青年科学家特刊（2022）（Special Issue of Young “Tigers” ）

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青年科学家特刊（2022）（Special Issue of Young “Tigers” ）

来源：煤炭科学技术

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 175个
关键词; 190位
专家; 37篇
论文; 14066IP
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煤炭地下气化现场试验进展与启示

作者(Author)：张金华, 张梦媛, 陈艳鹏, 陈振宏, 陈浩, 东振, 陈姗姗, 薛俊杰

摘要：为进一步了解煤炭地下气化商业化面临的关键科学问题，基于对国内外典型煤炭地下气化试验的分析，总结归纳了典型煤炭地下气化试验的区域煤层特征、气化工艺、粗煤气组分及热值等要素。结果表明，气化选址需要综合考虑降低环境风险、较好的地质条件和煤炭品位、较好的地质力学-水文地质条件等因素；钻井式煤炭地下气化已成为主流；中深层富氧气化成为重要的突破方向；气化工艺以可控式后退注入点法（Controlled Retracting Injection Point，CRIP）为主流。从埋藏深度和可燃气体组分来看，可以将煤炭地下气化分为浅层（<4 MPa）、中深层（4～18 MPa）、深层-超深层（>18 MPa）三大类。浅层煤炭地下气化主要发生水煤气反应，粗煤气中可燃气体以H2为主；中深层主要发生甲烷化反应，可燃气体以CH4为主；深层-超深层发生超临界反应，可燃气体以H2为主。将有利区评价、高效气化工艺、稳定运行控制、碳封存等四者有机结合在一起，是实现碳中和目标下煤炭地下气化商业化目标的重要途径，这将是今后煤炭地下气化技术攻关的主要发展方向。

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煤炭科学技术

2022年第02期

358

700
面向煤矿智能化的5G关键技术研究

作者(Author)：胡亚辉, 赵国瑞, 吴群英

摘要：5G通信技术应用于煤矿智能化开采中已成为目前各界的共识。为了给煤矿智能化开采应用提供更为有效的无线通信与信息处理支撑,调研了5G技术在煤矿智能化中的研究及网络建设现状,分析了其在煤矿应用时的理论研究、标准化、实验室研究及试点建设多个方面的进展情况;针对井下无线传播环境及业务需求,从无线频段选择、无线基站选型、组网方式以及核心网建设方式多个层面,研究了煤矿5G网络规划的方案,指出了“统一规划、安全经济、全面覆盖、精细设计”煤矿5G网络规划原则;总结了5G在煤矿中的可能应用新场景,研究并提出5G网络切片应在运营商增强移动宽带通信、低延迟高可靠通信和海量物联网通信三大应用场景的基础之上,进一步细化煤矿的应用场景,同时需协调业务匹配粒度、切片管理与网络资源之间的相互关系,以达到最佳网络资源使用度;研究了煤矿5G边缘计算技术,设计了面向具体煤矿智能化业务需求的云-边-端协同的边缘计算架构,并进行了计算卸载、边云协同等关键技术研究。上述分析与研究表明,商用5G在应用于煤矿智能化开采过程中,仍然需要针对具体应用业务和场景进行网络规划、网络切片,并且由于5G技术本身处于不断更新发展之中,因此在5G与煤矿智能化结合的过程中,需不断融入新技术,并在新技术的背景下仔细评估所采用的关键技术、网络设计与建设方案。

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煤炭科学技术

2022年第02期

431

677
长壁综采工作面无人自主开采发展路径与挑战

作者(Author)：王世博, 葛世荣, 王世佳, 李争, 万志军

摘要：智能化无人开采是实现煤矿安全高效开采的技术途径。根据无人控制系统发展的一般规律，分析了综采工作面控制系统发展历程包括远程遥控、自动控制和自主控制3个阶段。综采工作面自主控制需要解决综采工作面环境实时感知、综采“三机”协同控制、高精度煤层地理信息系统、开采工艺智能决策与无人综采工作面评估试验方法5个方面的问题。总结了综采工作面控制系统的3个目标任务：可靠割煤与装煤、保持工作面几何关系、围岩可靠支护；凝练了综采工作面控制系统的8项关键技术：液压支架电液控制技术、综采装备协同控制技术、工作面通信技术、工作面可视化技术、采煤机定位技术、采煤机自动调高技术、工作面自动调直技术、工作面围岩支护控制技术，并分析了综采工作面控制系统关键技术与其目标任务之间的逻辑关系。通过分析综采工作面控制系统关键技术的功能需求和综采工作面自主控制的研究问题，提出了综采工作面由自动控制迈向自主控制首要解决的问题，即工作面煤层地理信息系统精细化、采煤机截割规划策略、工作面围岩智能支护策略以及综采工作面控制系统适用性评估检验方法。

