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我国煤矿快速掘进20a发展与展望

煤炭学报 2024年第2期49卷 1199-1213页

作者：王虹陈明军张小峰中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030006 煤炭科学研究总院有限公司北京100013 煤矿采掘机械装备国家工程实验室山西太原030006

针对煤矿智能化快速发展,煤矿掘进面临新的机遇和挑战,笔者对我国煤矿快速掘进20 a的发展进行全面综述,以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势,以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面,... 详细信息

针对煤矿智能化快速发展,煤矿掘进面临新的机遇和挑战,笔者对我国煤矿快速掘进20 a的发展进行全面综述,以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势,以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面,双巷掘进开辟了截割、支护在不同巷道同时作业的新途径;掘锚同步工艺,时间-空间多维同步快速掘进工艺打破了先掘后支、及时全部支护的传统,创立了掘锚同步、迎头必要支护与多维空间永久支护动态匹配的分区支护方法。在掘进装备方面,形成了以纵轴、全宽横轴截割滚筒为主,全断面截割滚筒为辅的截割滚筒结构形式,并且在高功率密度减速器及整机设计理念不断突破的基础上,成功研制纵轴截割功率达315 kW、全宽横轴截割功率达560 kW的系列高效截割系统。在锚护装备方面,由传统的单体锚杆钻机发展出锚杆钻机、一键操作流程化钻机、钻机集群等,在有限空间内钻机的数量和作业安全性得到大幅提升,作业流程得到大幅简化,锚孔识别、锚护路径自动规划等智能化技术已进入工业性试验阶段。柔性运输系统的发明解决了掘进面短距离高效转载难题。在成套装备配置上,形成了以连续采煤机、掘锚一体机、掘锚机(掘进机+机载锚杆钻机)、煤矿全断面掘进机为龙头的四大类快速掘进系统,在四大快速掘进系统下,又分别形成了不同的作业线,实现了对不同地质条件巷道快速掘进的全覆盖。掘进工程系统层级上实现了具有成套装备的远程控制、集中控制、视频监测、闭锁联动、人员接近预警等智能化功能。回顾快速掘进的发展历程,提出完善时间-空间多维同步快速掘进理论、以智能掘进搜集透明地质的基础大数据、加强掘进巷道辅助作业工艺及设备研究、加强装备的智能化核心技术研发等智能掘进的发展方向。

关键词：快速掘进智能掘进截割锚护掘进成套装备

基于Adam算法BP神经网络的矿井环境瓦斯浓度预测模型

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湖南科技大学学报（自然科学版） 2024年第1期39卷 18-23页

作者：曹亮中国煤炭科工集团煤炭科学技术研究院有限公司北京100013

为了解决现有矿井环境瓦斯浓度预测方法无法处理大数据量、适应性差、误差较大、易陷入局部最优等问题,提出一种基于Adam算法的改进型BP(Back Propagation)神经网络模型,模型适用于矿井多环境参数下,对某区域内环境瓦斯浓度进行预测.对... 详细信息

为了解决现有矿井环境瓦斯浓度预测方法无法处理大数据量、适应性差、误差较大、易陷入局部最优等问题,提出一种基于Adam算法的改进型BP(Back Propagation)神经网络模型,模型适用于矿井多环境参数下,对某区域内环境瓦斯浓度进行预测.对监测监控系统采集到的真实数据进行归一化处理并形成数据集,通过将Adam算法与BP网络模型进行有效结合形成新的网络模型.运用训练集对模型进行训练及调优后,迭代次数在1 200次后损失率趋于平稳,验证集预测的结果整体平均误差率为1.258%,结果表明:该优化模型提高了网络训练速度,且避免了传统BP模型容易陷入局部最小的缺点,同时降低了预测的相对误差.

关键词：瓦斯浓度 BP神经网络激活函数 Adam算法梯度消失

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CFRP基材矿用安全头盔轻量化设计与优化

复合材料科学与工程 2024年

作者：石林鑫王海军王洪磊煤炭科学研究总院中国煤炭科工集团煤炭科学研究总院有限公司

为解决目前矿用安全头盔重量过大的问题，采用碳纤维增强复合材料(CFRP)替代传统ABS注塑材料实现矿用安全头盔的轻量化设计。建立了钢球-头盔碰撞仿真有限元模型，在碰撞仿真环境下对比分析ABS和CFRP盔壳的力学性能。CFRP盔壳的强度和... 详细信息

