• 论文
主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
  • 作者(Author):王国法
    关键词(KeyWords):煤矿智能化智能矿山技术体系智能化开采智能掘进三维地质模型

    摘要:点击“相关视频”,收看王国法院士对“智能化煤矿建设关键技术专题”的推荐。该专题刊登于《煤炭科学技术》2020年第7期。
  • 作者(Author):葛世荣
    关键词(KeyWords):煤矿智能化智能矿山技术体系智能化开采智能掘进三维地质模型

    摘要:点击“相关视频”,收看葛世荣校长对“智能化煤矿建设关键技术专题”的推荐。该专题刊登于《煤炭科学技术》2020年第7期。
  • 作者(Author):李爽薛广哲方新秋杨奇峰贺超韩世锋 康钰晴
    关键词(KeyWords):煤矿智能化智能化安全保障技术内涵关键技术软件系统

    摘要:煤矿智能化是新时代煤炭行业发展的必经之路,是支撑我国未来煤炭行业生产方式转型的核心技术支撑。 鉴于煤炭生产的风险客观存在性,智能化条件下的煤矿安全保障体系应适应于煤矿的智能化水平。 系统论述了煤矿智能化安全保障体系的定义、内涵及技术特点,指出了其核心在于精准的地测感知、全面的数据平台、实时的风险评估和智慧的灾害处置,形成数字式、一站式、智能式的煤矿风险辨识、预警、处理闭环。 介绍了煤矿智能化安全保障体系在感知层面、风险层面、设备层面和管理层面的架构,提出了包涵煤矿精准的全维感知、精确的煤矿风险识别预警、技术密集型的煤矿安全管理理念和智慧化的自检自修设备系统 4 项技术内涵。 首先,在实现技术层面,阐述了需重点解决的以透明地质保障技术为基础,以煤矿大数据共享平台为载体,以煤矿重大风险评估预警技术为核心的关键技术体系,并初步给出了解决路径。 然后,论述了系统软件平台的系统架构和核心技术,其要旨是实现系统数据“集成化”、要素展现“可视化”、风险评估“智能化”、操作软件“平台化”。 最后,开发了面向煤矿智能化安全保障的煤矿智慧安全管控平台系统,实现了煤矿综合可视化操作平台、煤矿大数据分析平台、煤矿安全风险智能评估、多系统联动控制和移动可持式终端展示功能,为建设完整的煤矿智能化安全保障体系探索了一条可行的技术路径。
  • 作者(Author):丁恩杰俞啸廖玉波吴传龙陈伟郁万里王威
    关键词(KeyWords):矿山设备物联网知识建模状态诊断大数据分析

    摘要:矿山生产机电设备是机械、电气、液压、控制等多形式系统的复杂耦合结构,工作过程中环境和工况条件变化多样,缺乏有效的技术手段解决矿山设备运行健康状态的实时感知问题。 借助物联网、工业互联网、人工智能和大数据挖掘技术,研究矿山设备状态知识建模与在线诊断方法,将传统的“人-机”交互监控模式提升为“传感—机器认知—机器决策”的智能化监控模式。 分析了基于物联网的矿山设备状态感知系统架构,定义了多源信息感知层、边缘智能层、大数据分析层和数据与知识共享迁移层的 4 个层次的作用,提出了设备状态知识共享与迁移模式;结合本体语义、置信规则库和数字孪生技术,设计了面向矿山机械设备系统状态知识建模的信息描述、知识表示、决策融合方法,提出了面向矿山设备运行全过程的实时感知、演化分析与智能交互的“虚实融合”感知模型,实现虚、实系统运行过程的“精准映射、信息对偶、融合交互、协同演进”。 分析了数据驱动的矿山机械设备状态诊断方法研究现状、技术架构、存在问题和研究趋势,提出结合数字孪生、深度学习、迁移学习等方法,构建机理模型、经验知识与数据深层特征相融合的矿山设备状态诊断模式,研究矿山设备状态大数据分析与应用技术,研发矿山设备状态诊断与全生命周期管理等智能化应用服务系统。 形成了矿山设备运行信息感知、知识建模与状态在线判识方法体系,以实现矿山机械设备故障状态自诊断、早期隐患预知维护、智能调度与协同管控,为矿山生产智能化、无人化提供技术支撑。
  • 作者(Author):杨天鸿王赫董鑫刘飞跃张鹏海邓文学
    关键词(KeyWords):露天矿边坡滑坡灾害智能评价大数据分析智能决策

    摘要:在收集整理国内外相关资料的基础上,从露天矿边坡稳定性智能感知手段、智能评价预测方法、智能决策技术等方面总结了露天矿边坡稳定性智能评价研究现状,分析露天矿边坡工程的特点,指出当前露天矿边坡稳定性智能评价研究存在的问题,提出“位移时间序列阈值、力学机理分析、案例分析及专家系统诊断”三位一体的边坡稳定性智能评价的学术思路,认为露天矿边坡稳定性智能评价研究发展趋势为:首先,建立边坡灾害案例和多因素多模式智能识别数学模型,采用深度学习和大数据分析方法进行案例类型聚类、要素识别和模式匹配;其次,通过力学机理计算评价,识别隐患区确定滑坡隐患触发因素和条件;然后,基于案例模式匹配结果建立监测预警指标体系和预警阈值,构建案例库知识库和专家系统并实现智能决策;最后以大孤山铁矿西北帮滑坡为例,基于力学计算给出边坡安全系数变化规律,同时结合滑坡案例库的匹配结果,确定现场数据时序曲线指标阈值(位移累积量、位移速率),从而科学合理的给出预警警情判别结果,通过云平台实现数据分析、现场模型可视化和预警发布及滑坡诊断。 该案例初步验证了三位一体边坡稳性智能评价学术思路,为实现露天矿边坡稳定性智能评价提供了有效手段。
  • 作者(Author):刘善军吴立新毛亚纯贺黎明王植许志华魏恋欢杨泽发
    关键词(KeyWords):露天矿山边坡智能监测协同观测数字矿山智能矿山

