工矿自动化

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李浩荡, 丁震, 张凯, 罗会强, 曹正远, 崔文, 尤秀松, 赵星宇, 孟广瑞, 孙江, 邓文革

2022, 48(2): 1-10. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17877

<摘要>(520) <HTML> (73) <PDF>(92)

摘要:
煤炭是我国兜底保障能源，未来一段时间内在能源中的主体地位不会改变，煤炭智能开采将呈现快速发展态势，迈进新的发展阶段。经归纳分析，总结出煤矿智能化建设的重大意义、发展规律、矛盾问题、建设方法和未来发展方向。系统阐述了我国煤炭开采技术和管理模式的变革历程，总结了人工开采、普通开采、综合机械化开采、自动化开采、初级智能化开采5个阶段及对应的技术模式。突破传统煤矿采掘机运通等智能化研究思路，提出煤炭中高级智能开采技术的10个表征，即煤矿完全透明、感知全面智慧、装备高端智能、网络实时可靠、平台集成操控、数据智能分析、群体协同智能、队伍员工职业、决策智慧动态、灾害防控匹配，并给出每个表征的定义、特点、内容、功能等。以中高级智能技术为前提，构思出相对应的煤炭井工开采"1+1"管控新模式，即1个煤矿设置1个层级，构建"1个指挥控制中心+1个专业化队伍"的扁平化平台式管控新模式，以推进生产方式变革，匹配未来智能化快速发展对应开采模式需求，实现真正意义的减人、增安、提效。最后，对煤矿智能化开采技术和模式进一步发展进行了展望。

综采工作面采煤机智能化技术研究现状

赵亦辉, 赵友军, 周展

2022, 48(2): 11-18,28. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090024

<摘要>(1121) <HTML> (111) <PDF>(226)

摘要:
介绍了国内外采煤机智能化技术研究现状：国外从20世纪90年代起，采煤机智能化技术进入成熟发展阶段，在采煤机记忆截割、煤岩识别、机载主控软件及远程监控等方面取得引领性创新突破；国内采煤机智能化发展从引进吸收到自主创新，基本实现初级智能化综采作业。按照采煤机功能的不同进行智能化横向分类，分为采煤机智能感知、智能控制、智能诊断及智能通信4类：智能感知关键技术包括位姿感知、运行环境状态感知、机载视频感知、人员临近识别、智能防碰撞检测、直线度感知、煤岩识别感知；智能控制关键技术包括滚筒自动调高控制、自适应调速控制、环境瓦斯联动控制、煤流负载平衡控制、俯仰导向控制；智能诊断关键技术包括实时在线诊断技术和采煤机全生命周期管理；智能通信关键技术包括有线通信技术和无线通信技术。根据采煤机割煤过程中的人为干预情况进行智能化纵向分级，分为辅助自动化、初级自动化、高级自动化、智能化4个等级。通过采煤机智能化分类分级，可以直观地查阅采煤机智能化功能，并可通过判断条件确定采煤机所处智能化等级，为智能化矿井建设评级提供量化参考，同时也更清晰地展现采煤机智能化发展的脉络。

采煤机作业区域人员精确检测方法研究

魏东, 王忠宾, 司垒, 谭超, 路绪良

2022, 48(2): 19-28. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110069

<摘要>(354) <HTML> (35) <PDF>(60)

摘要:

当前智能化采煤机已具有三维定位、记忆截割和远程监控等功能，但缺少采煤机作业区域误入人员的检测和预警保护功能，人员精确检测是亟待解决的关键问题之一。受综采工作面低照度、工况环境复杂多变影响，基于激光、射频、超声波等传感器的煤矿机电装备主动防撞预警技术应用受限，基于可见光传感器的防撞技术难以满足准确性和稳定性要求。搭建了基于红外热成像技术的采煤机作业区域人员精确检测系统架构，进而提出了人员精确检测方法：针对综采工作面红外图像噪声的高强度、不均匀特点，采用基于高斯掩码改进的多级导向滤波模型有效滤除红外图像噪声，并保留边缘信息；基于Lucas-Kanade光流法提取动态背景下的移动前景目标运动信息；采用基于图像局部信息权重的直觉模糊C均值聚类算法对采煤机作业区域红外图像信息进行分割，获取移动目标位置信息；基于形态学加权投票法对移动目标运动信息提取结果和红外图像信息分割结果进行融合，实现采煤机作业区域人员精确检测。在耿村矿21208综采工作面进行井下工业性试验，结果表明采煤机作业区域人员精确检测方法对现场人员的跟踪偏差平均值为0.106 5像素，重叠比平均值为96.10%，平均单次处理时间为0.490 8 s，满足现场应用需求。

