- 刘海;万寅辉;陈聪;高鹏;戴耀威;赵佳明;王馨艳;路祥宇;赵思怡;
针对传统矿用气体传感器易受温度和环境湿度等因素的影响而导致稳定性不高的问题，基于局域表面等离子共振原理和二氧化钒（VO_2）的相变特性，设计了一种基于VO_2的超表面双气体传感器。该传感器结构由上下三层组成，表面由多层金属-介电-金属（MDM）结构组成。根据VO_2的相变特点，通过改变施加的偏置电压，以电阻加热的形式加热金属板，精细控制VO_2的温度，通过改变VO_2的电导率来模拟VO_2的不同状态。当VO_2呈高温金属态时，上三层形成MDM结构，VO_2表现出金属性质，并在1 721.3 nm激发局域表面等离子体共振（LSPR），实现甲烷检测，传感器的吸收率为94.3%，甲烷灵敏度为4.21 nm/%。当VO_2呈低温绝缘态时，下三层形成MDM结构，在2 694.6 nm激发LSPR，实现氢气检测，传感器的吸收率为95.9%，氢气灵敏度为2.10 nm/%。当环境折射率发生变化时，VO_2在2种状态下的吸收峰均发生了红移，且呈线性关系，可以用来检测环境折射率的变化。为验证该传感器的可行性，对6种不同体积分数的甲烷、氢气和4种不同的环境折射率进行了仿真和分析，结果表明：基于VO_2的超表面双气体传感器可有效检测出较低浓度的甲烷和氢气，且灵敏度较现有的气体传感器有较大提升；谐振峰偏移量与环境折射率变化量和甲烷体积分数变化量的计算值和理论值误差很小，说明该传感器具有很高的准确性；通过分析环境折射率和谐振波长的关系，得出该传感器对环境折射率的变化同样具有较高的检测灵敏度。
2023年01期 v.49;No.322 19-27+79页 [查看摘要][在线阅读][下载 2311K] [下载次数：296 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：4 ] - 翟小伟;罗金雷;张羽琛;宋波波;郝乐;周妤婕;
现有煤自燃温度预测模型的建立大多基于较为完整的指标气体样本数据，但指标气体数据受仪器或人为因素影响，往往存在数据缺失现象，导致煤自燃温度预测准确率较低和过拟合等问题。针对上述问题，提出了将K近邻算法（KNN）、随机森林（RF）、决策树（DT）及基于粒子群优化的支持向量回归等填补算法（PSO-SVR）应用于缺失值填补，缺失数据和填补后的数据通过RF、SVR和极限梯度提升树（XGBoost）算法分别进行训练，并通过PSO算法优化参数，构建了基于数据填补的RF、XGBoost和SVR煤自燃温度预测模型。利用煤自然发火实验选取CO,CO_2,CH_4,C_2H_6,O_2作为指标气体，并设计整体缺失率为10%,20%,30%和CO,CO_2缺失率为40%,50%,60%共6种随机数据缺失，采用平均绝对误差百分比（MAPE）作为填补效果评价指标，采用MAPE、判断系数R~2和均方根误差（RMSE）作为模型性能评价指标，对4种填补算法和3种预测模型进行对比。对比分析结果表明：在6种数据缺失情况下，DT填补算法填补效果优于其他3种算法，在CO,CO_2存在较多缺失值时，RF算法的填补值与实际值的MAPE偏大；在不调参的情况下，XGBoost模型虽然在训练集效果极好，但极易过拟合，而SVR模型预测效果极差，无法满足预测要求；在6种数据缺失情况下，基于DT填补算法的PSO-SVR、RF与PSO-RF煤自燃温度预测模型的MAPE均在4%左右，基于DT填补算法的RF模型无需优化就能较好地预测出煤自燃温度，具有良好的稳定性。
2023年01期 v.49;No.322 28-35+98页 [查看摘要][在线阅读][下载 1807K] [下载次数：237 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：3 ] - 鲁晶津;
