- 王科平;连凯海;杨艺;费树岷;
综采工作面关键设备及人员的准确检测是实现煤炭智能化开采信息感知的重要环节。传统目标检测算法通过人工提取特征实现目标检测，易受环境影响，不具有普适性。基于卷积神经网络的目标检测算法可以自适应地提取深层信息，但复杂环境下检测精度不高、网络参数多、计算量大。针对上述问题，提出了一种改进YOLOv4模型，并将其应用于综采工作面目标检测。为准确从综采工作面复杂环境中检测到目标，在CSPDarkNet53网络中融入残差自注意力模块，保证参数共享及高效局部信息聚合的同时增强全局信息获取能力，提升图像关键目标特征表达能力，进而提高目标检测精度；为适应综采工作面目标检测高效性需求，引入深度可分离卷积替代传统卷积，以减少模型参数量和计算量，有利于模型的工业部署，提高目标检测速度。实验结果表明，与YOLOv3、CenterNet及YOLOv4模型相比，改进YOLOv4模型平均精度均值最高，达92.59%，且在参数量、计算量、检测精度上具有更优的平衡，可在煤尘干扰、光照不均、目标运动等复杂环境下对目标准确检测。
2023年02期 v.49;No.323 70-76页 [查看摘要][在线阅读][下载 1892K] [下载次数：350 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：9 ] |[阅读次数：0 ] - 邹盛;周李兵;季亮;于政乾;
在煤矿井下无人驾驶和安防监控等领域，对行人目标的检测至关重要，但受井下光线昏暗、光照不均、背景复杂、行人目标小且密集等特殊工况环境的影响，图像中的行人目标存在边缘细节特征少、信噪比低、与背景相似度高等问题，难以有效识别遮挡多尺度下的行人目标。针对上述问题，提出了一种基于图像融合和改进CornerNet-Squeeze的煤矿井下行人目标检测方法。采用双尺度图像融合（TIF）算法将红外相机和深度相机采集的图像进行像素级融合，再进行形态学处理，减少背景干扰。在CornerNet-Squeeze网络基础上，将八度卷积（OctConv）引入沙漏型主干网络，处理图像特征中高低频信息，增强图像边缘特征，提高多尺度行人检测能力。实验结果表明：(1)在深度图像、红外图像、融合图像3种数据集上，改进CornerNet-Squeeze模型在保持原算法实时性的同时，有效提升了井下行人检测精度。(2)采用融合图像数据集训练的模型检测精度较红外图像和深度图像数据集训练的模型高，可见融合图像能充分发挥深度图像和红外图像的优势，有助于提高模型检测精度。(3)在不同程度遮挡和多尺度行人目标6种场景下，改进CornerNet-Squeeze训练的模型的行人漏检率最低。(4)与YOLOv4相比，在COCO2014行人数据集上改进CornerNet-Squeeze算法的平均精度提高了1.1%，检测速度提高了6.7%。(5)改进CornerNet-Squeeze能够有效检测出图像中远处小目标，对小目标的检测能力提升明显。
2023年02期 v.49;No.323 77-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 1913K] [下载次数：264 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：4 ] |[阅读次数：0 ] - 任文清;
射频前端是矿井超宽带（UWB）定位系统的重要组成部分，其电磁性能影响定位精度。目前UWB定位系统射频前端设计一般针对单独器件或芯片使用ADS或HFSS进行仿真设计，随着射频前端设计的频段越来越高，分立元件、传输线等三维结构之间引起的寄生效应对射频前端电路性能的影响越来越大，需要研究板级射频前端电磁联合仿真方法。针对上述问题，提出了一种基于ADS和HFSS的矿井UWB射频前端电磁联合仿真方法。首先，采用HFSS软件对无源器件进行建模，并用HFSS软件直接进行仿真得到对应的snp文件。然后，使用ADS软件建立有源器件原理图，将参数读取控件和原理图连接，并将snp文件导入控件中。最后，在ADS中对原理图进行仿真，ADS和HFSS之间通过S参数作为媒介来进行联合操作，实现UWB射频前端电磁特性的联合仿真。综合运用ADS和HFSS对UWB射频前端有源器件、无源器件及整体板级电路进行联合仿真，并根据仿真原理制作测试样品，实验结果表明，联合仿真结果与样品实测结果匹配，可用于UWB射频前端设计和电磁性能综合测试。将以电磁联合仿真方法设计的射频前端制作成PCB样品并用于UWB定位系统进行定位极限距离测试，测试结果表明，以电磁联合仿真方法设计的射频前端完全可以满足实际产品性能需求，在设计阶段对实际产品效果预测准确，提高了设计效率，降低了设计成本。
