“煤礦智能采掘裝備技術與應用”專題_中國煤炭行業知識服務平臺

“煤礦智能采掘裝備技術與應用”專題

來源：工礦自動化

【編者按】煤礦采掘裝備智能化是實現煤炭安全高效開采的技術保障。國家發展改革委、國家能源局、應急管理部等八部委聯合印發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》指出，重點突破智能快速掘進、復雜條件智能綜采等技術與裝備，對于沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害嚴重的礦井優先開展智能化采掘（剝）的機器人替代。近年來，我國煤礦智能采掘裝備在定位導航、智能感知、智能采掘工作面示范等關鍵技術和工程應用方面取得了一批先進成果，為實現煤礦采掘工作面少人化與安全高效作業提供了支撐。為進一步交流共享科研成果，探討智能采掘裝備在數字孿生、智能運維、智能決策等技術發展方向和難題，加快推動煤礦采掘作業智能化發展，保障礦山安全高效生產，《工礦自動化》編輯部特邀中國工程院葛世榮院士擔任客座主編，中國礦業大學王世博教授擔任客座副主編，于 2022 年第 7 期組織出版“煤礦智能采掘裝備技術與應用”專題。在專題刊出之際，衷心感謝各位專家學者的大力支持！

行業視野: 智能化
類別; 65個
關鍵詞; 42位
專家; 10篇
論文; 691IP
點擊量; 1440次
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固體充填液壓支架全位姿測量及虛擬仿真

作者(Author)：王裕, 史艷楠, 王毅穎, 齊朋磊, 王翰秋

摘要：針對固體充填液壓支架處于復雜地質條件下時空間位姿狀態動態變化難以直接識別，現有位姿測量系統存在位姿參數部分缺失的問題，設計了一種固體充填液壓支架全位姿測量系統。利用3D Max建模軟件建立了固體充填液壓支架三維模型，基于固體充填液壓支架不同的特征節點，采用多傳感器融合測量方法獲取反映其空間全位姿的9個參數，即支架底座傾斜角（與水平面夾角）、頂梁姿態角（與水平面夾角）、支架高度、推矸推移距離、護幫板狀態、推壓密實機構傾角（與后頂梁夾角）、推壓密實機構推移距離、支架組護幫板之間的距離、刮板輸送機中部槽與支架推矸的夾角。將傾角傳感器布置于前頂梁、后頂梁、底座、推壓密實機構千斤頂等處，用于測量支架的底座傾斜角和前后頂梁姿態角等，將位移傳感器安裝在支架的推矸和推壓密實機構上，用于測量推移距離等。利用視覺傳感器采集圖像數據，通過建立單目視覺測量模型及全局坐標系與局部坐標系的轉換，分析計算固體充填液壓支架組護幫板之間的距離、支架推矸與刮板輸送機中部槽之間的角度、護幫板狀態和支架高度等。針對現有固體充填液壓支架虛擬仿真系統在數據分析、運動關系約束等方面缺乏深入研究的問題，設計了基于Unity3D的固體充填液壓支架虛擬仿真系統，該系統利用Unity3D實現了支架運動仿真，可實時反映支架運行時的位姿狀態變化?；赨nity3D的固體充填液壓支架虛擬仿真系統與固體充填液壓支架全位姿測量系統配套使用，可真實反映固體充填液壓支架的運行狀態，保證固體充填液壓支架仿真的穩定性及數據的可靠性，為固體充填液壓支架平穩運行提供了技術支持。

