“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; 73329IP
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基于时空演化的露天矿运输线路存留状态判别算法

作者(Author)：刘光伟, 李晋, 柴森霖, 刘嗣哲, 付恩三

摘要：露天矿采场是一个随时间协变的有源时空场，其内部的时空演化规律是露天矿开拓运输系统定线的重要基础，直接制约着露天矿运输道路的废除、重建和更新等相关决策。但多年受露天采场的自身复杂性限制，开拓定线仍以经验化的手工定线为主，尚缺乏一种科学化、系统化的定线法，特别是对于已确定的运输线路随采、剥工程发展而发生的时空状态演化规律的判别与分析，直接制约着露天矿山道路运输系统设计的经济性。以开拓定线过程中既定坑线的存留问题为切入点，首先对露天矿采场内采、剥物料的运输线路的演化规律进行了有效分析和描述，并结合采、剥物料的场内流动特性，构建了不同坑线状态下的迁移模型。同时，为进一步定量化的描述运输道路的状态迁移模型，文中从分析运输线路与物料流之间的功能联系入手，引入矢量分析和场论的理论方法，结合采场采、剥物料实际给出了满足矢量场分析条件的均质流体假设，并进一步提出散度的概念、时空状态描述子的判别指标及利用散度的量化计算实现采、剥物料的迁移状态判别，从而为承载运输任务的运输线路的废除、重建和更新状态提供更为科学、合理的量化决策指标。最后，以不同计划工程位置上的开拓定线问题(混合坑线)为仿真实验，验证文中算法模型对于判别运输线路存留问题的有效性。实验结果表明：抽象散度的引入能有效地将采场内的有源矢量场划分为有源和无源区域，并能进一步判别出有源区域内流体的吸收或发散特性，且上述特性能极为理想的对应于运输线路的废除、重建、更新以及继续服务等几种状态，从而保证了这种区域化指标能为开拓定线过程中的区域性坑线布设提供更为理想的前期决策，有效解决了主观定线过程中线路更新难题。将应用数学、理论物理学中的通量、散度的概念引入到解决露天矿山的现实优化问题中，提出了一种定量化描述露天采场时空状态演化过程的新方法，弥补了现阶段手工定线主观经验化更新的不足，同时也为开拓运输系统的自动化优化定线算法的实现提供了一种路径更新判别的新思路。

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煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析

作者(Author)：宋锐, 郑玉坤, 刘义祥, 马昕, 李贻斌

摘要：当前，煤矿安全生产正面临着重大技术挑战，井下作业技术的智能化、无人化迫在眉睫，机器人化替代已成为重要解决途径。煤矿智能化是煤矿作业高质量发展的核心技术支撑，从煤矿井下智能化、无人化作业需求出发，综述了目前掘进、采煤、运输、安控、救援五大类煤矿机器人国内外的应用现状。在此基础上，就国内外仿生机器人技术在煤矿作业中的应用现状做了概述，指出了煤矿仿生机器人技术与装备发展思路和研究方向。综述了仿生机构、仿生感知、仿生控制、仿生驱动和仿生材料等关键技术的研究现状，并阐述了仿生技术较现有设备的优势及可应用场景。结合目前仿生技术与人工智能技术的发展水平，科学分析了仿生机器人的发展趋势，包括:从传统驱动器向生物肌肉驱动器的发展，从刚性结构向软体和刚柔混合结构发展，由传统材料到新型生物材料发展，从单一运动模式向高机动多栖机器人发展，从传统控制方法向生物智能控制发展，从机电系统机器人向生物系统机器人发展，从单一机器人向集群机器人发展。结合仿生机器人技术的发展趋势，展望了仿生机器人技术在煤矿无人化作业中的应用前景:新型功能材料的应用，高效行走方式的应用，智能环境感知的应用，智能化自主作业的应用，为煤矿仿生机器人的开发利用提供参考。

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新型煤矿救援机器人研发与试验

作者(Author)：朱华, 由韶泽

摘要：煤矿救援机器人是一种在矿井发生灾害事故时，替代救护队员进入危险区域进行环境探测和对矿工实施救援的多功能智能救援装备，其应用对提升煤矿灾后救援效率、减少 2 次伤亡具有重要的意义。以中国矿业大学 CUMT-V 系列煤矿环境探测与救援机器人的研发为例，从行走机构、防爆设计、结构轻量化、通信方法、传感探测和智能化等方面进行了相关技术和理论研究。针对灾后煤矿的巷道环境特点，推演了机器人行走机构的基本构型，设计了地形适应性好、越障能力强的机器人行走机构;提出并采用基于短时防爆理论的本安兼隔爆的机器人防爆设计技术;提出了基于多腔体自加强结构的机器人轻量化优化设计方法;采用了有线和无线相结合的机器人通信方式;搭建了机器人传感探测与运动控制系统;研发了机器人井下地图构建和定位导航技术。从而研制了能够承载多种探测传感器和急救装备的煤矿灾后环境探测救援机器人，并取得了国家煤矿安全认证。井下应用试验及性能测试结果表明，机器人的行走能力强，能够适用于煤矿非结构复杂地形;机器人续航能力强，通信距离长，环境感知和信息传输的可靠性高;能够通过遥控方式实现机器人的灾后救援;采用有线和无线相结合的机器人通信技术可实现多台机器人的协同救援。通过对机器人进行智能化升级，提高了煤矿救援机器人的环境感知能力，并使其具备了实时定位与自主行走的功能。将上述技术的组合进一步完善，可研发出满足不同应用需求的煤矿环境探测、监控、救援机器人。