煤矿井下UWB人员定位系统研究

张海军, 孙学成, 赵小虎, 闫坤程

2022, 48(2): 29-34,41. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17824

<摘要>(519) <HTML> (25) <PDF>(120)

摘要:
针对煤矿井下复杂环境中非视距（NLOS）干扰影响无线信号传输问题，设计了一种煤矿井下超宽带（UWB）人员定位系统。该系统采用带有回传帧机制的非对称双边双向测距算法进行测距，无需时钟同步，保证了测距精度；采用区域判定策略和区域校正策略划分定位区域，使得标签只与自身所在定位区域内基站通信实现定位，避免了定位过程中的大量无效帧问题，提高了定位效率；采用加权最小二乘法与无损卡尔曼滤波联合定位算法解算标签位置坐标，提高了定位精度；在基站中配置了备用电源，保证在断电情况下的应急供电；采用以太网与LoRa 2种通信方式，在以太网断线情况下以LoRa方式传输测距数据，保证了系统应急通信。测试结果表明：该系统具有较高的动静态定位精度，抗NLOS干扰能力较强；在基站断电或以太网断线情况下，系统能够实现一段时间内的应急通信。

煤矿井下无人驾驶无轨胶轮车目标3D检测研究

秦沛霖, 张传伟, 周李兵, 王健龙

2022, 48(2): 35-41. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110068

<摘要>(1617) <HTML> (37) <PDF>(80)

摘要:
基于3D检测的环境感知是实现煤矿井下无轨胶轮车无人驾驶技术的基础。因井下环境中光照不足，导致RGB图像信息缺失，且巷道空间狭小导致激光雷达采集的点云数据存在较多噪声，现有的基于图像或雷达点云的目标3D检测方法在井下难以取得较好的检测效果。针对该问题，提出一种融合图像和雷达点云的无人驾驶无轨胶轮车目标3D检测方法。针对获取的无轨胶轮车行驶环境数据进行预处理：采用全局直方图均衡化方法提升RGB图像亮度，降低井下光照不均影响；对雷达点云数据进行双边滤波去噪及主成分分析降维处理，以提升点云数据质量，减少运算时间。设计了一种融合图像与雷达点云检测模型，采用区域生成网络生成2D图像候选区域，对其与点云数据进行早期特征级融合生成3D候选区域，并与经感兴趣区域池化的图像和点云数据进行后期区域级融合，输出3D检测锚框，实现目标检测。实验结果表明，与基于YOLO3D，MV3D模型的检测方法相比，该方法对待测目标的检测精度较高，较好地实现了精度与检测速度的平衡。井下测试结果表明，该方法能够准确检测出无轨胶轮车行驶环境中的行人或车辆位置，无漏检情况，具有良好的井下适应性。

基于OPC UA的智能化综采工作面信息模型

杜毅博, 张乘风, 巩师鑫

2022, 48(2): 42-48. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090040

<摘要>(286) <HTML> (23) <PDF>(42)

摘要:
针对综采工作面各系统进行数据对接过程中，需要频繁进行数据点表与语义对应，导致综采工作面系统互联和数据共享成本激增的问题，提出了一种基于过程控制统一对象模型（OPC UA）的智能化综采工作面信息模型。根据智能化综采工作面的物理组成、功能模块及各模块间的信息流要求，采用面向对象的方式给出了智能化综采工作面信息模型架构。在该架构的基础上，对综采工作面中物理对象及开采过程数据进行数字化和模型化描述，形成工作面级信息模型。详细介绍了信息模型中基础组件、监控组件集与功能组件集对象涉及的静态属性集和过程属性集的各类元素。采用OPC UA与统一建模语言（UML）联合建模方式对智能化综采工作面信息模型进行实例化：利用UML类图辅助进行信息模型结构的描述，然后转换为OPC UA信息模型XML描述文件，将信息模型结构数据和属性数据映射到OPC UA地址空间模型，启动OPC UA服务器。实际应用结果表明，综采工作面各系统可访问服务器地址空间，顺利获取智能化综采工作面信息模型的结构和对象数据语义，从而快速完成数据的采集、入库和更新。为验证信息模型的应用效果，在OPC UA服务器开发的基础上，开发了综采工作面信息管理与集成分析平台，现场应用试验表明，平台显示的监控数据与现场实际运行结果一致，后台数据均来源于地址空间信息模型，从而验证了信息模型结合OPC UA协议实现综采工作面信息互联互通的可行性。

