工矿自动化

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袁亮, 陈珍萍

2021, 47(11): 1-8. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17845

<摘要>(211) <HTML> (73) <PDF>(42)

摘要:
时间同步是智能矿山信息精准感知的基础和前提。煤矿井下空间的诸多特性，如地形狭窄冗长、巷道表面不平整等，会造成同步误差累积效应大、信号传输可靠性差，给无线节点间时间同步技术研究带来了很大挑战。介绍了2种基础的时间同步方法：层次型时间同步和分布式时间同步方法。分析了煤矿井下物联网对时间同步方法的特殊需求，即除需考虑收敛性、同步精度等外，还需要考虑同步算法能量有效性、拓扑鲁棒性及可扩展性等指标，应具有较少的通信量、较长的同步周期、一定的拓扑鲁棒性，要能降低网络直径大引起的同步误差累积效应，并适应网络规模改变所带来的影响。分析了煤矿井下物联网感知层时间同步研究现状，得出目前的研究成果主要集中在网络结构、同步精度和同步能耗等方面。对煤矿井下物联网感知层时间同步技术的研究方向进行了展望，指出针对煤矿井下通信环境和空间环境的特殊性，设计一种对拓扑、时延具有一定鲁棒性的时间同步方法，是未来的研究重点：① 可从拓扑动态维护角度提高时间同步方法对拓扑的鲁棒性；② 可从通信拓扑虚拟构建角度提高一致性时间同步方法的收敛速度；③ 可从时间戳处理和矩阵补全角度提高时间同步方法对传输时延的鲁棒性。

麻地梁煤矿智能化开采研究

许日杰, 杨科, 吴劲松, 阚磊

2021, 47(11): 9-15. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021080034

<摘要>(183) <HTML> (49) <PDF>(41)

摘要:
现有的煤矿智能化开采研究成果未结合生产实践具体阐述智能化开采关键技术在煤矿的应用情况。以麻地梁煤矿为工程背景，阐述了该煤矿智能化开采建设成果——十大智慧系统，即智能调度远程集控系统、设备智能预警与远程会诊系统、智能采煤系统、智能掘进系统、智能胶带运输系统、无人值守一体化煤质运销管控系统、智能交通安全管控系统、互联网+远程办公系统、物联网+智能仓储快递服务系统、智能通风系统的关键技术及应用效果。指出了现阶段煤矿智能化开采中存在的关键问题，包括思想理念亟需转变，前期投入大、投入产出比不平衡，开采模式适应性差，人才培养体系不健全，关键技术创新不够等。为解决上述问题，提出应进一步增强智能子系统间的相互协同性，推进智能机器人研究，提高设备自主感知、分析、决策能力，构建智能煤矿顶层架构与大数据应用中心等，以实现煤炭智能开采、运输与销售，提高矿井生产效率，保障工人生命安全，实现井下无人(少人)开采目标。

基于数字煤层的综采工作面精准开采系统

李旭, 吴雪菲, 田野, 董博, 党恩辉

2021, 47(11): 16-21. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021050066

<摘要>(190) <HTML> (32) <PDF>(31)

摘要:
针对目前以记忆截割为核心技术的自动化采煤技术无法自主感知工作面地质条件变化，采煤机难以实现根据煤层厚度变化自动进行调高控制，而对于精准开采方面也只是初步探索的问题，研发了一种基于数字煤层的综采工作面精准开采系统。该系统首先利用煤矿地质数据、工作面切眼数据和工作面运输巷与回风巷地质写实数据和三次样条插值方法建立初始三维数字煤层模型。然后通过综采设备惯性导航系统、里程计、雷达、角度传感器等动态感知采煤机实际行走轨迹和截割轨迹，对建立的初始三维数字煤层模型进行动态修正，生成刮板输送机直线度检测曲线。最后根据修正后的三维数字煤层模型动态规划采煤机截割轨迹曲线，并下发给采煤机控制系统，指导采煤机根据煤层厚度变化自动进行调高控制；通过刮板输送机直线度检测曲线和液压支架行程信息综合分析计算下一刀每台液压支架推移的偏差量，并将下一刀每台液压支架推移的偏差量下发给综采工作面液压支架控制系统，实现液压支架自动调直。试验结果表明：该系统实现了采煤机截割轨迹动态规划、调高轨迹自动跟踪控制和液压支架自动调直；通过三维数字煤层模型的CT切片可以获取采煤机规划刀的截割轨迹，规划的截割轨迹误差小于0.2 m；在无人工干预情况下，对于250 m长的工作面自动化割煤时间大约为1 h，自动割三角煤时间大约为30 min。

