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煤矿安全事故的综合致因模型

安全与环境学报 2024年第7期 2731-2740页

作者：付玉平陈兆波赵振保李川田贺永亮太原科技大学安全与应急管理工程学院煤矿粉尘智能监测与防控山西省重点实验室太原科技大学经济与管理学院

为了系统研究导致煤矿安全事故的人-机-环因素，结合煤矿实际，将设备因素、环境因素与人因分析和分类系统(Human Factors Analysis and Classification System, HFACS)相结合，构建了煤矿安全事故的“弓弦箭”致因模型。其中，弓弦由... 详细信息

为了系统研究导致煤矿安全事故的人-机-环因素，结合煤矿实际，将设备因素、环境因素与人因分析和分类系统(Human Factors Analysis and Classification System, HFACS)相结合，构建了煤矿安全事故的“弓弦箭”致因模型。其中，弓弦由设备因素11项、人因因素17项和环境因素11项的致因因素构成，箭表示发生不同人员伤亡数量、不同经济损失的安全事故，利用该模型可以综合描述煤矿安全事故发生的原因以及事故的后果。以“弓弦箭”致因模型为基础，借助蚁群聚类及Ucinet-netdraw方法，分别对100起典型煤矿安全事故进行分析研究。结果显示：(1)在统计的100起事故中，致因因素总频数为803,其中人因因素最高为644,占比80.2%,设备因素次之为92,占比11.5%,环境因素最少为67,占比8.3%;(2)以聚类数为4,最大迭代次数为1 000,蚂蚁个数为100,阈值为0.9,蒸发率为0.1进行蚁群聚类分析，得到4类煤矿安全事故致因因素，表明煤矿安全事故是由设备因素、环境因素和人因因素交织作用产生，其中人因因素是最重要的致因因素，且操作者的不安全行为技能差错、决策差错、知觉差错和违反规章制度表现出一定的独立性；(3)Ucinet-netdraw分析显示煤矿安全事故的关键致因路径为：“管理过程漏洞”→“监督不充分”→“个人准备状态”→“违反规章制度”。

关键词：安全工程安全事故人因分析和分类系统(HFACS) “弓弦箭”模型综合致因模型致因网络分析

实时高温作用下油页岩力学及破裂特性演变规律研究

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：杨少强张庆伦杨栋王磊太原科技大学安全与应急管理工程学院太原科技大学山西省煤矿粉尘智能监测与控制重点实验室太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室

为获得油页岩原位热解过程中温度和层理面对其微观结构、宏观力学参数及破裂特性的影响，利用自主研发的实时高温热力耦合CT扫描装置以及高温岩石力学测试系统，在20℃～600℃范围内对垂直层理和平行层理2个方向的油页岩进行热力耦合CT... 详细信息

为获得油页岩原位热解过程中温度和层理面对其微观结构、宏观力学参数及破裂特性的影响，利用自主研发的实时高温热力耦合CT扫描装置以及高温岩石力学测试系统，在20℃～600℃范围内对垂直层理和平行层理2个方向的油页岩进行热力耦合CT扫描和单轴压缩试验。结果表明：（1）在20℃～400℃范围内，油页岩所受应力状态是决定孔隙裂隙扩展规律的关键因素，载荷垂直层理条件下孔隙孔径与裂隙开度均先减小后增大；而平行层理条件下则表现为原生裂隙沿层理扩展并伴随新生裂隙出现。温度超过400℃后，热解作用是造成微观结构改变的主要原因，2种加载方式下孔隙、裂隙的尺寸、数量及连通性随温度升高均快速提升。（2）垂直层理和平行层理加载时油页岩的抗压强度、弹性模量以及泊松比均表现为先减小后增加。其中，抗压强度和弹性模量均在400℃达到最小值，而垂直层理方向泊松比和平行层理方向泊松比分别在500℃和200℃达到最小值。（3）除垂直层理方向裂纹破坏应力阈值σcd-垂直随温度升高表现为先增加后减小再增加外，垂直层理加载时裂纹起裂应力阈值σci-垂直与平行层理加载时起裂应力阈值σci-平行以及裂纹破坏应力阈值σcd-平行均表现为先减小后增加，并在400℃达到最小值。该研究成果可为原位热解油页岩工艺实时过程中储层改造以及固井环节提供基础数据。