井下巷道内智能传感器移动轨迹研究

柏思忠

2022, 48(2): 49-54. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021080081

<摘要>(153) <HTML> (12) <PDF>(29)

摘要:
针对现有组合惯性导航方式应用于井下巷道内智能传感器时失去完全自主优势和增加成本的问题，首先将井下巷道分解为多个一定垂高的二维平面，在二维平面形成多条既定路径，将智能传感器定位问题转换为既定路径上的移动轨迹跟踪问题；然后选用基于微机电系统的惯性测量单元（MEMS-based IMU）实现井下巷道内智能传感器惯性导航，结合零速修正和既定路径标定的方式反演移动轨迹。智能传感器在既定路径起始点零速修正后，整个既定路径上的移动分为直线惯性导航和交叉点标定2种模式。直线惯性导航：传感器航向角和横滚角变化值不超过阈值时，通过惯性导航组件解算得到传感器速度、位置和姿态角，计算出实时相对坐标和运动路径。交叉点标定：传感器运动到交叉点处时，根据交叉点已知坐标值对当前实时值进行校准，消除惯性导航的累计误差。在地面环形道路的试验结果表明：在未标定情况下，纯惯性导航的航向偏差约为30°，移动距离相对误差为5.5%；进行既定路径交叉点标定后，航向偏差约为2°，移动距离相对误差为0.8%，标定后移动轨迹和实际道路吻合程度更高。

正断层影响下顺层钻孔有效抽采半径研究

江明泉, 康向涛, 鄢朝兴, 唐猛, 王子一

2022, 48(2): 55-60. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070015

<摘要>(146) <HTML> (9) <PDF>(18)

摘要:
合理的钻孔有效抽采半径是保证瓦斯抽采效果的关键。但目前对钻孔有效抽采半径的研究主要集中在测定方法方面，缺乏对正断层特殊地质条件下的钻孔有效抽采半径研究。以贵州某矿采煤工作面为工程背景，构建流固耦合模型，采用数值模拟与钻孔抽采瓦斯量法相互验证的方式分析了无断层影响下顺层钻孔有效抽采半径变化规律，结果表明：瓦斯抽采120 d时，有效抽采半径数值模拟结果为3.10 m，现场试验结果为2.93 m，现场试验结果与数值模拟结果基本一致，验证了流固耦合模型的可靠性。利用多物理场耦合仿真软件分析了正断层影响下顺层钻孔有效抽采半径的变化规律，结果表明：在一定抽采时间范围内，钻孔距正断层一定距离时，瓦斯压力曲线会出现驼峰状分布，且峰值间隔约为3.5 m；正断层附近钻孔有效抽采半径随距断层距离的增大而增大，正断层对钻孔有效抽采半径的影响范围在距断层70 m内。结合正断层影响下的分析结果，在保证抽采效果和不延长抽采时间的前提下，对正断层附近瓦斯抽采钻孔布孔间距实施分段布置：在靠近断层30 m内密集布置钻孔，布孔间距应不大于距断层10 m时的有效抽采半径（1.83 m）；在距断层30~70 m范围内，在保证安全的情况下，可适当加大钻孔的布孔间距；在距断层70 m外，可逐步恢复至无正断层影响下顺层钻孔的布孔间距。

浅埋双硬特厚煤层放煤规律分析及参数研究

孙强, 单成方, 李亚锋, 王坚坚, 张昊, 张加齐, 武中亚

2022, 48(2): 61-69. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070054

<摘要>(186) <HTML> (15) <PDF>(19)

