“煤矿智能化关键技术”专题（《煤炭学报》）

来源：《煤炭学报》2020年第6期

煤炭是人类生存的主要能源物质，在2019年的一次能源消费中，我国煤炭能源占比57.7%，世界煤炭能源占比约27%。在相当一段时期，我国仍要依靠煤炭能源作为经济社会发展的“工业粮食”，但其生产方式和利用将发生重大转变，必须走“智能安全开采，清洁高效利用”的高质量煤炭工业发展之路。

当前，煤矿智能化开采技术研发与应用积极性之高、各界行动响应之快、成果涌现数量之多、实践探索范围之大，在我国煤炭工业创新发展历史上是少有的。为了展示目前我国煤矿生产智能化技术成果，《煤炭学报》汇集了这期专题论文，征集各方面在煤矿智能化技术创新与应用的成果和经验。

在征文通知发出之后，广大作者投稿十分踊跃，展现出对本期专题的广泛关注，但受限于期刊版面，本期只能刊出36篇论文。在这36篇论文中，涉及到智能化架构论文4篇（占比11.1%），智能化生产论文17篇（占比47.2%，开采5篇、掘进4篇、支护3篇、运输5篇），智能化安全控制论文15篇（41.6%，煤矿机器人6篇、安全监测9篇）。在此，向为本期专题奉献佳作的论文作者表示感谢！

煤矿智能化技术发展不是一蹴而就的，它是站在机械化、数字化、自动化的扎实基础之上，这其中凝聚着几代煤炭人的辛勤奉献，向他们致敬！它是依靠绿色开采、安全开采、科学开采、精准开采的理论模型支撑，这其中凝聚着煤炭行业院士、学者的智慧结晶，向他们学习！它是融合机器人、人工智能、大数据、工业互联网等技术架构，这其中召唤着青年一代科技工作者的创新攻关，为他们加油！

行业视野: 智能化
类别; 164个
关键词; 178位
专家; 40篇
论文; 78518IP
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基于多频连续波相位差测距的掘进机位姿识别方法

作者(Author)：张晓光, 杨悦, 孙彦景, 李松, 田志坚, 丁恩杰

摘要：随着矿山生产过程的日趋无人/ 少人化，采掘装备位姿识别技术对煤矿井下安全生产和机器协同工作具有重要意义。为了解决在空间受限的复杂掘进作业环境下，电磁波频繁反射和散射会造成密集多径和大相位误差问题，采用无源宽带谐波标签生成可利用的谐波信号，建立基于非线性二次谐波反向散射的抗干扰模型，通过上、下行链路的频率分集，抑制矿井密集多径干扰;通过基于距离的几何定位方法，提出连贯发射宽带多频连续波(Coherent Sending Broadband MultifrequencyContinuous-Wave，CSMCW)相位差测距算法，来解决大相位误差条件下的测距、定位和识别的准确性难题。并以掘进机为例，研究了基于 CSMCW 相位差测距的无源掘进机位姿识别方法。为了验证上述理论和算法的可行性，设定了长宽高为 105 m×4 m×3 m 的掘进机仿真实验场景，分别对谐波标签抗干扰性能、CSMCW 相位差测距和掘进机位姿识别效果进行了仿真测试。仿真结果表明:采用无源宽带谐波标签，与传统无源标签相比可以获得更大的信干比，具有较强的顽健性，能够有效抑制纳秒级密集多径干扰;与二次相差测距算法、参差频差测距算法相比，基于谐波反向散射抗干扰模型的 CSMCW 测距算法具有更强的鲁棒性，在低信噪比条件下定位测距可达到厘米级的分辨率，保证了掘进机位姿姿态角的识别;信噪比(SNR)= -5 dB、测量距离为 100 m 时，基于提出的多频连续波相位差测距的位姿识别方法得到掘进机航向角、俯仰角、横滚角最大误差精度约为2. 3°，能够满足未来的应用要求。

