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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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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

基于直接磁链跟踪控制的无刷双馈电机无Crowbar对称低电压穿越方法

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中国电机工程学报 2024年第2期44卷 766-775,I0028页

作者：樊慧彬王淑红李佳彬曹建文许连丙姜铭张爱玲太原理工大学电气与动力工程学院山西省太原市030024 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西省太原市030006

低电压穿越(low-voltage ride through,LVRT)能力是并网型风电机组重要的性能指标之一。该文提出一种基于直接磁链跟踪控制的无刷双馈感应发电机(brushlessdoubly fed induction generator,BDFIG)无Crowbar对称低电压穿越方法。该方法... 详细信息

低电压穿越(low-voltage ride through,LVRT)能力是并网型风电机组重要的性能指标之一。该文提出一种基于直接磁链跟踪控制的无刷双馈感应发电机(brushlessdoubly fed induction generator,BDFIG)无Crowbar对称低电压穿越方法。该方法基于开关表,通过直接选定电压空间矢量来控制无刷双馈电机控制绕组(control winding,CW)磁链的幅值和相位,以迅速抑制低电压穿越期间控制绕组的感应过电压和由此导致的过电流,同时快速向电网注入动态无功电流以支撑电压恢复。该方法无需坐标变换、系统结构简单、磁链动态响应迅速。样机实验结果表明,低电压穿越过程中,有功恢复及无功功率动态响应满足国标相关要求,且控制绕组电流得到有效抑制,验证了所提控制策略的有效性。

关键词：无刷双馈电机直接磁链跟踪控制低电压穿越磁链幅值优先开关表

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玻璃纤维滤材的疏水改性及过滤性能

材料工程 2024年第4期52卷 200-208页

作者：陈欣俞杰李永国李昕林中鑫裴鉴禄郑芹刘涛张昭辰刘经国张继荣中国辐射防护研究院太原030006

闭式循环过程会产生大量放射性气溶胶,其高湿、高酸、高放射性的特点导致基于玻璃纤维滤材的高效过滤器失效快、更换频率高。为解决上述问题,提出对传统的玻璃纤维滤材进行疏水性改性,以提高玻璃纤维滤材对苛刻工况的耐受性。利用低表... 详细信息

闭式循环过程会产生大量放射性气溶胶,其高湿、高酸、高放射性的特点导致基于玻璃纤维滤材的高效过滤器失效快、更换频率高。为解决上述问题,提出对传统的玻璃纤维滤材进行疏水性改性,以提高玻璃纤维滤材对苛刻工况的耐受性。利用低表面能改性剂(聚二甲基硅氧烷)对滤材进行化学性疏水性改性,通过引用SiO_(2)纳米颗粒物进行微结构构造,进一步改善疏水效果。借助SEM、FTIR、接触角测量仪等手段对改性效果进行了分析,并进一步研究了改性滤材的过滤性能。研究结果表明:改性方案能够有效改善玻璃纤维滤材的疏水性,并提高其耐湿性;单纯化学改性滤材的静态接触角可达146°,引入SiO_(2)纳米颗粒物后改性滤材的接触角超过150°;当改性剂中聚二甲基硅氧烷质量分数为2.0%、SiO_(2)纳米颗粒物质量分数为0.5%时,所得GF-PS-0.5滤材展现出最优的耐酸性,主要源于化学性疏水和结构性疏水的有效协同;GF-PS-0.5在经受足量的γ照射后,疏水性保持稳定,表明其良好的耐辐照性;改性滤材仍然保持了优异的过滤性能,其过滤效率超过99.99%。改性过程在提高滤材耐受性的同时,没有影响其过滤性能,展现出良好的应用前景。

关键词：闭式循环玻璃纤维滤材疏水改性耐酸性耐辐照性

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大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究

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煤田地质与勘探 2024年第5期52卷 118-128页