矿井电阻率法在采煤工作面水害隐患监测中发挥着重要作用，但工作面采动破坏过程的异常响应会对底板水害隐患的识别形成较大干扰。为了提高矿井电阻率法对采煤工作面底板水害隐患监测的解释精度，同步考虑覆岩破坏和底板破坏的影响，建立工作面采动破坏过程动态地电模型，通过矿井电阻率法三维数值模拟和反演成像，分别进行顶板监测和底板监测，分析采动破坏过程的电阻率动态响应特征，识别和提取底板水害隐患的电阻率响应特征。分析结果表明：采动破坏过程形成的电阻率异常区随回采工作面推进向前移动，在超前支撑压力的作用范围内会出现相对低阻异常，在采空区范围内会出现相对高阻异常；工作面固定位置的电阻率响应在回采过程中会经历先降低、后升高、再降低的过程，该过程与工作面回采过程中顶底板经历的周期性应力变化和破坏过程基本一致；底板水害隐患的低阻异常响应强度与其相对回采工作面的位置有关，当底板水害隐患的展布范围与采空区范围有所重合时，采空区的高阻异常响应会削弱底板水害隐患的低阻异常响应；当底板水害隐患的展布范围与超前支撑压力影响区范围有所重合时，二者的低阻异常响应会叠加在一起，使低阻异常响应得到一定幅度的增强；针对底板水害隐患进行纯异常提取后，可以消除采动破坏过程的影响，不同位置的底板水害隐患其纯异常响应强度基本一致，其垂向影响范围均大于采动破坏的垂向影响范围。
2023年01期 v.49;No.322 36-45+108页 [查看摘要][在线阅读][下载 2810K] [下载次数：60 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：2 ] - 雷志鹏;李蔚;何庆辉;门汝佳;王业;刘洋;吝伶艳;
矿用高压电缆在实际使用中易受电、热、机械应力等多种因素的复合作用，加速绝缘老化，易导致电缆漏电、短路或放电等故障。目前，介电响应法被引入矿用电缆绝缘性能及老化状态的分析、评估和诊断中。针对基于介电响应法的电缆绝缘性能及老化状态评估问题，以常用的三元乙丙橡胶（EPDM）绝缘矿用移动软电缆为研究对象，总结了介电响应法中回复电压法、极化/去极化电流法和频域介电谱法的基本原理和典型特征量，对比了3种方法的优缺点。介绍了扩展Debye模型提取的老化因子、修正介电驰豫模型提取的弛豫特征量、介质损耗积分谱等基于介电响应模型的电缆绝缘性能评估特征量。从基于回复电压法和极化/去极化电流法的矿用电缆电痕腐蚀程度判别，以及基于极化/去极化电流法和等温松弛电流、基于介电驰豫模型、基于介质损耗积分值的EPDM绝缘多应力老化状态评估等方面，综述了介电响应法在矿用电缆绝缘性能评估中的应用研究。针对基于介电响应法的矿用电缆绝缘性能评估存在的在线监测技术无法适应煤矿工况、评估用数据不足、绝缘劣化程度与特征量关系未知等问题，提出应重点研究电缆绝缘状态感知、绝缘劣化程度与特征量关系构建这2项关键技术。
2023年01期 v.49;No.322 46-55页 [查看摘要][在线阅读][下载 1857K] [下载次数：121 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：3 ]
- 张旭辉;石硕;杨红强;杨文娟;张超;王甜;
现有悬臂式掘进机截割控制采用较为单一的控制方法且截割头以定速完成巷道断面截割，未综合考虑轨迹规划和自主调速控制，在复杂地质条件下难以实现较高的巷道工程质量。针对上述问题，提出了一种悬臂式掘进机自主调速截割控制系统。首先，建立截割头和煤层的三维模型并导入ABAQUS软件进行有限元分析，获取截割头受到的反作用力与截割臂摆动速度之间的关系，进而得到截割臂摆动速度与截割头加速度之间的关系，利用k-means聚类方法对加速度进行分层。然后，采用层次包围盒算法建立截割头碰撞检测模型，规划合适的矩形巷道断面截割轨迹，经多次离散化生成离散截割轨迹规划点，对截割臂进行运动学逆解计算，获取截割头到达离散截割轨迹规划点所需的截割臂回转弧度、抬升弧度和伸长量，并利用全局最优速度模型求解截割头运动至离散截割轨迹规划点的速度。