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煤矿地下毫米波雷达点云成像与环境地图导航研究进展

作者(Author)：陈先中, 刘荣杰, 张森, 曾慧, 杨鑫鹏, 邓浩

摘要：环境感知与地下空间导航是煤矿智能化信息领域的重要研究方向,对实现无人化、全自动化、智能化的煤矿生产作业至关重要。随着第五代移动通信技术(5th generation mobile networks,5G)和毫米波成像雷达软硬件日益紧密结合与成熟,毫米波探测与通讯应用到更多领域。 5G 通讯技术依托高速率、低延时、高带宽的特点给现有的无线电通讯技术带来巨大的变革；同时,毫米波雷达相比激光雷达,低成本、抗干扰、三维点云(3 dimension point cloud,3D)数量相对激光点云数量少1 ~ 2 个数量级的特点,使得其在地下环境 3D 成像及同步定位与地图构建( Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)领域得到越来越多的关注。基于 5G 通讯的 V2X(Vehicle to Everything)技术结合毫米波 SLAM 导航,为煤矿机器人的自主导航提供新的解决方案。系统综述了当下煤矿机器人自主导航以及实现煤矿智能化所面临的问题；近期国内外毫米波成像最新进展；地下环境毫米波雷达模块组通讯与信号获取方法；高分辨率成像遇到的稀疏特征提取问题；稀疏点云的处理策略与算法评估；深度学习在毫米波稀疏点云处理中的研究现状与发展方向；SLAM 算法应用于不同环境的研究现状及 SLAM 导航算法。最后归纳了煤矿地下环境中应用 SLAM 地图构建、路径规划及避障的困难和挑战,并对未来煤矿复杂环境下毫米波通讯与导航兼容并蓄的新应用提出了展望。

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煤矿井下移动机器人深度视觉自主导航研究

作者(Author)：马宏伟, 王岩, 杨林

摘要：煤矿井下移动机器人是煤矿机器人的主力军，煤矿井下移动机器人的自主导航是其研究的难点和热点。目前，煤矿井下移动机器人自主导航所必须的三维环境数据库尚未形成，尤其是制作高分辨率、多信息融合的煤矿井下高精度地图还处于研究阶段。为了有效解决煤矿井下移动机器人自主导航问题，构建了基于深度相机的机器视觉系统，提出了一种基于深度视觉的导航方法，自主导航过程分为地图创建与自主运行两个阶段。在地图创建中:① 对深度视觉数据进行特征提取与匹配，利用 10 组煤矿井下真实视频截图，对比测试 5 种特征提取与匹配组合算法，结果表明SURF+SURF+FLANN 与 GFTT+BRIEF+BF 算法能够在煤矿井下获得良好匹配结果;② 建立煤矿井下移动机器人深度视觉定位与建图问题的捆集调整迭代最近点图模型(Iterative Closest Points Bundle Adjustment，ICP BA);③ 通过图优化方式估计当前观测下的最优位姿与环境路标点坐标。在实验室场景中利用提出的 ICP-BA 图优化算法，建立了包含关键位姿与三维环境点的原始点云地图。在自主运行阶段，① 通过八叉树数据结构，将点云地图转化为移动机器人运动规划可使用的 Octomap 导航地图，实验结果表明，Octomap 导航地图分辨率可调、系统资源占用低、索引效率高;② 使用三维到二维映射的视觉图匹配 PNP(Perspective N Points)方法进行实时在线重定位;③ 基于图搜索的 A∗(A Star)路径规划作为轨迹规划初值，自定义最小化能量损失泛函为最小化加加速度的变化率(Minimum-Snap)求解 2 次规划问题，生成用于煤矿井下移动机器人运动执行的轨迹。在Matlab 开发环境中设计随机导航地图，生成时间分配、位置、速度、加速度、加加速度的最优轨迹规划结果，验证了运动规划算法的正确性。通过理论分析和实验验证，表明本文提出的煤矿井下移动机器人深度视觉自主导航方法的有效性。