    摘要:露天开采是我国矿产资源开采的主要形式之一,长期高强度、大规模开采形成了众多高陡边坡,由此带来的边坡失稳及灾害现象十分严重,对其进行有效监测和灾害预警,是边坡治理、安全保障和绿色矿山的关键。 由于大型露天矿山地形复杂、观测条件困难、影响因素众多,传统的、单一的监测手段均难以奏效。 在讨论智能监测相关概念的基础上,介绍了露天矿边坡智能监测的思想、内容和内涵;指出大型露天矿边坡智能监测的核心是天-空-地多平台多模式协同观测,包括时间协同、空间协同、参数协同和智能分析;介绍了目前大型露天矿边坡智能监测的 7 项关键技术,即导航卫星 GNSS 在线监测技术、雷达卫星InSAR 监测技术、光学卫星高分影像监测技术、无人机与TLS 联合监测技术、地基红外热像监测技术、顾及大气折光的测量机器人监测技术、基于 WiFi 的监测信息多终端显示技术。 这些手段不仅要强调监测仪器的先进性、鲁棒性和精度,更要发挥多手段的时空互补性和过程协同性,而稳定可靠的通讯网络、快速自动的数据处理和智能综合的分析模块,是实现矿山滑坡智能监测和智能应急的关键。 最后,以辽宁抚顺西露天煤矿特大滑坡、鞍钢鞍千铁矿大型排土场和鞍钢弓长岭铁矿滑坡的天-空-地协同观测为典型案例,介绍了适合不同矿山特点和任务需求的露天矿边坡智能监测技术方案及其取得的实效。
  • 作者(Author):靳德武赵春虎段建华乔伟鲁晶津李鹏周振方李德山
    关键词(KeyWords):底板水害连续电法微震深度学习智能预警

    摘要:针对华北型煤田煤层底板突水监测点覆盖不全、智能化水平不高等问题,以底板“下三带”理论为基础,提出集多频连续电法充水水源监测、“井-地-孔”联合微震采动底板破坏带监测以及监测大数据智能预警为一体的煤层底板突水三维监测与智能预警技术思路。 其中多频连续电法监测系统以伪随机多频序列为人工场源,利用伪随机相关辨识技术提取强噪声背景中的弱信号,采用拟高斯-牛顿法对预处理数据进行三维电阻率反演,实现对煤层底板充水水源变化过程的自动化三维监测;“井-地-孔”联合微震监测系统主要通过研制带推靠的孔中传感器及回收装置,实现微震传感器“井-地-孔”三维立体布署,采用井下有线( IEEE1588)和地面无线(GPS)时钟同步方式解决地面与井下采集设备的时钟同步问题,建立起“井-地-孔”监测数据的实时传输网络,基于偏振分析联合反演的三分量定位算法,实现采动底板破坏深度时空精细定位与实时监测;智能预警系统利用时序大数据挖掘技术与计算机深度学习技术对电法、微震多元时序监测数据进行分析和处理,采用指标预警和模型预警方法对监测数据空间展布和预警级别以三视热力图形式输出,实时显示煤层底板各网格的预警等级,从而形成煤矿底板水害三维监测与智能预警技术体系。 最后,以葛泉矿东井 11916 采煤工作面为应用对象,采用多频连续电法监测系统、“井-地-孔”联合微震监测系统,以及基于时空监测数据的智能预警系统对煤层底板岩溶水害进行三维监测与智能预警,为我国华北型煤田煤层底板水害监测预警提供了新的技术与装备支撑。
  • 作者(Author):窦林名王盛川巩思园蔡武李小林
    关键词(KeyWords):冲击矿压监测预警云平台监防互馈监防信息“一张图”

    摘要:针对制约煤矿安全高效生产愈发严重的冲击矿压问题,为提高冲击矿压监测预警的准确性及针对性,紧跟监测预警技术朝着区域化、连续在线化、智能网络化的发展趋势,基于 GIS 技术、云技术、采矿地球物理等技术,搭建了集成微震、应力、钻屑等多种监测手段的冲击矿压风险智能判识与多参量监测预警云平台。 该平台由硬件、平台支持软件及云技术 3 个部分组成,采集并以标准化格式存储上传至云服务器,利用内嵌于平台的风险判识模式及危险等级预警准则,判定所评价区域危险状态,通过选取冲击变形能、时序集中度、时空扩散性等 13 个监测预警指标并利用 F-score 法对不同冲击危险程度的指标赋予动态权重,根据各指标与震动、应力、能量间的关系,建立了多场多参量综合预警体系,克服了单一监测指标预警效能较低弊端,实现了由点、局部、单参量监测至区域多场多参量综合预警的转变;同时通过监测数据的信息化与防治措施信息化的融合,将现场监测、防治信息通过“一张图”的形式实时预警,在预警冲击危险性的同时指导现场对高危区域加强卸压解危,同时根据解危效果反馈预警信息准确性,做到了监防互馈,该平台在山东古城煤矿等 13 个矿井成功运用。
  • 作者(Author):卢新明尹红
    关键词(KeyWords):矿井通风系统智能化理论问题关键技术解决方案