为解决目前矿用安全头盔重量过大的问题，采用碳纤维增强复合材料(CFRP)替代传统ABS注塑材料实现矿用安全头盔的轻量化设计。建立了钢球-头盔碰撞仿真有限元模型，在碰撞仿真环境下对比分析ABS和CFRP盔壳的力学性能。CFRP盔壳的强度和刚度优于ABS盔壳，且具有更好的防护性能。利用BP神经网络模拟CFRP铺层参数与头盔力学性能之间的输入输出映射关系，并使用粒子群优化算法实现了对CFRP头盔力学性能的全局优化。优化结果表明，最优铺层参数为单层层厚0.2 mm，各层铺层角度[0°/45°/60°/45°/0°/90°]，优化后的CFRP头盔在碰撞仿真中头盔顶部最大变形量为19.601 mm，头模最大受力为4.891 kN。该优化方案能够满足相关国家标准的要求，同时实现相比ABS头盔盔壳减重49.3%的轻量化设计。

关键词：碳纤维增强复合材料有限元分析 BP神经网络粒子群优化轻量化设计

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美国能源可持续利用现状及对中国的启示

科技导报 2024年第4期42卷 6-20页

作者：胡健 Wu Sheng 邓西里孙海涛崔景伟赵路正煤炭科学研究总院北京100013 Power Environmental Energy Research Institute 美国加利福尼亚州917223 中国石油勘探开发研究院北京100083 中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司重庆400037 中国煤炭科工集团煤炭规划总院北京100120

世界能源利用进入“清洁、低碳、可再生”的可持续发展新航道。美国在全力确保清洁能源制造和全球领先地位,保障和实现国家能源安全稳定供给中努力形成能源可持续利用结构。能源结构转型已使美国温室气体排放总量达峰后持续走低,并下降... 详细信息

世界能源利用进入“清洁、低碳、可再生”的可持续发展新航道。美国在全力确保清洁能源制造和全球领先地位,保障和实现国家能源安全稳定供给中努力形成能源可持续利用结构。能源结构转型已使美国温室气体排放总量达峰后持续走低,并下降至2000年以前水平,电力行业和交通行业碳排放震荡下降,美国可持续能源发电成本较世界其他国家偏低。美国能源可持续利用水平的提升得益于一系列政策法规、财政投资及经济市场等多方面措施的保障。美国政府的碳减排措施及各州政府的节能准则保障能源利用效率的提升;政府推动能源转型,促进清洁能源投资,并进一步推动清洁能源和能源税收减免;通过加大天然气领域的投资,促进交通领域电气化转型,以及修订车辆燃油经济性标准等措施推动可持续能源市场繁荣。美国能源的可持续利用现状显示,“能源利用过程的清洁化、能源利用类型的低碳化、能源获取方式的可再生化”为主导的能源转型方向将成为实现能源利用可持续性的发展趋势,全球可持续能源技术创新成为关键技术进步和竞争的阵地,国际能源转型过程中出现的多种困境显示,全球可持续能源利用的重要领域合作基础众多而广泛。美国与中国能源结构和能源转型中面临的形势与挑战相似,也有不同。中国能源转型将面临重要多重技术无人区,应从战略角度充分认识能源转型的长期性、复杂性和艰巨性,深入加强中国能源绿色低碳化转型的基础性、原创性、颠覆性技术的研究,推动中国能源绿色低碳安全转型。

关键词：能源化石能源可再生能源能源战略

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我国煤矿快速掘进20年发展与展望

煤炭学报 2024年

作者：王虹陈明军张小峰中国煤炭科工集团太原研究院有限公司煤炭科学研究总院煤矿采掘机械装备国家工程实验室

针对煤矿智能化快速发展，煤矿掘进面临新的机遇和挑战，本文对我国煤矿快速掘进20年的发展进行全面综述，以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势，以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方... 详细信息

针对煤矿智能化快速发展，煤矿掘进面临新的机遇和挑战，本文对我国煤矿快速掘进20年的发展进行全面综述，以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势，以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面，双巷掘进开辟了截割、支护在不同巷道同时作业的新途径；掘锚同步工艺，时间-空间多维同步快速掘进工艺打破了先掘后支、及时全部支护的传统，创立了掘锚同步、迎头必要支护与多维空间永久支护动态匹配的分区支护方法。在掘进装备方面，形成了以纵轴、全宽横轴截割头为主，全断面截割头为辅的截割头结构形式，并且在高功率密度减速器及整机设计理念不断突破的基础上，成功研制纵轴截割功率达315kW、全宽横轴截割功率达560kW的系列高效截割系统。在锚护装备方面，由传统的单体锚杆钻机发展出臂载、机载锚杆钻机、一键操作流程化钻机、钻机集群等，在有限空间内钻机的数量和作业安全性得到大幅提升，作业流程得到大幅简化，锚孔识别、锚护路径自动规划等智能化技术已进入工业性试验阶段。柔性运输系统的发明解决了掘进面短距离高效转载难题。在成套装备配置上，形成了以连采机、掘锚一体机、掘锚机（掘进机+机载锚杆钻机）、煤矿全断面掘进机为龙头的四大类快速掘进系统，在四大快速掘进系统下，又分别形成了不同的作业线，实现了对不同地质条件巷道快速掘进的全覆盖。掘进工程系统层级上实现了具有成套装备的远程控制、集中控制、视频监测、闭锁联动、人员接近预警等智能化功能。回顾快速掘进的发展历程，提出完善时间-空间多维同步快速掘进理论、以智能掘进搜集透明地质的基础大数据、加强掘进巷道辅助作业工艺及设备研究、加强装备的智能化核心技术研发等智能掘进的发展方向。

