“煤矿智能采掘装备技术与应用”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“煤矿智能采掘装备技术与应用”专题

来源：工矿自动化

【编者按】煤矿采掘装备智能化是实现煤炭安全高效开采的技术保障。国家发展改革委、国家能源局、应急管理部等八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》指出，重点突破智能快速掘进、复杂条件智能综采等技术与装备，对于冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害严重的矿井优先开展智能化采掘（剥）的机器人替代。近年来，我国煤矿智能采掘装备在定位导航、智能感知、智能采掘工作面示范等关键技术和工程应用方面取得了一批先进成果，为实现煤矿采掘工作面少人化与安全高效作业提供了支撑。为进一步交流共享科研成果，探讨智能采掘装备在数字孪生、智能运维、智能决策等技术发展方向和难题，加快推动煤矿采掘作业智能化发展，保障矿山安全高效生产，《工矿自动化》编辑部特邀中国工程院葛世荣院士担任客座主编，中国矿业大学王世博教授担任客座副主编，于 2022 年第 7 期组织出版“煤矿智能采掘装备技术与应用”专题。在专题刊出之际，衷心感谢各位专家学者的大力支持！

行业视野: 智能化
类别; 65个
关键词; 42位
专家; 10篇
论文; 2396IP
点击量; 2745次
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固体充填液压支架全位姿测量及虚拟仿真

作者(Author)：王裕, 史艳楠, 王毅颖, 齐朋磊, 王翰秋

摘要：针对固体充填液压支架处于复杂地质条件下时空间位姿状态动态变化难以直接识别，现有位姿测量系统存在位姿参数部分缺失的问题，设计了一种固体充填液压支架全位姿测量系统。利用3D Max建模软件建立了固体充填液压支架三维模型，基于固体充填液压支架不同的特征节点，采用多传感器融合测量方法获取反映其空间全位姿的9个参数，即支架底座倾斜角（与水平面夹角）、顶梁姿态角（与水平面夹角）、支架高度、推矸推移距离、护帮板状态、推压密实机构倾角（与后顶梁夹角）、推压密实机构推移距离、支架组护帮板之间的距离、刮板输送机中部槽与支架推矸的夹角。将倾角传感器布置于前顶梁、后顶梁、底座、推压密实机构千斤顶等处，用于测量支架的底座倾斜角和前后顶梁姿态角等，将位移传感器安装在支架的推矸和推压密实机构上，用于测量推移距离等。利用视觉传感器采集图像数据，通过建立单目视觉测量模型及全局坐标系与局部坐标系的转换，分析计算固体充填液压支架组护帮板之间的距离、支架推矸与刮板输送机中部槽之间的角度、护帮板状态和支架高度等。针对现有固体充填液压支架虚拟仿真系统在数据分析、运动关系约束等方面缺乏深入研究的问题，设计了基于Unity3D的固体充填液压支架虚拟仿真系统，该系统利用Unity3D实现了支架运动仿真，可实时反映支架运行时的位姿状态变化。基于Unity3D的固体充填液压支架虚拟仿真系统与固体充填液压支架全位姿测量系统配套使用，可真实反映固体充填液压支架的运行状态，保证固体充填液压支架仿真的稳定性及数据的可靠性，为固体充填液压支架平稳运行提供了技术支持。

