工矿自动化

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葛世荣

2020, 46(4): 1-9. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020030070

<摘要>(145) <HTML> (11) <PDF>(34)

摘要:
基于时间维度梳理了智能化采矿概念，提出智采工作面定义——一个在不同程度上无需人工干预而独立完成采煤作业的生产系统，指出智采工作面的基础是智能机器，其特征是自主感控，功能是独立作业，目的是无人化开采。明确了智采工作面应具有自主感知、自主决策、自主控制、自主协同、自主交互等5个智能要素。根据这些智能要素的水平差异，将智采工作面划分为初级、中级和高级，其发展与自动化、信息化、互联化工作面建设相衔接，是一个渐进提升的过程：预计到2025年左右，我国重点煤矿将实现初级智能化采煤作业；到2035年进入中级智能化，智采工作面具有自主感知、自主调控能力，在条件较好的一些煤矿基本实现无人化采煤作业；2045年左右，我国煤矿将建成高级智采工作面，实现工作面无人化开采。为此，构建了智采工作面评价指标体系，介绍了定性的蛛网图评价法和定量的层次分析评价法。为了提高智采工作面建设系统性，建立了智采工作面耦合关联模型，提出采煤工艺、设备和煤流的3个智能闭环，以提高采煤与煤层、支护与岩层、运输与割煤的自适应性；提出一个涵盖功能维、技术维和组织维的智采工作面体系架构，为智采工作面实现跨机群、跨平台的纵向和横向集成，形成协同与共治的智能开采生态提供模型化基础。

煤与瓦斯突出协同预测技术研究及应用

徐雪战

2020, 46(4): 10-16. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019080073

<摘要>(81) <HTML> (14) <PDF>(12)

摘要:
针对现有煤与瓦斯突出预测技术难以实现时间和空间领域的全方位连续预测、防突预测结果利用率低、预测信息发布滞后等问题，提出了一套适用于现代化高产高效矿井的多因素、全方位、时空连续型的煤与瓦斯突出协同预测技术体系。按照煤与瓦斯突出形成的时空维度，将煤与瓦斯突出危险性预测划分为以空间维度为主的区域突出危险性预测和以时间维度为主的局部突出危险性预测。通过对地质构造、煤层埋深、煤体煤质、软煤分布、钻屑指标、瓦斯涌出初速度等区域、局部防突预测数据的深度挖掘分析，得到区域、局部突出危险性预测结果，并按照一定规则进行有效融合，实现时间和空间范围内的连续监测预警。研发了配套的防突信息综合管控平台和WTC-1型瓦斯突出数据采集仪，为煤与瓦斯突出协同预测技术的实现提供了软硬件支撑。现场应用结果表明，该技术预测准确率超过90%，防突预测结果单次审批时间缩短为原来的22.5%，防突信息综合管控平台多次超前捕捉到了煤与瓦斯突出危险，提高了矿井防突信息利用效率。

基于图像识别的带式输送机输煤量和跑偏检测方法

韩涛, 黄友锐, 张立志, 徐善永, 许家昌, 鲍士水

2020, 46(4): 17-22. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019080055

<摘要>(111) <HTML> (19) <PDF>(31)

摘要:
传统的卷积神经网络（CNN）是单任务网络，为实现带式输送机输煤量和跑偏的同时检测，使用2个卷积神经网络分别对输煤量和跑偏进行检测，导致网络体积大、参数多、计算量大、运行时间长，严重影响检测性能。为降低网络结构的复杂性，提出了一种基于多任务卷积神经网络（MT-CNN）的带式输送机输煤量和跑偏检测方法，可使输煤量检测和跑偏检测这2个任务共享同一个网络底层结构和参数。在VGGNet模型的基础上，增大卷积核和池化核的尺度，减少全连接层通道数量，改变输出层结构，构建了MT-CNN；对采集的输送带图像进行灰度化、中值滤波和提取感兴趣区域等预处理后，获取训练数据集和测试数据集，并对MT-CNN进行训练；使用训练好的MT-CNN对输送带图像进行识别分类，实现输煤量和跑偏的准确、快速检测。实验结果表明，训练后的MT-CNN在测试数据集中检测准确率为97.3%，平均处理每张图像的时间约为23.1 ms。通过现场实际运行验证了该方法的有效性。

下伏被保护层双重采动影响下覆岩瓦斯富集规律

周银波, 黄继磊, 王思琪, 赵周, 许静心, 陈亮

2020, 46(4): 23-27. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019080004

