2022封面文章（《煤炭学报》）_中国煤炭行业知识服务平台

2022封面文章（《煤炭学报》）

来源：《煤炭学报》

《煤炭学报》创刊于1964年，月刊，是由中国科学技术协会主管，中国煤炭学会主办，煤炭科学研究总院承办的面向国内外发行的煤炭科学技术方面的综合性学术刊物。目前被Ei、Scopus、CSCD、CSTPCD等国内外20多种重要数据库收录，核心总被引频次、核心影响因子、综合评价总分等期刊主要期刊引证指标稳居能源科学综合类学科第1位，多次荣获全国“百强报刊” 等国家期刊奖项，持续获得“中国科协精品科技期刊工程项目”资助，2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

2022年第1期封面为“中国煤炭学会成立60周年”特刊

2022年第2—3期为“新锐科学家”专题

2022年第4期为“碳中和”专栏

2022年第5期为“煤系战略性金属矿产成矿理论与分布规律”专题

2022年第6期为“我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究”专题

行业视野: 封面文章
类别; 224个
关键词; 246位
专家; 63篇
论文; 66345IP
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可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

作者(Author)：范京道, 封华, 宋朝阳, 任怀伟, 马英, 汪青仓, 谭杰, 刘全辉, 李川

摘要：我国西部煤矿资源开发是保障煤炭资源供给的战略性任务，少人、安全、绿色、机械化、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。首先梳理了我国煤矿斜井和竖井全断面机械破岩掘进技术和装备现状，分析了适用煤矿井筒掘进的不同类型装备机械破岩掘进工作面临的共性难题；针对可可盖煤矿典型的西部富水弱胶结地层条件，确定了可可盖煤矿斜井和竖井联合开拓方案，并从地层条件、装备性能、围岩控制和经济合理性等方面，研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井的可行性，提出了智能化建井建智能矿井的理念，构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式；针对可可盖煤矿地层岩石强度低、扰动敏感的特性，突破了斜井敞开式TBM掘进高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制等技术，实现了TBM姿态大幅度调整，一次掘进断面面积40 m2，形成了“探-破-支-运”一体化连续掘进技术体系，单月最高掘进进尺523.8 m；首次在西部富水弱胶结地层中采用竖井钻机钻井，提出了全岩地层竖井“一钻完井”工艺，形成了适用我国西部煤系地层钻井法凿井的大型竖井钻机及其配套装备体系，包括大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统，攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、竖井钻机高效钻进等关键技术与智能监控难题，实现了西部富水弱胶结岩石地层8.5 m大直径井筒高效钻进，单日最高钻进进尺10.8 m。

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煤炭学报

2022年第01期

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基于精确大地坐标的煤矿透明化智能综采工作面自适应割煤关键技术研究及系统应用

作者(Author)：毛善君, 鲁守明, 李存禄, 陈华州, 张鹏鹏, 范吉宏, 李鑫超, 陈金川

摘要：目前煤矿智能综采工作面存在生产环境状态不透明、成套装备难以应对煤层起伏变化、信息化与智能化集成度不高等问题，其系统的适应性和实用性受到影响。具体而言，主要是缺乏基于地理信息系统的可视化数字孪生管控平台，无法实现基于统一大地坐标驱动的透明化工作面的自适应割煤。为突破相关技术难题，提出并研究了测量机器人大地坐标传导、透明化工作面系统建立和动态修正、5G通信、采煤机与地质模型的自适应耦合以及基于时态地理信息系统（TGIS）的“一张图”一体化管控平台等多项关键技术，完成了多维可视化软件系统的开发与硬件系统的高度集成，实现了：① 采煤机、刮板输送机等固定或移动目标点达毫米或厘米级的精确定位；② 三维地测模型、设备模型、开采环境与工业控制之间的基于逻辑关系的一体化集成和数字孪生系统的构建；③ 综采工作面采煤机、视频、惯导、测量机器人和地质雷达等信息的可靠、实时传输；④为地面调度指挥控制中心的远程决策和智能自适应控制提供了可视化管控环境。系统已经成功应用于临沂矿业集团菏泽煤电郭屯煤矿3301,2305两个工作面，初步实现了较为复杂地质条件下的智能化自适应开采和地面远程管控。