基于膜计算的煤矿井下机器人路径规划算法

黄友锐, 李静, 韩涛, 徐善永

2021, 47(11): 22-29. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17847

<摘要>(150) <HTML> (28) <PDF>(24)

摘要:
现有煤矿井下机器人路径规划算法采用固定步长和串行方式生成路径，存在成功率低、实时性差、效率低下等问题。将膜计算(MC)与Informed RRT^*算法相结合，提出了一种煤矿井下机器人路径规划算法，即MC-IRRT^*算法。该算法分为快速连通和路径寻优2个阶段。在快速连通阶段，构建多步长细胞型膜结构，根据空间区域的大小来调整步长：在可行空间较大的区域采用大步长搜索，加快搜索速度；在狭小的空间使用小步长搜索，使搜索空间更加精细，提高狭小空间路径搜索成功率。在路径寻优阶段，构建多采样点细胞型膜结构，通过多个基本膜并行计算，同时在多个椭圆区域内并行搜索最短可行路径，以节省时间，提高路径优化效率。简单场景实验结果表明，与Informed RRT^*算法相比，MC-IRRT^*算法在快速连通阶段和路径寻优阶段的搜索效率分别提高了76%，40%。复杂场景实验结果表明：RRT^*算法和Informed RRT^*算法路径规划失败，PQ-RRT^*算法和MC-IRRT^*算法均能成功寻得可行路径；与PQ-RRT^*算法相比，MC-IRRT^*算法的速率提高了12.79%，规划的路径长度缩短了8.18%；MC-IRRT^*算法不仅可以迅速通过较窄可行区域，而且在路径转折处可以选择使用较小步长，使路径更加平滑。

矿用智能巡检机器人无标定视觉伺服控制研究

李静, 黄友锐, 韩涛, 兰世豪, 陈宏茂, 甘福宝

2021, 47(11): 30-39. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021030077

<摘要>(145) <HTML> (40) <PDF>(26)

摘要:
针对矿用智能巡检机器人无标定视觉伺服控制中采用基于传统的卡尔曼滤波(KF)的图像雅可比矩阵存在估计值不准确、鲁棒性差的问题，提出了一种具有长短期记忆(LSTM)的卡尔曼滤波算法(KFLSTM算法)。KFLSTM算法使用LSTM弥补由KF算法产生的估计误差，将滤波增益误差、状态估计向量误差、观测误差用于LSTM的在线训练，利用训练后的LSTM模型对雅可比矩阵进行最优估计，通过提高雅可比矩阵估计值的准确性和稳定性来改善视觉伺服控制的实时性和鲁棒性。建立了基于KFLSTM算法的无标定视觉伺服模型，将最优雅可比矩阵作为控制器的输入，使控制器输出较准确的关节角速度，从而控制机械臂的实时运行。将KFLSTM算法应用到矿用智能巡检机器人六自由度视觉伺服仿真实验中，结果表明：应用KFLSTM算法得到的图像误差收敛速度相较于传统KF算法提高了100%～142%，图像特征误差更小，定位精度为0.5像素，且机器人末端执行器运动平稳，具有较强的抗噪声干扰能力，可有效提高矿用智能巡检机器人的作业精度与效率，并增强其工作的稳定性与安全性。

基于细胞型膜计算的煤矿巡检无人直升机姿态控制

许家昌, 黄友锐, 李虹金, 刘瑜, 韩涛

2021, 47(11): 40-44. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17846

<摘要>(81) <HTML> (27) <PDF>(19)

摘要:
煤矿巡检无人直升机姿态有效控制是巡检能力优劣的重要体现。针对现有无人直升机姿态控制伴随应用场景的变化，扰动随之变化，导致无人直升机姿态波动幅度及误差变大的问题，利用细胞型膜计算实现煤矿巡检无人直升机的姿态控制。根据无人直升机动力学模型建立了无人直升机姿态动力学模型；构建了适合井下无人直升机姿态模型的细胞型膜系统，设计了无人直升机姿态膜控制器(MC)。通过地面上空与模拟巷道飞行实验验证MC对无人直升机姿态的控制效果，并与传统滑模控制器(TSC)和线性反馈控制器(LFC)进行了比较，结果表明：地面上空实验环境下，MC下的无人直升机姿态角控制在-0.8～0.8 rad，姿态角振荡幅度小于TSC和LFC下的姿态角振荡幅度；模拟巷道环境下，MC下的无人直升机姿态角控制在-1.8～2.0 rad，波动频率变小；MC下的无人直升机姿态角误差均小于TSC和LFC下的姿态角误差。