<摘要>(76) <HTML> (12) <PDF>(9)

摘要:
下伏被保护层开采过程中，覆岩在双重采动影响下遭到二次破坏，形成不同于单层开采条件下的垮落特征，同时对采场瓦斯运移富集状态产生影响。以青东煤矿下伏被保护层开采为研究背景，采用相似模拟实验和理论分析方法，研究了采场覆岩在双重采动影响下的垮落特征和瓦斯富集规律，结果表明：在下伏被保护层双重采动影响下，采场覆岩在短时间内发生大范围运动，周期性地形成二次采动影响区；采场内原本富集稳定的瓦斯涌入二次采动影响区，造成该区域短时间内瓦斯富集并发生周期性变化。根据研究结果，在青东煤矿下伏被保护层828工作面施工高位钻孔，对瓦斯富集区进行抽采，通过分析瓦斯抽采浓度，验证了二次采动影响区的存在和瓦斯富集规律，并取得了良好的瓦斯治理效果。

矿井突水水源判别方法

姜子豪, 胡友彪, 琚棋定, 周露, 张淑莹

2020, 46(4): 28-33. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019070087

<摘要>(133) <HTML> (12) <PDF>(15)

摘要:
针对现有基于水化学特征的突水水源判别方法过程繁琐、难以判别单个涌水点、忽略了水化学特征之间的相互关联、计算量大等问题，结合Bayes判别法和可拓判别法，提出了一种基于Bayes-可拓判别法的矿井突水水源判别方法。选取潘二煤矿26组不同含水层水样、4组待判水样，以水样中SO2-4，Cl-，HCO-3，K++Na+，Mg2+，Ca2+含量作为水化学特征指标，建立了水样物元模型，采用可拓判别法求得待判水样与已知水样的关联度；结合Bayes判别法的误判损失和待判水样关于已知水样的密度函数，得出Bayes-可拓解，根据Bayes-可拓解最小值判断突水水样类型。分别采用Piper三线图、可拓判别法、Bayes-可拓判别法判别矿井突水水样类型，结果表明：Piper三线图难以准确判断某一水样类型，可拓判别法存在误判情况，Bayes-可拓判别法能够准确判别突水水样类型。

煤矸石自燃氧化过程中自由基变化规律研究

王思栋, 刘英忠, 徐超

2020, 46(4): 34-37. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019120025

<摘要>(63) <HTML> (11) <PDF>(9)

摘要:
为了从微观层面研究煤矸石自燃氧化特性，利用煤矸石自由基测定实验系统，分析了煤矸石自燃氧化过程中自由基变化规律。结果表明：随着温度的升高，自由基浓度先缓慢增加后快速增加，g因子先缓慢减小后快速增加再减小，CO生成量先缓慢增加后快速增加；含硫量越高，煤矸石由缓慢氧化达到快速氧化的临界温度及g因子快速增加所需的温度越低，CO生成量越大。可见含硫量对煤矸石自燃表现出促进作用，因此在煤矸石堆积之前应对煤矸石进行脱硫处理。

一种井下人员无线定位算法研究

刘夏, 李国良, 张灵峰, 汪郁, 孙虎, 黄启能, 丁琼

2020, 46(4): 38-45. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019110023

<摘要>(53) <HTML> (12) <PDF>(9)

摘要:
针对传统井下指纹定位算法存在需要采集大量指纹数据和定位精度不高的问题，提出了一种差分鱼群优化最小二乘支持向量机(DEAFSA-LSSVM)的井下人员无线定位算法。首先将井下实验区域划分为多个小区域，并利用克里金插值算法建立指纹数据库；然后利用差分进化与人工鱼群混合智能算法优化正则化参数和核函数宽度，建立最小二乘支持向量机算法模型，利用无线采集接收终端采集待定位点的无线信息数据，通过最小二乘支持向量机算法模型计算出其所属小区域；最后利用小区域内无线信息数据,通过加权K近邻算法进行实时定位。实验结果表明：该定位算法的收敛速度快，分类准确，准确率达到98.87%；定位精度高，平均定位误差为1.51 m，比未经优化的最小二乘支持向量机算法的定位精度提高18.82%。

基于IPSO-Powell优化SVM的煤与瓦斯突出预测算法

吴雅琴, 李惠君, 徐丹妮

2020, 46(4): 46-53. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019110018

<摘要>(60) <HTML> (11) <PDF>(9)