2023年02期 v.49;No.323 85-93页 [查看摘要][在线阅读][下载 1669K] [下载次数：366 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：0 ] - 文家燕;闻海潮;程洋;罗绍猛;何伟朝;
为了提高露天矿卡车运输效率、减少碳排放和节约运输成本，以纯电动卡车为研究对象，以运输成本、总排队时间（包含生产过程中的卡车充电时间、运行时间及维修等待时间）、矿石品位偏差为目标函数，并以破碎场破碎量、采矿场开采量、装车数量、矿石品位误差限制、车辆充电桩选择及充电限制为约束条件，建立了露天矿低碳运输调度优化模型。针对灰狼优化算法（GWO）和非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）用于求解露天矿纯电动矿用卡车低碳运输调度模型时前者容易陷入局部最优、后者容易获得全局最优但收敛缓慢的问题，提出了一种GWO-NSGA-Ⅱ混合算法。该混合算法在GWO算法中引入NSGA-Ⅱ的选择、交叉、变异3种遗传操作，有效防止算法陷入局部最优；在NSGA-Ⅱ的精英保留策略中引入狩猎和攻击操作，提高算法全局收敛的稳定性。通过5个标准测试函数验证了该混合算法在保证收敛性的情况下提升了稳定性。实例分析表明，与NSGA-Ⅱ，GWO相比，该混合算法在寻优速度上分别提高了48.7%和27.1%，在寻优精度上分别提高了17.1%和9.3%，且减少了卡车使用数量、碳排放量、运输距离和运输费用。
2023年02期 v.49;No.323 94-101页 [查看摘要][在线阅读][下载 1681K] [下载次数：439 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：6 ] |[阅读次数：0 ] - 范加锋;
煤层顶板布置低位巷抽采瓦斯是解决工作面上隅角瓦斯超限问题的重要技术措施，但低位巷大流量混合抽采造成采空区漏风严重，增加遗煤自燃风险。目前针对低位巷布置与抽采流量协同影响采空区遗煤自燃方面的研究较少。针对贾家沟煤矿10106工作面布置低位巷抽采采空区瓦斯的实际情况，采用COMSOL软件建立了非均质采空区三维流-固-热多场耦合数值模型，通过数值模拟分析了低位巷抽采瓦斯诱导采空区遗煤自燃规律，结果表明：低位巷瓦斯抽采能够降低工作面上隅角瓦斯浓度；瓦斯抽采流量与自燃氧化带最大宽度、采空区最高温度呈正比，抽采流量增加，则自燃氧化带最大宽度和采空区最高温度增加，但过高的抽采压力导致上隅角附近空气“回流”至采空区，增加采空区遗煤自燃风险；当低位巷瓦斯抽采流量一定时，内错距越小，则采空区自燃氧化带最大宽度和最高温度越大。结合数值模拟结果与工程实践，确定贾家沟煤矿低位巷内错距为15 m，瓦斯抽采流量为45 m3/min，此时上隅角瓦斯体积分数为0.875%，采空区自燃氧化带最大宽度为59.14 m，有效解决了上隅角瓦斯浓度超限问题，且未显著增大采空区遗煤自燃危险区域。
2023年02期 v.49;No.323 102-108+124页 [查看摘要][在线阅读][下载 2167K] [下载次数：269 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：9 ] |[阅读次数：0 ] - 王庆国;周亮;秦汝祥;刘珍;杨妍妍;
针对利用惰性气体降低煤氧化性来解决煤自燃、复燃的问题，现有研究大多是对煤低温氧化过程及煤复燃过程进行相关实验，对惰性气体降温后煤二次氧化的自燃特性涉及较少。针对上述问题，以焦煤为例，通过低温氧化实验，探究不同温度氧化的焦煤经过CO_2冷却二次氧化的自燃特性。采用GC-4000A程序升温装置对焦煤进行预氧化（预氧化温度分别设为70,110,150℃），并对分别通入CO_2气体和干空气冷却至30℃后焦煤二次氧化过程中的耗氧速率、CO产生率、CO_2浓度和表观活化能进行分析。实验结果表明：预氧化温度相同时，与干空气冷却相比，通入CO_2冷却后的焦煤相关参数的变化规律基本一致，二次氧化初期，因预氧化焦煤吸附大量CO_2，阻碍了煤与O_2接触，耗氧速率和CO产生率减小，表观活化能增大，焦煤的氧化性减弱；随着CO_2解析，CO_2冷却也影响预氧化焦煤的后期反应，使得预氧化焦煤整个反应过程自燃危险性降低。预氧化温度不同时，70℃和110℃预氧化焦煤前期CO_2吸附量小，导致耗氧速率、CO产生率和表观活化能未发生变化，150℃预氧化焦煤冷却至30℃时，CO_2吸附量增多，导致耗氧速率、CO产生率减小，表观活化能增大，需要的能量更多，煤氧反应更难进行，自燃危险性有所降低。因此，当煤矿井下发生煤氧化自燃危险时，需长时间通入CO_2来降低矿区启封复采时发生二次氧化复燃的可能性。
