《工矿自动化》2024年度优秀论文_中国煤炭行业知识服务平台

《工矿自动化》2024年度优秀论文

来源：工矿自动化

为鼓励更多作者积极展示优秀科研成果，促进优秀学术内容交流，本刊编辑部根据《〈工矿自动化〉年度优秀论文评选奖励办法》，综合考虑论文被引及下载指标、网络投票数及专家评审结果，从本刊2023年正式刊出的240篇论文中，共评选出25篇优秀论文。祝贺入选论文作者及其团队，并向所有支持本刊的作者表示感谢！编辑部将向优秀论文作者颁发荣誉证书。

优秀论文如下，按发表顺序排列。

行业视野: 工矿自动化
类别; 148个
关键词; 112位
专家; 25篇
论文; 5090IP
点击量; 2688次
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煤巷锚杆支护施工装备现状及发展趋势

作者(Author)：康红普, 姜鹏飞, 刘畅, 王子越, 罗超, 郭吉昌, 陈志良, 曹晓明

摘要：锚杆支护施工装备是煤巷锚杆支护成套技术的重要组成部分，直接影响锚杆支护速度与质量。经过长期发展，我国煤矿开发出多种形式的锚杆支护施工装备，包括单体锚杆钻机、锚杆钻车、掘锚机、掘锚一体机、锚杆转载机及跨骑式锚杆钻车等。系统分析了6类锚杆支护施工装备的发展历程、技术性能、技术参数、适用条件及最新进展。单体锚杆钻机轻便、灵活、技术成熟，形成系列化产品，得到广泛应用。机载锚杆钻臂可集成于不同平台，形成各种集成化施工装备：锚杆钻车形成了从两臂到九臂的多种机型，可紧跟掘进装备、与掘进装备交替作业，多臂协同、多臂平行作业完成锚杆支护施工；将机载锚杆钻臂配置于悬臂式掘进机上，开发出多种形式的掘锚机，实现了掘进与锚杆支护施工2个功能；掘锚一体机实现了国产化，研制出支护平台前移的掘锚一体机、护盾式掘锚一体机及钻锚一体化掘锚一体机；研制出从两臂到七臂的锚杆转载机、十臂跨骑式锚杆钻车，实现了锚杆支护与掘进、运输分区作业。介绍了钻锚一体化锚杆支护技术与装备，包括钻锚一体化锚杆、泵注锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统，将传统锚杆施工6道工序简化为1道连续工序，实现了“一键打锚杆”自动化作业，显著提高了锚杆支护速度和自动化程度。指出了煤巷锚杆支护施工装备发展趋势：数智化锚杆钻臂；锚杆钻臂定位、位姿自主调节及多钻臂协同控制技术；锚杆（索）结构与材料优化、锚注材料升级及施工设备完善；环境动态感知及随掘围岩稳定性判别；锚杆支护施工装备故障诊断技术；巷道围岩变形与支护体受力在线监测；建立大数据平台，实现锚杆支护自动化、智能化。

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2023年第01期

327

398
智能化煤矿数据归类与编码实质、目标与技术方法

作者(Author)：谭章禄, 王美君

摘要：智能化煤矿数据归类与编码是智能化煤矿数据治理与融合共享标准体系的关键组成部分，但目前尚未形成完善的方法论体系，亟待对智能化煤矿数据归类与编码的技术目标、技术原则与关键技术流程等进行深入研究。从分析智能化煤矿高级阶段目标实现进程中数据归类与编码要解决的核心问题出发，阐明了智能化煤矿数据归类与编码的实质：智能化煤矿数据归类与编码是对智能化煤矿信息世界的认识和构建，对智能化煤矿意识世界的优化和映射，以及对智能化煤矿物理世界的改造和描述。从总体战略目标、经营战略目标和职能战略目标3个层面分析了智能化煤矿数据归类与编码的目标要求：智能化煤矿数据归类与编码要推动煤炭企业商业模式重塑，改变价值创造驱动模式，聚焦关键价值活动，实现智能化煤矿数据的科学组织。提出了智能化煤矿数据归类与编码需要遵循科学性、规范性、完整性、唯一性、有效性的基本原则。给出了智能化煤矿数据归类与编码基本思路：智能化煤矿宜采用“基准-扩展”两阶段的数据归类思路，即第1阶段采用“业务域-数据域-对象-属性-数据元”的逻辑顺序确定智能化煤矿数据的归类基准，第2阶段采用“智能应用体系-智能业务系统-系统功能-数据资源”的逻辑顺序进行数据归类校验和补充；智能化煤矿数据编码宜采用线分类的层次编码方法。基于上述基本思路，指出智能化煤矿数据归类与编码总体上需要关注确定业务域、确定数据域、识别对象类、抽取对象类属性、定义数据元5个关键步骤。