摘要:
针对基于支持向量机（SVM）的煤与瓦斯突出预测算法存在预测精度和可靠性不高，选择核函数时未考虑非线性数据的分类，对非线性分布的煤与瓦斯突出影响因素提取效果较差的问题，提出了一种将改进的粒子群(IPSO)算法与Powell算法相结合（IPSO-Powell）优化SVM的煤与瓦斯突出预测算法。首先通过灰色关联分析提取出煤与瓦斯突出主控因素，即瓦斯放散初速度、瓦斯压力、开采深度、瓦斯含量和煤体破坏类型，作为算法的输入样本；然后运用IPSO算法改善粒子群算法（PSO）的早熟收敛性，结合Powell算法进行局部搜索得到最优解，对SVM算法的惩罚系数和高斯核函数参数进行寻优，得到SVM的最优参数组合；最后将煤与瓦斯突出的主控因素输入到SVM中进行分类，并将其与实际测试集分类结果进行对比，实现煤与瓦斯突出预测。仿真结果表明：与SVM算法、GA-SVM算法、PSO-SVM算法相比，利用IPSO-Powell优化SVM算法进行煤与瓦斯突出预测，具有更高的预测精度，同时提高了 SVM 求解过程的运算效率，能同时满足煤与瓦斯突出预测的精度和可靠性要求，准确率达到95.9%。

磁耦合谐振式无线电能传输系统传输特性研究

孙翔宇, 龚立娇, 李宏伟, 靳郑伟

2020, 46(4): 54-59. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090001

<摘要>(113) <HTML> (10) <PDF>(10)

摘要:
针对磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）系统中线圈参数和负载电阻改变对系统传输性能造成的影响，利用两线圈结构的MCR-WPT等效电路模型，推导了系统输出功率和效率表达式，分析了线圈互感、负载电阻与系统输出功率和传输效率的关系，以及线圈线径、匝数与互感的关系；借助COMSOL有限元仿真软件建立线圈三维模型，并搭建多组两线圈MCR-WPT实验系统对理论分析结果进行了验证。研究结果表明：通过增大收发线圈线径和匝数，可以提高系统输出功率和传输效率，但与线圈线径相比，线圈匝数对传输效率的影响更为明显，而且随着匝数的增加,系统会在更远的传输距离处取得输出功率最大值；随着负载电阻不断增大，系统输出功率和传输效率都呈现先增加后减小的趋势，证明了系统的输出功率和传输效率均存在最大值，但系统输出功率和传输效率达到最大值时的最佳负载不同，即不存在可使输出功率和传输效率同时取最大值的最优负载电阻。

线圈间距对谐振式无线电能传输系统性能的影响

乔振朋, 王赛丽, 郭果, 杨征, 刘涛, 余开伟

2020, 46(4): 60-65. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090007

<摘要>(82) <HTML> (10) <PDF>(10)

摘要:
针对线圈间距是衡量无线电能传输距离的关键指标，研究了线圈间距对谐振式无线电能传输系统性能的影响。建立了四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统模型和PCB平面螺旋线圈模型，通过Matlab仿真分析源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈之间的距离对系统传输效率和输出电压的影响，并搭建实验平台对仿真结果进行了验证。结果表明，线圈间距对系统传输效率有显著影响，系统输出的负载电压随着发射线圈和接收线圈间距d23、源线圈和发射线圈间距d12的增大呈现先增大后减小的规律，选择合适的d23和d12可使系统输出电压达到最大值，而源线圈和发射线圈间距d34的增加则使得输出电压逐渐减小。因此，在系统设计中应尽可能使接收线圈和负载线圈靠近。

三电平逆变器开路故障诊断研究

万红, 任晓红, 范晋瑜, 俞啸, 丁恩杰

2020, 46(4): 66-74. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019070045

<摘要>(86) <HTML> (10) <PDF>(11)

摘要:
针对传统三电平逆变器开路故障诊断方法存在计算复杂、准确率低等问题，提出了一种基于小波分析与粒子群优化支持向量机的三电平逆变器开路故障诊断方法（WT-PSO-SVM）。在分析三电平逆变器三相电流信号特征的基础上，利用三层小波对电流信号进行分解，提取各频带能量作为故障特征；小波变换提取到故障能量特征后，部分故障下所提取的能量十分接近，无法有效区分，进而引入正半周比例系数作为辅助特征；将归一化的能量和正半周比例系数作为特征向量输入支持向量机进行分类训练，同时利用粒子群算法优化支持向量机的参数以达到最好的分类效果，最终实现故障诊断。实验结果表明：WT-PSO-SVM方法可以有效识别三电平逆变器的开路故障，较其他故障诊断方法有更高的诊断精度和速度，在变负载和有噪声影响情况下仍有较高的故障识别准确率，准确率达到97.3%。