关键词：岩石力学热力耦合油页岩各向异性热破裂单轴压缩裂隙扩展

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空间插值在测氡探测隐蔽火源中的应用比较

中北大学学报(自然科学版) 2024年 680-686页

作者：刘轩杨少强付玉平太原科技大学安全与应急管理工程学院太原科技大学煤矿粉尘智能监测与防控山西省重点实验室

为了选择适用于局部观测尺度下测氡探测隐蔽火源的最优空间插值方法，本文以北岩煤矿火区样本数据为研究对象，基于Arc GIS地统计分析模块，通过交叉检验定量筛选出4种插值方法下误差最小的插值模型，定性比较了不同模型的空间分布特征... 详细信息

为了选择适用于局部观测尺度下测氡探测隐蔽火源的最优空间插值方法，本文以北岩煤矿火区样本数据为研究对象，基于Arc GIS地统计分析模块，通过交叉检验定量筛选出4种插值方法下误差最小的插值模型，定性比较了不同模型的空间分布特征，确定了最优插值方法并进行了钻孔验证。结果表明，4种方法中误差最小的插值模型分别为反距离权重法选择模型幂指数p=1，径向基函数法为薄板样条函数模型，泛克里金法与普通克里金法均为高斯函数模型；综合空间分布图内插、外推表面分布特征及钻孔验证结果，插值方法排序为普通克里金法（高斯函数）>泛克里金法（高斯函数）>径向基函数法（薄板样条函数）>反距离权重法（p=1），优先选择普通克里金法（高斯函数）进行插值来获取煤自燃火区地表氡分布差异信息。

关键词：隐蔽火源探测空间插值氡分布普通克里金

基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法研究

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煤炭科学技术 2024年第1期52卷 311-322页

作者：张旭辉陈鑫杨文娟雷孟宇田琛辉杨骏豪西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室陕西西安710054

煤矿井下掘锚装备智能化是改善行业采掘失衡问题的关键,而掘锚装备的精确定位是实现其智能化的前提。与其他传统定位方法相比,基于视觉的位姿测量方法以其无接触、无累计误差的优势在煤矿井下得到了初步的应用。针对目前煤矿井下掘进工... 详细信息

煤矿井下掘锚装备智能化是改善行业采掘失衡问题的关键,而掘锚装备的精确定位是实现其智能化的前提。与其他传统定位方法相比,基于视觉的位姿测量方法以其无接触、无累计误差的优势在煤矿井下得到了初步的应用。针对目前煤矿井下掘进工作面掘锚装备视觉定位方法存在的合作标靶结构复杂、标定繁琐的问题,结合掘进工作面原有激光指向仪特征,提出一种基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法。该方法通过分析激光指向仪光斑及光束图像特征,提出了一种基于二维反正切函数拟合的激光光斑中心提取方法和基于Hough直线检测的激光束中心线提取方法,构建了基于点线特征的双目视觉位姿解算模型,得出了掘锚装备在巷道中的实时位姿。最后,为了验证提出的特征提取方法和视觉定位方法的可行性和准确性,在实验室模拟掘进工作面工况环境搭建平台进行了试验。结果表明:基于矿用激光指向仪信息的掘锚装备视觉定位方法具有较高的位姿测量精度。在50 m的测试范围内,机身位置在巷道坐标系下沿X轴、Y轴和Z轴的平均测量误差分别为25.44、58.64、31.08 mm,其最大误差分别为55.16、127.39、63.57 mm;机身姿态在巷道坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角的平均测量误差分别为0.22°、0.22°、0.41°,其最大误差分别为0.29°、0.37°、0.58°。满足煤矿井下巷道施工的定位精度要求。

关键词：双目视觉单激光束视觉定位特征提取掘锚装备

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煤矿井下掘进机器人路径规划方法研究

煤田地质与勘探 2024年第4期52卷 152-163页

作者：张旭辉郑西利杨文娟李语阳麻兵董征陈鑫西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室陕西西安710054

针对煤矿非全断面巷道条件下掘进机器人移机难度大、效率低下等问题,分析了煤矿井下非结构化环境特征及掘进机器人运动特性,提出了基于深度强化学习的掘进机器人机身路径规划方法。利用深度相机将巷道环境实时重建,在虚拟环境中建立掘... 详细信息

