工矿自动化

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霍振龙, 张袁浩

2020, 46(3): 1-5. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17553

<摘要>(204) <HTML> (26) <PDF>(57)

摘要:
近年来我国煤矿无线通信系统首选WiFi和4G通信技术，随着煤矿智能化建设的发展，现阶段煤矿无线通信系统的性能已无法满足煤矿智能化发展的各项需求。对比前几代移动通信技术，阐述了第五代移动通信技术（5G）关键技术及其性能优势；给出了矿用5G无线通信系统的组成及组网方式；结合5G通信技术特点和煤矿智能化发展需求，提出了5G通信技术在煤矿的应用场景，如井下无人驾驶及智能运输、全矿井位置服务、设备远程操控、故障远程诊断、大宽带业务数据传输、煤矿机器人云端控制、全矿井安全监测信息采集、虚拟现实/增强现实矿山等；指出针对煤炭行业的5G技术应用场景还需不断挖掘和完善，且由于5G网络对承载网要求较高，煤矿应预估部署成本，结合自身发展状况和需求搭建矿井5G通信网络。

高瓦斯矿井采空区瓦斯与煤自燃耦合规律研究

邢震

2020, 46(3): 6-11. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019010084

<摘要>(155) <HTML> (19) <PDF>(13)

摘要:
针对目前采空区瓦斯与煤自燃共同致灾数值模拟仅考虑流体影响、未考虑其他物理场影响的问题，采用Comsol-Multiphysics多场耦合数值模拟软件建立了采空区瓦斯与煤自燃耦合模型，分析工作面采场与采空区瓦斯和O2分布规律，探讨抽采量和进风量对高位抽采巷道瓦斯浓度和采空区底板O2浓度的影响，并综合确定最佳抽采量和进风量。结果表明：随着抽采量的增大，瓦斯抽采浓度先增大后减小，采空区氧化升温带宽度呈正相关增长，综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治，建议高位抽采巷道最佳抽采量为90 m3/min；随着进风量的增大，高位抽采巷道瓦斯浓度和纯量先增大后减小，采空区进风侧氧化升温带宽度明显增大，最大时达到109.3 m，而回风侧氧化升温带宽度变化幅度很小，综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治，试验工作面最优进风量为1 500 m3/min。

采空区瓦斯抽采钻孔参数及注氮防灭火研究

崔传发

2020, 46(3): 12-20. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050049

<摘要>(166) <HTML> (10) <PDF>(15)

摘要:
钻孔抽采能够影响采空区内部风流的运动，从而导致采空区流场发生变化，增加工作面向采空区的漏风，同时钻孔周围呈现负压状态，漏风风流也不断向钻孔周围补充，采空区煤体在漏风集中区域呈现氧化升温状态，存在采空区遗煤自燃问题。针对上述问题，研究了钻孔抽采条件下采空区最优注氮防灭火方案。以白龙山煤矿10201工作面为背景，用数值模拟软件对工作面采空区进行仿真，分析了不同抽采参数下的采空区流场和温度场分布，依据合理钻孔参数确定了最优注氮条件。结果表明：抽采负压为30 kPa时瓦斯抽采效果良好，氧化升温带增幅相对较低；钻孔间距为6 m时抽采效果佳且工程量较小；进风侧注氮口与工作面距离为75 m、注氮流量为1 500 m3/h时，可以很好地缩小氧化升温带宽度并节约成本。实际应用结果表明:综放工作面及上隅角瓦斯体积分数得到了有效控制，均低于1%；抽采管路及上隅角CO体积分数分别低于0.040%，0.032%，采空区煤体未发生自燃，采空区瓦斯抽采和注氮取得了良好的应用效果。

区块链技术在矿山物联网中的应用研究

秦晓伟, 王立兵, 汪磊, 李敬兆, 张小波

2020, 46(3): 21-26. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17542

<摘要>(117) <HTML> (19) <PDF>(19)