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2023年第01期

169

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悬臂式掘进机自主调速截割控制系统

作者(Author)：张旭辉, 石硕, 杨红强, 杨文娟, 张超, 王甜

摘要：现有悬臂式掘进机截割控制采用较为单一的控制方法且截割头以定速完成巷道断面截割，未综合考虑轨迹规划和自主调速控制，在复杂地质条件下难以实现较高的巷道工程质量。针对上述问题，提出了一种悬臂式掘进机自主调速截割控制系统。首先，建立截割头和煤层的三维模型并导入ABAQUS软件进行有限元分析，获取截割头受到的反作用力与截割臂摆动速度之间的关系，进而得到截割臂摆动速度与截割头加速度之间的关系，利用k-means聚类方法对加速度进行分层。然后，采用层次包围盒算法建立截割头碰撞检测模型，规划合适的矩形巷道断面截割轨迹，经多次离散化生成离散截割轨迹规划点，对截割臂进行运动学逆解计算，获取截割头到达离散截割轨迹规划点所需的截割臂回转弧度、抬升弧度和伸长量，并利用全局最优速度模型求解截割头运动至离散截割轨迹规划点的速度。最后，利用加速度传感器采集截割臂振动信号，根据加速度分层结果确定截割臂目标摆动速度，并通过模糊PID控制使截割臂摆动速度及时准确地随截割头加速度的变化调整到目标摆动速度。实验结果表明：采用模糊PID控制可实现较为快速、无超调量的截割臂摆动速度调节；与定速截割控制相比，采用自主调速截割控制的巷道断面成形质量高，宽度规格偏差降低了37%，高度规格偏差降低了17%，满足MT/T 5009-1994《煤矿井巷工程质量检验评定标准》规定的巷道成形质量要求。

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2023年第01期

164

158
基于工业互联网的智能矿山灾害数字孪生研究

作者(Author)：邢震, 韩安, 陈晓晶, 陈海舰, 沈毅

摘要：煤矿灾害综合管控是智能矿山建设进程中需要重点解决的难题，借助数字孪生技术实现煤矿灾害的常态化管控是智能矿山建设的必然要求。从数字孪生内涵及本质出发，分析了数字孪生认识规律，并结合煤矿灾害数字孪生数据交互流程，提出了数字孪生技术在煤矿灾害研究中的应用模式：通过煤矿井下灾害监测传感器等设备进行实时监测，将监测数据通过边缘通信模块、云端通信模块上传至云端；数字孪生数值仿真软件部署在云端，利用传感器上传的监测数据作为初始条件参数、边界条件参数、效果验证参数，经过实时仿真分析，通过不断试错，寻求最佳的优化参数及解决方案；当技术手段在孪生世界应用成熟后，可用于对虚拟实体的最佳参数、解决方案等进行分析、判断、决策，并下发决策指令至井下执行器，控制灾害防治装备动作。从灾害监测方案优化、灾害预演及避灾路线精准规划、灾后救援方案制订及事故调查3个方面探讨了数字孪生赋能灾害预测性管控的实际应用。以工业互联网“云-管-边-端”架构为基础，构建了煤矿灾害数字孪生服务体系，并分析了面向矿山灾害的数字孪生关键技术，包括煤矿灾害智能感知和执行装备、煤矿灾害仿真软件、共性支撑技术，以期为数字孪生赋能智能矿山建设提供参考。

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2023年第02期

232

152
基于虚拟现实与数字孪生技术的综采工作面直线度求解

作者(Author)：闫泽文, 谢嘉成, 李素华, 沈卫东, 王怡荣, 王学文

摘要：直线度问题是综采工作面智能化建设的卡脖子问题之一，解决该问题的关键在于刮板输送机或者液压支架群的位姿获取。目前针对综采工作面直线度的研究大多是对液压支架和刮板输送机的直线度分别进行讨论，存在成本高、实现困难等问题。针对该问题，基于虚拟现实（VR）与数字孪生（DT）技术对综采工作面直线度求解方法进行探索，将液压支架、浮动连接机构、刮板输送机看作一个系统来进行整体考虑，搭建了综采工作面直线度求解框架，主要分为机理解析、模型构建、融合推演、重构监测、预测控制5个步骤。指出综采支运装备相对位置关系分析的关键在于连接液压支架底座与刮板输送机的浮动连接机构，根据浮动连接机构的运动特性将其简化为机器人模型，进行正逆向运动解析；依据真实的煤层环境，在Unity3D中建立基于关节的综采支运装备运动仿真模型，构建VR场景，实现虚实映射；通过非接触式视觉传感器、虚拟传感器、虚实融合等技术，融合传感器及点云信息进行支运装备位姿推演；利用虚实交互技术，联合真实物理场景构建DT系统，实现综采工作面虚拟监测；在虚拟场景中对保证直线度所需的推移行程进行预测，并将其反馈至物理场景中进行直线度控制。