    摘要:矿井通风系统是矿井的呼吸系统,它源源不断地将地面新鲜空气输送到井下各作业地点,稀释和排除井下各种有毒、有害的气体和矿尘,也是防治煤与瓦斯爆炸、降温、除尘、灭火的重要技术手段。 实现矿井通风智能化是实现智能开采、建设智慧矿山的主要技术保障。 通风智能化不仅涉及到空间科学、采矿技术和流体力学理论,更需要数学、自动化、计算机和信息科学的底层支持,由于缺乏完善的理论和技术支撑,长期以来矿井通风作业都停留在人工和半人工状态。 为了彻底解决矿井通风智能化,本文从风网的拓扑结构和状态方程入手,逐一对自然分风算法、按需分风计算和风阻调节优化等理论疑点进行了深入讨论,对按需调风优化、均压调节优化、风向调节优化、联合调节优化、在线闭环调控、监控点优化布局、通风系统状态估计、需风量超前预测、反风风道识别、可靠性调节优化、通风系统初始化、通风系统故障诊断、智能调控风门风窗、通风智能化软件系统等关键技术进行了深入研究。 针对这些问题,给出理论上比较完善的、技术上比较可行的、能够付诸实施的解决方案,最后,以计算机软件技术为主线,设计了 4 层体系架构,并定义了每层架构的技术内涵和主要功能模块,简要说明了应用场景,为打造全程智能化的矿井通风系统提供借鉴。
  • 作者(Author):石智军李泉新姚克
    关键词(KeyWords):定向钻探自动化智能化随钻测量

    摘要:煤矿井下智能化定向钻探是坑道钻探发展的高级阶段,是一个涉及多学科领域的系统工程,具有显著的特殊性和独立性,服务于智能化开采的全过程,为煤炭资源安全、高效、绿色、智能开采提供着技术支撑和装备保障。 首先描述了我国煤矿井下定向钻进技术与装备发展历程,从稳定组合钻具定向钻进到有线随钻测控定向钻进,再到无线随钻测控大功率定向钻进,坑道钻探技术的创新发展与装备的升级换代推动实现顺煤层定向钻孔深度从“1 000 m”跨越到“3 000 m”。 明确了现阶段我国煤矿井下坑道钻探仍处于从机械化向自动化转变的发展定位,分析了智能化定向钻探面临的突出问题,提出了在实现自动化定向钻探的基础上向智能化定向钻探迈进的发展路径,归纳分析了自动化和智能化定向钻探的技术内涵和属性特征,自动化定向钻探强调钻探动作的自动控制执行,包括自动化定向钻机集成控制、多参数随钻测量信息融合、高精度导向控制、冲洗液循环自动控制等方面;智能化定向钻探强调钻探过程的智能最优化控制,包括智能分析与决策、低延时大容量数据传输、智能钻杆、钻探装备智能检测与诊断等方面。 针对我国复杂多样的煤层赋存条件和不均衡发展的开采技术条件,建议分阶段、分区域、分层次推进煤矿井下智能化定向钻探探索与发展,并提出了智能化定向钻探亟待攻克的关键技术难题,包括自动化定向钻机研制、旋转导向钻进技术、地质导向钻进技术、随钻地质信息三维动态建模技术、智能化钻探数据库建立、钻孔事故预防与处理技术,同时介绍了“十三五”期间我国煤矿井下智能化定向钻探部分阶段性发展成果。
  • 作者(Author):马宏伟王岩杨林
    关键词(KeyWords):煤矿井下移动机器人自主导航深度视觉地图创建重定位运动规划

    摘要:煤矿井下移动机器人是煤矿机器人的主力军,煤矿井下移动机器人的自主导航是其研究的难点和热点。 目前,煤矿井下移动机器人自主导航所必须的三维环境数据库尚未形成,尤其是制作高分辨率、多信息融合的煤矿井下高精度地图还处于研究阶段。 为了有效解决煤矿井下移动机器人自主导航问题,构建了基于深度相机的机器视觉系统,提出了一种基于深度视觉的导航方法,自主导航过程分为地图创建与自主运行两个阶段。 在地图创建中:① 对深度视觉数据进行特征提取与匹配,利用 10 组煤矿井下真实视频截图,对比测试 5 种特征提取与匹配组合算法,结果表明SURF+SURF+FLANN 与 GFTT+BRIEF+BF 算法能够在煤矿井下获得良好匹配结果;② 建立煤矿井下移动机器人深度视觉定位与建图问题的捆集调整迭代最近点图模型(Iterative Closest Points Bundle Adjustment,ICP BA);③ 通过图优化方式估计当前观测下的最优位姿与环境路标点坐标。 在实验室场景中利用提出的 ICP-BA 图优化算法,建立了包含关键位姿与三维环境点的原始点云地图。在自主运行阶段,① 通过八叉树数据结构,将点云地图转化为移动机器人运动规划可使用的 Octomap 导航地图,实验结果表明,Octomap 导航地图分辨率可调、系统资源占用低、索引效率高;② 使用三维到二维映射的视觉图匹配 PNP(Perspective N Points)方法进行实时在线重定位;③ 基于图搜索的 A∗(A Star)路径规划作为轨迹规划初值,自定义最小化能量损失泛函为最小化加加速度的变化率(Minimum-Snap)求解 2 次规划问题,生成用于煤矿井下移动机器人运动执行的轨迹。 在Matlab 开发环境中设计随机导航地图,生成时间分配、位置、速度、加速度、加加速度的最优轨迹规划结果,验证了运动规划算法的正确性。 通过理论分析和实验验证,表明本文提出的煤矿井下移动机器人深度视觉自主导航方法的有效性。
  • 作者(Author):陈先中刘荣杰张森曾慧杨鑫鹏邓浩
    关键词(KeyWords):毫米波雷达地下采矿3D 成像同步定位与地图构建稀疏点云深度学习