摘要:
针对矿山物联网中数据传输和存储过程中存在易丢失和被篡改等问题，将区块链技术应用于矿山物联网的数据传输与存储中。构建了以数据层、传输层、共识层为核心的矿山私有区块链架构；设计了基于共识模块和数据区块的矿山物联网数据传输与存储防护方案；应用实用拜占庭容错（PBFT）算法设计了数据共识过程，通过在分布式结构化P2P网络每2个节点间设置共识模块并优化P2P协议，实现了矿山数据安全性共识。测试结果表明，私有区块链的应用保证了矿山物联网数据的准确传输和可靠存储。

矿山语义物联网自动语义标注方法

张楠, 谢国军, 叶青, 赵小虎

2020, 46(3): 27-33. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17512

<摘要>(87) <HTML> (11) <PDF>(13)

摘要:
针对目前矿山领域异构数据融合时先验知识获取困难、物联网本体库实时性差、实例对象数据手动标注方式效率较低等问题，提出了一种矿山语义物联网自动语义标注方法。给出了传感数据语义化处理框架：一方面，确定本体的专业领域和范畴，通过重用流注释本体（SAO）构建领域本体，作为驱动语义标注的基础；另一方面，使用机器学习方法对感知数据流进行特征提取与数据分析，从海量数据中挖掘出概念间的关系；通过数据挖掘知识来驱动本体的更新与完善，实现本体的动态更新、拓展与更精确的语义标注，增强机器的理解力。以矿井提升系统主轴故障为例阐述从本体到实例化的语义标注过程：结合领域专家知识及本体重用，采用“七步法”建立矿井提升系统主传动故障本体；为了加强实例数据属性描述的准确性，使用主成分分析法（PCA）与K-means聚类方法对数据集进行降维和分组，提取出数据属性与概念的关系；通过基于语义Web的规则语言（SWRL）标注具体先行条件与后续概念的关系，优化领域本体。实验结果表明：在本体实例化过程中，可利用机器学习技术从传感数据中自动提取概念，实现传感数据的自动语义标注。

煤矿信息全面感知与智慧决策系统

李腾飞, 李常友, 李敬兆

2020, 46(3): 34-37. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17541

<摘要>(154) <HTML> (15) <PDF>(23)

摘要:
针对目前煤矿安全生产过程中存在煤矿信息感知能力差、决策水平低的问题，提出了一种煤矿信息全面感知与智慧决策系统。该系统由胶囊网络层、数据传输层和云服务层组成：胶囊网络层由人员位置与行为感知胶囊、设备状态感知胶囊、环境感知胶囊构成，实现煤矿“人、机、环”全面感知；数据传输层采用无线传感器网络与有线网络结合的方法来实现煤矿井下数据可靠传输；云服务层通过基于随机森林的智慧决策机制为煤矿生产高效、可靠决策提供了保障。实验结果验证了该系统的有效性。

矿山信息物理融合系统多节点智联策略

马洋锦, 付茂全, 许志, 李敬兆

2020, 46(3): 38-42. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17544

<摘要>(57) <HTML> (13) <PDF>(11)

摘要:
针对当前矿山信息物理融合系统（CPS）的通信节点无法与基于不同无线通信协议的感知节点实现智能连接的问题，在通信节点上集成多种通信模块构成多模态通信节点，提出了一种基于渐进式神经网络的矿山CPS多节点智联策略。采用渐进式神经网络控制多模态通信节点准确切换工作模态，实现异构无线通信网络自主建立；利用异步优势动作评价算法对渐进式神经网络进行深度训练，提高渐进式神经网络的收敛速度和训练精度。实验结果表明，该策略实现了多模态通信节点与多类感知节点之间的准确、可靠通信。

面向煤矿工作面的定位无线传感器网络传输性能优化

方祖浩, 赵小虎, 王海波, 王晶晶

2020, 46(3): 43-48. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17515

<摘要>(61) <HTML> (11) <PDF>(10)

摘要:
针对煤矿工作面定位无线传感器网络(PWSN)端到端时间较长、丢包率较大等问题，提出采用保障贪婪调度（GGS）算法来优化网络传输性能。GGS算法结合了粒子群优化(PSO)算法和贪婪算法，使用PSO算法对信道中的报文种群进行有序化处理，实现对种群的保障；使用贪婪算法对网络传输过程中的具体服务请求形成一种多层次、反复迭代的处理机制，以优化报文种群质量；利用PSO变异算法对种群进行检查和更新，以确保得到的是最优解。仿真结果表明，与现有文化基因算法(MA)、差分进化人工蜂群(DE-ABC)算法相比，GGS算法可在控制丢包率的前提下缩短传输时间，提升网络整体性能。