煤矿救援机器人机械臂轨迹规划算法研究

韩涛, 李静, 黄友锐, 徐善永, 许家昌

2021, 47(11): 45-52. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17844

<摘要>(144) <HTML> (31) <PDF>(22)

摘要:
针对煤矿井下复杂环境中救援机器人机械臂轨迹规划不合理、规划方法收敛速度慢等问题，提出了一种基于融合杜鹃搜索的灰狼优化(CS-GWO)算法的煤矿救援机器人机械臂轨迹规划算法。以五次多项式插值为基本轨迹规划方法，在机械臂关节空间进行轨迹规划，通过CS-GWO算法对得到的轨迹进行优化，实现机械臂时间-能量最优轨迹规划。CS-GWO算法在灰狼优化(GWO)算法的位置更新方式中融入杜鹃搜索(CS)算法的2次扰动过程，结合CS算法的莱维飞行模式和鸟巢位置随机更新的特点，使得狼群在向猎物逼近的过程中能够随机跳出局部搜索区域，扩大了搜索范围，避免算法陷入局部最优解，增强了GWO算法的全局搜索能力。Matlab仿真结果表明，CS-GWO算法能够有效提高CS算法的收敛速度和GWO算法的全局搜索能力，其稳定性更好，整体性能较优；利用机械臂轨迹规划算法可得到一条时间-能量最优轨迹，各关节角位移、角速度、角加速度曲线均光滑、连续，有效解决了煤矿井下复杂环境中救援机器人机械臂最优轨迹规划问题。

基于数字孪生和概率神经网络的矿用通风机预测性故障诊断研究

经海翔, 黄友锐, 徐善永, 唐超礼

2021, 47(11): 53-60. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17852

<摘要>(235) <HTML> (50) <PDF>(28)

摘要:
针对当前矿用通风机故障诊断方法存在预测性较差、准确率较低的问题，提出了一种基于数字孪生和概率神经网络(PNN)的矿用通风机预测性故障诊断方法。利用Unity3D、3dsMax、SciFEA等搭建通风机的数字孪生模型，模拟出真实通风机的结构特点、物理属性和运行规则，利用PREspective与通风机的PLC实时通信，将通风机的运行状态实时映射至数字孪生模型中；以通风机的数字孪生模型为基础，结合专家知识、机器学习、历史数据等构建了通风机预测性故障诊断模型，通过分析通风机的实时数据与运行状态之间的关系，不断学习并更新模型参数；采用改进的鲸鱼优化算法(IWOA)通过包围猎物、捕食猎物和搜索猎物的生物行为求取平滑因子最优值并赋予PNN，利用优化后的PNN对通风机进行预测性故障诊断，对比通风机预测性故障诊断模型判断结果与实际情况是否相符，若诊断错误，则需要对预测性故障诊断模型中的参数进行修正，直到故障判断准确。实验结果表明，与遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)、鲸鱼优化算法(WOA)优化后的PNN故障诊断精度相比，IWOA优化后的PNN故障诊断精度达97.5%，说明基于数字孪生和PNN的矿用通风机预测性故障诊断方法可以满足通风机故障诊断的实时性与准确性要求。

基于改进YOLOv4的输送带损伤检测方法

周宇杰, 徐善永, 黄友锐, 唐超礼

2021, 47(11): 61-65. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17843

<摘要>(230) <HTML> (45) <PDF>(32)