基于改进双流法的井下配电室巡检行为识别

党伟超, 张泽杰, 白尚旺, 龚大力, 吴喆峰

2020, 46(4): 75-80. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019080074

<摘要>(58) <HTML> (15) <PDF>(13)

摘要:
井下配电室监控视频持续时间较长且行为类型复杂，传统双流卷积神经网络（CNN）法对此类行为识别效果较差。针对该问题，对双流CNN法进行改进，提出了一种基于改进双流法的井下配电室巡检行为识别方法。通过场景分析，将巡检行为分为站立检测、下蹲检测、走动、站立记录、坐下记录5种类型，并制作了巡检行为数据集IBDS5。将每个巡检行为视频等分为3个部分，分别对应巡检开始、巡检中和巡检结束；对3个部分视频分别随机采样，获取代表空间特征的RGB图像和代表运动特征的连续光流图像，并分别输入空间流网络和时间流网络进行特征提取；对2个网络的预测特征进行加权融合，获取巡检行为识别结果。实验结果表明，以ResNet152网络结构为基础，且权重比例为1∶2的空间流和时间流双流融合网络具有较高的识别准确度，Top-1准确度达到98.92%；本文方法在IBDS5数据集和公共数据集UCF101上的识别准确率均优于3D-CNN、传统双流CNN等现有方法。

一种带式输送机故障诊断方法

张喆, 陶云春, 梁睿, 迟鹏

2020, 46(4): 81-84. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019120001

<摘要>(98) <HTML> (11) <PDF>(10)

摘要:
针对传统浅层神经网络用于带式输送机故障诊断时存在故障状态样本数据不足、准确率不高等问题，提出了一种基于合成少数类过采样技术（SMOTE）和深度置信网络（DBN）的带式输送机故障诊断方法。该方法利用SMOTE生成带式输送机故障状态样本数据，克服样本数据分布不平衡现象；将样本数据输入DBN，利用无监督逐层训练方式提取数据中的故障特征，并通过有监督微调来优化故障诊断能力，实现带式输送机故障精确诊断。仿真结果表明，该方法提高了带式输送机故障诊断准确率。

轴承早期故障特征提取方法研究

张猛, 苗长云, 孟德军

2020, 46(4): 85-90. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090020

<摘要>(97) <HTML> (16) <PDF>(11)

摘要:
针对滚动轴承早期故障信号被背景噪声淹没、故障特征不明显的问题，提出一种基于小波包分解和互补集合经验模态分解（CEEMD）的轴承早期故障信号特征提取方法。利用Matlab软件对采集到的轴承振动信号进行快速谱峭度分析，根据峭度最大化原则确定带通滤波器的中心频率和带宽，设计带通滤波器；对经过带通滤波器滤波后的信号进行小波包分解和CEEMD分解，根据峭度、相关系数筛选出有效本征模态函数（IMF）分量；利用IMF分量重构小波包信号，对重构小波包信号进行包络谱分析，提取轴承早期故障信号特征频率。该方法通过谱峭度分析降低背景噪声干扰，通过小波包分解增强故障冲击信号，并将CEEMD与小波包分解相结合，解决经典EMD分解存在的模态混叠、无效分量问题。仿真结果表明，相较于传统包络解调算法，重构后信号的背景噪声得到抑制，故障特征分量突出，验证了所提方法的可行性和有效性。

LoRa组网技术在胶带运输监控系统中的应用研究

陈晓晶

2020, 46(4): 91-97. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019090038

<摘要>(73) <HTML> (10) <PDF>(12)

摘要:
针对胶带运输监控系统缺少无线数据传输通道，无法实现断线后自诊断信息上传、无线传感器接入、断线应急中继通信功能等问题，提出了一种应用于胶带运输监控系统的LoRa无线组网技术方案。针对链式组网结构比较适合胶带运输监控系统多点延伸的特点，采用了LoRa链式组网模式。根据LoRa链式组网传输模式的要求，确定了节点间的数据访问关系，将主机节点与子节点设计为一主多从的传输方式，节点根据相邻关系进行路由规划，组成单层链式网络。为满足数据传输需求，采用巡检应答式通信机制，通信过程遵循规则时序，信道通过时分进行有序利用。根据上述方案，给出了用于胶带运输监控系统的LoRa无线组网传输节点设备软硬件设计，并进行了测试，结果表明：LoRa链式组网模式传输性能可靠稳定，无线发送状态的节点功耗小于300 mW，10个节点组网传输时延为1.12 s，丢包率小于0.6%，可满足胶带运输监控系统对无线组网传输功能的需求。