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2023年第02期

282

171
综采工作面三机数字孪生及协同建模方法

作者(Author)：刘清, 张龙, 李天越, 杜鹏飞

摘要：针对现有煤矿设备数字孪生建模方法主要侧重对单一设备进行建模，缺少三机耦合协同关系分析的问题，提出了综采工作面三机数字孪生及协同建模方法。采用智能体建模方法构建包含感知单元、控制单元和执行单元的采煤机、液压支架、刮板输送机智能体模型，依据三维建模流程构建对应的可视化模型，以智能体模型驱动三维模型运动，二者结合构成三机数字孪生模型；采用离散事件建模方法构建涵盖三机数字孪生模型交互过程的协同工艺模型，按照时序梳理三机开采工艺，形成三机协同工艺时序表。数字孪生模型用于描述综采三机的状态与行为，进行个体层面的仿真计算；协同工艺模型用于表征数字孪生模型之间的时序动作转换，实现对三机协同过程整体的推演。采煤机数字孪生模型的摇臂升降仿真实验结果表明，与真实设备测量数据对比，模型误差小，摇臂倾角平均误差为2.3°；液压支架数字孪生模型的连续升柱动作仿真实验结果表明，模型与真实设备的一致性好，与真实设备测量数据对比，角度平均误差为0.14°，行程平均误差为6.3 mm；结合煤矿实际生产日志对构建的三机协同模型进行虚实仿真实验，结果表明，所构建的综采工作面三机数字孪生模型与真实设备实现了相互映射，仿真结果与真实记录接近，三机协同模型可以较为准确地反映协同开采过程。综采工作面三机数字孪生及协同建模方法为综采设备及其协同关系的数字孪生建模提供了新思路。

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2023年第02期

217

155
煤矿灾害智能预警架构及关键技术研究

作者(Author)：丁震, 李浩荡, 张庆华

摘要：我国已初步实现对煤矿瓦斯、火灾、水害、顶板、粉尘五大灾害的监测报警或预警，但智能化水平较低，不具备自我分析和决策能力。在智慧矿山概念框架下，阐述了煤矿灾害智能预警的内涵，提出了灾害智能预警的感知数据精准化、预警模型智能化、预警防灾协同化、应急决策高效化4个方面的特征。设计了煤矿灾害智能预警总体架构：由感知控制层、传输层、存储分析层和应用层4个层级组成，可实现对各类灾害的智能预警和智能管控；采用统一标准、统一采集、统一存储、统一分析、统一展现的数据处理原则，实现灾害智能预警多源异构数据共享与深度挖掘利用，从而解决数据孤岛、数据烟囱等问题。基于煤矿灾害智能预警总体架构，设计了灾害智能预警业务流程，为灾害智能预警设计提供参考。总结了煤矿灾害智能预警关键技术，包括瓦斯、火灾、水害、顶板、粉尘精准监测预警技术和灾害融合智能预警技术，分析了各关键技术难点及发展方向。以青龙寺煤矿灾害智能预警平台为实例，展示了灾害智能预警技术在监测监控、灾害预警、应急救援、分级管控等方面的应用效果。提出应深入研究灾害精准感知技术及装备、多场耦合致灾机理、预警模型自学习自适应技术，以实现高级阶段的灾害智能化预警。

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2023年第04期

212
煤矿智能化掘进关键技术研究

作者(Author)：李飞, 张林, 尚宇琦, 孔德中, 王玉亮, 陈龙, 张枝伟

摘要：介绍了近年来煤矿巷道掘进主要技术（悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术及掘锚一体化掘进技术）的研究成果，分析了这3种主要巷道掘进技术在我国的适用性及推广价值，指出：(1)悬臂式掘进机综掘技术仅能“前掘后锚”，掘进与支护的过程不能同时进行，限制了掘进效率。(2)连续采煤机掘进技术仅可在近水平煤层条件下进行，且对顶板的稳定程度有一定要求，适用性不强。(3)掘锚一体化掘进技术仅适用于巷道断面大的单巷快速掘进，所用到的掘锚一体机机身大且价格昂贵，并对所掘进巷道的底板稳定性有一定的要求。相比连续采煤机掘进技术，掘锚一体化掘进技术在我国有较好的应用前景。将原有掘进机的掘进功能拓展为掘进兼支护的功能，这对掘锚一体化掘进技术的研究与普及可起到推动作用。分析了近年来煤矿巷道机器人化智能掘进技术中智能截割、远程智能监控、智能协同控制3个方面的研究成果，得出：(1)智能截割技术主要集中在对煤岩自适应识别方面的研究。(2)远程智能监控技术已从远程实时监测向远程可视化监控方向发展，虚拟仿真技术的发展将井下掘进巷道的情况可视化地展现在地面，并将控制信号反馈到掘进工作面来对掘进工作面掘进机组进行远程同步控制，成为当前巷道掘进远程监控智能化的重要标志。(3)目前针对智能协同控制技术的研究较少。探讨了煤矿巷道掘进智能化的发展方向：加强掘进设备集成协同化、设备模块化组合、5G矿用无线网络设备、掘进远程智能监控系统及难掘慢掘巷道掘进工程等方面的研究。

工矿自动化

2023年第04期

231