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液压支架群组跟机推进行为的智能决策模型

作者(Author)：付翔, 王然风, 赵阳升

摘要：智能决策模型支持的液压支架自组织协同控制是智能开采的关键技术之一，支架群组跟机行为的全局最优规划是智能决策模型的核心原理。提出了液压支架跟机行为的动作类型排序和动作速度调控的双层规划原理，以支架适应采煤机速度、液压系统压力稳定为多目标导控，设计了支架群组跟机推进行为智能决策模型，实现供液动力与支架动作协同全局最优控制序的动态决策。基于液压支架多类型单自由度的运动空间特性，根据时间世界模型的时间元关系约束定理，提出了液压支架群组跟机动作时序规划方法，设计了满足跟机工艺和空间约束的支架动作动态排序模型，以改进支架不同类型动作发生顺序和相互之间的时间逻辑。基于支架动作的稳压供液原理，构建了供液流量与支架组合动作执行时间的数学映射模型，构建了支架动作时压力状态模糊辨识模型，实现支架组合动作速度和压力稳定性的预测评价。通过示例的仿真和试验验证了决策模型的正确性和可行性，并得出结论，智能决策模型可根据采煤机速度自动生成支架与供液协同控制策略，提高了支架群组跟机适应能力，并一定程度地稳定了液压系统压力过程状态。本文研究形成自适应采煤机速度的支架群组跟机推进行为智能决策机制与框架，为实现支架自组织协同控制技术提供关键的决策支持。

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液压支架网络化智能感控方法

作者(Author)：廉自生, 袁祥, 高飞, 廖瑶瑶, 郭永昌, 赵瑞豪

摘要：在智能化综采工作面，液压支架的智能化技术对顶板及煤壁的安全控制、三机的协调运行及工作面的循环推进起着关键保障作用。针对煤矿智能化开采的技术现状及发展趋势，分析了液压支架与围岩的耦合状态、液压支架动作过程、支架与刮板输送机的协同控制、护帮板与煤壁耦合状态等感知功能需求，提出了相应的感知方法及传感元件的布置方案。在分析感知需求的基础上，提出了液压支架感知元件的结构框架及数字化感知网络架构。感知元件具有自供电数字化信号无线传输功能、架内无线传感网络采用 ZigBee 通信方式，所有无线感知信号通过信息接收装置进行存储、处理，然后通过 RS485 总线与支架控制器通讯，架间信息传输采用工业以太网。支架的各个动作采用闭环控制。实现全面感知液压支架的位置、姿态、工作阻力、载荷分布、液压控制回路关键参数等信息。依据这些信息，结合矿压理论及支架与围岩耦合机理，可以实时掌握顶板状态、来压规律以及来压过程支架与围岩的耦合特性;利用数字化感控网络，液压支架各个动作的控制回路可以实现开关式闭环控制，可以为液压支架对围岩的自适应调节、推溜拉架的平直度控制、跟机移架自适应控制以及综采装备物联网的构建等智能化水平的进一步提升提供必要的信息支撑。

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基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术

作者(Author)：程敬义, 万志军, PENG Syd S, 张洪伟, 邢轲轲, 闫万梓, 刘泗斐

摘要：超前感知综采工作面顶板来压并预判冒顶事故、自主评价支护参数的适应性,是提高综采工作面安全高效及智能化水平的基础。围绕综采工作面支架与顶板状态智能感知的核心问题,基于综采工作面电液控制液压支架海量监测数据,开发了综采工作面支架与顶板状态智能感知系统(SSRI);结合大数据挖掘及工作循环分析技术,提出了用于支架压力分析的多因次工作循环特征参数;研究了安全阀开启、割煤及邻架移架、地质等多种因素影响下的单台支架承载特征及支架群组载荷转移分布规律;在深入解读支架阻力及活柱下缩时序曲线所蕴含的支架与围岩相互作用关系的基础上,构建了支架与顶板状态智能感知模型,实现了对顶板来压的预测、冒顶预警、支架适应性及支护质量评价,初步建立了基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术体系。结果表明:① 额定工作阻力不应作为评价支架承载能力的唯一或主要指标,初撑力、额定工作阻力及安全阀开启特性等参数共同决定了支架的承载特性及承载能力;② 充分挖掘分析海量矿压监测数据,可以实现采场顶板灾害智能预警、支护质量评价及故障诊断等研究目标;③ 对海量监测数据的深入分析与利用是实现综采工作面支架围岩耦合自适应控制、支护参数自适应调整等智能化开采目标的前提与基础。