摘要:
新疆地区煤炭资源埋藏较浅、煤层较厚、煤层与顶板坚硬而导致顶煤冒放性较差，无法实现安全高效放顶煤开采，并且目前针对浅埋双硬特厚煤层综放工作面高效放煤的相关研究较少。针对上述问题，以榆树岭煤矿110501综放工作面为工程背景，对浅埋双硬特厚煤层放煤规律进行研究，从而确定合理的采放比及放煤工艺，提高采出率。采用FLAC3D软件分析了综放工作面回采过程中煤岩破坏规律，以设计合理采放比。结果如下：① 随着工作面采高不断增大，顶煤及煤帮的屈服破坏系数不断增大，且工作面煤帮超前支承应力峰值和影响区域逐渐增大。② 综合考虑顶煤、煤帮的稳定性和冒放性，设计采高为4.0 m，放顶煤高度为4.6 m，采放比为1∶1.15。利用PFC2D软件分析了综放工作面顶煤冒放规律，以设计合理放煤工艺（包括放煤步距和放煤方式）。结果如下：① "一采一放"含矸率比"两采一放""三采一放"高，但由于放煤步距较小，整体放出率高于"两采一放""三采一放"，因此选用"一采一放"的放煤步距。② 单轮放煤相比于2轮放煤，放煤速度高，但含矸率较大，放出率较小；2轮间隔放煤与2轮顺序放煤相比，放出率较高，因此选择2轮间隔放煤方式。将设计的采放比和放煤工艺应用于110501综放工作面工程实践，结果表明：该工作面顶煤放出率为82%~87%，平均放出率大于82%，放煤效果较好。

厚硬顶板多煤层开采煤柱型冲击显现分析

杨伟, 兰世瑞, 李振雷, 张传玖, 李红平, 钟涛平, 宋大钊, 周超

2022, 48(2): 70-76. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021050071

<摘要>(187) <HTML> (13) <PDF>(12)

摘要:
现有研究只是针对特定条件下的冲击显现特征进行分析，缺乏对厚硬顶板条件下煤柱诱发冲击显现的研究。针对该问题，以新疆某矿I010203工作面为研究对象，采用现场监测、数值模拟手段，分析了厚硬顶板多煤层开采条件下的工作面冲击显现特征及原因。通过分析现场监测的微震大能量事件空间分布规律、支架压力分布特征，以及数值模拟的工作面回采期间围岩应力分布特征，得出结论：工作面运输巷区域应力集中程度和微震事件密集程度均高于回风巷区域，顶板与煤层区域应力集中程度与微震事件密集程度大于底板区域。基于上述结果，采用动静载叠加诱冲理论分析了I010203工作面开采过程中煤柱型冲击显现原因：① 运输巷区段煤柱上方易产生侧向悬顶，长悬顶突然破断并产生大量动载荷，同时在开采过程中煤柱和顶板积聚了大量静载荷，当两者叠加超过临界载荷时可能造成工作面冲击显现或大能量事件；I010203工作面回采过程中受煤柱集中应力、上覆顶板及围岩支承应力等主控因素影响，易产生煤柱型、厚硬顶板垮落型冲击显现。② 当工作面回采位置逐渐接近"刀把形"采空区边界时，边界应力向下传递至I010203工作面，从而导致I010203工作面冲击危险性进一步增大。

CO对瓦斯爆炸反应影响机理研究

霍小泉, 寇义民, 闫振国, 范智海, 贺雁鹏

2022, 48(2): 77-82. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021080033

<摘要>(203) <HTML> (20) <PDF>(14)