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煤炭科学技术

2022年第02期

507

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基于激光扫描的综放工作面放煤量智能监测技术

作者(Author)：胡而已

摘要：放煤量智能感知是智能化综放开采的关键技术，通过综放工作面后部刮板输送机煤流量的实时监测可动态调控放煤口动作，结合煤矸识别和顶煤厚度监测信息可有效避免工作面过放和欠放，提高煤炭资源开采回收效益，防止刮板输送机过载等安全生产事故发生。提出基于激光扫描的综放工作面放煤量智能监测方法,引入三角微元法构建放煤量回归实时计算模型，通过测量临近放煤口位置的后部刮板输送机上部运煤量来表征工作面实时放煤量，采用高性能多次回波信号反射激光雷达扫描，快速捕获、存储高精度三维激光点云数据，提出基于最小二乘法的激光回波数据回归处理算法，与传统三次样条插值算法的对照实验表明，数据回归算法的计算精度和计算效率具有明显优势，同时在实验室环境下验证了该算法的鲁棒性，研制了放煤量激光扫描测量装置防爆样机，在晋能集团塔山煤矿8222工作面开展了放煤量智能监测系统的工业性试验，验证了监测技术和装置的可靠性。

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煤炭科学技术

2022年第02期

266

790
透明工作面智能化开采大数据分析决策方法及系统研究

作者(Author)：张科学, 徐兰欣, 李旭, 毛明仓, 符大利, 张玉良, 亢磊, 王晓玲

摘要：为更好地实现工作面开采过程的智能分析与决策，构建了透明工作面模型，通过应用大数据融合技术、模型数字化技术、分析决策技术和机器学习技术，建立了一套可“预测、预判、预控”的透明工作面智能开采大数据分析决策平台。搭建了硬件环境和集群环境，规范了虚拟化集群的存储量指标，设计了大数据智能分析决策平台首页界面、地质数据界面、采煤机规划界面、电液控规划界面和采煤工艺界面，同时概述了数据融合技术、模型数字化技术、分析决策技术、机器学习技术和设备故障自诊断技术等智能开采大数据分析决策系统关键技术。智能开采大数据分析决策平台主要包括数据运营中心、数据融合系统、算法集群系统、决策交互系统、验证评价系统等内容，平台实现了对综采工作面不同设备的多种通信协议数据的统一、转换、关联、分类和存储，同时基于开采工艺、综采自动化控制技术、惯性导航技术和雷达测距技术来不断对透明地质模型修正更新，分析得出综采设备精准控制决策信息。通过工业性试验，对地质数据进行收集和分析，建立了透明工作面三级智能开采模型，构建了透明工作面智能开采大数据分析决策系统总体设计架构，实现了利用大数据分析决策技术对截割模型进行实时修正，实现了智能精准开采。

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煤炭科学技术

2022年第02期

506

1175
悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统研究

作者(Author)：张旭辉, 赵建勋, 张超, 杨文娟

摘要：悬臂式掘进机的自动化、智能化程度低严重制约着煤矿巷道施工技术的发展,智能掘进技术成为目前国内外研究的热点。针对煤矿悬臂式掘进机自动截割控制问题,将视觉测量传感器应用于悬臂式掘进机截割头的控制系统中,提出了悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统。根据悬臂式掘进机的运动学,利用视觉测量系统有效实时反馈截割头位姿,融合惯性导航系统、超声波测距等传感器得到有效信息,采用PID控制方法建立悬臂式掘进机视觉伺服截割控制模型,可根据巷道断面截割施工工艺规划的截割轨迹实现巷道断面的截割成形。介绍了悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统的工作原理以及主要模块,工作人员在规划好截割头在巷道断面的截割轨迹后,系统根据各传感器的测量结果以及误差信息控制掘进机截割头按照规划的轨迹进行自动截割,保存并显示机身位姿及截割头的截割轨迹。试验结果表明:悬臂式掘进机视觉伺服截割控制试验中,掘进机截割头可按照规划的截割轨迹进行自动截割,并且截割头姿态角的变化在0.7°以内,截割头中心点位置误差在18 mm以内,满足巷道掘进的精度要求,并且截割运动过程具有较好的稳定性。