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煤炭学报

2022年第01期

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采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型

作者(Author)：刘春生, 刘延婷, 刘若涵 , 白云锋, 李德根, 沈佳兴

摘要：针对采煤工作面煤层的厚度变化、含夹矸和包裹体的不确定性，以及复杂煤岩占比和岩层位置辨识的差异，致使采煤机在截割过程中会产生无效调整截割高度的情况，影响其可靠性和智能化技术水平。截割煤岩载荷特征及其关联截割状态的模型可以预测、修正和决策采煤机截割行为，提升采煤机智能化程度。借鉴多信息实时修正记忆截割与煤层三维地质信息建模等方法，提出了采煤机自主调高-调速二元协同控制模式及截割状态关联特征模型，考虑煤岩赋存条件以及滚筒相对煤岩层的位置和工作参数，划分滚筒截割过程为顺转截割、逆转截割、向和逆自由面截割以及截割顶底板和夹矸等截割状态，分析截齿截割煤岩的过程与状态，构建了向和逆自由面截割状态特征量的数学模型和截割顶底板位置与占比的识别定量载荷关联特征模型，给出了截齿垂直、平行于层理方向截割力的累计占比计算方法，通过旋转截割实验验证截割煤岩载荷特征模型的准确性。根据截割顶、底板、夹矸岩层前后载荷变化导致的截割电机电流变化规律与调高液压缸两腔压力的关联性变化规律，结合截割状态的关联载荷特征模型，修正与预测截割状态和岩层位置，确定了修正采煤机调高调速行为协调控制的截割状态特征参量。研究表明：向自由面截割煤岩断裂位置大于逆自由面的，向自由面易于破碎煤岩，且截割载荷与比能耗均小；分别获取截齿截割顶底板载荷增量与方向角，载荷增量均与岩层厚度呈正相关性，但截割顶底板方向存在明显差异；随截割夹矸岩层厚度增加，截齿截割载荷增大，且截割载荷与夹矸位置呈抛物线关系；给出截齿垂直和平行层理截割力特征值占比的度量，反映截割顶板易于截割底板的特征；截齿向自由面截割煤岩理论和实验的截割阻力功特征值、断裂位置和断裂崩落线与截割点垂线夹角的平均误差分别为3.10%，3.37%和8.07%，验证了截割煤岩状态特征量数学模型的正确性。该研究通过给出融合载荷特征的截割状态修正与煤岩状态识别的理论基础描述，为进一步精准实现智能化采煤机调高-调速二元协调控制提供了借鉴。