摘要:
目前针对瓦斯爆炸的研究大多以CH₄与空气混合气体为研究对象，而煤矿瓦斯爆炸并非单独的CH₄爆炸，往往存在CO等组分，对瓦斯爆炸产生一定影响。为揭示CO对瓦斯爆炸反应的影响机理，在20 L球形爆炸罐中测试了9.5% CH₄与0~4%CO混合气体的爆炸压力，结果表明：随着CO浓度增大，混合气体最大爆炸压力呈先增大后减小趋势，CO体积分数为2%时最大，为624.9 kPa。在Chemkin-Pro数值模拟软件中，采用GRI-mech 3.0机理，从化学动力学角度对CO，CH₄与空气混合气体爆炸反应进行了温度敏感性和关键自由基分析，得出CO对瓦斯爆炸反应的影响机理：在9.5%CH₄中添加少量CO可使爆炸反应体系中燃料浓度接近实际化学计量值，此时CO对瓦斯爆炸反应的促进作用占主导地位，宏观上体现为最大爆炸压力随CO浓度增大而增大；随着CO浓度继续增大，爆炸反应体系出现贫氧状态，阻碍温度升高的98，120号基元反应得到促进，促进温度升高的57，170号基元反应被抑制，宏观上体现为随着CO浓度增大，爆炸反应体系温度降低，最大爆炸压力减小；CO对自由基峰值物质的量浓度出现时间起延迟作用，添加CO后爆炸反应的点火延迟时间增大，从而降低了爆炸反应速率。

井下磁耦合无线电能传输系统的全谐振特性分析

张莲, 杨洪杰, 经廷伟, 李涛, 张路

2022, 48(2): 83-92. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021110064

<摘要>(223) <HTML> (18) <PDF>(18)

摘要:
在井下应用磁耦合无线电能传输（MC-WPT）系统供电时，如果系统参数配置不当会引起系统输入阻抗呈非纯阻性，从而造成系统失谐，影响井下电力设备的供电效率。MC-WPT系统二次侧采用串联补偿（S）时易于实现谐振，但在二次侧采用并联补偿（P）时，现有研究都是在系统仅一次侧谐振、二次侧未谐振导致系统未全谐振的基础上进行的。针对上述问题，提出了一种MC-WPT系统的全谐振补偿方式。以SP型、PP型、LCC-P型和LCL-P型补偿拓扑作为二次侧并联MC-WPT系统研究对象，利用阻抗分析法得到系统处于全谐振状态的参数约束关系，并采用Matlab/Simulink对传统补偿方式和全谐振补偿方式进行仿真对比，结果表明：全谐振补偿方式下的SP型、PP型、LCL-P型补偿拓扑输出功率大于传统补偿方式下的输出功率，LCC-P型补偿拓扑输出功率小于传统补偿方式下的输出功率；在全谐振补偿方式下，SP型与PP型拓扑效率与传统补偿方式下的效率相差不大，LCC-P型拓扑效率远高于传统补偿方式下的效率，LCL-P型拓扑效率略低于传统补偿方式下的效率；全谐振模式下系统无需提供无功功率，视在功率等于给定的输出功率；全谐振补偿方式下SP型拓扑更适合应用于煤矿井下，不受互感变化影响，但受电阻负载影响较大。针对全谐振补偿方式下SP型MC-WPT系统谐振频率受电阻负载影响及电阻负载具有下限值的问题，利用DC-DC变换器，将阻抗匹配与有源功率因数校正相结合，实现系统整流桥输入侧等效阻抗始终等于预设谐振频率对应电阻值，同时保证系统整流桥输入电流与电压同相位，降低DC-DC变换器的引入对系统阻抗的影响。以SP型MC-WPT系统为实验对象进行验证，结果表明：SP型MC-WPT系统在全谐振补偿优化方式下能脱离电阻负载的束缚，系统不受互感影响及负载变化影响，稳定在全谐振模式下，提高了输出功率与输出效率。

一种煤矿井下无线自组网灾后重构算法

胡青松, 王胜男

2022, 48(2): 93-99. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17865

<摘要>(185) <HTML> (23) <PDF>(26)

摘要:
矿井事故常导致部分通信链路损坏、通信网络连通性恶化，利用残存节点和有限的新设节点，通过构造局部虚拟骨干网方式重构矿山救援网络可降低网络能量开销，增强连通覆盖控制能力。提出了一种基于多维度虚拟骨干网构造的煤矿井下无线自组网灾后重构算法。考虑无线传感器网络介数中心度、节点紧密度、节点剩余能量筛选机制3个维度，构建了虚拟骨干网节点综合评价指标，选取综合评价指标大的节点作为统治节点，以增强虚拟骨干网的鲁棒性，延长网络寿命。介绍了虚拟骨干网构造过程：在初始阶段，通过多轮选举产生统治节点并更新支配集；在支配集连接阶段，选举出中继节点，各统治节点、中继节点建立连接，形成连通支配集。采用一阶无线电能耗模型分析了虚拟骨干网能耗。采用Matlab R2017A平台对基于该算法重构的网络进行仿真实验，结果表明网络剩余能量、统治节点数量、节点覆盖率等指标均优于采用基于休眠机制和能量均衡的连通支配集算法、能量均衡的最小连通支配集算法构建的网络。