关键词：快速掘进智能掘进截割锚护掘进成套装备

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煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

煤炭学报 2024年第1期49卷 131-151页

作者：康红普姜鹏飞王子越张小峰刘畅罗超韦尧中郭吉昌陈志良王锐韩存地李发泉何宗科苏超中煤科工开采研究院有限公司北京100013 天地科技股份有限公司北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030006 陕西陕煤曹家滩矿业有限公司陕西榆林918000

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系... 详细信息

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统,将传统树脂锚固锚杆安装6道工序简化为1道连续工序,实现了锚杆自动化“一键”打设,单根锚杆作业时间由原来5~6 min减少为3 min。研发出自动化喷涂支护技术与装备,包括高强、速凝、抗变形喷涂护表材料,抗拉强度超过9 MPa,断裂伸长率超过100%,黏结强度高于3 MPa;研发出6自由度喷涂系统,可实现随掘自动化快速喷涂作业。研发出巷道随掘变形动态监测技术与系统,实现随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面变形监测,监测精度能够满足围岩稳定性评价要求。提出煤巷掘支锚运分区并行协同快速掘进新模式,研制出钻锚一体化快速掘进成套装备。对试验矿井陕西陕煤曹家滩煤矿回采巷道掘进过程中围岩位移和稳定性进行了监测,在时间上,巷道掘出2~3 h后80%以上的围岩位移已经发生;在空间上,距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置,90%以上的围岩位移已经完成。快速掘进引起的巷道围岩位移在很短时间内就基本完成,要求支护必须及时且快速。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道完成近6000 m的巷道掘进工程,打设钻锚一体化锚杆60000余根。锚杆施工时间、支护用工人数及作业人员劳动强度大幅降低,掘进速度、效率及自动化水平显著提高。试验巷道顶板位移量小、完整稳定,支护效果良好。煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备井下试验取得成功,具备了特大断面煤巷月掘进进尺1500~2000 m的能力。

关键词：煤巷快速掘进钻锚一体化喷涂支护随掘变形监测掘支并行协同

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冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采

煤炭科学技术 2024年第1期52卷 1-14页

作者：王国法潘一山赵善坤庞义辉何勇华魏文艳中国煤炭科工集团有限公司北京100013 北京天玛智控科技股份有限公司北京101399 辽宁大学灾害岩体力学研究所辽宁沈阳110036 煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013

冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采是一项重大的产业技术难题,系统分析了我国冲击地压矿井分布特征、开采现状及冲击地压发展趋势,深入剖析了冲击地压矿井面临的主要开采难题。从区域地应力监测反演、矿井开拓布局优化、煤柱尺寸优... 详细信息

冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采是一项重大的产业技术难题,系统分析了我国冲击地压矿井分布特征、开采现状及冲击地压发展趋势,深入剖析了冲击地压矿井面临的主要开采难题。从区域地应力监测反演、矿井开拓布局优化、煤柱尺寸优化、井上下联合卸压、置换充填开采、高层位离层注浆等方面,全面阐述了冲击地压矿井全生命周期防控技术发展现状。针对巷道冲击地压防治难题,研发了冲击地压巷道全巷协同智能自适应抗冲击支护技术与装备,利用吸能防冲液压支架实现了正常状态对巷道围岩进行强支护、冲击过程迅速让位吸能的效果,结合支架智能运移装置、支架监测预警系统及全巷协同自适应抗冲击支护智能设计方法,构建了冲击地压巷道智能化吸能支护防控体系。分析了采煤工作面智能开采系统防冲原理,提出通过对围岩采动应力、覆岩断裂结构等进行监测分析,基于三维地质模型、大数据算法等对冲击地压发生位置、概率进行预测预警,并通过智能开采系统对液压支架的支护姿态与支护力、采煤机割煤速度等进行智能联动控制,实现采煤工作面智能开采与冲击地压智能防治。从采场应力与覆岩结构智能监测、冲击地压灾害数据库构建、冲击地压灾害分类预测预警等方面,分析了冲击地压智能防控技术的研发重点,提出了煤矿冲击地压监测预警系统组成及总体架构。从顶层设计、关键技术、智能精准解危与效果评价等方面提出了我国煤矿冲击地压煤层实现安全高效智能开采的技术路径与研发方向。

