高，分别为0.72和0.44，参数量降至最低2.65×10⁶，计算量降低至1.16×10⁹，综合复杂度也降至最低，图像处理帧率达到31.15 帧/s。② 在煤矿数据集上，YOLOv5s_IDESF的mAP@.5和mAP@0.5∶0.95均达到最高，分别为0.94和0.52，参数量降至最低3.12×10⁶，计算量降低至1.24×10⁹，综合复杂度也降至最低，图像处理帧率达到31.55 帧/s。

基于邻域特征编码优化的液压支架激光点云分割算法

王俊甫, 薛晓杰, 杨艺

2024, 50(7): 98-106, 178. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024040052

<摘要>(71) <HTML> (26) <PDF>(15)

摘要:
受井下煤尘和易被遮挡的影响，液压支架激光点云数据容易出现残缺。现有点云分割算法难以获取细粒度的点云特征，无法得到完整的点云结构信息，且易在邻域内引入语义信息不相似的点，导致液压支架激光点云分割精度低。针对上述问题，提出了一种基于邻域特征编码优化的液压支架激光点云分割算法。引入了由邻域特征编码模块、邻域特征优化模块和混合池化模块组成的局部邻域特征聚合模块：邻域特征编码模块在传统三维坐标编码的基础上加入极坐标编码和质心偏移来表征局部点云空间结构，提升对残缺点云的特征提取能力；邻域特征优化模块通过特征距离判断并丢弃冗余特征，来优化邻域空间内的特征表达，从而更有效地学习点云局部细粒度特征，增强点云局部上下文信息；混合池化模块结合注意力池化和最大池化，通过聚合邻域内的显著特征和重要特征来获取具有丰富信息的单点特征，减少信息丢失。构建了由2组局部邻域特征聚合模块和残差连接组成的邻域扩张模块，以捕获特征间的长距离依赖关系，扩大单个点的局部感受野，并聚合更多有效特征。实验结果表明，该算法在液压支架激光点云分割数据集上的平均交并比为93.26%，平均准确率为96.42%，可有效区分液压支架不同的几何结构，实现液压支架各部件的准确分割。

煤矿巡检机器人路径规划方法

朱洪波, 花荣

2024, 50(7): 107-114. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024040033

<摘要>(126) <HTML> (31) <PDF>(27)

摘要:
路径规划是巡检机器人自主移动的关键技术。煤矿巡检机器人采用快速扩展随机树（RRT）算法规划路径时存在收敛速度慢、搜索效率低等问题。针对该问题，提出了一种合力势场引导RRT算法：利用合力势场中的斥力场构建动态步长，使煤矿巡检机器人在障碍物附近调整步长，提高算法收敛速度；利用目标节点和随机节点2个方向上的引力场与最近障碍物对煤矿巡检机器人产生的斥力场形成的合力场来改善新节点的生成方向，降低树在扩展时的随机性，提高算法搜索效率。对基于合力势场引导RRT算法规划的路径进行剪枝操作，并利用三阶贝塞尔曲线进行平滑处理。在Matlab软件中对基于合力势场引导RRT算法的煤矿巡检机器人路径规划方法进行仿真实验，结果表明：与RRT算法和RRT^*算法相比，简单环境下合力势场引导RRT算法的路径规划时间平均值分别减少了33.84%和44.27%，路径长度平均值分别减少了15.29%和4.42%，复杂环境下路径规划时间平均值分别减少了34.93%和47.12%，路径长度平均值分别减少了13.64%和9.44%，模拟煤矿环境下路径规划时间平均值分别减少了28.06%和42.67%，路径长度平均值分别减少了12.22%和10.18%；对基于合力势场引导RRT算法规划的路径进行剪枝和平滑操作后，路径转折点减少，路径角度变化减小，路径更加平滑。

基于多特征融合时差网络的带式输送机区域违规行为识别

马天, 姜梅, 杨嘉怡, 张杰慧, 丁旭涵

2024, 50(7): 115-122. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023080108

<摘要>(82) <HTML> (25) <PDF>(18)