屯宝煤矿逆断层破碎带巷道变形控制研究

刘明, 曹民远, 吴玉海, 李波

2020, 46(4): 98-103. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17532

<摘要>(60) <HTML> (8) <PDF>(7)

摘要:
针对屯宝煤矿逆断层破碎带煤柱侧巷道受采动影响造成的巷道变形量大、巷道底鼓、煤柱侧帮鼓、巷道顶板局部下沉等问题，采用锚杆测力计对锚杆应力进行监测，采用PASAT-M应力探测方法对逆断层煤柱侧巷道应力分布和巷道变形规律进行了研究。研究结果表明：胶带巷煤柱侧锚杆应力峰值出现在超前工作面10~15 m，轨道巷上帮锚杆应力峰值出现在超前工作面5~10 m；巷道不同位置的锚杆应力、围岩应力及巷道变形量均受T2逆断层影响，应力和变形量集中分布在逆断层附近；距离逆断层25 m内围岩应力中等危险区分布相对集中。根据研究结果，提出了巷道补强支护和大孔径卸压综合治理措施，工程实践结果表明，该措施为围岩提供了稳定的支护力，适用于屯宝煤矿逆断层影响区域围岩变形的防治。

液压支架手动换向阀耐久性试验自动化装置设计

赵锐

2020, 46(4): 104-108. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2020010008

<摘要>(82) <HTML> (8) <PDF>(9)

摘要:
针对液压支架手动换向阀耐久性试验存在测试周期长、效率低、无法实现自动测试的问题，设计了一种液压支架手动换向阀耐久性试验自动化装置。该装置基于液压油缸往复运动，结合使用被试手动换向阀手柄推拉专用工装，带动被试手动换向阀手柄左右摆动，达到自动换向目的。同时，利用测控系统软件控制装置启动、换向、采集压力、判断计数等动作，从而实现被试手动换向阀耐久性试验的自动化测试。实际应用结果表明:该装置具有结构简单、加载速度可调、试验效率高的特点，耐久性试验周期由原来的165.6 h缩短至31.2 h。

矿用本安电源开关变换器滤波电容消解方案

陈慧丽, 李杰

2020, 46(4): 109-112. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019070085

<摘要>(101) <HTML> (10) <PDF>(8)

摘要:
针对矿用本安电源因开关变换器滤波电容较大而导致输出电压纹波较大、本安性能较差等问题，提出采用有源电容技术消解本安电源开关变换器滤波电容的方案，对有源电容的工作原理、控制策略和数学模型进行了分析。有源电容技术通过控制内部全桥变换器，将直流母线瞬时功率差转移给非直流母线电容进行能量平衡，从而实现直流母线滤波电容容量消解。以基于Buck变换器的电源为例，介绍了有源电容技术在矿用本安电源中的应用，并通过仿真和试验验证了采用有源电容技术可以较小的电容达到输出本安要求。

随机振动对矿用车载隔爆型锂离子蓄电池的影响分析

李博

2020, 46(4): 113-116. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050055

<摘要>(56) <HTML> (10) <PDF>(15)

摘要:
目前矿用锂离子蓄电池正弦振动试验方法无法全面反映蓄电池结构疲劳寿命、可靠性及其内部结构振动响应和激励状态下的振动特性。针对上述问题，采用随机振动中常用的虚拟激励法对矿用车载隔爆型锂离子蓄电池进行振动响应分析，从加速度响应、接触电阻、温度和隔爆腔体间隙变化4个方面分析了锂离子蓄电池在振动工况下可能产生的防爆性能和电气性能变化：被测锂离子蓄电池经过8 h的振动试验，隔爆腔体和壳盖处的隔爆间隙虽然还满足Ｉ类防爆电气设备的要求，但隔爆间隙显著增大，在该工况下长期使用存在隔爆失效（传爆）的风险；蓄电池正极接线柱由于工艺、材质或紧固期间装配的原因，接触电阻变大，导致局部发热量明显增加，如果温度持续上升可导致锂离子蓄电池薄膜融化，存在燃烧甚至爆炸风险。分析结果表明：随机振动试验方法可以充分暴露产品结构设计缺陷，可为车载锂离子蓄电池整体结构、应力变化、工作稳定性分析及疲劳寿命预测提供有效的数据支持。

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