    摘要:环境感知与地下空间导航是煤矿智能化信息领域的重要研究方向,对实现无人化、全自动化、智能化的煤矿生产作业至关重要。 随着第五代移动通信技术(5th generation mobile networks,5G)和毫米波成像雷达软硬件日益紧密结合与成熟,毫米波探测与通讯应用到更多领域。 5G 通讯技术依托高速率、低延时、高带宽的特点给现有的无线电通讯技术带来巨大的变革;同时,毫米波雷达相比激光雷达,低成本、抗干扰、三维点云(3 dimension point cloud,3D)数量相对激光点云数量少1 ~ 2 个数量级的特点,使得其在地下环境 3D 成像及同步定位与地图构建( Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)领域得到越来越多的关注。 基于 5G 通讯的 V2X(Vehicle to Everything)技术结合毫米波 SLAM 导航,为煤矿机器人的自主导航提供新的解决方案。 系统综述了当下煤矿机器人自主导航以及实现煤矿智能化所面临的问题;近期国内外毫米波成像最新进展;地下环境毫米波雷达模块组通讯与信号获取方法;高分辨率成像遇到的稀疏特征提取问题;稀疏点云的处理策略与算法评估;深度学习在毫米波稀疏点云处理中的研究现状与发展方向;SLAM 算法应用于不同环境的研究现状及 SLAM 导航算法。 最后归纳了煤矿地下环境中应用 SLAM 地图构建、路径规划及避障的困难和挑战,并对未来煤矿复杂环境下毫米波通讯与导航兼容并蓄的新应用提出了展望。
  • 作者(Author):王虹王建利张小峰
    关键词(KeyWords):掘锚一体化快速掘进同步支护连续运输协同控制

    摘要:为提高巷道掘进效率,提出了掘锚一体化高效掘进的概念,指出高预应力锚固理论、空顶区顶板稳定控制理论、软岩流变理论、松动圈理论和锚杆支护动态信息设计方法等是掘锚一体机高效掘进的理论基础,进一步采用数值模拟和试验,发现了高效掘进围岩破坏变形规律和低比能耗高效截割的有关规律。 针对综掘工艺平行作业率低的难题,攻克了高效掘进系统集成配套技术,创新研制掘锚一体机、锚杆转载机、跨骑式锚杆钻车和柔性连续运输系统等装备,构建掘进、支护、运输、除尘等工序的同步作业线,掘支运平行作业时间由 25% ~ 35% 增至 50% ~70% 。 攻克了掘锚一体化技术和全宽截割技术,研制了国产掘锚一体机,优化了截割功率、空顶距、接地比压,行走采用千伏级交流变频调速技术,解决了国外设备截割能力不足、适应性差等难题,研制了双驱动高速合流重型截割减速器,实现截割功率达 340 kW,研制前探式临时支护,将临时支护空顶距由1 m 减至0.4m,研制宽型履带底盘,整机接地比压由0.28MPa 降至0.2MPa;针对锚杆支护与转载运输平行作业的难题,攻克了空间多维度同步支护技术,研制了锚杆转载机和跨骑式锚杆钻车等设备,通过多组钻机实现多排多臂分段平行支护,掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板,后部同步实施增强永久支护,形成“前疏后密,快速推进”协同支护体系;攻克了多钎杆钻孔自动接续技术,钎杆由机械手自动续装、由钎杆仓存储,解决了锚索钻装不连续的技术难题;针对胶带长距离搭接的难题,研制出柔性连续运输系统,设计了位姿锁定的蛇形关节架体、偏置摆动式油气悬挂、具有减摩降阻机构的迈步式自移机尾、穿梭动力站等核心部件,实现小半径 90°转弯和 150 m 往复搭接、连续转载;针对高效掘进粉尘防治的难题,提出了固液气三幕组合控尘方法,将粉尘控制在掘进工作面并形成粉尘池,防止粉尘扩散;研制了可随主机设备移动的除尘装置,实现除尘装置与掘进设备同步移动;攻克了小体积无龙骨自承式菱形滤袋过滤技术,研制了矿用全自动紧凑型袋式除尘器,总尘除尘率达99.7% ;攻克了滤网表面超疏水改性、双面两级流线形气液分离等技术,研制了矿用机载湿式负压除尘器。 应用表明,与原有掘进方法相比,掘锚一体化高效掘进技术在稳定围岩和中等稳定围岩条件下提高掘进速度1 ~ 2倍。
  • 作者(Author):黄曾华王峰张守祥
    关键词(KeyWords):智能化采煤智能装备系统架构关键技术开采空间感知智能决策智能运维