基于能量收集技术的无线协作网络中继选择

踪征雪, 丁恩杰, 刘燕, 张丙鑫, 赵端

2020, 46(3): 49-54. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17514

<摘要>(55) <HTML> (9) <PDF>(9)

摘要:
针对目前能量收集技术能够收集到的可用能量受限，导致无线协作网络中继节点处易出现能量短板的问题，为了避免整个网络因中继节点大量死亡而瘫痪，提出了一种基于能量收集技术的无线协作网络中继选择方案，即联合最大能量和最大数据传输链路的中继选择方案。首先，基于节点的能量收集状况，选出每跳中能量最大的节点进行解码转发；然后，结合每连续两跳的链路传输状态，选出与源节点和目的节点之间的数据传输信道最优者作为中继节点。结合Nakagami-m信道衰落模型，将该方案与随机选择方案、最大数据链路信道增益（MaDs）方案和基于中继-窃听链路最小信道增益（BNBF）方案进行对比分析，结果表明：在满足收集的能量足够用于下一时隙能量收集和数据传输的前提下，用于能量收集的比例越小，网络中断概率越小；联合最大能量和最大数据传输链路的中继选择方案在网络中断性能方面优于其他方案，其中断概率随信噪比的增大而减小，特别是当平均信噪比为38 dB时，网络中断概率降到10-5。

主成分—费歇尔判别模型在煤与瓦斯突出等级预测中的应用

陈恋, 袁梅, 高强, 许石青, 陈文, 李鑫灵, 隆能增

2020, 46(3): 55-62. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019070057

<摘要>(78) <HTML> (16) <PDF>(7)

摘要:
针对现有煤与瓦斯突出预测方法存在计算过程较复杂、预测主观性强、预测精度较低等问题，构建了主成分-费歇尔判别模型，并将其应用于某煤矿的煤与瓦斯突出等级预测。从瓦斯因素、煤体结构及地质构造方面分析得出了影响该矿煤与瓦斯突出的因素包括瓦斯压力、瓦斯含量及瓦斯放散初速度等指标。以影响该矿煤与瓦斯突出的23组实测数据为基础，首先利用主成分分析模型对影响该矿的煤与瓦斯突出因素进行降维，提取与指标相关度较高的5个主成分，然后将5个主成分输入费歇尔判别模型，并根据判别函数对样本进行煤与瓦斯突出等级预测。应用结果表明：主成分-费歇尔判别模型具有较高的可信性，能对煤与瓦斯突出等级进行准确预测，训练样本的正确率为100%，待测样本的预测结果也与该矿煤与瓦斯突出的实际情况相符，误判率为0，为准确预测煤与瓦斯突出提供了一种新方法。

井下WLAN位置指纹定位中改进区域划分方法研究

宋明智, 钱建生, 胡青松

2020, 46(3): 63-68. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019110032

<摘要>(62) <HTML> (12) <PDF>(9)

摘要:
井下WLAN位置指纹人员定位系统主要是通过聚类算法来实现位置指纹样本的整体性划分，但现有的聚类算法只是针对接收信号强度的统计分布特性进行聚类划分，并没有充分考虑奇点问题。针对该问题，提出了一种基于类关系的K-Means（CRK-Means）算法，该算法以类内离散度和类间离散度的比值为目标函数，通过使该比值最小的聚类的聚合、分离过程即可得到避免了奇点问题的最优聚类，完成定位区域的合理划分。针对采用随机森林（RF）算法对聚类划分后的定位区域进行粗定位存在误判的问题，提出了遗传算法与随机森林相结合的（GA-RF）算法，该算法以GA中的选择、交叉和变异优化过程确保了RF算法的选择树总数和位置指纹参考点特征数的最优取值。实验结果表明：CRK-Meams算法有效解决了奇点问题，且在一定程度上提升了系统定位精度；采用CRK-Meams算法和GA-RF算法后，子区域粗定位的准确率相比RF算法提升了4%，达到98%；置信概率大于90%的最小定位误差达到了3 m，优于传统的聚类算法。