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煤炭学报

2022年第01期

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复杂煤层条件下采煤机自适应截割控制策略

作者(Author)：赵丽娟, 王雅东, 张美晨, 金鑫, 刘宏梅

摘要：采煤机是综采工作面的核心装备，复杂煤层条件下，其工况恶劣、环境复杂，采掘装备智能化程度不高，导致我国煤矿开采灾害多、煤机适应性不强、故障率高、效率低，提高煤机装备的可靠性与适应性是煤矿智能化发展的主要任务之一。采煤机工作机构与复杂煤层耦合作用机理及煤岩截割状态与动力传递系统的导控机制，是实现采煤机智能高效截割的关键。基于虚拟样机技术、模糊控制技术，结合数据自适应加权融合算法、深度强化学习算法，采用多领域建模与协同仿真及试验分析相结合的方法，构建机-电-液-控一体化的采煤机自适应截割系统模型，研究其自适应截割控制策略。利用AMEsim建立调高液压系统模型，并与EDEM-RecurDyn煤岩截割双向耦合模型集成；根据煤层实际赋存条件划分煤岩坚固性系数等级范围，以采煤机综合性能最优为目标，利用改进的MOGWO（Multi-Objective Grey Wolf Optimizer）算法对采煤机的牵引速度和滚筒转速进行分级优化。以采煤机截割部的时域振动信号作为煤岩截割状态识别的特征参数，运用数据自适应加权融合算法对其进行融合处理；以特征参数融合值为依据利用模糊控制实现煤岩截割状态的智能识别；利用Simulink搭建基于深度确定性策略梯度算法DDPG（Deep Deterministic Policy Gradient）的采煤机牵引速度-滚筒转速（vq-n）协同调速和自适应调高控制系统模型，利用接口技术实现EDEM-RecurDyn-AMEsim-Simulink耦合，构建机-电-液-控一体化的采煤机自适应截割控制系统模型并进行仿真。研究结果表明：系统以煤岩截割仿真数据流为主线，能够实现对煤岩截割动态过程的感知分析、信号特征处理和自适应调节的决策控制。利用物理试验验证了基于EDEM-RecurDyn耦合仿真的可行性与结果可靠性；在保证煤机综合性能最优且动态可靠的前提下，当螺旋滚筒位于上位，且识别到煤岩体坚固性系数f>7时，首先按滚筒截顶工况界定，采用vq-n协同调速及自适应调高控制策略，并可根据调高过程中采样时间（2 s）内滚筒截割阻力方向振动加速度波动的变化趋势，进一步判断其是处于截顶亦或截割坚硬煤岩层或硬结核（f>7且非顶底板），若识别结果为后者或煤岩体f≤7时，仅采用vq-n协同调速策略；当识别到煤岩体坚固性系数f值减小的工况时，选用vq-n同时调控策略可全面考虑采煤机各性能指标；当识别到煤岩体坚固性系数f值增大的工况时，为保证采煤机的动态可靠性，选用牵引速度优先于滚筒转速的顺序调控策略，其相比于同时调控策略能够使滚筒受载降低23.7%、载荷波动减小28.1%；仿真过程验证了系统能够按照预期的调控策略对采煤机牵引速度、滚筒转速及滚筒高度进行精准调控，最长仅经0.64 s即能感知到截割工况的变化，具有调节的实时性和响应的快速性，实现了复杂煤层条件下的采煤机自适应截割，并通过物理试验验证了所搭建的采煤机自适应截割控制系统及仿真结果的正确性，可有效提高采煤机对复杂煤层的适应性。

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煤炭学报

2022年第01期

1082

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矿山信息化发展及以数字孪生为核心的智慧矿山关键技术

作者(Author)：丁恩杰, 俞啸, 夏冰, 赵小虎, 张达, 刘统玉, 王卫东

摘要：矿山信息化建设在经历了单机自动化、综合自动化、数字矿山几个阶段之后，在物联网、人工智能、大数据技术的推动下，正朝着矿山智能化和智慧矿山的方向发展。以数字孪生技术为核心，围绕矿山生产场景和智能装备的知识服务体系是智慧矿山下一步需要重点研究的方向。首先回顾了矿山信息化技术的发展，然后分析了智慧矿山的核心关键技术，从智能感知与智能装备、边缘计算与网络服务、数字孪生知识建模、平台与应用系统4个方面进行阐述。智能传感装置和智能装备的不断涌现，为智慧矿山前端感知和执行提供了基础，而即时的感知、分析和决策是智能装备自治、自主工作的前提；随着边缘网关计算能力的提升，需要设计面向应用场景的轻量级算法模型和高效云边协同机制，以满足智能装备即时服务的需求，同时，围绕5G的通信技术在矿山的应用，将进一步提升知识服务的快速响应能力；矿山运行机理、经验知识、大数据分析与数字孪生建模技术融合的矿山生产场景可信数字孪生模型，将成为智慧矿山知识服务的核心；面向大数据和知识模型的平台技术是矿山数字孪生和智能化服务的载体，大数据高效存取、分析和利用能够有效的促进矿山智能化应用服务的融合。矿山数字孪生及相关智能化技术的突破，将实现对矿山物理世界实时可测、可观、准确控制、精确管理和科学决策，从而建立少人化或无人化的矿山生产模式，为智慧矿山的发展奠定基础。