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煤矸智能分选的机器视觉识别方法与优化

作者(Author)：徐志强, 吕子奇, 王卫东, 张康辉, 吕海梅

摘要：煤矸图像的在线准确快速识别是煤矸智能分选的关键，深度卷积神经网络能够解决这一问题。以实际生产状态下采集的煤与矸石图像为训练与测试样本，基于 ResNet 等经典网络与SqueezeNet 等先进轻量级网络建立了煤矸图像识别模型，分析了各模型的训练收敛情况。基于 kmeans++判断模型中不同卷积核所提取特征的相似程度，基于模型剪枝技术对相似度高的卷积核进行裁剪，实现了识别模型的优化与压缩。以识别精度、模型规模和模型运算复杂度为评价指标，定量衡量了压缩前后各模型的测试性能。分析了压缩后的模型对煤矸难、易识别样本的分类热力图可视化结果，揭示了模型的识别机理与分类依据。结果表明：利用多数现有的 CNN 框架建立模型均可以对煤和矸石有效识别，但网络复杂度过低则特征提取能力不足，网络复杂度过高则易产生更严重的过拟合情况，即模型复杂度对识别精度影响较大；基于模型剪枝得到的煤矸识别模型可以将煤的截断面处因镜质组成分而产生的反光现象作为识别煤的可靠依据，同时准确捕捉煤与矸石由于硬度不同所产生的轮廓、纹理、表面平整度等差异，综合给出识别结果。压缩后的模型在计算量与模型大小减少 10 倍的同时，识别精度提升了 17.8% ，实现节约计算与存储资源的同时提升识别精度，模型性能明显优于常规网络模型。

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煤矿井下智能化定向钻探发展路径与关键技术分析

作者(Author)：石智军, 李泉新, 姚克

摘要：煤矿井下智能化定向钻探是坑道钻探发展的高级阶段，是一个涉及多学科领域的系统工程，具有显著的特殊性和独立性，服务于智能化开采的全过程，为煤炭资源安全、高效、绿色、智能开采提供着技术支撑和装备保障。首先描述了我国煤矿井下定向钻进技术与装备发展历程，从稳定组合钻具定向钻进到有线随钻测控定向钻进，再到无线随钻测控大功率定向钻进，坑道钻探技术的创新发展与装备的升级换代推动实现顺煤层定向钻孔深度从“1 000 m”跨越到“3 000 m”。明确了现阶段我国煤矿井下坑道钻探仍处于从机械化向自动化转变的发展定位，分析了智能化定向钻探面临的突出问题，提出了在实现自动化定向钻探的基础上向智能化定向钻探迈进的发展路径，归纳分析了自动化和智能化定向钻探的技术内涵和属性特征，自动化定向钻探强调钻探动作的自动控制执行，包括自动化定向钻机集成控制、多参数随钻测量信息融合、高精度导向控制、冲洗液循环自动控制等方面;智能化定向钻探强调钻探过程的智能最优化控制，包括智能分析与决策、低延时大容量数据传输、智能钻杆、钻探装备智能检测与诊断等方面。针对我国复杂多样的煤层赋存条件和不均衡发展的开采技术条件，建议分阶段、分区域、分层次推进煤矿井下智能化定向钻探探索与发展，并提出了智能化定向钻探亟待攻克的关键技术难题，包括自动化定向钻机研制、旋转导向钻进技术、地质导向钻进技术、随钻地质信息三维动态建模技术、智能化钻探数据库建立、钻孔事故预防与处理技术，同时介绍了“十三五”期间我国煤矿井下智能化定向钻探部分阶段性发展成果。

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矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现

作者(Author)：周福宝, 魏连江, 夏同强, 王凯, 吴新忠, 王雁鸣

摘要：针对我国现代化矿井通风信息化、智能化升级的重大需求,系统研究了矿井智能通风原理、关键技术及其系统组成。明确阐述了矿井智能通风的定义与内涵:矿井智能通风是通过智能控制实现按需供风,稳定、经济地向矿井连续输送新鲜空气,供人员呼吸,稀释并排出有害气体和粉尘,改善矿井气候条件及救灾时具有一定智能调控风流的作业；其内涵是将信息采集处理技术、控制技术与通风系统深度融合,按照“平战结合”的理念实现按需供风及异常灾变状态下智能决策与应急调控,既满足日常通风的自动化管理与维护,又实现灾变时期的应急控风有效抑制灾情演化。基于风网调节的非线性优化模型提出了矿井智能控风模型,设计了矿井多元信息智能感知→高效可靠信息传输→通风状态智能分析与决策→通风设施/ 动力智能调控执行与反馈的标准化工作流程；随后,围绕矿井智能通风系统功能的具体实现,分别从通风参数精准监测、通风异常诊断与智能决策平台、通风动力与设施智能调控等关键技术详细阐明了矿井智能通风功能的实现路径；最后介绍了通风参数在线监测与风网实时解算、区域联动调控等智能通风关键技术的现场试验及应用实例。通过本文的研究为矿井智能通风提供了建设思路。

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