煤矸石图像分类方法

饶中钰, 吴景涛 , 李明

2020, 46(3): 69-73. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17495

<摘要>(142) <HTML> (11) <PDF>(21)

摘要:
针对人工排矸法、机械湿选法、γ射线分选法等传统煤矸石分选方法无法兼顾快速高效性、安全无害性、简单操作性的问题，提出了基于机器视觉的煤矸石图像分类方法。对煤矸石图像进行增强、平滑去噪等预处理，采用基于距离变换的分水岭算法实现煤矸石图像分割提取。针对煤矸石分割图像，选取煤矸石图像的HOG特征及灰度共生矩阵，分别以支持向量机、随机森林、K近邻算法作为分类器进行基于特征提取的煤矸石分类识别；分别建立浅层卷积神经网络和基于ImageNet数据集预训练的VGG16网络，进行基于卷积神经网络的煤矸石分类识别。研究结果表明，基于VGG16网络的煤矸石图像分类方法准确率最高为99.7%，高于基于特征提取方法的91.9%和基于浅层卷积神经网络方法的92.5%。

磁谐振无线电能传输负载自适应阻抗匹配研究

白敬彩, 范峥, 王国柱, 杜志勇

2020, 46(3): 74-78. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050076

<摘要>(106) <HTML> (11) <PDF>(9)

摘要:
针对磁谐振无线电能传输（MR-WPT）系统的负载改变时，现有阻抗匹配方法不能自动调节负载阻抗，导致系统电能传输效率降低的问题，提出了一种MR-WPT系统负载自适应阻抗匹配方法。为利用高频化提高MR-WPT系统的电能传输效率，选用E类功率放大器作为高频逆变电路。在磁谐振装置和负载之间加入DC/DC变换器，当负载阻抗变化时，通过调节DC/DC变换器的占空比将负载电阻变换到最大效率传输电阻，从而确保MR-WPT系统始终以最大效率工作。仿真和实验结果表明：所提出的阻抗匹配方法切实可行，能够优化MR-WPT系统的传输效率，输出功率为3.5 W时，传输效率达35%。

复合勘探技术在煤矿工作面水害防治中的应用

冀前辉, 郝世俊, 王程, 刘卫卫

2020, 46(3): 79-83. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020020031

<摘要>(85) <HTML> (16) <PDF>(12)

摘要:
现有煤矿工作面水害复合勘探技术大多采用常规回转钻进成孔方法，钻孔数量多、工作量大，且施工过程中钻杆弯曲变形、孔内地层变化、钻进工艺参数改变等会导致钻孔发生偏斜，从而导致探水决策失误。针对该问题，提出一种基于定向钻进的复合勘探技术，并将其应用于某煤矿综采工作面水害探测。应用过程如下：先采用矿井音频电透技术探测工作面低视电阻率异常区，再采用定向钻进技术直接揭露富水区，通过观测钻孔涌水量和化验钻孔涌水水质，确定异常区存在导水奥灰岩溶陷落柱，并圈定了陷落柱在该工作面内的延展状态和边界;根据复合勘探结果，指导更改切眼位置，有效消除了工作面开采揭露导水陷落柱导致突水事故的隐患。

定向高位长钻孔上隅角瓦斯治理技术

白刚, 杨忠, 段会军

2020, 46(3): 84-88. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019080005

<摘要>(86) <HTML> (16) <PDF>(7)

摘要:
针对常规顶板高位钻孔因钻孔方位及倾角无法控制而难以钻进至设计层位，且有效抽采孔段较短、易出现抽采盲区、抽采不连续等问题，以王家岭煤矿上隅角瓦斯治理为研究背景，在20103综采工作面回风巷布置1组定向高位长钻孔与4组常规高位钻孔进行瓦斯抽采，对比分析了这2种高位钻孔的瓦斯抽采效果，结果表明：定向高位长钻孔有效抽采孔段长，抽采盲区少，能实现连续抽采；定向高位长钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量为2.11 m3/min，最大可达2.9 m3/min，与常规高位钻孔相比平均瓦斯抽采纯量提高了约2.77倍，工作面瓦斯抽采率提高了近2倍，有效抽采时间提高了约3.15倍；仅接抽常规高位钻孔时上隅角瓦斯体积分数为1.0%以上，仅接抽定向高位长钻孔时降至0.6%以下，表明定向高位长钻孔治理工作面上隅角瓦斯具有明显优势。