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2022年第07期

51

423
基于加速度計的頂煤運移時間測量系統

作者(Author)：李增林, 靳舒凱, 劉安強, 張權, 員明濤, 康俊瑄, 楊克虎

摘要：多輪順序記憶放煤工藝能夠改善綜采工作面的頂煤采出率和含矸率，但在現場應用中需要對每一輪放煤時間進行精確測定與控制?；陧斆哼\移跟蹤儀的自動化放煤技術在實際應用中頂煤運移跟蹤儀僅作為標志點安置于頂煤中，無法獲得更多的頂煤運移信息。針對上述問題，基于頂煤運移跟蹤儀，設計了一種基于加速度計的頂煤運移時間測量系統，該系統包括標簽、采集器及中心計算機3個部分。標簽放置于頂煤內部，放煤過程中跟隨頂煤運動，通過內置的加速度計實時采集比力值數據，并調用時間測量算法，實現頂煤運移情況監測，進而確定不同放煤階段，計算得出不同階段的頂煤運移時間信息；當標簽從放煤口放出后，與刮板輸送帶產生碰撞，通過射頻信號將頂煤運移時間信息向外發送給采集器，通過現場總線進一步傳輸至中心計算機，指導綜采工作面現場實現多輪順序放煤。詳細介紹了頂煤運移時間測量標簽的軟硬件設計，實現了比力值實時采集、無線信號傳輸、數據存儲等功能；搭建了以3D轉臺為核心，Gauss-Newton方法為標定算法的標定平臺，完成了加速度計的標定工作，標定后的加速度計能夠準確采集頂煤運移時間測量標簽的比力值；根據頂煤在放煤過程中的運移特點，提出了基于閾值的時間測量算法及基于長短期記憶（LSTM）的時間測量算法?；陂撝档臅r間測量算法通過引入靜態閾值、最大閾值實現運動階段的時間識別；基于LSTM的時間測量算法通過識別時域下比力值矢量和的動態變化，尋找突變點，實現運動階段的時間識別。通過標簽的自由落體實驗完成了2種時間測量算法的性能測試，其中時間測量方差分別為0.000 6、0.000 2，時間測量誤差分別為13.07%、5.22%，滿足現場頂煤運移時間測量需求，基于LSTM的時間測量算法在頂煤運移時間測量具有明顯的應用優勢。

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2022年第07期

56

36
基于近紅外雙目立體視覺的懸臂式掘進機定位研究

作者(Author)：王學, 周紅旭, 張雷, 王華英

摘要：針對現有掘進機無法實時定位、定位不準確、視覺定位中相機視野被遮擋導致定位失敗等問題，提出了一種將基于近紅外雙目立體視覺的懸臂式掘進機定位方案。在懸臂式掘進機機身與機臂安裝近紅外LED標靶，以LED作為近紅外標靶構建掘進機特征信息，通過圖像處理、位姿解算實現掘進機機身與截割部的三維空間定位。雙目立體視覺相機安裝在巷道頂部，隨著掘進機不斷推進，掘進機與雙目立體視覺相機距離逐漸增加，造成雙目圖像獲取失敗，進而導致視覺解算截割部位姿失敗。針對該問題，引入基于一維卷積神經網絡（1D-CNN）的掘進機截割部磁場輔助定位方法。在掘進機機身兩側安裝三軸數字磁場計，并在機臂處安裝永磁體，以磁場的強度分量和雙目立體視覺相機獲取的位姿數據作為訓練數據，構建1D-CNN模型，輸出在視覺測量失效情況下掘進機截割部位姿。從深度信息和掘進機機身及截割部位姿2個方面對基于近紅外雙目立體視覺的懸臂式掘進機定位方案進行實驗，結果表明：機身測量誤差在±11 mm以內，相對誤差在0.4%以內。截割部測量誤差在±50 mm以內，相對誤差在1%以內；掘進機機身與截割部間的相對位姿誤差在±2.5°以內，俯仰角的均方根誤差為根0.930 1°，偏航角的均方根誤差為0.922 0°。上述誤差在巷道作業允許范圍內，驗證了該方案的有效性和可靠性。對基于1D-CNN的掘進機截割部磁場輔助定位方法進行了有效性驗證，為模擬井下復雜磁場環境，在掘進機附近隨機添加干擾磁源，結果表明：該方法對掘進機截割部俯仰角、偏航角、翻滾角的預測值與測量的真實值基本吻合，預測的俯仰角、偏航角、翻滾角決定系數分別為0.992 4,0.995 9,0.917 4，說明基于1D-CNN的掘進機截割部磁場輔助定位方法能夠較好地滿足在視覺定位失效下的掘進機定位需求。

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工礦自動化

2022年第07期

61

66
基于非完整性約束的采煤機定位方法

作者(Author)：宋單陽, 楊金衡, 陶心雅, 盧春貴, 田慕琴, 宋建成

摘要：目前基于慣性導航系統和里程計組合的采煤機定位方法直接用里程計輸出對慣性導航系統推算得到的采煤機前進速度進行修正，但抑制慣性導航系統誤差發散的能力非常有限。采煤機在運動過程中滿足非完整性約束的特點，即在采煤機不發生跳躍和側滑的情況下，牽引齒輪和履帶連接處的側向和垂向速度為零?；谠撎攸c，在慣性導航系統和里程計組合定位的基礎上，提出了一種基于非完整性約束的采煤機定位方法。安裝于采煤機機身中部的慣性測量單元輸出經機械編排獲得采煤機姿態、速度和位置信息；安裝于采煤機牽引齒輪上的里程計輸出用于計算采煤機瞬時速度。使用慣性導航系統的機械編排結果和誤差傳播模型建立卡爾曼濾波狀態方程，在采煤機牽引齒輪和履帶的連接處引入非完整性約束，利用慣性導航系統投影在連接處的速度與里程計輸出的速度之差作為觀測向量，建立卡爾曼濾波觀測方程；將卡爾曼濾波算法處理后的結果作為誤差反饋，對慣性導航系統的輸出進行修正，得到采煤機姿態、速度和位置的最優估計。實驗結果表明，相較于傳統慣性導航系統和里程計組合的定位方法，加入非完整性約束后定位誤差沒有隨時間發散，對實際軌跡具有良好的追蹤性能；采煤機在前向、側向、垂向上的定位誤差分別降低了66%,62%,67%。