最后，利用加速度传感器采集截割臂振动信号，根据加速度分层结果确定截割臂目标摆动速度，并通过模糊PID控制使截割臂摆动速度及时准确地随截割头加速度的变化调整到目标摆动速度。实验结果表明：采用模糊PID控制可实现较为快速、无超调量的截割臂摆动速度调节；与定速截割控制相比，采用自主调速截割控制的巷道断面成形质量高，宽度规格偏差降低了37%，高度规格偏差降低了17%，满足MT/T 5009-1994《煤矿井巷工程质量检验评定标准》规定的巷道成形质量要求。
2023年01期 v.49;No.322 80-89页 [查看摘要][在线阅读][下载 1752K] [下载次数：202 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：3 ] - 杜京义;党梦珂;乔磊;魏美婷;郝乐;
针对现有钻杆计数方法存在劳动重复、计数误差较大、未考虑动作的时序信息等问题，提出了一种基于改进时空图卷积神经网络（MST-GCN）模型的钻杆计数方法。首先，通过矿用监控摄像头获取井下打钻视频数据，采用Alphapose算法在图像序列中提取人体的关键点信息，得到单帧图像上的人体骨架和连续图像序列上的骨架序列数据，进而构建表征人体动作的骨架序列；然后，在时空图卷积神经网络（ST-GCN）模型的基础上设计了MST-GCN模型，采用远空间分区策略关注骨架上距离较远的关键点运动信息，通过注意力机制网络SENet融合原空间特征与远空间特征，从而有效识别骨架序列上的动作类别；最后，在打钻视频上利用支持向量机辨识打钻姿势来决定是否保存骨架序列，若骨架序列长度保存到150帧则使用MST-GCN模型识别动作类别，并根据实际打钻时间设置相邻动作的识别间隔，从而记录动作数量，实现钻杆计数。实验结果表明：在自建的数据集上，MST-GCN模型的识别准确率为91.1%，比ST-GCN、Alphapose-LSTM和NST-GCN动作识别模型的准确率分别提升了6.2%,19.0%和4.8%，模型的损失值收敛在0.2以下，学习能力更强。在相同条件的打钻视频上，MST-GCN模型、人工方法和改进ResNet方法的平均误差依次为0.25,0.75,21次，说明MST-GCN模型的计数效果更好。在真实打钻1 300根的现场应用中，MST-GCN模型的平均误差为9根，误计数结果低，能够满足实际需求。
2023年01期 v.49;No.322 90-98页 [查看摘要][在线阅读][下载 2420K] [下载次数：217 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：1 ] - 范伟强;李晓宇;翁智;刘斌;杨坤;
针对矿井复杂作业环境导致的红外图像降质，现有红外图像增强算法在实现信噪比和对比度提升的同时易丢失场景细节信息或造成目标边缘模糊的问题，提出了一种基于双域分解耦合改进的高斯-拉普拉斯（ILoG）算子和对比度受限自适应直方图均衡化（CLAHE）(ILoG-CLAHE)的矿井红外图像增强算法。首先，利用双域分解模型将矿井红外图像分解为包含高频信息的细节子图和低频信息的基础子图；其次，利用CLAHE算法对基础子图的亮度、对比度和清晰度进行提升，用以突出监视场景的概貌特征，采用构造的ILoG算子对细节子图进行噪声抑制和边缘锐化，并消除梯度反转现象；然后，通过重构处理后的基础子图和细节子图得到了图像质量改善后的重构图像；最后，设计了一种灰度重分布的Gamma校正函数，对重构图像进行亮度调整，进而得到矿井红外增强图像。通过主观视觉和客观指标对算法进行了性能分析，结果表明：经基于双域和ILoG-CLAHE的矿井红外图像增强算法增强后的矿井红外图像，整体视觉效果和客观指标均得到了较大提升，综合增强性能和鲁棒性更好。