    摘要:随着煤炭行业自动化、数字化、信息化的变革,智能化采煤成为了重要的发展方向。 本文先针对我国当前推广应用的可视化远程干预智能化采煤模式进行了分析,介绍、总结了基于视频监控的远程干预综采智能化、以巡检机器人辅助的工作面智能化,以及基于惯性导航技术的综采智能导航等 3 个方向的技术发展情况,总结性提出了当前可视化远程干预智能化采煤工作面对的“看、动、想、稳”4 方面实际问题。 其次,分析了面对复杂开采条件下智能化采煤所面对的自适应技术和综采机器人技术 2 项技术难题,归纳出开采空间多元信息采集及交叉融合、智能化采煤决策基础理论、综采装备群智能化协作 3 个科学难题。 再次,围绕技术科学难题,提出了智能化开采系统需要具备的 4 个基本要素,分别为:煤炭开采空间感知能力要素,智能分析及决策能力要素,自动执行能力要素,可靠及稳健运维能力要素,设计了以“感知、决策、执行、运维”为 4 个维度的智能化采煤系统架构。 研究了关键技术待突破方向,包括开采地质环境增强感知技术、智能开采工艺分析决策技术、开采装备智能化技术、煤矿智能巡检机器人技术、开采系统智能运维技术、辅助生产环节智能化技术、综采智能服务等方面。 最后,以国能集团神东榆家梁煤矿智能化采煤示范工程项目为例,开展了基于“透明工作面”的数字化采煤应用,初步实现了智能化自主采煤。
  • 作者(Author):范京道李川闫振国
    关键词(KeyWords):5G 技术智能煤矿智能化开采微服务智慧矿山

    摘要:5G技术的到来,强化和深度融合了物联网、大数据、人工智能等技术,已经形成了较为成熟的 5G 技术生态,有力推动了包括煤炭企业在内的各个行业的转型升级和智能化发展。 通过分析移动通信技术与煤矿建设的关系,明确了 5G 技术在煤矿生产中所具有的重要作用,揭示了 5G 技术生态是智能煤矿建设的重要推动力;详析分析了当前制约煤矿智能化的井下高效通信、装备智能化、决策智能化等方面的主要问题,并且从 5G 技术生态的角度探讨了解决当前问题的技术手段;研究了智能煤矿的内涵,提出了智能煤矿的定义,明确了智能煤矿必须具备时空一体、万物互联、数据融合、全息感知、业务联动、智能决策六大特征;揭示了智能煤矿基础设施所需要的 5G 技术生态、混合云和 GIM 技术等 3 个技术要素,提出顶层设计中所涉及的云边端思维模式、微服务架构和基于一张图的智能态势分析与决策等 3 个设计理念,从而完成了对智能煤矿建设总体架构的构建。同时,对智能煤矿建设中包括智能探测、智能掘进、智能开采、智能通风、智能洗选和智能调度在内6个典型应用场景所需的研究重点和方向进行了阐述。 最后,以延长石油矿业巴拉素煤矿为实例,在兼顾实际开采条件和发展愿景条件下实践了本文提出的智能煤矿建设构想,力求为我国智能煤矿建设提供一种新探索。
  • 作者(Author):葛世荣张帆王世博王忠宾
    关键词(KeyWords):智采工作面数字孪生人机交互数字主线智能采矿系统

    摘要:为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用 5G 通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。 首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息 3 个部分组成。 介绍了DTSMW 系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等 10 项关键技术。 新的 DTSMW 系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。 研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。 针对DTSMW 系统数据的高度依赖性,首次将智采工作面复杂信息归纳为 3 条信息流,用于描述采煤过程的环境、控制和能量状态。 环境信息流和控制信息流来自煤岩体对采煤机、液压支架、煤流运输机组的输入信息及其调控信息,能量信息流来自开采装备对煤层、岩层变量调控所产生的能量交换状态信息。 针对智采工作面的巨大信息流量,提出了管理 DTSMW 信息流的数据主线(Digital Thread)方法,将信息流的数据分为周期性数据、随机性数据和突发性数据进行建模处理,以确保数字孪生智采工作面的数据驱动及稳定运行。 通过对比分析,DTSMW 系统比现有远程集控中心的智能性提高了一个层次,可为中级智采工作面实现无人化运行提供新的监控系统架构。
  • 作者(Author):王国法杜毅博任怀伟范京道吴群英
    关键词(KeyWords):智能化煤矿顶层设计数字逻辑模型边云协同控制策略