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煤矿井下机车无人驾驶系统关键技术

作者(Author)：韩江洪, 卫星, 陆阳, 魏臻, 程磊

摘要：煤矿井下机车无人驾驶系统的研发和运行,有助于降低因调度、操作失误而发生运输事故的概率并且能够从根本上减少井下作业人员的数量。与技术日趋成熟的地面汽车无人驾驶、铁路无人驾驶不同,在井下环境实施机车无人驾驶存在诸多新的挑战:例如运输大巷人车共用、巷道狭窄、光照条件不均匀,无法利用卫星定位系统,缺乏有效的通信手段等。从实现井下无人驾驶机车系统的关键问题分析入手,综述了其技术研究进展。 ① 提出了基于信息网络与控制网络无缝结合的井下无人驾驶机车系统架构,以确保列车调度智能化、机车操控与状态采集自动化、运输监控中心与调度中心一体化,并且兼容远程遥控、自主运行等无人驾驶模式;② 给出智能调度的概念,即无人驾驶系统应当在运输调度智能化的基础上实现,有效促进两个系统间的资源共享、功能协同;③ 详细比较分析了井下封闭环境定位技术,指出超宽带(UWB)能够有效应对亚米级的机车高精度无线定位且鲁棒性和稳定性方面性能优良,能够满足井下机车无人驾驶对定位精度的要求;④阐述了适用于井下无人驾驶的数据通信网络覆盖,重点根据实际的工程经验给出接入 WLAN 网络需要满足的性能指标,分析了 5G 新型通信网络即将带来的井下无人驾驶应用突破;⑤ 在机器视觉用于路况分析方面,探讨了基于轨道模型和基于图像特征的轨道线检测算法、基于深度学习神经网络的目标检测算法、基于双目测量和单目测量的目标距离估计算法、深度学习网络的轻量化技术。最后,展望该领域的技术发展与应用前景。

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带式输送机永磁智能驱动系统及其控制策略

作者(Author)：杨小林 , 葛世荣, 祖洪斌, 鲍久圣, 常国强, 张磊, 李海莹

摘要：矿用带式输送机传统驱动系统存在传动线路长、传动效率低、可靠性不高等技术不足，针对传统驱动系统的不足，设计了一种集多点永磁直驱与永磁张紧于一体的带式输送机永磁智能驱动系统，并通过仿真试验和现场应用验证了其可行性。首先，对带式输送机永磁智能驱动系统的结构进行了设计。接着，基于传感器矢量控制永磁电机驱动系统的技术特点，提出了带式输送机永磁直驱系统的双闭环矢量控制、柔性启动与多机协调控制，永磁张紧系统的三闭环控制与打滑抑制等控制策略;在此基础上，利用 MATLAB / Simulink 软件构建了带式输送机永磁智能驱动系统的仿真模型，通过仿真分析在理论层面验证永磁智能驱动系统的正确性。最后，通过现场应用实例与经济效益分析，进一步验证了永磁智能驱动系统的优势。仿真分析与现场试验结果表明，带式输送机永磁智能驱动系统的多种控制策略在保证带式输送机重载柔性平稳启动的同时，也有效减小了启动时动张力对胶带的冲击损伤;可实现带式输送机的多机转矩平衡，能够解决多点驱动功率分配不均带来的问题;张紧系统与驱动系统协调性良好，可实现快速张紧，同时在发生打滑时张紧系统可快速响应消除打滑带来的不利影响。与传统的异步电机驱动系统相比，永磁智能驱动系统可大幅度提高带式输送机的智能化程度，有利于推进矿山装备的智能化发展。