作者：李浩朱开鹏郭国强周杨康志勤中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性... 详细信息

特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系,得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程;以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则,建立塑性位移与强度劣化关系,建立加卸载韧性断裂本构关系;基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础,结合浸没边界方法,形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学-有限离散元CFD-FDEM耦合程序,模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明:CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形,最深位于断层及其上盘(48.6m),最浅位于断层下盘(23m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力,而后在采空区内大幅卸载,导致该位置出现显著二次破坏,并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。

关键词：特厚煤层底板断层突水机理 CFD-FDEM耦合大变幅加卸载

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

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履带行驶结构内置式无线应变采集卡设计研究

工程设计学报 2024年

作者：殷国珠张宏宋扬王景宇宋佳琪太原科技大学机械工程学院中国煤炭科工集团太原研究院有限公司

针对煤矿履带掘进机器人在行驶过程中履带载荷难以获取的问题，依据电阻应变片的应变效应和测量电路，设计了一套适用于采集履带行驶结构动态特性的四通道无线应变采集卡，分析了该应变采集卡的电路和工作原理；将2对应变片对称布置于... 详细信息

针对煤矿履带掘进机器人在行驶过程中履带载荷难以获取的问题，依据电阻应变片的应变效应和测量电路，设计了一套适用于采集履带行驶结构动态特性的四通道无线应变采集卡，分析了该应变采集卡的电路和工作原理；将2对应变片对称布置于试样板，以DH5902N坚固型数据采集系统采集的应变数据作为标准，通过仿真与试验相结合的方法，对采集卡的4通道灵敏度分别进行标定；最后将应变采集卡集成封装内置于履带行驶结构，探讨了应变采集卡在封装环境下连续工作时的温度变化规律。结果表明，该应变采集卡最高采集频率为1000Hz，发射功率4.5dBm，数据采集误差不超过5个微应变，在上位机可以同时采集4个通道的应变信号，封装环境下连续工作34.7h后应变采集卡温度稳定于34.58℃，实现了履带板的多自由度应变信号检测，为履带行驶结构动态载荷变化的实时获取，提高掘进机器人的可靠性及故障预测提供技术支撑。

关键词：履带行驶结构应变采集卡标定封装

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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

基于MES−YOLOv5s的综采工作面大块煤检测算法

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工矿自动化 2024年第3期50卷 42-47,141页

作者：徐慈强贾运红田原煤炭科学研究总院北京100013 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030032 煤矿采掘机械装备国家工程实验室山西太原030032

综采工作面的目标具有高速运动、多尺度、遮挡等特点,现有的目标检测算法存在精度低、模型占用的内存大、硬件依赖强等问题。针对上述问题,提出了一种基于MES−YOLOv5s的综采工作面大块煤检测算法。采用轻量化设计,将MobileNetV3作为主... 详细信息

综采工作面的目标具有高速运动、多尺度、遮挡等特点,现有的目标检测算法存在精度低、模型占用的内存大、硬件依赖强等问题。针对上述问题,提出了一种基于MES−YOLOv5s的综采工作面大块煤检测算法。采用轻量化设计,将MobileNetV3作为主干网络,以减小模型占用的内存,提高CPU端的检测速度;在颈部网络添加高效多尺度注意力(EMA)模块,融合不同尺度的上下文信息,并进一步减少计算开销;采用SIoU损失函数代替CIoU损失函数,以提高训练速度和推理准确性。消融实验结果表明:MobileNetV3大幅减少了模型占用的内存和检测时间,但mAP损失严重;EMA模块和SIoU损失函数可在一定程度上恢复损失的精度,同时保证模型在CPU上具有较高的检测速度,满足煤矿井下目标实时检测需求。对比实验结果表明,与DETR,YOLOv5n,YOLOv5s,YOLOv7模型相比,MES−YOLOv5s模型综合性能最好,mAP为84.6%,模型占用的内存为11.2 MiB,在CPU端的检测时间为31.8 ms,在高速运动、多尺度、遮挡和多目标的工况环境下能够保持较高的召回率和精度。

关键词：综采工作面目标检测大块煤检测 YOLOv5s MobileNetV3 高效多尺度注意力模块 SIoU损失函数

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