摘要:
针对现有输送带损伤检测方法检测精度低、检测速度慢且缺少对面积较小损伤检测的问题，提出了一种基于改进YOLOv4的输送带损伤检测方法。该方法以YOLOv4为基础，对PANet路径融合网络部分进行改进，增加与浅层特征层的融合，将原3个尺度的特征层融合增加到4个尺度，提高模型对输送带损伤的特征提取能力，提高检测精度；将PANet部分每个特征层融合后的卷积次数由5次减少到3次，减少计算量，提高检测速度；对输送带损伤图像进行标注，并输入改进的YOLOv4模型进行训练和测试。实验结果表明，基于改进YOLOv4的输送带损伤检测方法损失收敛速度快，模型训练效果好；基于改进YOLOv4的输送带损伤检测方法对输送带撕裂、表面磨损和表面缺陷检测的平均精度均值达96.86%，检测速度达20.66帧/s，与YOLOv4，YOLOv3和Faster-RCNN相比，平均精度均值分别提升了1.4%，6.35%，2.16%，检测速度分别提升了2.39，2.34，15.25帧/s；与YOLOv4相比，基于改进YOLOv4的输送带损伤检测方法检测精度更高，对面积较小损伤的检测效果更好。

液压支架支护状态感知与数据处理技术

庞义辉

2021, 47(11): 66-73. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021040061

<摘要>(191) <HTML> (24) <PDF>(24)

摘要:
液压支架支护状态感知与数据处理是实现液压支架自适应支护及顶板灾害超前预测预警的关键，但现有技术主要是对液压支架初撑力、循环末阻力等进行统计分析，存在感知信息不充分、数据挖掘不深入、预测预警不精准等问题。分析了采动应力与顶板断裂、液压支架载荷变化之间的关系，阐述了顶板岩层断裂失稳过程的“五阶段”观点及液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制方法；给出了液压支架支护状态特征参量，提出了基于液压支架与围岩耦合关系的液压支架支护状态综合感知技术架构，指出非接触式传感器将是解决群组液压支架支护状态感知不充分等问题的关键；针对液压支架支护状态感知数据维度低、样本数量少、多特征参量关联的特点，提出了基于模板曲线库的液压支架支护状态感知数据分析预测思路，基于采动应力与液压支架支护状态之间的映射关系提出了顶板灾害智能预测平台技术架构，可实现液压支架异常支护工况、顶板灾害的超前预测预警。

综采工作面液压支架立柱快速供回液方案研究

周如林, 乔子石, 孟令宇

2021, 47(11): 74-80. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021080006

<摘要>(141) <HTML> (11) <PDF>(19)

摘要:
液压支架自动跟机控制应具备高支护、快速移架、大推移距离等性能，其中在保障采场安全的前提下，缩短工作面空顶时间是一个极为关键的问题。但目前液压支架自动跟机控制存在动作时间长、较手动操作效率低、控制参数凭经验设定等问题，导致综采工作面推移速度慢、液压系统压力与流量匹配不佳等问题。为减少液压支架动作时间，提高综采工作面推移速度，建立了液压支架阀控缸单元液压缸伸出动作瞬态过程的流量-压力数学模型，分析认为液压缸伸缩瞬间压力主要与供回液压力有关，且与时间呈二次方关系。基于上述结论，提出了立柱供液阀直供、二级控制+立柱快速供液阀、电液控换向阀直供3种立柱快速供回液方案，详细介绍了3种方案的工作原理。在AMESim软件中建立了基于3种方案的液压支架仿真模型，通过分析不同方案下液压支架在执行降柱-移架-升柱循环动作时液压缸无杆腔、有杆腔瞬态压力及动作时间，对比了3种方案的稳定性和快速性，结果表明：3种方案下液压支架执行降柱-移架-升柱循环动作时液压缸无杆腔、有杆腔压力曲线变化趋势基本一致，认为3种方案的稳定性基本相同；电液控换向阀直供方案下液压支架执行降柱-移架-升柱循环动作的总时间最短，为9.35 s，较传统方案缩短22.1%，因此得出电液控换向阀直供方案为最佳方案。

上保护层开采卸压保护范围研究

秦汝祥, 杨珂, 程健

2021, 47(11): 81-87. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021050028

<摘要>(239) <HTML> (20) <PDF>(19)

