“工作面智能化开采理论与技术”专题（《煤炭学报》）

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“工作面智能化开采理论与技术”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“工作面智能化开采理论与技术”主题论文。

行业视野: 智能化
类别; 100个
关键词; 101位
专家; 22篇
论文; 43006IP
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智能开采装备全位姿测量及虚拟仿真控制技术

作者(Author)：任怀伟, 赵国瑞, 周杰, 文治国, 丁艳, 李帅帅

摘要：针对深部开采复杂地质条件下的综采装备空间位姿及力学状态动态变化、随机倾斜错动难以描述和自适应控制难题，提出了基于全位姿测量及虚拟仿真控制的智能开采模式，以中煤新集口孜东矿140502工作面地质条件和7 m四柱大采高综采装备参数为基础，构建复杂条件下智能开采装备全位姿测量及虚拟仿真智能控制系统。首先，给出了智能开采“环境装备-仿真模拟-反向控制”运行体系下的智能决策过程，提出了融合视觉的装备全位姿测量、工作面装备位姿一体化描述及驱动关系建模、基于Unity3D的综采虚拟仿真控制等3项支持智能决策的关键技术。随后建立融合视觉的工作面综采装备群全位姿多参数测量系统，提出了基于设备特征点的视觉多参数测量方法，获取描述综采装备群空间全位姿的15个独立参数;给出综采装备群统一坐标描述及驱动模型，建立了特定的全局和局部坐标系、采煤机和刮板输送机位姿驱动关系模型和刮板输送机三维空间弯曲姿态模型;基于Unity3D虚拟仿真技术构建了工作面场景、装备、工艺流程等虚拟实体和关系模型，支撑井下综采装备开采过程运动仿真。开发了与全位姿测量系统通信的底层数据接口，获取装备的实际工况数据从而驱动仿真模型实现三维场景下的虚实映射。分析计算和模拟优化下一割煤循环装备协同运动及工艺过程，通过反向控制链路实现对装备虚拟模型和实际装备体的闭环控制。实验室测试表明:虚拟仿真系统实现了数据获取、模型解算、单机装备及装备群协同运动仿真，满足装备实际运行逻辑关系，具有对工作面装备运行状态实时监测和反向控制能力，系统运行流畅性满足要求，帧率＞20 fps。全位姿测量系统经井下现场测试表明:图像识别检测的支架数大于5架，图像解算时间小于0.5 s，支架顶梁测量角度误差在0.4°~1.2°，满足系统数据测量需求。

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煤炭学报

2020年第03期

1772

1069
智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术

作者(Author)：方新秋, 梁敏富, 李爽, 张磊, 严黄宝, 谢小平, 尉瑞, 吴刚, 吕嘉锟

摘要：煤矿智能化开采是我国煤炭综采技术发展的新阶段，也是煤炭工业技术革命和升级发展的需求和必然方向。围绕煤矿智能化开采技术、煤矿安全监测技术现状及发展趋势，介绍了煤矿智能化开采的技术内涵及核心三要素，指出智能感知是煤矿智能化开采的关键技术，传感监测技术是智能感知的核心。针对煤矿智能化开采感知层基础信息采集传感不全面、可靠性差、灵敏度低及安全决策技术落后等问题，基于“科学采矿”和“智能精准开采”先进理念，建立了智能工作面开采信息多参量精准感知与安全决策关键技术体系，研究了光纤光栅精准感知原理与传感特性，构建了光纤光栅-基体三层感知传递模型，揭示了光纤光栅粘贴长度范围内的应变分布规律，创建了光纤传感式煤矿开采巷道围岩安全状态信息和工作面装备姿态信息多参量信息感知体系，提出了基于光纤光栅智能感知技术的大容量、准分布传感网络拓扑结构，开发了基于大数据与云计算智能技术的多参量感知系统信息服务平台，构建了包括数据采集与感知层、数据传输层、数据处理与管理层和安全决策与控制层等4层系统架构，开展了基于光纤光栅的多参量感知与决策系统在煤矿开采中的具体工程应用，实现了现场生产状态、矿压信息、风险信息监测预报，为煤矿安全生产与管理提供决策支持。