    摘要:建设智能化煤矿是实现煤炭工业转型升级和高质量发展的必由之路。针对当前我国智能化煤矿建设初级阶段缺乏体系性与前瞻性的顶层设计的现状,进行了智能化煤矿顶层设计的系统研究,阐述了智能化煤矿应分为数字融合互联,人机主动交互,主要系统自学习自决策3个阶段分区域分层次实现“物质流、信息流、业务流”的高度一体化协同,构建以人为本的智能生产与生活协调运行的综合生态圈的建设目标和阶段性任务。基于煤矿价值活动分析对智能化煤矿复杂巨系统逻辑关联进行研究和系统归并,提出以泛在网络和大数据云平台为主要支撑,以智能管控一体化系统为核心,能够实现对煤矿开拓、生产、运营全过程进行感知、分析、决策、控制的煤矿十大主要智能系统,包括:煤矿智慧中心及综合管理系统;煤矿安全强实时通信网络及地下精准位置服务系统;地质保障及4D-GIS动态信息系统;巷道智能快速掘进系统;开采工作面智能协同控制系统;煤流及辅助运输与仓储智能系统;煤矿井下环境感知及安全管控系统;煤炭洗选智能化系统;固定场所无人值守智能管理系统;煤矿场区及绿色生态智能系统等的智能化煤矿建设顶层架构。通过对数据特征与关联关系研究提出智能化煤矿信息实体特征与抽取方法,并研究智能化煤矿知识图谱构建及数据交互推送方法,构建智能化煤矿数字逻辑模型;研究提出智能化煤矿“云边端”数据处理架构和三层递阶控制策略,在此基础上对煤矿智能化应用系统进行具体设计。以张家峁煤矿生产矿井智能化改造和巴拉素煤矿新建矿井全面智能化建设为典型案例进行了工程实践。
  • 作者(Author):王学文 谢嘉成 郝尚清 李娟莉杨兆建任芳暴庆保
    关键词(KeyWords):综采工作面虚拟监测智能开采实时运行数据驱动虚实融合

    摘要:针对数字化综采工作面的场景构建、虚实交互通道和虚拟模型驱动三大基础问题,提出一种面向智能化综采工作面的实时虚拟监测方法,对高可信度煤层装备联合虚拟仿真与协同规划、实时可靠信息获取与“虚实融合”通道构建技术和虚实融合与感知一致性呈现等方法进行研究,具体包括:① 基于 Unity3D 开发特点和模型所需特性,分别完成了三机装备数字模型和煤层顶底板模型的构建,将虚拟装备布置在虚拟煤层中,实现各装备之间的虚拟协同以及装备与煤层之间的关系构建,完成了虚拟煤层环境下的装备协同推进仿真并对装备群协同运行进行虚拟规划,实现了高仿真度综采虚拟场景的构建;② 在装备反映位姿信息的关键位置上布置传感器,通过一系列接口和通道,构建 Unity3D 与组态软件、数据库和计算软件之间的信息交互。 采用分布式协同的驱动模式,优化了数据的传输处理,最终将综采装备的实时运行数据导入虚拟平台,驱动虚拟设备运行,实现了稳定可靠的传感信息协同与调度;③ 构架了复杂综采虚拟场景实时驱动框架,研究了基于底层模型驱动虚拟单机关键技术,提出了采运装备协同仿真与实时数据驱动的方法、采煤机自动调高方法、刮板输送机和支架协同仿真与实时数据驱动方法、虚拟液压支架群的虚拟驱动方法以及动态透明工作面时空运动学实时分析方法,接着进行了虚拟监测界面设计,实现了传感数据与虚拟仿真运行信息高精度融合。最后在实验室综采成套试验系统和样机试验平台上分别完成了相关试验,验证了三大模块联合运行的正确性和可靠性。 试验表明,VR 监测系统运行清晰流畅,虚实映射状态同步,可切换性好,呈现信息准确,后台数据库压力也较小,可以完成预期目标。 在仿真运行中可实时提取出各装备与煤层运行的相关参数,完成高可靠性虚拟规划。
  • 作者(Author):王国法葛世荣鲍久圣周福宝范京道马宏伟王杜鹃卢新明石智军毛善君黄曾华

    摘要:点击“相关视频”,查看王国法院士、葛世荣校长等12位专家对《煤炭学报》“煤矿智能化关键技术”专题的寄语。
  • 作者(Author):杨俊哲孟祥军范京道张建安毛明仓

    摘要:由《煤炭学报》编辑部与中国矿业大学(北京)校长葛世荣教授共同组织策划的“煤矿智能化关键技术”专题已于2020年7月15日上午发布,同时,部分论文作者于7月16日上午“煤矿智能化技术学术论坛”解读专题论文!本次专题的发布工作收到了来自神华神东煤炭集团有限责任公司、兖矿集团有限公司、陕西陕煤黄陵矿业有限公司、陕西延长石油集团有限责任公司、陕煤集团神木张家峁矿业有限公司等5家企业的祝福。在此,《煤炭学报》编辑部对这些单位给予的支持表示衷心的感谢!
  • 作者(Author):尹尚先王屹尹慧超徐斌王铁记杨俊文田午子徐维曹敏
    关键词(KeyWords):奥陶系灰岩及薄层灰岩水害全时空防治突水机理立体网状四位一体