针对煤矿非全断面巷道条件下掘进机器人移机难度大、效率低下等问题,分析了煤矿井下非结构化环境特征及掘进机器人运动特性,提出了基于深度强化学习的掘进机器人机身路径规划方法。利用深度相机将巷道环境实时重建,在虚拟环境中建立掘进机器人与巷道环境的碰撞检测模型,并使用层次包围盒法进行虚拟环境碰撞检测,形成巷道边界受限下的避障策略。考虑到掘进机器人形体大小且路径规划过程目标单一,在传统SAC算法的基础上引入后见经验回放技术,提出HER-SAC算法,该算法通过环境初始目标得到的轨迹扩展目标子集,以增加训练样本、提高训练速度。在此基础上,基于奖惩机制建立智能体,根据掘进机器人运动特性定义其状态空间与动作空间,在同一场景下分别使用3种算法对智能体进行训练,综合平均奖励值、最高奖励值、达到最高奖励值的步数以及鲁棒性4项性能指标进行对比分析。为进一步验证所提方法的可靠性,采用虚实结合的方式,通过调整目标位置设置2种实验场景进行掘进机器人的路径规划,并将传统SAC算法和HER-SAC算法的路径结果进行对比。结果表明:相较于PPO算法和SAC算法,HER-SAC算法收敛速度更快、综合性能达到最优;在2种实验场景下,HER-SAC算法相比传统SAC算法规划出的路径更加平滑、路径长度更短、路径终点与目标位置的误差在3.53 cm以内,能够有效地完成移机路径规划任务。该方法为煤矿掘进机器人的自主移机控制奠定了理论基础,为煤矿掘进设备自动化提供了新方法。

关键词：掘进机器人路径规划深度强化学习智能体虚实结合改进SAC算法煤矿

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围岩加强支护留窄煤柱护巷的可行性研究

煤炭技术 2024年第2期43卷 81-85页

作者：王浩庞杰文杨少强太原科技大学安全与应急管理工程学院太原030024 太原科技大学煤矿粉尘智能监测与防控山西省重点实验室太原030024

为了减少煤矿井下资源浪费现象的发生,研究了留设不同宽度保护煤柱时,围岩塑性区及垂直应力在施工“支护-卸压-砌墙”协同控制技术前后的数值模拟对比分析。数值模拟结果表明:未采取围岩加强支护措施时,随着停采线与回风大巷之间距离的... 详细信息

为了减少煤矿井下资源浪费现象的发生,研究了留设不同宽度保护煤柱时,围岩塑性区及垂直应力在施工“支护-卸压-砌墙”协同控制技术前后的数值模拟对比分析。数值模拟结果表明:未采取围岩加强支护措施时,随着停采线与回风大巷之间距离的减小,煤柱垂直应力峰值呈先增大后减小的趋势,且回风大巷围岩破坏变形严重;施工“支护-卸压-砌墙”协同控制技术后,随着保护煤柱的回采,煤柱与回风大巷围岩的塑性形变区域面积占比都显著减小,且回风大巷的垂直应力峰值平均减小了25.32%,应力集中系数平均减小了27.03%;在保证煤柱及大巷围岩稳定的前提下,可适当的缩减保护煤柱的宽度,以减少煤炭资源的浪费,并可为煤矿带来较大的经济效益。

关键词：窄煤柱塑性区垂直应力加强支护

基于超声波的GIS盆式绝缘子螺栓松动程度监测方法

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高压电器 2024年第3期60卷 111-119页

作者：王伟李鹏江李国栋董理科郑志宏芦竹茂宋建成国网山西省电力公司电力科学研究院太原030001 太原理工大学煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室太原030024

GIS中的重要组成部分盆式绝缘子主要通过法兰螺栓进行固定,但螺栓松动会导致盆式绝缘子受力不均甚至气体泄漏等问题,严重影响GIS运行的可靠性和安全性。文中提出了一种GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动程度的超声波监测方法,利用压电传感器进... 详细信息

GIS中的重要组成部分盆式绝缘子主要通过法兰螺栓进行固定,但螺栓松动会导致盆式绝缘子受力不均甚至气体泄漏等问题,严重影响GIS运行的可靠性和安全性。文中提出了一种GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动程度的超声波监测方法,利用压电传感器进行超声信号的激励与接收,并将压电传感器安装在待测螺栓所连接的法兰两侧,根据超声响应信号的能量衰减率来判断螺栓松动程度。通过实验研究了不同工况下超声响应信号能量及其衰减率的变化规律。结果表明,随着螺栓松动程度的增加,响应信号幅值逐渐下降,信号能量衰减率逐渐增大,单个螺栓松动且松动等级为3时信号能量衰减率可达40.8%;同时发现距离松动螺栓最近的压电传感器接收信号能量衰减率最大。该方法可实现GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动程度监测,具有一定的工程应用价值。