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工礦自動化

2022年第07期

61

46
綜采工作面煤層三維模型動態修正方法研究

作者(Author)：梁耍, 王世博, 葛世榮, 柏永泰, 謝洋

摘要：綜采工作面的高精度煤層地理信息是實現智能無人開采的關鍵，但現階段所構建的煤層三維模型垂向精度較低，無法滿足智能開采的實際需求。針對該問題，提出了一種綜采工作面煤層三維模型動態修正方法。將得到的初始煤層三維模型靜態數據及開采過程中采煤機截割產生的動態數據融合，基于長短期記憶網絡（LSTM）預測算法及其改進算法（基于空間卷積長短期記憶網絡（Conv LSTM）、編碼-解碼長短期記憶網絡（EncoderDecoder LSTM）的預測算法），根據上一回采階段的煤層數據，動態預測下一階段未開采區的煤層底板曲面和煤層厚度。采用雙層循環嵌套的網格搜索方法對上述3種預測算法進行參數調優，獲取未開采區煤層底板曲面和煤層厚度的高精度垂向分布數據，作為煤層三維模型修正值，動態修正下一階段未開采區的煤層三維模型；隨著工作面不斷開采，利用新獲取的修正數據持續動態修正并更新初始煤層三維模型，從而提升初始煤層三維模型精度，使動態修正后的煤層三維模型能更準確地反映綜采工作面實際煤層分布。以山西呂梁市某煤礦18201工作面煤層三維模型為例，采用提出的動態修正方法對該模型進行修正，在工作面推進方向16～23.2 m范圍內，動態修正后的煤層底板平均誤差為0.068 5 m，煤層頂板平均誤差為0.076 m，相較于修正前的底板平均誤差0.20 m、煤層厚度垂向平均誤差0.40 m，動態修正后的煤層三維模型精度大大提升，證實了該修正方法的有效性。

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2022年第07期

61

57
綜采工作面大流量智能供液系統研究

作者(Author)：司明, 鄔伯藩, 王子謙

摘要：針對綜采工作面供液系統供液能力不足、壓力波動大、系統運行穩定性差等問題，提出了一種免疫粒子群優化模糊神經網絡PID（IPSO-FNN-PID）算法，設計了IPSO-FNN-PID控制器，實現了供液系統穩壓控制。IPSO-FNN-PID算法將粒子群（PSO）算法和免疫算法（IA）引入模糊神經網絡（FNN）PID控制器，針對FNN算法易陷入局部尋優問題，采用免疫粒子群（IPSO）算法優化FNN算法，通過在PSO算法中加入IA來提高PSO算法的收斂性，實現最優PID參數輸出。為驗證IPSO-FNN-PID控制器的有效性，選取傳統PID控制器、Fuzzy-PID控制器、FNN-PID控制器進行比較，仿真結果表明：（1） IPSO-FNN-PID控制器對乳化液泵的控制效果最佳，其他3種控制器的上升時間、峰值時間和調節時間均比IPSO-FNN-PID控制器長，最大超調量均大于IPSO-FNN-PID控制器。（2）在加入擾動信號后，IPSO-FNN-PID控制器具有較好的自適應性和魯棒性，恢復到平穩狀態僅用了1.2 s。（3）當利用傳統PID和Fuzzy-PID控制器對乳化液泵進行控制時，振蕩明顯，超調量大，分別為41.2%,22.3%；當利用FNN-PID控制器對乳化液泵進行控制時，振蕩明顯減弱，超調量降低為17.6%，調節時間減少至2.68 s；當利用IPSO-FNN-PID控制器對乳化液泵進行控制時，幾乎無振蕩，超調量僅為5.22%，調節時間縮短至2.61 s，遇到干擾信號時穩定性更強。（4）在受到擾動信號時，負載干擾對IPSO-FNN-PID控制器的影響較小，且收斂迅速，魯棒性大大提升，表明IPSO-FNN-PID控制器具備良好的抗擾動及擾動補償能力，可滿足供液系統的穩壓控制要求。