摘要:
目前保护层卸压范围研究主要集中在分析煤层应力、变形和塑形破坏的演化特性及下保护层开采卸压范围，存在对保护层保护效果的考察较少、实测过程中取点较少造成实验结果误差较大等问题。针对以上问题,以淮南矿业集团有限责任公司潘二煤矿18125工作面为研究对象，采用数值模拟计算和现场考察分析方法研究了保护层开采后被保护层的应力分布、煤层顶底板膨胀变形率和煤层瓦斯压力变化特征。结果表明：① 被保护层走向垂直应力呈中心轴对称分布，倾向卸压区表现为类椭圆形。② 上保护层工作面开采后，在其底板形成地应力卸压区，底板煤岩层应力减小，卸压区煤岩层向上发生移动和变形，由于保护层和被保护层层间距不同，被保护层移动与变形量存在差距，越靠近开采层，被保护层膨胀变形量越大，被保护层卸压效果越明显。保护层工作面后方30～60 m是被保护层卸压抽采瓦斯的最佳区域。③ 根据瓦斯压力观测钻孔与保护层工作面初切眼位置的相对关系及瓦斯压力观测结果，得到保护层开采走向最大有效卸压角约为69.8°。④ 通过数值模拟并结合现场考察分析，根据被保护层应力分布、煤层顶底板膨胀变形率和煤层瓦斯压力变化特征，得出被保护层走向卸压角约为60°，倾向上下部卸压角均为75°。

动静载下深井临空巷道冲击破坏分析及防治

唐杰兵, 鞠文君, 陈法兵

2021, 47(11): 88-94. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021030071

<摘要>(161) <HTML> (17) <PDF>(11)

摘要:
现有针对临空巷道冲击地压的研究主要集中在静载致灾方面，对静载基础上的动载叠加致灾机制研究不够，在巷道围岩动载应力波响应方面未能将巷道破坏方式同应力波扰动及其力学效果相联系。针对该问题，以内蒙古鄂尔多斯矿区某矿3-1103工作面临空巷道为研究对象，分析了临空巷道冲击破坏特征和冲击地压发生的动静载荷源：临空巷道处于采空区侧“F”型覆岩结构下，静载荷源为侧向集中支承应力和工作面回采超前采动集中支承应力的叠加应力场；动载荷源为基本顶的初次来压、周期来压和见方破断形成的近场矿震以及远场矿震释放能量，在冲击性顶板岩层下动静载组合效应极易诱发高地应力下应力场差异且应力集中的巷道产生冲击灾害。采用FLAC3D数值模拟方法分析了临空巷道动静载荷源下冲击巷道所处的应力状态以及矿震应力波致灾影响作用，并与现场冲击破坏特征进行对比验证分析。数值模拟结果与现场破坏特征具有较强一致性，在采空区压实过程中，最大垂直集中应力由煤柱上方转移至巷道回采帮侧，锚杆轴力呈现不对称分布状态；动载过程中，巷道围岩主应力差重复加卸载，迎波侧应力波最大质点振动速度(PPV)值大于背波侧，围岩浅部应力波反射叠加，PPV值大小与围岩浅部动载后最大位移量一致；临空巷道围岩在动静载作用过程中形成了巷道回采帮侧与煤柱帮应力场差异以及动载应力场差异。根据动静载荷下临空巷道破坏特征及其数值模拟验证分析结果制定了静载荷卸压降载、动载荷减震消能的分源防治措施，即顶板水压致裂、顶底板爆破卸压、巷帮大直径钻孔卸压以及巷道围岩加固等措施，以达到防止厚硬顶板弹性能积聚、消弱应力波幅值以及改善围岩受力环境的目的。采取卸压措施后，实测微震以小能级、多频次的形式释放能量，微震总能量比卸压前降低了49.2%，10³ J以下微震小能量事件占比由卸压前的75%升高到89%，现场巷道围岩静载降低，动静载叠加时未出现应力突变，证明了冲击防治措施的有效性。

薄-中厚煤层智能化综采保障技术与装备

高喜才, 马腾飞, 王琪, 刘帅, 张锡琛, 范凯, 唐建强, 胡彬

2021, 47(11): 95-100. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021080037

<摘要>(286) <HTML> (58) <PDF>(14)