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2022年第07期

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基于加速度计的顶煤运移时间测量系统

作者(Author)：李增林, 靳舒凯, 刘安强, 张权, 员明涛, 康俊瑄, 杨克虎

摘要：多轮顺序记忆放煤工艺能够改善综采工作面的顶煤采出率和含矸率，但在现场应用中需要对每一轮放煤时间进行精确测定与控制。基于顶煤运移跟踪仪的自动化放煤技术在实际应用中顶煤运移跟踪仪仅作为标志点安置于顶煤中，无法获得更多的顶煤运移信息。针对上述问题，基于顶煤运移跟踪仪，设计了一种基于加速度计的顶煤运移时间测量系统，该系统包括标签、采集器及中心计算机3个部分。标签放置于顶煤内部，放煤过程中跟随顶煤运动，通过内置的加速度计实时采集比力值数据，并调用时间测量算法，实现顶煤运移情况监测，进而确定不同放煤阶段，计算得出不同阶段的顶煤运移时间信息；当标签从放煤口放出后，与刮板输送带产生碰撞，通过射频信号将顶煤运移时间信息向外发送给采集器，通过现场总线进一步传输至中心计算机，指导综采工作面现场实现多轮顺序放煤。详细介绍了顶煤运移时间测量标签的软硬件设计，实现了比力值实时采集、无线信号传输、数据存储等功能；搭建了以3D转台为核心，Gauss-Newton方法为标定算法的标定平台，完成了加速度计的标定工作，标定后的加速度计能够准确采集顶煤运移时间测量标签的比力值；根据顶煤在放煤过程中的运移特点，提出了基于阈值的时间测量算法及基于长短期记忆（LSTM）的时间测量算法。基于阈值的时间测量算法通过引入静态阈值、最大阈值实现运动阶段的时间识别；基于LSTM的时间测量算法通过识别时域下比力值矢量和的动态变化，寻找突变点，实现运动阶段的时间识别。通过标签的自由落体实验完成了2种时间测量算法的性能测试，其中时间测量方差分别为0.000 6、0.000 2，时间测量误差分别为13.07%、5.22%，满足现场顶煤运移时间测量需求，基于LSTM的时间测量算法在顶煤运移时间测量具有明显的应用优势。

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2022年第07期

215

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基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位研究

作者(Author)：王学, 周红旭, 张雷, 王华英

摘要：针对现有掘进机无法实时定位、定位不准确、视觉定位中相机视野被遮挡导致定位失败等问题，提出了一种将基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位方案。在悬臂式掘进机机身与机臂安装近红外LED标靶，以LED作为近红外标靶构建掘进机特征信息，通过图像处理、位姿解算实现掘进机机身与截割部的三维空间定位。双目立体视觉相机安装在巷道顶部，随着掘进机不断推进，掘进机与双目立体视觉相机距离逐渐增加，造成双目图像获取失败，进而导致视觉解算截割部位姿失败。针对该问题，引入基于一维卷积神经网络（1D-CNN）的掘进机截割部磁场辅助定位方法。在掘进机机身两侧安装三轴数字磁场计，并在机臂处安装永磁体，以磁场的强度分量和双目立体视觉相机获取的位姿数据作为训练数据，构建1D-CNN模型，输出在视觉测量失效情况下掘进机截割部位姿。从深度信息和掘进机机身及截割部位姿2个方面对基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位方案进行实验，结果表明：机身测量误差在±11 mm以内，相对误差在0.4%以内。截割部测量误差在±50 mm以内，相对误差在1%以内；掘进机机身与截割部间的相对位姿误差在±2.5°以内，俯仰角的均方根误差为根0.930 1°，偏航角的均方根误差为0.922 0°。上述误差在巷道作业允许范围内，验证了该方案的有效性和可靠性。对基于1D-CNN的掘进机截割部磁场辅助定位方法进行了有效性验证，为模拟井下复杂磁场环境，在掘进机附近随机添加干扰磁源，结果表明：该方法对掘进机截割部俯仰角、偏航角、翻滚角的预测值与测量的真实值基本吻合，预测的俯仰角、偏航角、翻滚角决定系数分别为0.992 4,0.995 9,0.917 4，说明基于1D-CNN的掘进机截割部磁场辅助定位方法能够较好地满足在视觉定位失效下的掘进机定位需求。

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2022年第07期

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基于非完整性约束的采煤机定位方法

作者(Author)：宋单阳, 杨金衡, 陶心雅, 卢春贵, 田慕琴, 宋建成

摘要：目前基于惯性导航系统和里程计组合的采煤机定位方法直接用里程计输出对惯性导航系统推算得到的采煤机前进速度进行修正，但抑制惯性导航系统误差发散的能力非常有限。采煤机在运动过程中满足非完整性约束的特点，即在采煤机不发生跳跃和侧滑的情况下，牵引齿轮和履带连接处的侧向和垂向速度为零。基于该特点，在惯性导航系统和里程计组合定位的基础上，提出了一种基于非完整性约束的采煤机定位方法。安装于采煤机机身中部的惯性测量单元输出经机械编排获得采煤机姿态、速度和位置信息；安装于采煤机牵引齿轮上的里程计输出用于计算采煤机瞬时速度。使用惯性导航系统的机械编排结果和误差传播模型建立卡尔曼滤波状态方程，在采煤机牵引齿轮和履带的连接处引入非完整性约束，利用惯性导航系统投影在连接处的速度与里程计输出的速度之差作为观测向量，建立卡尔曼滤波观测方程；将卡尔曼滤波算法处理后的结果作为误差反馈，对惯性导航系统的输出进行修正，得到采煤机姿态、速度和位置的最优估计。实验结果表明，相较于传统惯性导航系统和里程计组合的定位方法，加入非完整性约束后定位误差没有随时间发散，对实际轨迹具有良好的追踪性能；采煤机在前向、侧向、垂向上的定位误差分别降低了66%,62%,67%。