摘要:
现有的煤矿井下带式输送机区域违规行为（如攀爬、跨越、倚靠带式输送机等）识别方法对特征提取不充分、难以考虑到行为时间差异，导致违规行为识别准确率不高。针对该问题，基于ResNet50模型，提出了一种基于多特征融合时差网络（MFFTDN）的带式输送机区域违规行为识别方法，将多特征融合和时间差分进行结合，对不同时间段的行为进行多特征融合。首先在原始模型ResNet50的第2和第3阶段引入短期多特征融合(STMFF)模块，将来自多个连续帧的时间和特征拼接在一起，再对融合后的特征进行时间差分计算，即相邻帧的特征差值，以在短期内捕捉局部动作变化。然后在原始模型ResNet50的第4阶段引入长期多特征融合（LTMFF)模块，将来自连续帧的短期多特征拼接在一起，再对相邻时间点的特征进行时间差分计算，以获取行为的长期多特征。最后将融合后的特征进行分类，输出识别结果。实验结果表明：① 该方法的平均精度和准确率较原始模型ResNet50分别提高了8.18%和8.47%，说明同时引入STMFF和LTMFF模块能够有效提取到不同时间段的多特征信息。② 该方法在自建煤矿井下带式输送机区域违规行为数据集上的准确率为89.62%，平均精度为89.30%，模型的参数量为197.2 ×10⁶。③ Grad−CAM热力图显示，该方法能够更有效地关注到违规行为的关键区域，精确捕捉到井下带式输送机区域的违规行为。

与矿山三维地质模型自动关联的剖面图更新方法

陈应显, 李佳莹, 杨红霞, 叶永超

2024, 50(7): 123-129, 164. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120089

<摘要>(59) <HTML> (24) <PDF>(23)

摘要:
露天煤矿开采过程中矿山三维地质模型不断变化，需要随之更新地质剖面图以真实反映当前矿山的地质构造与地层性质。针对目前剖面图更新方法存在剖面图内部图元属性信息与空间信息交互不畅导致剖面图更新不够准确的问题，提出了一种与矿山三维地质模型自动关联的剖面图更新方法。通过设计矿山三维地质模型与剖面图元关联关系的概念模型与逻辑模型，实现模型图元与剖面图元对象名称的关联；通过在剖面图上设置水平和高程位置的定位坐标，将剖切所得对象关联至相应的剖面图位置，实现模型图元与剖面图元空间位置坐标的关联，以达到矿山三维地质模型与剖面图属性信息、空间信息等图元数据关联的目的；根据矿山三维地质模型中发生改变的图元确定需要更新的区域，提取区域内各剖面线并根据关联关系得到相应的剖面图，进一步通过遍历判断图元属性更新标志位和几何更新标志位的状态，自动更新各剖面图中属性或几何形状发生变化的剖面图元。应用结果表明，该方法实现了剖面图与矿山三维地质模型的关联，以及剖面图的自动更新；利用该方法自动更新后的剖面图中定位坐标数据与更新前一致，验证了剖面图更新方法的准确性。

基于智能化矿山数据分类与编码规范的元数据标准构建方法

汪莹, 祖子帅, 王振华

2024, 50(7): 130-135, 146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024020037

<摘要>(81) <HTML> (48) <PDF>(28)

摘要:
目前智能化矿山建设面临数据标准不健全、多源异构数据集成难度大、共享机制有待完善等问题。建立统一的智能化矿山元数据标准，对形成多源异构数据融合共享机制具有重要意义。基于智能化矿山数据分类与编码规范，研究了智能化矿山元数据标准构建方法，明确了元数据标准构建是对数据分类与编码的延伸研究与价值挖掘。定义了元数据实体与元数据属性的内涵，设计了包含基础描述框架与扩展描述框架的智能化矿山元数据描述框架，给出了反映智能化矿山业务场景特征的基础元数据属性描述项和智能化矿山数据分类与编码规范中基础类、生产类、安全类、管理类4大主题域组的拓展元数据属性描述项，从而构成元数据标准。以生产主题域组中采煤机惯导系统的惯导传感器为例，介绍了元数据标准的构建过程。基于智能化矿山数据分类与编码规范构建元数据标准，可以解决多源异构数据的融合与共享问题，促使矿山企业更加高效地管理、分析和应用数据，提高矿山数据治理的智能化水平。

煤矿井下金属结构等效储能模型耦合电磁波能量安全性分析

田子建, 侯明硕, 孙静, 杜欣欣, 石洋名

2024, 50(7): 136-146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024050085