摘要:
针对西南地区薄-中厚煤层厚度变化大、走向断层发育、顶板破碎等复杂地质条件，提出了薄-中厚煤层智能化综采保障技术与装备。通过对断层上下盘破碎顶板实施注浆加固、挑顶改造，以及对沿空留巷采用锚网索联合支护+超前加固+爆破切顶+立柱挂网挡矸+滞后喷浆加固+收尾砌墙的耦合支护技术，大幅提升了巷道稳定性。设计了由8架超前支架与2架端头支架组成的横向自移式超前支架组，实现了工作面端头顶板支护与超前支架快速推进的协调配合。给出了薄-中厚煤层智能化综采工作面成套装备及其优化布置方案：当工作面两端采高小于巷道高度时，采用垫架支撑采煤机机头、机尾；将刮板输送机机头、机尾超出煤壁长度控制在800 mm，保证卧底量达97 mm，以及时清理浮煤；刮板输送机机头增设平行于底板的拖架，通过过渡支架辅助推移装置直接整体推移刮板输送机机头、机尾，有效解决了采煤机摇臂与刮板输送机互相干涉难题。提出了由端部割三角煤跟机段工序和中部斜切进刀跟机段工序组成的断层带主动预防性智能割煤工艺，利用半截深、分次截割方式，提高了断层带条件下采煤机安全割煤速度。

深井复合顶板切顶卸压柔模墙支护沿空留巷技术

申斌学, 周宏范, 朱磊, 吴玉意, 秋丰岐, 王国普, 郭林, 黄剑斌

2021, 47(11): 101-106. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021040072

<摘要>(131) <HTML> (10) <PDF>(13)

摘要:
我国两淮地区进行沿空留巷时，受矿井埋深大和顶板条件复杂的影响，沿空留巷顶板变形强烈，煤帮易挤出和底鼓严重。针对该问题，以新集一矿360804综采工作面为研究对象，提出了切顶卸压柔模墙支护沿空留巷技术。在超前工作面采用双向聚能爆破技术对沿空留巷顶板进行预裂爆破，以有效降低沿空留巷顶板应力；随着工作面不断回采，每滞后工作面煤壁一定距离，采用混凝土浇筑的柔模墙对巷旁进行支护，以实现对沿空留巷顶板的强力支护。现场应用结果表明：位于爆破孔不同高度的位置处均出现了2条较明显的裂缝，表明爆破切顶效果良好；巷道顶板浅部最大离层量为7 mm、深部最大离层量为19 mm，巷道顶板支护较为完好；巷道顶底板移近量为430 mm、两帮移近量为487 mm，巷道围岩变形在允许范围内，留巷效果良好。

基于改进YOLOv5s模型的煤矸目标检测

沈科, 季亮, 张袁浩, 邹盛

2021, 47(11): 107-111. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17838

<摘要>(255) <HTML> (27) <PDF>(59)

摘要:
针对现有基于深度学习的煤矸目标检测方法存在检测速度慢且检测精度较低等问题，提出了一种改进YOLOv5s模型，并将其应用于煤矸目标检测中。改进YOLOv5s模型在YOLOv5s模型Backbone区域嵌入自校正卷积(SCConv)作为特征提取网络，可更好地融合多尺度特征信息；由于煤块和矸石的尺寸相对整张图像过小，对YOLOv5s模型Neck区域进行适当精简，将适合检测较大尺寸对象的19×19特征图分支删除，从而降低模型复杂度并提高检测实时性；对通过K-means算法聚类得到的锚框进行线性缩放，提高模型检测精度。基于改进YOLOv5s模型的煤矸目标检测实验表明，相较于YOLOv5s模型，改进YOLOv5s模型能准确检测出相应的煤块和矸石，且改进YOLOv5s模型大小降低了1.57 MB，帧速率增加了2.1帧/s，平均精度均值提高了1.7%，表明改进YOLOv5s模型检测精度和检测速度均有提升。

祁东煤矿近距离煤层群瓦斯治理顶板拦截定向钻孔试验

张朝举, 方俊, 杨亚黎, 王鲜, 杨小继

2021, 47(11): 112-118. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021020016

<摘要>(91) <HTML> (9) <PDF>(8)