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2022年第07期

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综采工作面煤层三维模型动态修正方法研究

作者(Author)：梁耍, 王世博, 葛世荣, 柏永泰, 谢洋

摘要：综采工作面的高精度煤层地理信息是实现智能无人开采的关键，但现阶段所构建的煤层三维模型垂向精度较低，无法满足智能开采的实际需求。针对该问题，提出了一种综采工作面煤层三维模型动态修正方法。将得到的初始煤层三维模型静态数据及开采过程中采煤机截割产生的动态数据融合，基于长短期记忆网络（LSTM）预测算法及其改进算法（基于空间卷积长短期记忆网络（Conv LSTM）、编码-解码长短期记忆网络（EncoderDecoder LSTM）的预测算法），根据上一回采阶段的煤层数据，动态预测下一阶段未开采区的煤层底板曲面和煤层厚度。采用双层循环嵌套的网格搜索方法对上述3种预测算法进行参数调优，获取未开采区煤层底板曲面和煤层厚度的高精度垂向分布数据，作为煤层三维模型修正值，动态修正下一阶段未开采区的煤层三维模型；随着工作面不断开采，利用新获取的修正数据持续动态修正并更新初始煤层三维模型，从而提升初始煤层三维模型精度，使动态修正后的煤层三维模型能更准确地反映综采工作面实际煤层分布。以山西吕梁市某煤矿18201工作面煤层三维模型为例，采用提出的动态修正方法对该模型进行修正，在工作面推进方向16～23.2 m范围内，动态修正后的煤层底板平均误差为0.068 5 m，煤层顶板平均误差为0.076 m，相较于修正前的底板平均误差0.20 m、煤层厚度垂向平均误差0.40 m，动态修正后的煤层三维模型精度大大提升，证实了该修正方法的有效性。

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2022年第07期

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综采工作面大流量智能供液系统研究

作者(Author)：司明, 邬伯藩, 王子谦

摘要：针对综采工作面供液系统供液能力不足、压力波动大、系统运行稳定性差等问题，提出了一种免疫粒子群优化模糊神经网络PID（IPSO-FNN-PID）算法，设计了IPSO-FNN-PID控制器，实现了供液系统稳压控制。IPSO-FNN-PID算法将粒子群（PSO）算法和免疫算法（IA）引入模糊神经网络（FNN）PID控制器，针对FNN算法易陷入局部寻优问题，采用免疫粒子群（IPSO）算法优化FNN算法，通过在PSO算法中加入IA来提高PSO算法的收敛性，实现最优PID参数输出。为验证IPSO-FNN-PID控制器的有效性，选取传统PID控制器、Fuzzy-PID控制器、FNN-PID控制器进行比较，仿真结果表明：（1） IPSO-FNN-PID控制器对乳化液泵的控制效果最佳，其他3种控制器的上升时间、峰值时间和调节时间均比IPSO-FNN-PID控制器长，最大超调量均大于IPSO-FNN-PID控制器。（2）在加入扰动信号后，IPSO-FNN-PID控制器具有较好的自适应性和鲁棒性，恢复到平稳状态仅用了1.2 s。（3）当利用传统PID和Fuzzy-PID控制器对乳化液泵进行控制时，振荡明显，超调量大，分别为41.2%,22.3%；当利用FNN-PID控制器对乳化液泵进行控制时，振荡明显减弱，超调量降低为17.6%，调节时间减少至2.68 s；当利用IPSO-FNN-PID控制器对乳化液泵进行控制时，几乎无振荡，超调量仅为5.22%，调节时间缩短至2.61 s，遇到干扰信号时稳定性更强。（4）在受到扰动信号时，负载干扰对IPSO-FNN-PID控制器的影响较小，且收敛迅速，鲁棒性大大提升，表明IPSO-FNN-PID控制器具备良好的抗扰动及扰动补偿能力，可满足供液系统的稳压控制要求。