相较于原矿井红外图像和6种对比算法（CLAHE算法、双边滤波器（BF）分解与基础子图的CLAHE增强（BF-CLAHE）算法、BF分解与Gamma变换（BF-Gamma）算法、引导滤波与Gamma变换（GF-Gamma）算法、自适应直方图均衡化（AHE）耦合拉普拉斯变换（AHE-LP）算法、基于反锐化掩膜（UM）的图层融合（LF-UM）算法），该算法的综合评价指标值分别提高了0.28,0.11,0.23,0.38,0.57,0.04,0.10，图像亮度、清晰度和对比度均得到了较大提升，并且实现了噪声抑制和边缘锐化，表明该算法适用于矿井复杂作业环境中红外图像的增强处理。
2023年01期 v.49;No.322 99-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 1863K] [下载次数：205 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：2 ] - 史光亮;尉瑞;王海燕;葛津铭;张盛涛;
采煤机的煤岩识别技术是实现智能控制的基础，现有煤岩识别方法对现场环境及检测设备要求较高，实际综采工作面难以满足所需的必要条件。针对上述问题，提出了一种基于采煤机摇臂销轴载荷数据卡尔曼最优估计的煤岩识别方法，在不增加外部附属仪器设备的基础上，采用摇臂销轴传感器替换现有销轴感知煤岩载荷，可较好地适应环境。通过测定位于摇臂与连接架连接处摇臂销轴传感器的应变数据，采用卡尔曼最优估计算法对载荷数据进行降噪处理，使采煤机在截割煤岩等不同工况下的载荷区间相互分开，通过判断实时载荷处于的区间实现煤岩识别。构建随机载荷信号，利用卡尔曼最优估计算法、最小均方（LMS）自适应估计算法、变步长LMS自适应估计算法对相同信号进行降噪处理，结果验证了卡尔曼最优估计算法对载荷信号降噪处理的可行性与优越性。在某综采实验平台上进行煤岩识别验证，以空载、截割煤壁、截割岩石3个阶段对煤壁侧上端摇臂销轴沿采煤机牵引方向的载荷进行分析，结果表明：载荷数据未经卡尔曼最优估计算法处理之前，截割煤壁与截割岩石状态下的载荷区间存在重合部分，无法准确完成煤岩识别；载荷数据经过卡尔曼最优估计算法处理后，空载、截割煤壁、截割岩石3种工况下的载荷区间相互分开，且各工况下的载荷区间长度缩短了65.6%～83.3%，均方差降低了66.5%～72.9%，数据波动更小，有效提高了数据的辨识度。在实际工程应用中可根据该方法设定截割煤层状态时的期望载荷受力范围，一旦超出该范围，则判断此时不是截割煤壁状态，从而实现煤岩识别。
2023年01期 v.49;No.322 109-115+122页 [查看摘要][在线阅读][下载 1944K] [下载次数：112 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：3 ] - 尹玉玺;周常飞;许志鹏;史春祥;胡文渊;
随着煤矿智能化建设的加速推进，煤岩高效识别已成为煤炭智能化开采亟待解决的技术难题。针对复杂煤矿地质条件下现有煤岩识别方法精度低、通用性差且难以工程应用等问题，提出了一种基于改进一维卷积神经网络（1DCNN）的煤岩识别模型。以1DCNN为基础，使用多个连续卷积层提取一维振动信号特征，通过全局均值池化（GAP）层代替全连接层，以减少模型训练参数，节省计算资源，同时采用带有线性热启动的余弦退火衰减方法优化学习率，以避免模型训练陷入局部极小值区域，提升训练质量。为直观描述改进1DCNN模型对煤岩截割振动数据的特征提取过程和分类能力，采用t-分布随机近邻嵌入（t-SNE）流形学习算法对模型的特征学习过程进行可视化分析，结果表明，改进1DCNN模型通过逐层特征学习，很好地实现了对煤岩截割状态的识别。以陕西某矿MG650/1590-WD型采煤机截割煤岩时的实测振动数据为样本进行模型训练，结果表明，改进1DCNN模型在训练集上的准确率为99.91%，在测试集上的准确率为99.32%，可直接用于采煤机截割煤岩时的原始振动信号分类，并能够有效识别煤岩截割状态。与传统机器学习、集成学习及未改进的1DCNN模型相比，改进1DCNN模型具有明显优势，平均识别准确率达99.56%，同时大大节约了计算成本，提高了模型识别速度。