井下履带式探测机器人及其运动抗扰控制研究

单杰, 关丙火

2022, 48(2): 100-106,146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021050033

<摘要>(779) <HTML> (11) <PDF>(27)

摘要:
井下履带式探测机器人作业环境复杂，需携带多种探测或救援装备并进行爬坡越障，易导致负载扰动，具有较强非线性和不确定性，此外，用于机器人动力驱动的永磁同步电动机（PMSM）本身是多变量、强耦合的非线性系统，目前常规的基于误差的比例积分微分（PID）控制器很难满足控制需求。针对上述问题，设计了一种四摆臂井下履带式探测机器人，并进行了爬坡越障性能分析，得出了平地直行和直行爬坡2种工况下机器人PMSM的转矩和转速；对PMSM进行建模分析，速度环采用自抗扰控制器（ADRC），电流环采用比例积分（PI）控制器，设计了ADRC+PI控制方案；采用磁场定向控制（FOC）技术对PMSM进行驱动，从而提升机器人在井下作业时的响应性能和抗干扰性能。对ADRC+PI控制方案和常规PI+PI控制方案进行仿真和对比分析，得到2种工况下PMSM的转速、转矩、相电流响应曲线，结果表明：在2种工况下，采用ADRC+PI控制方案时机器人PMSM的转速和转矩响应控制更精准，具有更小的超调量和更短的调节时间，应对外部突变干扰的能力更强，能有效提升井下履带式探测机器人的爬坡越障性能和作业稳定性。

矿井带式输送机运行状态预测方法

李敬兆, 孙杰臣, 叶桐舟

2022, 48(2): 107-113. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021080074

<摘要>(227) <HTML> (10) <PDF>(28)

摘要:
传感器监测数据结合神经网络预测模型是矿井带式输送机运行状态预测的主流方法，但利用接触式传感器对带式输送机运行状态进行监测存在安装不便、数据误差大等问题，导致带式输送机运行状态预测精度不高。针对该问题，提出了一种基于音频信号的矿井带式输送机运行状态预测方法。首先，采用高通滤波器和Boll谱减法对带式输送机运行时的原始音频信号进行滤波降噪处理。然后，通过预加重、分帧加窗、傅里叶变换、梅尔滤波器能量计算、离散余弦变换等提取音频信号的梅尔频率倒谱系数（MFCC）第1维分量（MFCC₀），并输入至残差块优化的卷积神经网络结合长短期记忆网络（Res-CNN-LSTM）预测模型，以减少预测模型的输入数据量。最后，通过添加残差块的CNN自适应提取带式输送机音频信号的MFCC₀空间特征并对数据进行降维，基于LSTM提取降维数据的时间特征，从而提高带式输送机运行状态预测精度。实验结果表明，MFCC₀可有效表征带式输送机不同运行状态时的音频信号特征；与CNN，LSTM，CNN-LSTM模型相比，Res-CNN-LSTM模型对带式输送机运行状态的预测更准确。

井下生产操作实践中疲劳状态感知

刘毅, 张纬韬, 张帆

2022, 48(2): 114-118,130. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17875

<摘要>(253) <HTML> (25) <PDF>(19)

摘要:
煤矿事故中人为因素引发的事故主要由井下作业人员疲劳和注意力不集中引发的误操作造成。现有基于生理信号或眼部图像的人员疲劳检测方法存在实施复杂、适应性差、准确率低、易漏报和误报等问题。针对上述问题，设计了一种基于头部姿态监测的井下人员疲劳状态感知装置。当井下人员处于疲劳状态时，会产生头部下垂动作，大脑通过耳蜗感知到头部失去平衡，为了恢复平衡和保持清醒，大脑会控制颈部进行恢复性抬头动作，从而形成一个周期性点头动作。在安全帽上安装九轴姿态传感器采集角速度、加速度、磁场强度，通过数据融合得到头部姿态数据，利用四元数法解算头部姿态角，并根据头部姿态角捕捉点头动作，当单位时间内点头动作占比超出阈值，则判断人员处于疲劳状态，发出声光预警，并通过无线方式向地面监控终端发送预警信号。实验结果表明，该装置能准确获取头部姿态角，捕捉疲劳特征动作，并有效判断井下人员是否处于疲劳状态。该装置具有体积小、质量轻、功耗低、易于实施等特点，可为生产操作实践中操作疲劳监测提供技术借鉴。