    摘要:奥陶系灰岩+厚隔水层夹薄层灰岩+煤层的地层结构模式是我国石炭二叠系煤田带压开采的典型存在形式。尽管隔水层巨厚,由于其中夹有薄层灰岩含水层,导致深部开采时突水灾害仍然频发。由于突水系数的局限性,依据隔水层厚度、底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和、突水系数将底板隔水层类型综合划分为极薄、薄、中、厚及巨厚5种类型,淡化突水系数在极薄、厚及巨厚隔水层中的应用。阐述了薄层灰岩在串连奥灰与煤层形成水害的独特作用,定义了深部底板奥灰及薄灰水害概念及突水模式,总结了其五维度特征,概括为充水水源的总源递进、充水通道的面状分散、充水强度的台阶增长、充水时间的滞后出水、充水水源水质的交换吸附,阐明了奥灰水渗透、扩容、压裂、导升经薄灰中转储运形成面状散流的突水机理,提出了相应的突水危险性评价公式P0>3σ3-σ1-Pp+Rm。针对巨厚隔水层且传统井下底板加固甚至区域治理仍无法完全控制深部突水的现状,创新了全时域与全空域四维度奥灰及薄灰水害的“全时空”综合防治理念,空域上井上下相结合、奥灰及薄灰多层次区域治理与井下薄灰钻孔探治验相结合的全空间多层次立体网状防控布局,创建了全空域立体交叉网络探查、治理、验证、补充的“全空域”立体防治模式,形成了条件评估、探治验补、检验评价、监测保障的全时域“四位一体”技术质量控制流程,创立了“四位一体”立体网状全时空深部底板奥灰及薄灰水害防治方法。以邯邢矿区梧桐庄井田2603工作面为工程案例,确定奥灰顶面以下40~60 m和20~30 m、薄灰大青和山伏青灰岩为目标实施多层段地面超前区域治理及补充治理,配合野青和山伏青为目标井下补充治理和验证,形成立体网络治理;采用奥灰薄灰水文地质条件评估确定治理目标,用地面区域探查治理、补充探查治理以及传统井下查缺补漏验证前期治理效果,以治理效果检验、底板完整性评价、突水危险性评价、涌水量预测、排水能力评价等全面评估能否回采工作面,回采过程中采取水文监测、微震系统、矿压系统等综合监测手段紧盯薄层灰岩关键层,实现了工作面安全回采。
  • 作者(Author):彭苏萍毕银丽
    关键词(KeyWords):黄河流域煤矿区裂隙发育水资源保护生态环境修复

    摘要:针对黄河流域煤矿区所处的战略地位,剖析了该流域生态环境面临的主要问题,认为水资源短缺是该流域中上游生态环境治理的瓶颈,现有技术与方法还不能支撑黄河流域煤矿开采与生态环境的协调发展,理论与技术的创新将成为新的关注热点。分析了国内外煤矿开采的岩层结构及采动裂隙演化规律、地下水资源保护、煤炭开采对水和生态环境影响的研究现状,提出了黄河流域煤矿区生态环境修复应结合煤层赋存特点和煤层开采工艺技术,对上覆岩层产生的裂隙发育特征与展布格局,裂隙与地表水和矿井水的导通与耦合关系,裂隙对地表生态发育与退化作用,生态环境修复关键技术与方法等进行了系统描述。提出黄河流域中上游煤矿区生态环境修复关键是水的保护与利用,要采用四维综合监测方法,揭示采矿全周期的地下水、表层水运移及地表生态环境演变规律。要针对黄河流域不同煤矿区开发过程对水土资源受损的影响程度与范围,研究并形成黄河流域煤矿生态环境修复关键技术,构建黄河流域煤炭开发的生态安全评价体系及调控模式。要改变传统认为煤炭开采只是对生态环境破坏的旧观念,充分利用煤炭开采过程对上覆岩层产生裂隙这一类似“松土”的作用动力,减缓干旱半干旱地区极易形成的次生盐碱化现象,积极将人工修复技术和生态自修复作用相结合,实现从被动防治到主动治理,使煤矿区生态环境修复成为黄河流域生态治理的典范,并为其他行业应用提供借鉴。最后提出黄河流域煤矿区生态环境修复今后工作重点与发展模式,来实现生态环境修复可持续发展。
  • 作者(Author):武鹏吕元郭中山吕毅军吴雷徐炎华门卓武
    关键词(KeyWords):煤间接液化费托合成催化剂气固流化床活化浆态床反应器扩能国六汽柴油费托合成水