煤层气精准排采监控系统

刘磊

2020, 46(3): 89-94. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090027

<摘要>(80) <HTML> (12) <PDF>(8)

摘要:
针对现有煤层气排采系统存在控制精度低、劳动强度大、不能按照排采规律进行作业、生产成本高等问题，设计了一套煤层气精准排采监控系统。该系统选用STM32F107 Connectivity互接系列单片机作为控制中心，利用现场采集单元实时采集井底流压、温度、套压值、频率等信号，并通过RS485通信接口、4~20 mA模拟量接口将信号传输至控制中心。通过比较井底流压实测值与给定值后得到偏差信号，根据偏差信号，控制中心通过排采控制算法实时控制变频器输出频率，进而调节排采设备的运转速度，实现井底流压的自动闭环控制。采用4G无线传输模块将控制调节命令发送至排采控制单元，实现排采过程的实时监测与控制。现场测试结果表明:该系统能够按照实时排采制度执行作业，井底流压调节准确，平均误差在0.5%以内，达到了煤层气井精准排采的要求。

典型矿区煤层气与煤炭协调开发动态模拟研究

徐华龙

2020, 46(3): 95-99. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019080092

<摘要>(67) <HTML> (15) <PDF>(8)

摘要:
针对传统方法难以展现煤层气与煤炭协调开发流程的问题，提出了一种新的三维动态模拟思路，采用三维可视化和动画推演的方法展示煤层气与煤炭协调开发模式。以“晋城模式”为背景，基于数字矿山三维平台MineSystem，采用井上下三维一体化快速建模、协调开发三维可视化动态编辑、三区联动立体抽采动画推演等关键技术，完成了三区联动井上下整体抽采煤层气开发模式的动态模拟，实现了生产规划区、开拓准备区、煤炭生产区三维一体化整体展示，为促进煤层气与煤炭协调开发利用工艺的推广应用提供了技术支撑。

煤矿机械振动信号预测研究

肖雅静, 李旭, 郭欣

2020, 46(3): 100-104. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090085

<摘要>(56) <HTML> (10) <PDF>(16)

摘要:
根据煤矿机械振动信号高低频组成成分变化规律的差异，提出了一种基于经验模态分解（EMD）和支持向量机（SVM）的煤矿机械振动信号组合预测方法。将滚动轴承振动信号进行EMD分解，得到相对平稳的本征模态函数（IMF）分量，并将波动程度相近的IMF分量进行重构，得到高频子序列和低频子序列，采用SVM分别对高频子序列和低频子序列进行预测，将2个预测结果叠加,得到最终预测值。选取轴承实验数据对组合预测方法的有效性进行验证，结果表明该方法的均方根误差、平均绝对误差和平均绝对百分比误差均小于直接预测方法。将该组合预测方法应用于某选煤厂主井带式输送机滚动轴承状况预测，预测结果与实际情况相符。

煤矿安全风险防控及预警系统设计

徐晓建

2020, 46(3): 105-108. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17554

<摘要>(68) <HTML> (11) <PDF>(13)

摘要:
针对目前煤矿安全风险防控缺乏体系化、时效性差、被动响应等问题，设计了一种煤矿安全风险防控及预警系统。该系统以煤矿安全风险库为基础，利用风险地图实现风险状态变化各环节的动态监视；根据异常事件等级进行分级消息推送及现场异常联动处置，提高了异常事件响应及处置效率；利用安全网格细化风险防控的空间粒度，实现安全网格—作业区域—全矿的安全指数及安全等级评估，有效落实了各级安全管理层的主体责任。该系统有助于煤矿建立全方位、多重安全风险分级防控体系，有效提升了煤矿安全生产保障能力。

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2020年第46卷第3期

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