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刮板输送机永磁直驱系统机-电耦合模型仿真与试验

作者(Author)：王洋洋, 鲍久圣, 葛世荣, 阴妍 , 王世博, 张磊

摘要：刮板输送机作为综采工作面关键机械设备，其性能直接决定了井下煤炭开采的效率及成本的高低，而驱动系统是保障刮板输送机性能稳定、高效运行的首要条件。为解决刮板输送机传统异步驱动系统因减速器而造成的传动效率低、故障率高、可靠性低等问题，基于永磁同步电机设计了1 套输送量可达1500万t/a的刮板输送机永磁直驱系统，并匹配计算了所需了永磁同步电机功率、转速以及变频控制器容量。根据永磁直驱系统与刮板输送机之间的机-电耦合关系，利用MATLAB / Simulink 仿真软件搭建刮板输送机永磁直驱系统的机-电耦合模型，仿真分析了永磁直驱系统在空载启动、满载运行、多边形效应等多种工况下永磁同步电机的输出转速、转矩、三相电流以及刮板链的速度、加速度、张力等动态特性变化规律。仿真结果表明，永磁直驱系统在刮板输送机启动及负载变化时能够快速响应且比较准确，由于减少了减速器的柔性缓冲，电机输出转速与转矩对负载突变响应波动较大；永磁直驱系统的动态响应在突变负载下与突变量成正相关关系，应当从驱动系统控制算法的优化角度出发减小波动，改善其性能;多边形效应影响系统速度控制的稳定性，机头链轮啮合处的链条更易受到多边形效应的影响。最后，搭建小功率永磁同步电机直驱模拟试验台架，将仿真得到的机械负载特性曲线等效处理后通过测功机加载输入，开展了刮板输送机永磁同步电机直驱系统的模拟驱动试验。试验结果表明，台架试验测得的永磁同步电机动态特性曲线与对应仿真试验得到的永磁同步电机动态曲线的变化规律基本一致，从而从侧面验证了本文所建立刮板输送机永磁直驱系统机-电耦合模型的正确性。

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基于3D LiDAR的矿山无人驾驶车行驶边界检测

作者(Author)：陈龙, 司译文, 田滨, 檀祖冰, 王永涛

摘要：路沿检测是矿区无人驾驶的关键技术之一，所得路沿信息可用于辅助无人矿车的感知、规划和定位。准确的路沿检测与路沿图构建同时也是高精地图构建中的首要步骤，通过机器学的方法可以在现有路沿点的基础上初步构建道路结构拓扑。与传统的卡尔曼框架下的路沿跟踪所不同的是，本文提出了基于占用栅格思想的路沿跟踪方案。所谓占用栅格，即根据传感器感知到的障碍物信息来对全局范围内的场景进行构建的一种方法。由于矿区环境下的路沿具有高度不确定性，所以需要用一种由包含概率信息的模型找出最高可能性是路沿的位置，而基于八叉树的结构正好可以满足这一需求。本文通过将每一帧点云实时栅格化来筛选路面候选栅格，然后以环压缩为主进行多特征的路沿检测，其中栅格是一种应用已经非常广泛的点云结构，根据矿山道路本身具有的粗粒度特性，将特征检测扩展到以每一个扇形单元格为不可分割的基本单元，在提高了检测效率的同时，也避免了很多路面凹凸所带来的干扰。路沿的跟踪策略采用基于八叉树的三维占用栅格，融合多帧检测结果，建立全局路沿地图，将传统的二维的占用栅格图的概念扩展到了三维的仅包含路沿属性的全局障碍物图。实际矿区道路检测结果表明，本文提出的针对矿山非结构化道路的路沿检测算法可以准确地实现对矿山道路边界的检测，并可以满足无人矿车驾驶的实时性。

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