关键词：超声波 GIS 盆式绝缘子压电传感器螺栓松动监测

基于改进滑模控制的悬臂式掘进机轨迹跟踪控制

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工程设计学报 2024年

作者：张旭辉李语阳杨文娟张超郑西利麻兵陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室西安科技大学机械工程学院

针对传统滑模控制在悬臂式掘进机轨迹跟踪控制中存在全局收敛速度慢、抖振显著等不足，提出了一种基于新型趋近律滑模控制的轨迹跟踪控制方法。该趋近律在传统指数趋近律的基础上通过引入掘进机位姿偏差中的纵向偏差和航向角偏差以及增... 详细信息

针对传统滑模控制在悬臂式掘进机轨迹跟踪控制中存在全局收敛速度慢、抖振显著等不足，提出了一种基于新型趋近律滑模控制的轨迹跟踪控制方法。该趋近律在传统指数趋近律的基础上通过引入掘进机位姿偏差中的纵向偏差和航向角偏差以及增加幂次项，实现了系统偏差的快速收敛以及削弱了系统本身的抖振。针对趋近律中符号函数乘积项容易引起的抖振问题，采用边界层法进一步抑制抖振现象。通过理论验证了该趋近律的存在性、可达性以及稳定性，并推导了干扰稳态误差界。考虑掘进机在受到不确定扰动的情况下，与传统指数趋近律进行了仿真对比验证，结果表明，新型趋近律控制精度及收敛速度优于传统指数趋近律，且在外加干扰作用下的抗干扰能力更强。最后通过试验结果表明，掘进机在该方法的控制下可实现轨迹跟踪控制目标，验证了该方法的可行性和有效性。

关键词：悬臂式掘进机新型趋近律轨迹跟踪滑模变结构控制

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基于分步视觉伺服的钻锚机器人控制方法研究

煤炭学报 2024年

作者：雷孟宇张旭辉杨文娟万继成杜昱阳余恒翰田琛辉西安科技大学机械工程学院陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室

煤矿巷道支护装备的自动化和智能化水平较低，极大地制约了煤矿巷道的成形效率，成为导致“采掘失衡”现象的关键因素之一。为解决煤矿巷道支护装备自动化程度低，支护效率差的难题，设计了一种集成悬臂式掘进机和多自由度机械臂的钻锚... 详细信息

煤矿巷道支护装备的自动化和智能化水平较低，极大地制约了煤矿巷道的成形效率，成为导致“采掘失衡”现象的关键因素之一。为解决煤矿巷道支护装备自动化程度低，支护效率差的难题，设计了一种集成悬臂式掘进机和多自由度机械臂的钻锚机器人，提出了基于分步视觉伺服的钻锚机器人控制方法。首先提出了基于双目视觉的锚钻孔空间定位方法，利用三角原理实现锚钻孔精确定位；其次，通过机械臂关节布置的位移传感器和角度传感器检测对应关节的移动距离和旋转角度，利用改进的Denavit-Hartenberg (MDH)方法构建钻锚机器人机械臂运动学模型，实现机械臂末端执行器空间位置解算，确定末端执行器初始位置和目标位置；然后，提出一种基于分步视觉伺服的钻锚机器人机械臂运动控制方法，利用末端执行器位置构建基于位置的视觉控制模型，控制机械臂接近目标锚钻孔，实现机械臂的粗略控制；以锚钻孔外切矩形四个顶点的图像坐标为特征点，建立特征点运动速度与机械臂关节运动速度的映射关系，构建基于图像的视觉伺服控制模型，控制末端执行器快速精确对准目标锚钻孔中心，实现机械臂的精确控制；最后，搭建钻锚机器人实验平台，在实验室环境下完成锚钻孔视觉定位与机械臂视觉伺服控制仿真及实验。结果表明：提出的锚钻孔定位方法在X、Y和Z三个方向定位平均误差分别为7.5mm、7.8mm和8.1mm；提出的分步视觉伺服控制方法能够实现机械臂的粗略和精确控制，末端执行器可以快速精确到达目标锚钻孔目标位置。基于分步视觉伺服的钻锚机器人控制方法能够有效提升支护系统的自动化程度，为巷道支护的减人提效奠定了良好基础。

关键词：钻锚机器人视觉定位位置视觉控制图像视觉伺服控制锚钻孔