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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“中国煤炭学会成立60周年”特刊

来源:《煤炭学报》2022年第1期

“中国煤炭学会成立60周年”特刊

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  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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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