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2022年第07期

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近红外光谱煤岩识别装置研制

作者(Author)：吕渊博, 王世博, 葛世荣, 周悦, 王赛亚, 柏永泰

摘要：目前近红外光谱煤岩识别都是在静态下采集光谱数据进行离线识别，无法适应放顶煤作业时需要实时识别输送机上高速移动煤岩的需求。针对该问题，基于近红外光谱技术研制了一种煤岩识别装置。该装置由数据采集与处理装置和光源探头一体化装置组成，通过光源探头一体化装置搜集煤岩反射光，利用数据采集与处理装置中改进的煤岩识别算法（余弦角算法和相关系数法）分析光谱数据，可在获取到煤岩光谱曲线后立即分析光谱信息并判断当前煤岩类别。为得到改进煤岩识别算法最佳特征波段与标准光谱库大小，通过实验得到了不同特征波段和标准光谱库大小对识别准确度的影响：1 300～1 500,1 800～2 000,2 100～2 300 nm特征宽度适用于大多数煤岩样本，标准光谱库大小与正确率正相关，识别时标准光谱库有必要增加曲线数量。为提高煤岩识别装置采集的光谱质量，在实验室模拟了煤岩与光源探头一体化装置的相对运动，探究了不同光谱采集参数对光谱质量的影响规律：积分时间主要参考光源的光照强度，当采集条件较好时积分时间设置为比下限略高5～10 ms最佳；考虑综放工作面对煤岩识别实时性要求高且放煤过程中刮板输送机上煤岩变化较快，积分次数设置为1最佳；平滑次数主要参考环境波动快慢，只需设置为可消除环境光变化即可。为提高煤岩识别装置在工作面煤流运动状态下识别的准确性，探究了改进余弦角算法与相关系数法在煤岩与光源探头一体化装置相对运动中识别的准确性，得到改进相关系数法是更适合在工作面使用的识别算法，正确率达到91.3%。煤矿现场煤岩识别试验结果表明，该装置在采集到1个放煤周期内放落煤岩的光谱曲线后，可通过改进识别算法立即分析光谱信息并准确判断当前煤岩类别，实现了放煤过程中煤岩实时识别。

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2022年第07期

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融合近红外光谱的煤岩界面分布感知研究

作者(Author)：杨恩, 王世博, 宣统

摘要：近红外波段反射光谱能够基于煤岩本质物质属性不同所引起的反射光谱特征差异进行煤岩区分，识别精度高，实时性好，但尚未用于煤岩界面位置分布识别。针对采煤机记忆截割在后续截割循环中对煤岩界面自主判定的实际需求，研究了基于近红外反射光谱技术的煤岩界面分布感知技术。采用气煤、炭质泥页岩切割块样搭建了煤壁煤岩界面台架，设计了光纤准直镜-卤钨聚光光源一体式光谱探头并安装于采煤机机身，在采煤机0,3,7 m/s 3种行走速度和光谱探头3,4,5,6°/s 4种扫描角速度下，测定了煤岩界面附近煤岩的近红外波段（1 000～2 500 nm）后向反射光谱曲线。对于光谱探头在煤壁上每条扫描轨迹中采集的所有反射光谱，在2 150～2 250 nm差异性特征波段，基于余弦距离模糊C均值聚类（CFCM）进行煤岩反射光谱无监督识别，根据每条扫描轨迹上各位置探测结果，基于高度差权重法和扫描轨迹方程确定煤岩界面点理论探测位置。研究结果表明：在采煤机和光谱探头每种运动状态下，光纤准直镜-卤钨聚光光源一体式光谱探头所采集气煤、炭质泥页岩近红外波段后向反射光谱均具有1 400,1 900,2 200 nm附近明显的差异性吸收谷谱带，随着探测入射角增大，煤岩反射光谱曲线均呈下降趋势；同种采煤机行走速度下，随着光谱探头扫描角速度增大，以及同种光谱探头扫描角速度下，随着采煤机行走速度增大，煤岩反射光谱曲线整体均趋于平缓；基于CFCM、高度差权重法、煤壁扫描轨迹方程可实现采煤机和光谱探头运动状态下煤岩界面点的快速精确探测，其中光谱探头3,4,5°/s 3种扫描角速度下煤岩界面点探测结果的均方根误差不超过1.5 cm，为近红外反射光谱技术应用于煤岩界面分布的精确高效感知提供了参考。

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