2023年01期 v.49;No.322 116-122页 [查看摘要][在线阅读][下载 1835K] [下载次数：226 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：3 ] - 吕鹏飞;路康斌;曹树斌;丛日盛;
现有研究针对岩石受载破坏过程的声发射特征和试件碎片分形特征进行了相关分析，并取得了一定成果，但针对冲击倾向煤样在不同应变率单向受载条件下破坏程度的定量描述及与加载应变率定量关系的研究较少。针对该问题，基于MTS-C64.106型电液伺服系统对原煤试件在单轴静态载荷基础上施加不同应变率载荷试验，试验中采用PCI-2卡型声发射卡对试件受载破裂过程开展实时监测，同时应用分形理论对试件破裂碎片进行处理分析，定量评价试件破碎程度及与载荷应变率的关系。结果表明：(1)在静态载荷基础上，试件破坏的峰值强度随着应变率动载荷的升高而逐渐上升。(2)随着加载应变率增大，声发射总体数量减少，高能声发射事件增多，声发射振铃计数和能量幅值经历缓增-急增-突增的一致转变过程。(3)试件受载的能量输入速率与声发射振铃计数、内部撞击数增长趋势基本一致，即也会经历缓增-急增-突增的变化。(4)声发射与震动强弱正相关的常数随加载应变率增大而减小，与高低能震动数之比负相关的常数随加载应变率增大而增大；原煤试件的破坏模式会发生剪切破坏-劈裂破坏-爆裂破坏的转变。(5)当加载应变率较低时，试件主要是上半部分破坏，应变率增大后由试件中部逐渐向下半部分延伸破坏，原煤试件在动载应变率作用下的破坏过程主要是裂纹的脆性扩展行为。(6)试件冲击碎片质量分维与加载应变率呈二次函数关系，即存在加载应变率极值使试件破坏程度达到最大，试验显示该值为2.8×10~(-3)s~(-1)。
2023年01期 v.49;No.322 123-130+139页 [查看摘要][在线阅读][下载 2014K] [下载次数：143 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：3 ] - 余星辰;王云泉;
针对目前煤矿瓦斯和煤尘爆炸监测漏报率和误报率高，难以满足瓦斯和煤尘爆炸事故应急救援需求的问题，提出了一种基于小波包能量的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别方法。在煤矿井下重点监测区域安装矿用拾音器，实时采集煤矿井下设备工作声音及环境音等；通过小波包分解提取声音的小波包能量占比，构成表征声音信号的特征向量；将特征向量输入BP神经网络中，训练得到煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型；提取待测声音信号的小波包能量占比，并构成特征向量输入模型中,识别待测声音信号的类型。根据特征向量和输出结果要求，建立了输入层、隐含层和输出层节点数分别为8,8,1的BP神经网络用于识别模型的训练；通过分析煤矿井下声音信号小波包分解结果，确立了采用Haar小波函数，选择小波包分解层数为3。实验结果表明：瓦斯和煤尘爆炸声音通过小波包分解后的能量占比与其他声音差异明显，且不同时长的同一声音信号的小波包能量占比分布稳定，因此小波包能量占比可有效表征声音信号特征，且具有较强的鲁棒性；BP神经网络训练速度快，仅需较少的训练迭代次数就能达到期望误差，且在煤矿井下众多干扰声音信号存在的情况下识别准确率达95%，与极限学习机模型、支持向量机模型相比，BP神经网络识别效果最优。