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煤炭科学技术

2022年第02期

340

736
煤矿全液压动力头式钻机振动测试与分析

作者(Author)：张幼振, 刘焱杰, 钟自成, 刘若君, 张刚

摘要：为研究煤矿井下液压钻机的振动特性，指导钻机优化设计和状态监测，以 ZDY6500LQ 型全液压动力头式钻机为研究对象，进行了整机振动测试与分析。根据钻机工作原理得出主要激振源，以低速高转矩运行状态为例，计算了该状态主要部件激振频率。基于振动测试原理，确定了试验方案，结合钻机综合性能检测平台搭建了振动测试系统。在空载、低速高转矩和高速低转矩 3 种工作状态下对钻机的 8 个主要位置进行了振动测试。应用频域分析方法，将测试数据转化为对应频谱，分析了低速高转矩状态下主要激振源引起的钻机振动特性；应用 1/3 倍频程方法，对比分析了 3 种工作状态下钻机8个测点位置的振动总量，以及前后、左右、上下3个方向加速度均方根值的变化规律。结果表明：钻机在低速高转矩状态下，动力头减速箱和泵站柱塞泵是最大激振源；振动频率高于100 Hz时，对钻机整机振动影响较大。在钻机动力头位置，低速高转矩负载使减速器箱体振动总量较空载减少3.11%～7.27%，高速低转矩状态下振动总量较空载增加5～6倍；除动力头外，钻机空载状态下各测点振动最小，拖板、导轨、卡板振动与负载成正相关，低速高转矩状态下振动总量是空载状态的2～5倍；钻机在低速高转矩状态下整机有效功率大于50%，能耗较低。研究结果为优化钻机结构，提升钻探施工安全及可靠性提供了参考。

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煤炭科学技术

2022年第02期

314

816
生态脆弱区复垦排土场干扰类型划分及影响因素分析

作者(Author)：谢苗苗, 刘金莹, 陈彬, 刘允瑄, 高姝婷, 周伟, 白中科

摘要：露天煤矿排土场复垦效果对重建生态系统稳定性具有关键作用，多通过复垦后植被变化的长期监测分析复垦效果。生态脆弱区露天煤矿排土场易受到外界干扰，恢复稳定性呈现较大空间差异，亟需探究排土场干扰类型划分方法及其影响机理。以长时间序列中最优状态下植被的结构和功能特征为比照标准，在前期构建复垦排土场干扰指数（DRDI）的基础上，进一步根据干扰动态特征划分干扰类型，并分析影响干扰类型的自然和人为因素。选择山西省平朔安太堡露天煤矿的4个排土场作为研究区，其复垦类型、复垦开始时间、持续时间各异。基于Landsat遥感影像，计算研究区1986—2017年的DRDI；干扰类型划分为持续干扰型、复垦稳定型、干扰恢复型和复垦退化型；从地形、土壤条件、复垦类型等方面选取可能对干扰类型存在影响的因素进行地理探测器分析。研究结果表明：复垦排土场内部干扰发生后呈现不同动态特征，干扰类型存在空间异质性，小尺度下同一排土场内同一类型在空间分布上存在着空间聚集，以复垦稳定性、干扰恢复型最为明显；单因子对于排土场复垦的影响程度强弱依次为复垦类型、土壤理化性质及地形，同时因子间均存在着相互影响进而影响了复垦；复垦时间分别与全氮、高程、速效钾、有机碳共同作用后对干扰类型的影响较大，全氮与pH的交互作用次之；因子间相互作用方式以非线性增强为主，但复垦时间、植被类型通过影响土壤要素等因子进而影响复垦，以线性增强为主。研究结果揭示了小尺度内矿区扰动与复垦存在的空间异质性及其与影响因子之间的关系，为矿区复垦工作提供建议和参考。

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煤炭科学技术

2022年第02期

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