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煤炭学报

2020年第01期

1453

1929
综采工作面多视觉全局坐标系研究

作者(Author)：刘鹏坤, 王聪, 刘帅

摘要：现阶段综采工作面分布的摄像仪较分散，且煤矿智能化应用多需大场景且高分辨率的图像，井下广角视觉相机与全景相机的引用试图恢复尽可能宽广的综采工作面视野，但是由于设备从单一测点进行图像采集，获得的图像会出现畸变，甚至图像失真，因此有必要进行多视觉全局坐标系的技术研究。介绍图像采集装置的安装设计，使其满足所采集图像有一定重叠且特征稳定，探讨该布置方式下的图像标定方法，利用最小二乘法的方式能更好的进行摄像仪模型的标定，拟合精度高且鲁棒性低。通过对工作面图像进行灰度范围压缩或拉伸，提出一种改进型直方图均衡化方法，提高了工作面低照度情况下的图像细节体现与部分强光下的抑制效果，使得井下环境的辨识度更高，优化其图片质量。通过比较目前比较成熟的特征点提取算法，最终采用Surf算法进行特征点的匹配与提取，分配特征点的主方向并完成特征点的描述子。针对该算法出现的误匹配特征点较多的情况，研究消除误匹配特征点的RANSIC算法，并通过角点检测配对的方式提高了有价值的特征点数量。最终通过坐标点坐标建立透视矩阵表达式与全局坐标系从而完成图像的拼接，采用加权平滑的方法对拼接的图像进行去裂缝处理，最终实现多视觉图片的快速有效融合。试验表明该方法可有效增强井下图像细节，去除井下图像误匹配特征点，可快速消除拼接的裂缝，并能快速准确的完成两、三幅图像的拼接融合。该方法具有误差小、效率高且拼接速度快等特点，使拼接图像满足综采工作面图像应用的层次，应用范围与前景广阔。

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煤炭学报

2019年第10期

1313

485
智慧煤矿信息逻辑模型及开采系统决策控制方法

作者(Author)：任怀伟, 王国法, 赵国瑞, 曹现刚, 杜毅博, 李帅帅

摘要：针对数字矿山向智慧矿山发展过程中信息关联层次不清晰、框架结构不完善、缺少智能决策依据及有效控制方法的问题,提出了智慧煤矿信息逻辑模型,基于本体和语义网技术建立了煤矿多源、异构关系数据的信息“实体”和虚实映射机理,提出基于知识需求模型的信息实体主动匹配与推送策略,构建基于开采行为预测推理的智慧逻辑模型进化机制,形成了层级清晰、结构明确、全面覆盖的智慧煤矿信息模型;构建了综采设备群空间位姿关系模型,提出了考虑随机误差的强耦合设备群空间坐标统一描述及各设备关联坐标系转换方法,建立了多参量融合分析和评估的开采环境—生产系统耦合关系模型,为煤矿装备位姿控制及智能决策提供支撑;给出了时变多因素影响下的开采设备群全局最优规划和分布式协同控制方法。将综采设备群全局最优规划归结为一个二次积分模型的燃料最优规划问题,提出了基于多模态控制的综采设备群全局最优推进路径规划及控制策略,可兼顾开采条件、设备能力、工艺流程及能量消耗,确保生产成本、效率的有效改善。给出了同时考虑环境干扰和传感器数据时延特性的液压支架群组分布式协同控制方法。上述基础架构和数学模型为深层次挖掘智慧煤矿海量信息之间的关联关系、解决大数据环境下开采系统的最优化协同控制、实现复杂地质条件下连续稳定开采提供了基础理论支撑,可有效推动智慧煤矿技术的发展。