2023年01期 v.49;No.322 131-139页 [查看摘要][在线阅读][下载 2057K] [下载次数：236 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：2 ] - 蔡佳浩;王前进;辅小荣;马小平;
矿井主要通风机切换过程中存在供给风量大范围波动甚至中断问题，易导致瓦斯浓度超限。常用的基于模型的主要通风机切换控制方法难以很好地对约束进行处理，基于智能算法的控制方法依赖专家知识和经验，具有主观性和随意性。针对上述问题，以中国平煤能源化工集团有限责任公司二矿主要通风机切换过程为研究背景，研究了主要通风机切换过程供给风量优化控制问题。基于流体动力学方程和图论概念，建立了主要通风机切换过程动态模型，并采用泰勒展开式对其进行线性化处理，以降低计算复杂度。考虑矿井主要通风机切换过程具有强非线性、系统状态受约束，且为离散的多输入多输出系统，采用模型预测控制（MPC）算法研究风量控制问题，设计了主要通风机切换过程MPC系统，将风量优化转换为二次规划问题。采用原对偶神经网络在线求解优化问题，实现主要通风机切换过程的供给风量实时优化控制。试验结果表明：MPC系统可有效实现主要通风机切换，切换过程中4个风门风量可很好地跟踪参考值；各采样时刻运算时间为0.027 s，满足切换过程实时性要求；供给风量波动最大值仅为0.9%，明显优于传统PID控制效果。
2023年01期 v.49;No.322 140-145+161页 [查看摘要][在线阅读][下载 1950K] [下载次数：60 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：2 ] - 倪兴;
针对低透高瓦斯煤层在水力割缝过程中存在割缝扰动范围不清、割缝钻孔最佳布孔间距不明确的问题，以贵州豫能高山煤矿1908工作面为研究背景，在建立水力割缝煤体瓦斯抽采流固耦合模型的基础上，借助COMSOL数值模拟软件对高山煤矿1908工作面水力割缝钻孔有效抽采半径、孔周瓦斯压力变化情况进行了研究，并依据模拟结果深入分析了水力割缝钻孔在多孔布置时，受孔间抽采叠加效应影响下有效抽采范围及孔间瓦斯压力变化情况，最终得出其最佳布孔间距及抽采时间。结果表明：(1)水力割缝钻孔单孔抽采效果随割缝深度显著提升，但钻孔有效抽采半径增速变缓，为得到最佳割缝深度，对各钻孔有效抽采半径进行三项式拟合，随着水力割缝深度的增加，有效抽采半径范围在快速增加后放缓且最终趋于平稳，并得出了高山煤矿最佳割缝深度为1.5 m，有效抽采半径达为3.1 m。(2)在相同抽采时间下，煤体内瓦斯压力随两孔距的缩短而降低，说明孔间距越小，孔间受水力割缝所造成的扰动越剧烈，抽采叠加效应影响越显著。(3)在保证消突达标的前提下，选择孔距为7 m进行水力割缝钻孔布置效果最佳。(4)原本在“正方形”布孔方式中，孔心位置可能出现抽采盲区的点最大瓦斯压力仅为0.67 MPa，小于临界值，“正方形”布孔较“正三角”布孔的有效覆盖面积更大且减少了抽采重复区域，从而减少了钻孔施工量，提高了瓦斯治理效率。(5)通过现场试验得出在60 d抽采周期内，水力割缝钻孔布置采用孔距为7 m的“正方形”布孔可有效提高瓦斯抽采浓度及抽采纯量，并达到了延长高效抽采周期的效果，且可消除孔间煤体瓦斯抽采空白带，实现孔间区域煤体消突达标。
2023年01期 v.49;No.322 146-152页 [查看摘要][在线阅读][下载 1842K] [下载次数：72 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：2 ]