<摘要>(95) <HTML> (39) <PDF>(22)

摘要:
煤矿井下无线通信设备发射的电磁波能量可以被周围金属结构耦合吸收，这种现象存在点燃矿井内爆炸性气体的危险。现有针对井下金属结构耦合电磁波安全性研究只是对金属结构等效阻性模型耦合电磁波能量进行分析，缺乏对金属结构耦合电磁波能量在时间上积累的储能过程研究。针对上述问题，提出一种适用于金属结构耦合−积累−释放电磁波能量研究的等效储能结构模型，即金属结构等效容性储能模型与金属结构等效感性储能模型。首先通过低衰减度传输线模型，推导出发射天线输出功率、发射天线与金属结构之间距离与接收端感应电压之间的关系。然后建立金属结构等效储能模型，推导出接收端参数与放电火花能量之间的数学关系式，分析了接收端参数对放电火花能量的影响。最后通过接收端感应电压与感应电压有效值的关系，推导出发射天线输出功率、发射天线与金属结构之间距离与放电火花能量之间的数学关系式，分析了发射天线输出功率、发射天线与金属结构之间距离对放电火花能量的影响，并给出在其他参数确定情况下2种金属结构等效储能模型各自的理论参考安全点。仿真结果表明：① 对于金属结构等效容性储能模型，放电火花能量随着等效储能电容、接收端感应电压有效值增大而增大，安全点向左偏移，对等效储能电容、接收端感应电压有效值的安全要求变得严苛。② 放电火花能量随着发射天线功率增大而增大，随着发射天线与金属结构之间距离增大而减小，得到金属结构等效容性储能模型理论参考安全点。③ 对于金属结构等效感性储能模型，放电火花能量随着等效储能电感、接收端感应电压有效值增大而增大，安全点向左偏移，对等效储能电感、接收端感应电压有效值的安全要求变得严苛。④ 放电火花能量随着发射天线功率增大而增大，随着发射天线与金属结构之间距离增大而减小，得到金属结构等效感性储能模型理论参考安全点。⑤ 对比2种金属结构储能模型理论参考安全点，得到金属结构等效容性储能模型的危险性远大于金属结构等效感性储能模型的结论。

高阶煤吸附孔结构特征及其对甲烷吸附能力的影响

张黎明, 林健云, 司磊磊, 赵琼祥, 王沉, 武国鹏

2024, 50(7): 147-155. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024040083

<摘要>(87) <HTML> (39) <PDF>(18)

摘要:
孔隙结构对煤层吸附甲烷的能力有显著影响，但目前对高阶煤吸附孔结构特征及其对甲烷吸附能力的影响研究较少。以贵州兴安煤业有限公司糯东煤矿高阶煤样为研究对象，采用低温N₂吸附和低温CO₂吸附试验，结合分形理论研究了高阶煤吸附孔的孔隙结构特征，并通过高压等温甲烷吸附试验，分析了煤储层物性、孔隙结构特征和分形维数对甲烷吸附能力的影响。结果表明：① 高阶煤储层孔隙形态较为单一，多数为两端开放的平行板孔和狭缝型孔，微孔在煤的孔隙结构中占主导地位，其孔体积和孔比表面积占比均大于98%，为气体的富集提供了空间。② 以不同孔径段的孔体积占比为权重计算高阶煤孔隙的综合分形维数，微孔分形维数在综合分形维数中占主导地位；煤样孔隙结构具有明显的分形特征，孔隙非均质性较强。③ Langmuir模型能很好地描述高阶煤的吸附行为，煤储层物性、孔隙结构和分形维数对甲烷吸附能力影响显著，Langmuir体积与最大镜质体反射率、镜质组含量、灰分含量和水分含量呈线性正相关关系，与惰质组含量呈线性负相关关系；Langmuir体积与吸附孔的孔比表面积和孔体积均呈线性正相关关系，Langmuir体积与分形维数呈弱线性关系。研究结果可为黔西南地区高阶煤层气勘探开发及煤矿瓦斯灾害防治提供理论指导。

岩质高边坡结构面识别及产状统计信息采集方法

蒋水华, 余琦, 黄河, 常志璐, 孟京京

2024, 50(7): 156-164. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024060021

<摘要>(65) <HTML> (45) <PDF>(14)