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煤炭学报

2019年第09期

1989

1221
煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术

作者(Author)：程建远, 朱梦博, 王云宏, 岳辉, 崔伟雄

摘要：随着国家大力推进工业化与信息化融合，煤炭智能精准开采已经成为行业大趋势，众多煤炭企业和科研院所开展了一系列试验研究和工业示范工程。然而，地质条件的适应性不足已经成为制约煤炭智能精准开采的技术瓶颈，迫切需要构建高精度、透明化的工作面三维地质模型。以黄陵煤矿某智能化工作面为例，分析了智能精准开采对地质透明化的时空需求，一方面要确保工作面前方未采区域一定范围内地质条件的“透明化”，另一方面要在采煤机完成一次截割的时间内完成透明化工作面三维地质模型的动态更新。统筹分析工作面地质探测技术现状和智能开采的集控水平，提出了构建透明工作面三维地质模型的总体思路:按照不同的地质、采掘阶段，将回采工作面地质模型分为4个层级，即黑箱模型、灰箱模型、白箱模型和透明模型。在工作面设计阶段，基于地面钻探与采区三维地震资料，可以构建工作面的“黑箱模型”，其精度处于“十米级”;在工作面掘进阶段，开展三维地震资料地质动态解释，可以构建工作面的“灰箱模型”，其精度处于“十米级~米级”;在工作面采前阶段，综合利用槽波、坑透等工作面地质勘探技术，可以构建工作面的“白箱模型”，其精度能够达到“米级~亚米级”;在工作面回采阶段，动态融入回采揭露的地质信息，并进行随采地震动态监测，可以构建起工作面前方50 m的工作面“透明模型”，其精度达到“亚米级”。为此，亟需研发一批关键技术与装备，主要包括三维地震资料地质动态解释技术、煤矿井下孔中物探技术与装备、回采工作面随采地震监测技术、工作面监测数据地质信息提取和多源异构地质信息动态融合技术等，逐级构建智能开采工作面的地质模型，渐次实现工作面的三维地质透明化，为煤炭智能精准开采提供地质保障。

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煤炭学报

2019年第08期

1980

1276
煤矿采场智能岩层控制原理及方法

作者(Author)：李化敏, 王伸, 李东印, 王文, 袁瑞甫, 王祖洸, 朱时廷

摘要：煤矿采场智能岩层控制是智慧矿山及智能化开采的重要组成部分，是由“试误岩层控制”向“精准岩层控制”、由“静态岩层控制”向“动态岩层控制”发展的关键路径，是当前和今后一个时期采场岩层控制领域的重要发展方向之一。明确了采场智能岩层控制的内涵:即运用现代信息技术、人工智能技术及方法等，以采场智能装备系统为载体，实现开采全过程的采场围岩自动化、智能化控制。采场智能岩层控制分为3个关键环节:开采过程中的环境及设备运行数据的感知与汇集、动态分析与状态判别、实时决策控制与反馈。分析了矿山数据的构成、感知汇集方法及利用方式，矿山数据的主要用途为:岩层控制效果与事故灾害特征评价的大数据关联分析、为人工智能模型提供学习样本及分析对象、作为动态数值计算的反演分析参照对象、作为数据可视化与开采实景虚拟的信息来源。给出了采场智能岩层控制的动态分析与状态判别、实时决策与控制的技术路径，提出了采场智能岩层控制的关键科学问题:① 环境及设备运行数据的感知汇集方法与技术;② 矿山数据实时快速分析方法与技术;③ 采场智能岩层控制的关联分析与模型;④ 矿山数据可视化与开采场景虚拟构建;⑤ 基于大数据的快速动态数值计算原理及算法;⑥ 采场智能岩层控制“感知-分析-控制-反馈”全过程算法集成与系统构建。结合工程实际介绍了基于支持向量机和动态数值计算的采场智能岩层控制初步应用。

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煤炭学报

2019年第01期

1737

780