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煤炭学报

2022年第01期

1444

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煤矿远程智能掘进面临的挑战与研究进展

作者(Author)：张旭辉, 杨文娟, 薛旭升, 张超, 万继成, 毛清华, 雷孟宇, 杜昱阳, 马宏伟, 赵友军, 李晓鹏, 胡成军, 田胜利

摘要：煤矿巷道掘进智能化相关理论与技术研究是当前解决“采掘失衡”难题的基石。远程智能掘进是实现少人甚至无人化掘进作业的根本目标和远景，面临单一掘进装备定位与控制、设备群协同、人-机-环感知与呈现，以及远程智能决策等瓶颈问题。聚焦巷道近程或地面远程智能掘进场景控制需求，提出了数字孪生驱动掘进装备远程智能控制技术构架，通过构建掘进工作面数字孪生体，将井下人员、设备、环境相关信息呈现到数字空间，虚实融合，共智互驱，达到数字掘进与物理掘进智能协同的目标，破解掘进施工中人-机-环共生安全难题；针对掘-支-运并行作业要求，提出以掘进为智能化核心，自动钻锚和高效转运辅助的远程控制构架，介绍了远程虚拟呈现、精确位姿感知、孪生数据共享、虚实同步驱动、工艺记忆截割、设备群碰撞预警等方面的研究进展，以“DT+VR”远程决策、“视觉+”位姿测量、“人工示教”记忆截割，以及“虚拟设备”碰撞预警等四大核心技术，解决智能决策、精确定位（定向导航和成形质量的基础）、轨迹规划和设备群碰撞预警难题，总结了平面防爆玻璃以及光学球罩折射建模与矫正、振动工况下成像模糊机理、掘进机机身位姿精准测量、定向导航与纠偏、轨迹示教记忆截割，设备群协同与数字孪生驱动等基础理论和技术，以视觉感知的成像折射校正和去模糊入手，系统介绍视觉技术在定位、定向、定形截割方面的进展，并分析了数字孪生驱动技术是实现智能远程掘进工作常态化生产的有效途径。上述核心技术在实验室测试及陕煤小保当、榆林大海则等煤矿井下掘进工作面进行了初步验证，为解决煤矿远程智能掘进提供了新的实现路径。

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煤炭学报

2022年第01期

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基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法

作者(Author)：王忠宾, 司垒, 王浩, 张修峰, 赵世豪, 魏东, 谭超, 闫海峰

摘要：防冲钻孔机器人是冲击地压矿井卸压的关键设备，其准确定位和定姿是实现卸压作业无人化的基础和前提。通过分析国内外移动机器人及煤矿井下移动设备定位技术的特点，提出了一种基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法。在分析常规惯性传感单元定位误差类型及来源的基础上，建立了空间阵列式惯性单元数据融合模型，推导出角速度和比例加速度的融合方程，设计了空间阵列式惯性单元位姿解算流程。通过分析防冲钻孔机器人的实际运行工况，模拟了防冲钻孔机器人的曲线运动轨迹，并对钻孔机器人的位姿解算方法进行了仿真分析，仿真结果表明，在曲线运动时,空间阵列式位姿解算方法的位移和姿态角解算精度均优于原始位姿解算方法和差分式位姿解算方法。为了验证所提方法的可行性，根据现场实际情况搭建了移动载体运动工况模拟实验台，根据设定的真实轨迹曲线进行轨迹跟随及监测实验，结果表明：空间阵列式惯性单元的位姿解算精度较高，在x，y，z三轴方向的位移平均误差分别为5.83，8.76和0.84 cm，俯仰角、航偏角和横滚角的平均误差分别为0.07°，0.15°和0.06°。为了进一步验证所提方法的实用性，搭建了防冲钻孔机器人惯性单元位姿监测实验平台，进行了防冲钻孔机器人的直线行走实验，实验结果表明：基于空间阵列式惯性单元解算的钻孔机器人俯仰角、航偏角和横滚角平均误差均小于0.5°，在x，y，z三轴方向的位移平均误差均小于2.00 cm，位姿解算误差均满足实际要求，验证了所提防冲钻孔机器人位姿解算方法的可行性和有效性。

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煤炭学报

2022年第01期

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