摘要:
准确识别岩质高边坡结构面和获取产状统计信息是进行边坡稳定性分析的重要前提。无人机摄影测量技术为解决高边坡结构面准确勘测难题提供了可能，但缺少高效准确的影像后处理方法，且现有研究没有考虑结构面产状信息特征的不确定性，致使结构面识别准确性差、效率低。针对该问题，以江西省南昌市某露天矿高边坡为研究背景，提出了融合无人机摄影、后处理算法及统计分析的一体化结构面识别与产状统计信息采集方法。首先，通过Phantom 4 Pro V2.0无人机获取边坡表面影像；其次，利用Context Capture软件进行处理，得到高密度三维点云数据；然后，采用K近邻（KNN）算法中的确定近邻点数量法构建相似点集，采用基于密度的聚类（DBSCAN）算法进行聚类分析，从而实现边坡结构面识别，获得结构面产状信息并进行统计特征分析；最后，通过现场勘测数据进行对比验证。结果表明：该方法能够快速获取完整的高密度点云数据，准确高效地识别岩质高边坡大部分结构面，识别结果与边坡工程现场实际情况基本吻合；该方法可获取高边坡结构面数量、产状信息及其统计特征，大部分结构面倾角和倾向概率分布与实测数据拟合较好，为高边坡裂隙网络模型构建及稳定性分析提供了重要数据来源。

深埋矿井沿空留巷切顶卸压底板变形控制

孙靖康, 涂敏, 赵庆冲, 党嘉鑫, 张欣, 李亚勉

2024, 50(7): 165-172. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024040096

<摘要>(68) <HTML> (25) <PDF>(16)

摘要:
目前有关巷道底鼓的研究与实践主要探讨巷道底板的变形机理及控制技术，对沿空留巷切顶卸压前后底板力学分析不全面。针对该问题，基于煤体分区破坏特征构建了切顶前后巷道围岩和底板力学模型，分析实体煤、巷旁支护及采空区对底板的作用，获得切顶前后巷道底鼓解析解，得出巷旁煤帮弹塑性区、巷道支护体及顶板下沉区底板所受载荷共同影响巷道底鼓量大小。采用数值模拟验证切顶卸压前后沿空留巷围岩破坏特征、应力分布及底鼓量变化，结果表明：切顶卸压技术可有效缩小巷道实体煤侧面及顶部的破坏区域，维持巷道围岩结构稳定；巷道底板最大应力、巷旁支护阻力、巷道底鼓量均下降，平均降幅分别为25.78%，56.14%，54.07%。现场应用结果表明，厚硬顶板沿空留巷底鼓量由709.345 1 mm降至320.965 8 mm，切顶卸压技术可以优化巷道围岩应力结构，抑制巷道底鼓，有效改善底板破坏情况。

煤矿井下钻探数字化监测系统

张幼振, 范强, 陈龙, 陈果, 税洋, 李旺年

2024, 50(7): 173-178. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120075

<摘要>(116) <HTML> (33) <PDF>(27)

摘要:
针对煤矿井下钻探存在孔底工程参数测量困难、钻探数据准确性和完整性不足、钻探数据融合应用不够等问题，设计了一种煤矿井下钻探数字化监测系统。该系统由数据来源层、虚拟模型层、数据处理层和钻探服务层构成：数据来源层为虚拟模型层提供数据支撑，虚拟模型层通过仿真模拟分析生成新的数据并反馈至数据来源层；数据处理层接收到数据来源层和虚拟模型层提供的数据后，进行数据清洗、转换及合并等处理；钻探服务层通过后台数据管理端的权限设置，为不同层级用户提供数据显示、查询、分析、报警等服务。将钻探数据按时序特征分为事前数据（钻探施工之前根据钻孔设计资料和施工方案等获取的数据）、实时数据（包括钻探过程设备实时监测的参数和钻场视频等）和延时数据（孔底随钻测量装置采集的参数），针对这3类钻探数据设计了数据处理流程，并建立了由接入层、汇聚层和核心层组成的系统通信网络架构。工程实践结果表明：该系统实现了煤矿井下钻探施工数据的采集、传输、显示与动态管理，满足钻探施工过程监测和数据管理的需求，具有较好的实时性和准确性。该系统为煤矿井下钻探智能化施工和精细化管理提供了技术支撑。

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