    摘要:煤间接液化技术可实现煤的清洁转化,并部分解决石油对外依存的问题,成为我国替代石油和煤炭清洁化利用的有效途径之一。根据工业示范和初步商业化运行暴露的问题以及国内外研究成果,认为制约煤间接液化技术发展的瓶颈主要为:催化剂活性和选择性与国外先进水平存在差异、稳定性亟待提高,单台反应器产能较低,汽柴油产品不合格,提取有机物后合成水变为含盐废水等。为解决上述问题,国家能源集团承担了国家重点研究计划项目—先进煤间接液化及产品加工成套技术开发。本文详细总结了项目研究进展,包括:① 通过对Co2C 介导的原位转晶技术、载体优化及工程放大研究,实现10 kg 级/批费托钴基催化剂中试规模的制备;在公斤级催化剂装量中试装置上C+5时空产率≥0.3 kg油/(kg催化剂·h),CO 转化率≥90%,催化剂单次再生寿命≥6 000 h,已具备工业试验的条件;② 采用原位/非原位技术系统研究了催化剂活性相生成机理,完成铁基催化剂的实验室定型、中试到1 t/d的规模化生产,并在百t油品/a中试装置运行时空产率≥1.0 kg油/(kg催化剂·h),吨油剂耗≤1.0 kg,正在进行工业应用试验;③ 采用气固流化床装置活化费托铁基催化剂,搭建了气固流化床还原平台,完成20 t/批气固流化床的基础设计;④ 采用基于EMMS理论建立二相相互作用模型,并进行了浆态床反应器反应性能和流体力学模拟,并建立CFD-PBM模型,确定了65万t/a扩能改造的技术方案;⑤ 建立费托渣蜡的磁分离的装置、方法,完成20 L/h磁分离研究,分离后铁含量接近0.02%;⑥ 实现了以费托合成蜡为原料采用流化催化裂化技术生产汽油的催化剂和工艺流程实验室定型;⑦ 采用百万吨级煤直接/间接液化工业装置生产的柴油组分进行5 L/批调和,得到满足需求的调和柴油组分;⑧ 完成了采用膜分离技术实现费托合成水脱酸的实验室研究,完成了费托合成水中醇的提取和分离中试试验,以及将提取醇后的费托合成水处理为锅炉用水,实现了费托合成的水资源化利用。突破上述关键技术的瓶颈,并对形成的解决方案进行中试验证,具备条件的进行商业化应用,最后与现有成熟技术集成,形成可生产国六汽柴油产品的先进煤间接液化和产品加工成套技术。
  • 作者(Author):李勇王延斌孟尚志吴翔陶传奇许卫凯
    关键词(KeyWords):煤系气煤系三气合采产层组合共采兼容性鄂尔多斯盆地

    摘要:煤层气、煤系页岩气和煤系致密气在国内外多个盆地中同时赋存,分别实现了勘探开发,但是多层/多种非常规天然气同井筒开发仍未系统实施。实现多气协同开发,将大幅提高地下资源可动用率和开发经济效益。本文系统总结国内外典型盆地煤系气生烃演化、气藏赋存、储层物性和产出机理方面的进展和认识,以期为非常规天然气多气合采提供理论和方法借鉴。主要进展包括:① 煤系生烃超压或微裂缝沟通是气体运移、聚集的必要条件;② 煤系含气系统呈现箱式封存、连续运聚、动态转化、定向聚散的特点;③  岩层组合、应力场、温度场、含气性等静态地质参数决定可采性,单层/多层相渗、储层压力、供液能力等动态参数决定产出效果;④ 物理实验和数值分析可模拟理想地质条件下的合采干扰因素,储层压力和渗透率是影响排水期和气水同产期渗流的主要因素;⑤ 合理的排水采气工艺和科学控制采气速度,可适当避免或控制层间和井筒内的干扰。后续研究的核心是“地质+工程”甜点区优选,需要解决的关键问题包括:① 叠置多类型气藏在地质演化过程的动态运聚过程,优势储层的形成与界定准则;② 煤系内复杂的气水分布关系和流体压力系统,如何保证增产改造措施的有效性和科学监测;③ 多层合采排采控制制度及产能预测方法。在具体工作中查明“煤系沉积—储层演化—生烃运聚—气水赋存”的动态耦合过程,围绕“开发地质选区—钻完井与储层保护—增产改造—合采制度及产能预测”进行攻关。根据不同地区煤系非常规天然气的共生特点,选择合适的技术实现同井筒合采,有助于提高经济效益和资源动用率。
  • 作者(Author):王国法庞义辉刘峰刘见中范京道吴群英孟祥军徐亚军任怀伟杜毅博赵国瑞李明忠马英张金虎
    关键词(KeyWords):智能化煤矿技术要求指标体系分类评价分级评价

    摘要:针对我国智能化煤矿尚没有统一标准,无法对煤矿智能化建设和发展水平进行科学合理定量评价的问题,开展了智能化煤矿生产技术条件分类与智能化程度分级评价指标体系研究,提出了煤矿智能化程度的定义及量化指标,结合不同区域、不同开采条件智能化煤矿建设实际,制定了智能化煤矿分类、分级评价指标体系与评价方法,开发了智能化煤矿分类、分级评价软件系统。首先以煤矿所在区域、地质条件为基本指标,以矿井开采技术参数、开采效率、安全水平、建设基础为参考要素,建立智能化煤矿分类评价指标体系,将煤矿分类评价条件分为良好、中等、复杂3类;然后,根据煤矿分类评价结果,对不同类别煤矿进行智能化程度的分级评价。基于智能化煤矿开拓、生产、运营等主要流程,将智能化煤矿巨系统细分为信息基础设施、智能地质保障系统、智能综采系统、智能掘进系统、智能主煤流运输系统、智能辅助运输系统、智能综合保障系统、智能安全监控系统、智能分选系统、智能经营管理系统等10个主要智能化系统,提出了智能化煤矿10个主系统及相关子系统智能化程度评价指标体系。针对不同生产技术条件分类的煤矿,采用与之相适应的智能化评价指标体系,就可以对煤矿智能化程度进行定量评价。按照综合评价结果,将智能化煤矿划分为甲、乙、丙和不合格4个等级。以陕北某矿智能化建设工程为例证,进行了矿井生产技术条件分类与智能化程度分级评价分析,验证了评价指标体系与评价方法的科学性与可靠性,评价结果不仅可以反映该矿井的智能化建设水平,也可以为新建智能化煤矿和生产煤矿的智能化建设与升级改造提供依据。

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