高精度矿用超声波风速测量仪设计

李秉芮, 刘娜, 井上雅弘

2022, 48(2): 119-124. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021090012

<摘要>(308) <HTML> (11) <PDF>(29)

摘要:
针对现有风速测量仪的最低测量风速不能满足矿井低风速条件下精准测风需要的问题，基于超声波时差法风速测量原理，设计了一种具有低启动风速的高精度矿用超声波风速测量仪。采用2个超声波发射探头和2个接收探头交错设置，形成2个超声波传播通路，分别测定超声波在特定风速场中的顺风和逆风传播时间，利用超声波在空气中的传播速度与风流速度的叠加效应，求解发射和接收探头间的平均风速（温度对风速测量的影响可以忽略不计）。为分析超声波探头方向对测量准确性与可靠性的影响，采用4种不同探头布置方式进行实验，结果表明，超声波探头方向错位越严重，风速标准差和波动范围越大，因此，采用红外定向装置校准风速测量仪安装位置，以减小超声波探头方向错位引起的测量误差。选用滑动平均法对原始风速波形曲线进行平滑处理，以消除随机噪声，提高输出风速的稳定性。通过分析测量精度影响因素，确定超声波发射频率为40 kHz，待机时间为100 ms。理论计算和实验结果表明：该风速测量仪的分辨率为0.01 m/s，测量误差为±0.1 m/s，启动风速低于0.1 m/s，可以满足矿井低风速巷道的精准测风要求。

考虑煤基质压缩效应的煤全孔径分布特征研究

刘纪坤, 任棒, 王翠霞

2022, 48(2): 125-130. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021060077

<摘要>(202) <HTML> (25) <PDF>(19)

摘要:
采用单一煤孔隙结构表征方法只能对某一孔径范围内的孔隙结构进行表征，联合压汞法和低温液氮吸附法可表征煤全孔径分布特征，然而煤基质压缩效应会给孔径分布测量结果带来误差，且目前的研究均未考虑煤基质压缩效应对孔径分布测量结果的影响。为研究不同变质程度煤全孔径分布特征，选取4种煤样进行压汞和低温液氮吸附实验。当汞压为0.124~20 MPa时，煤基质被压缩，孔隙结构发生变形，且随着汞压增加，煤基质压缩效应逐渐明显，孔隙结构变形程度逐渐增加；当汞压为20~206 MPa时，煤基质压缩效应显著，孔隙结构遭到破坏。考虑煤基质压缩效应的影响，提出了一种联孔分析原则：将联孔分界点设定为62.35 nm（汞压为20 MPa时对应的孔径为62.35 nm），当孔径小于62.35 nm时，采用低温液氮吸附法分析孔体积和比表面积；当孔径大于62.35 nm时，结合煤基质压缩性系数对压汞法所测累计进汞体积进行校正来分析孔体积和比表面积。结果表明：微孔和过渡孔对比表面积的贡献最大，中孔及大孔对孔体积的贡献最大；煤样变质程度越大，微孔和过渡孔对比表面积的贡献越大，中孔及大孔对孔体积的贡献越大。

不同岩性煤岩电位信号变化规律及机制研究

王仲强, 李忠辉, 张昕, 臧泽升, 张全聪, 王学兵

2022, 48(2): 131-137. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021100018

<摘要>(261) <HTML> (33) <PDF>(21)