摘要:
针对现有近距离煤层群瓦斯治理方法存在工程量大、成本高、周期长的问题，以祁东煤矿94采区为研究对象，提出了采用顶板拦截定向钻孔进行瓦斯治理的方法：首先在开采煤层顶板施工带有多个上向分支孔的顶板拦截定向钻孔，然后利用上向分支孔提前对上邻近煤层瓦斯进行预抽，最后利用主孔在煤层回采过程中对上邻近煤层卸压瓦斯和开采煤层回采工作面及采空区瓦斯进行抽采，从采前预抽和采动卸压抽采2个方面提高了近距离煤层群瓦斯抽采效果，解决了瓦斯赋存参数测量、复杂破碎地层定向成孔与护孔等难题。针对顶板拦截定向钻孔设计与施工难题，采用定向钻孔煤层探查与保压密闭取芯技术、复合定向钻进与复合排渣技术、钢筛管完孔技术，实现了近距离煤层群中顶板拦截定向钻孔高效成孔和长距离精准瓦斯测定。在祁东煤矿94采区进行了现场试验，完成顶板拦截定向钻孔1个，主孔深度608 m，施工分支孔6个，密闭取芯测试瓦斯含量2次，下入护孔筛管485 m，进行瓦斯抽采试验207 d，初始瓦斯抽采纯量为0.35 m³/min，抽采30 d后逐渐下降至0.1 m³/min以下，抽采65 d后整体稳定在0.05 m³/min左右。试验结果表明，顶板拦截定向钻孔可有效预抽邻近煤层瓦斯，提前降低煤层瓦斯含量，从源头上减少后期工作面回采时的采动卸压瓦斯涌出量。

轻量化煤矸目标检测方法研究

杜京义, 史志芒, 郝乐, 陈瑞

2021, 47(11): 119-125. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021040029

<摘要>(152) <HTML> (12) <PDF>(31)

摘要:
针对目前基于深度学习的煤矸目标检测方法精度低、实时性差、小目标易漏检等问题，采用轻量化网络、自注意力机制、锚框优化方法对SSD模型进行改进，构建Ghost-SSD模型，进而提出一种轻量化煤矸目标检测方法。Ghost-SSD模型以SSD模型为基础框架，采用GhostNet轻量化特征提取网络代替主体网络层VGG16，以提高煤矸目标检测速度；针对浅层特征图中包含较多背景噪声及语义信息不足问题，引入自注意力模块对浅层特征图进行特征增强，提高对前景区域的关注度，并采用扩张卷积增大浅层特征图的感受野，丰富浅层特征图的语义信息；采用K-means算法对锚框进行聚类，优化锚框尺寸设置，进一步提高煤矸目标检测精度。实验结果表明，基于Ghost-SSD模型进行煤矸目标检测时，平均精度均值较SSD模型提高3.6%，检测速度提高75帧/s，且检测精度与速度均优于Faster-RCNN，Yolov3模型，同时对煤矸小目标具有较好的检测效果。

煤机设备轴承剩余寿命预测方法研究

孙永新

2021, 47(11): 126-130. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17834

<摘要>(93) <HTML> (7) <PDF>(17)

摘要:
煤机设备轴承剩余寿命预测对设备维护具有重要意义。现有的轴承剩余寿命预测方法或难以建立精确的轴承失效数学模型，或预测精度受样本完备性和准确性的制约，且退化特征量通常采用时域、频域指标，受煤机恶劣工作环境影响较大，导致预测精度不高。针对该问题，提出一种基于经验模态分解(EMD)和灰色模型(GM)的煤机设备轴承剩余寿命预测方法：采用EMD对煤机设备轴承振动加速度信号进行滤波处理；提取滤波信号的均方根作为表征轴承健康状态的退化特征量，形成退化特征量序列；采用退化特征量序列训练GM，进而建立GM轴承剩余寿命预测模型来预测退化特征量的变化趋势，以退化特征量达到设定阈值的时间间隔作为剩余寿命预测值。试验台试验和工程应用结果表明，该方法可有效预测煤机设备轴承剩余寿命，预测精度较高，预测结果能指导现场设备维护。

煤矿井下粉尘浓度对UWB测距精度的影响研究

丁震, 张雨晨

2021, 47(11): 131-134. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17859

<摘要>(168) <HTML> (18) <PDF>(26)

摘要:
煤矿井下综掘工作面环境恶劣，粉尘浓度大，利用超宽带(UWB)进行定位时易受到粉尘的干扰，UWB测距会存在一定误差，从而定位精度不能达到煤矿智能化需求。针对该问题，分析了UWB测距原理，指出影响UWB测距精度的主要因素是多径效应与非视距传播，而多径效应与非视距传播的产生与粉尘浓度密切相关，通过实验探讨了煤矿井下粉尘浓度对UWB测距精度的影响。实验结果表明，随着粉尘浓度增加，UWB测距误差增大，且UWB测距误差增速加快。

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2021年第47卷第11期

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