关键词：冲击地压采动应力防冲技术智能开采系统吸能防冲液压支架监测预警系统

定向长钻孔瓦斯抽采负压变化规律及监测控制技术研究进展

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煤田地质与勘探 2024年

作者：李泉新程卓尔方俊牟全斌刘飞丛琳煤炭科学研究总院中煤科工西安研究院(集团)有限公司

【意义】近水平定向长钻孔是煤矿瓦斯灾害防治的重要技术途径和有效手段，负压是影响定向长钻孔瓦斯抽采效果的重要因素。【进展】从孔内负压衰减机制与分布规律、瓦斯抽采参数监测技术、瓦斯抽采智能调控系统等3个方面系统总结了近水... 详细信息

【意义】近水平定向长钻孔是煤矿瓦斯灾害防治的重要技术途径和有效手段，负压是影响定向长钻孔瓦斯抽采效果的重要因素。【进展】从孔内负压衰减机制与分布规律、瓦斯抽采参数监测技术、瓦斯抽采智能调控系统等3个方面系统总结了近水平定向长钻孔瓦斯抽采技术研究进展，其中在孔内负压衰减机制与分布规律方面，总结了负压对瓦斯抽采影响机制、负压衰减机制、负压分布规律等基础理论研究成果；在瓦斯抽采参数监测技术方面，基于不同原理，阐述了超声波式、激光式、孔板式、循环自激式等不同类型的孔口瓦斯监测仪器现状，以及以束管法为主的孔内瓦斯监测手段；在瓦斯抽采智能调控系统方面，介绍了瓦斯抽采智能调控理念与技术装备研究上取得的成果，以负压、流量、浓度等抽采参数为分析调控对象，基于智能算法与PLC控制技术，初步实现井下管网智能调控，提高了瓦斯抽采效率。【展望】指出当前研究存在定向长钻孔内负压变化规律不清、正负压耦合作用机制不明，缺乏孔内长距离的瓦斯抽采参数监测手段和瓦斯多参数监测方法，瓦斯抽采调控系统智能化程度低等不足。同时提出瓦斯抽采定向长钻孔研究的未来发展趋势，包括基于定向长钻孔特殊结构分析的负压抽采与正压扩散耦合机制、基于光纤传感的孔内瓦斯多参数监测系统、基于机器学习的瓦斯抽采参数精细调控方法等研究方向，为近水平定向长钻孔瓦斯治理工程设计、施工、抽采与效果评价提供支撑。

关键词：瓦斯抽采定向长钻孔负压参数监测智能调控系统煤矿

基于路面附着系数估计的模糊自适应轨迹跟踪控制

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重庆理工大学学报(自然科学) 2024年第6期 92-101页

作者：张修伟陈龙孙桓五吉强太原理工大学中国煤炭科工集团太原研究院有限公司

为提高智能汽车轨迹跟踪在复杂工况环境下的控制精度和稳定性，提出了一种适应路面附着系数突变与车速动态变化的模糊自适应轨迹跟踪控制策略。建立七自由度车辆动力学模型，基于模型预测控制(model predictive control, MPC)算法设计... 详细信息

为提高智能汽车轨迹跟踪在复杂工况环境下的控制精度和稳定性，提出了一种适应路面附着系数突变与车速动态变化的模糊自适应轨迹跟踪控制策略。建立七自由度车辆动力学模型，基于模型预测控制(model predictive control, MPC)算法设计了车辆轨迹跟踪控制器，研究了MPC控制器参数、路面附着系数、车速与车辆轨迹跟踪性能间的影响关系；为了实时获取当前道路的路面附着系数，根据dugoff轮胎模型和整车动力学模型设计了无迹卡尔曼滤波估计器；据此设计了以路面附着系数和车速为输入量的MPC控制器参数自适应模糊控制器，实时修正MPC控制器的参数，以提高复杂工况环境下车辆的稳定性及跟踪能力；通过仿真实验对所设计的控制方法进行了验证。结果表明：所提出控制方法在低速条件下保证了车辆稳定性，提高了车辆的跟踪精度；中速条件下有效克服了车辆在路面附着系数突变道路上动态行驶时轨迹跟踪精度较低，稳定性较差的不足。

关键词：轨迹跟踪路面附着系数估计模型预测控制模糊控制