摘要:
煤岩变形破坏过程中产生的电位信号能够较好表征煤岩损伤演化过程，在煤岩动力灾害监测预警领域具有良好应用前景。目前大多研究主要针对同一类型煤岩失稳破坏的电位特征及规律，对不同类型煤岩失稳破坏的电位特征对比分析缺乏系统研究，同时在微观层次上不同岩性煤岩结构破坏过程及组分对表面电位信号的产生机制影响对比研究较少。为深入研究不同岩性煤岩电位信号响应规律及差异性，选用石墨、原煤、砂岩、花岗岩4种试样进行单轴加载并同步采集其损伤破坏过程中产生的电位信号，分析了4种试样受载破坏的电位信号变化特征。结果表明：石墨试样整体电位信号值相对较低，在裂纹损伤和不稳定裂纹扩展阶段电位信号有较大波动；原煤试样电位信号波动与载荷波动一致，整体电位信号变化相对稳定；砂岩试样电位信号值在压密阶段和弹性变形阶段增大速率较快；花岗岩试样电位信号在裂纹损伤和不稳定裂纹扩展阶段波动较大，电位信号值增大速度加快。通过扫描电子显微镜和X射线荧光光谱仪，从微观结构及组分方面解释了不同岩性煤岩试样电位信号的产生机制。结果表明：在煤岩加载的压密阶段和弹性变形阶段阶段，石墨试样和原煤试样从微观上看有较多的糜棱状划痕，表明摩擦效应是石墨试样和原煤试样的重要带电原因，砂岩试样和花岗岩试样含有较多的O、Si元素，压电效应是砂岩试样和花岗岩试样的关键带电原因，而砂岩试样的电位信号受压电效应的影响更大；在煤岩加载的裂纹萌生和裂纹稳定增长阶段、裂纹损伤和不稳定裂纹扩展阶段、卸载阶段，各煤岩试样电位信号产生原因以试样内部的裂纹扩展和摩擦效应为主，其中裂纹扩展是煤岩电位信号产生的重要原因，裂纹尖端的电荷分离主要包括裂纹尖端应力集中引起的电子逃逸、裂纹扩展引起的裂纹面电荷分离和裂纹尖端放电3个方面。

矿用防爆柴油机瞬态工况特性及参数优化

魏肖, 鲍久圣, 谭飞, 袁晓明, 阴妍, 张磊

2022, 48(2): 138-146. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021080060

<摘要>(188) <HTML> (21) <PDF>(21)

摘要:
现有防爆柴油机是在地面柴油机的进气系统和排气系统加装防爆阻火器改造而成。煤矿井下工况复杂，防爆柴油机经常处于启停、加减速等瞬态工况，而防爆阻火器的加装导致柴油机进排气严重受阻，瞬态工况下进排气系统迟滞加重，瞬态工况特性恶化严重。针对该问题，利用GT-POWER建立了防爆柴油机稳态仿真模型，利用Simulink建立了防爆柴油机瞬态工况控制模型，并将瞬态工况控制模型与稳态仿真模型耦合形成防爆柴油机瞬态仿真模型。基于防爆柴油机瞬态仿真模型，对恒转速变转矩和恒转矩变转速2种典型瞬态工况下防爆柴油机动力性能进行了仿真分析，结果表明：恒转速变转矩瞬态工况下，与防爆改造前柴油机相比，防爆柴油机空燃比下降更快，缸内最大爆发压力降低，转矩迟滞现象更明显，且转矩升高越快，迟滞效应越严重；恒转矩变转速瞬态工况下，防爆柴油机空燃比随着转速增大而减小，但小负荷增转速过程对空燃比的影响较小。为合理优化防爆柴油机参数，仿真分析了喷油提前角和进排气防爆阻火器栅栏数量对防爆柴油机动力和排放性能的影响，结果表明：缸内最大爆发压力、最高燃烧温度、摩擦转矩和功率均随喷油提前角增大而增大，CO和HC体积分数随喷油提前角增大而减小，NO_x体积分数随喷油提前角增大而增大；随着进排气防爆阻火器栅栏数量增多，防爆柴油机缸内最大爆发压力增大、最高燃烧温度减小，进排气防爆阻火器栅栏数量增多对防爆柴油机摩擦转矩和功率的影响几乎可以忽略不计，但对尾气排放浓度有一定的抑制作用；适当增大喷油提前角和进排气防爆阻火器栅栏数量，可在一定程度上改善防爆柴油机瞬态工况特性。

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2022年第48卷第2期

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