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工礦自動化

2022年第07期

72

45
近紅外光譜煤巖識別裝置研制

作者(Author)：呂淵博, 王世博, 葛世榮, 周悅, 王賽亞, 柏永泰

摘要：目前近紅外光譜煤巖識別都是在靜態下采集光譜數據進行離線識別，無法適應放頂煤作業時需要實時識別輸送機上高速移動煤巖的需求。針對該問題，基于近紅外光譜技術研制了一種煤巖識別裝置。該裝置由數據采集與處理裝置和光源探頭一體化裝置組成，通過光源探頭一體化裝置搜集煤巖反射光，利用數據采集與處理裝置中改進的煤巖識別算法（余弦角算法和相關系數法）分析光譜數據，可在獲取到煤巖光譜曲線后立即分析光譜信息并判斷當前煤巖類別。為得到改進煤巖識別算法最佳特征波段與標準光譜庫大小，通過實驗得到了不同特征波段和標準光譜庫大小對識別準確度的影響：1 300～1 500,1 800～2 000,2 100～2 300 nm特征寬度適用于大多數煤巖樣本，標準光譜庫大小與正確率正相關，識別時標準光譜庫有必要增加曲線數量。為提高煤巖識別裝置采集的光譜質量，在實驗室模擬了煤巖與光源探頭一體化裝置的相對運動，探究了不同光譜采集參數對光譜質量的影響規律：積分時間主要參考光源的光照強度，當采集條件較好時積分時間設置為比下限略高5～10 ms最佳；考慮綜放工作面對煤巖識別實時性要求高且放煤過程中刮板輸送機上煤巖變化較快，積分次數設置為1最佳；平滑次數主要參考環境波動快慢，只需設置為可消除環境光變化即可。為提高煤巖識別裝置在工作面煤流運動狀態下識別的準確性，探究了改進余弦角算法與相關系數法在煤巖與光源探頭一體化裝置相對運動中識別的準確性，得到改進相關系數法是更適合在工作面使用的識別算法，正確率達到91.3%。煤礦現場煤巖識別試驗結果表明，該裝置在采集到1個放煤周期內放落煤巖的光譜曲線后，可通過改進識別算法立即分析光譜信息并準確判斷當前煤巖類別，實現了放煤過程中煤巖實時識別。

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2022年第07期

73

50
融合近紅外光譜的煤巖界面分布感知研究

作者(Author)：楊恩, 王世博, 宣統

摘要：近紅外波段反射光譜能夠基于煤巖本質物質屬性不同所引起的反射光譜特征差異進行煤巖區分，識別精度高，實時性好，但尚未用于煤巖界面位置分布識別。針對采煤機記憶截割在后續截割循環中對煤巖界面自主判定的實際需求，研究了基于近紅外反射光譜技術的煤巖界面分布感知技術。采用氣煤、炭質泥頁巖切割塊樣搭建了煤壁煤巖界面臺架，設計了光纖準直鏡-鹵鎢聚光光源一體式光譜探頭并安裝于采煤機機身，在采煤機0,3,7 m/s 3種行走速度和光譜探頭3,4,5,6°/s 4種掃描角速度下，測定了煤巖界面附近煤巖的近紅外波段（1 000～2 500 nm）后向反射光譜曲線。對于光譜探頭在煤壁上每條掃描軌跡中采集的所有反射光譜，在2 150～2 250 nm差異性特征波段，基于余弦距離模糊C均值聚類（CFCM）進行煤巖反射光譜無監督識別，根據每條掃描軌跡上各位置探測結果，基于高度差權重法和掃描軌跡方程確定煤巖界面點理論探測位置。研究結果表明：在采煤機和光譜探頭每種運動狀態下，光纖準直鏡-鹵鎢聚光光源一體式光譜探頭所采集氣煤、炭質泥頁巖近紅外波段后向反射光譜均具有1 400,1 900,2 200 nm附近明顯的差異性吸收谷譜帶，隨著探測入射角增大，煤巖反射光譜曲線均呈下降趨勢；同種采煤機行走速度下，隨著光譜探頭掃描角速度增大，以及同種光譜探頭掃描角速度下，隨著采煤機行走速度增大，煤巖反射光譜曲線整體均趨于平緩；基于CFCM、高度差權重法、煤壁掃描軌跡方程可實現采煤機和光譜探頭運動狀態下煤巖界面點的快速精確探測，其中光譜探頭3,4,5°/s 3種掃描角速度下煤巖界面點探測結果的均方根誤差不超過1.5 cm，為近紅外反射光譜技術應用于煤巖界面分布的精確高效感知提供了參考。

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2022年第07期

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