2023年02期 v.49;No.323 109-114+156页 [查看摘要][在线阅读][下载 1692K] [下载次数：171 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 王越;史晗;荣相;蒋德智;
矿用变频器空间密闭，运行过程中内部功率器件自身会产生大量热量，易产生热退化和热失效现象。现有研究主要是针对矿用变频器某类功率器件或散热器进行单独分析，未考虑它们相互之间的热交换作用，且现有研究与矿用变频器运行状态的结合不够紧密，导致生热和传热过程与实际情况偏差较大，降低了散热性能分析的准确度和全面性。针对上述问题，以630 kW/1 140 V四象限矿用变频器为研究对象，基于一体化模型对矿用变频器散热性能进行分析。建立了考虑等效电阻的矿用变频器主电路拓扑模型，分析母排与电缆、充/放电电阻、吸收电阻、IGBT模块、输出电抗器的电气特性并计算功率损耗。采用强制水冷+风冷+自然冷却方式对矿用变频器的散热系统进行优化设计。将IGBT模块、吸收电阻置于水冷散热器的基板上，配置风机加速输出电抗器的热交换效率，其他功率器件则自然散热。基于一体化模型对矿用变频器内部温度场特性、对流换热特性进行数值模拟分析，并搭建矿用变频器加载试验平台验证基于一体化模型的温度场仿真的正确性及散热设计的有效性。结果表明：(1)在内部功率器件的传导、对流及辐射换热作用下，隔爆外壳的温度高于环境温度，最低为36℃，且后基板的温度高于其他隔爆面，最高可达70℃。矿用变频器内部组件均未超过80℃，远低于相关标准规定值，具有良好的散热性能。IGBT模块的温度最高，机心母排组件的温度次之，直流滤波电容组件的温度最低。(2)充电过程中功率器件产生了较大的损耗，但由于充电时间极短，该损耗不会引起温度的剧烈变化，功率器件的瞬时温度最高不超过59℃；放电电阻的瞬时温度最高可达267℃，100℃以上的作用时间为200 s，梯形铝壳电阻的耐高温冲击能力可满足该应用场景，且未形成热应力循环，不会产生热击穿、热失效现象。(3)各功率器件在2～3 h后温度逐渐趋于稳定，各标定测温点的实验与仿真结果在整体趋势上保持较好的一致性。
2023年02期 v.49;No.323 115-124页 [查看摘要][在线阅读][下载 2418K] [下载次数：96 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：0 ] - 武杰;卢振连;马洪儒;朱艳芳;吴耀春;薛晓峰;姜阔胜;
煤矿机械设备轴承在强冲击、大载荷工况下产生的振动信号表现出强烈的瞬态非平稳与局部非线性特性。经典的时域统计分析方法和全局域变换方法难以识别故障特征；传统阶次跟踪方法存在设备安装不便、难以获取瞬时频率的问题；传统的无键相阶次跟踪方法在转速波动剧烈的条件下估计出的瞬时频率精度低，导致故障识别效果差。针对上述问题，提出了一种基于谐波匹配补偿和无键相阶次跟踪的轴承故障诊断方法。首先，利用基于谐波匹配补偿的时频分析方法对轴承振动信号进行处理，准确估计瞬时频率；其次，通过Vold-Kalman滤波方法自适应提取谐波分量信号；再次，采用Hilbert变换计算谐波的瞬时相位，进而获得时间域与角度域的映射关系，完成原始时间域信号在角度域的重采样；最后，对重采样的信号进行快速傅里叶变换，通过分析包络阶次谱，实现轴承故障特征识别。仿真和试验结果表明，该方法估计的瞬时频率与实际值之间的最大相对误差不超过1%，表征轴承故障特征阶次准确且明显，可有效诊断轴承故障。
2023年02期 v.49;No.323 125-133+140页 [查看摘要][在线阅读][下载 2250K] [下载次数：162 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：0 ] - 杨晓晨;贾男;张晓明;佐佐木久郎;
地震法常用于分析采空区垮落煤岩孔隙率和渗透率的相关性，现有研究大多采用有效介质理论，将采空区垮落煤岩的各向异性和不均匀性转换为等效的介质参数，对粒径、孔隙率、空间特征等因素对地震波的影响考虑较少。以采空区垮落煤岩为研究对象，根据实际采空区垮落煤岩颗粒级配和孔隙率，制备了破碎煤岩样品，通过实验验证了其孔隙率和波长-粒径比与实际采空区垮落煤岩一致。在此基础上，通过实验分析了煤岩粒径、孔隙率、地震波频率等因素对波速、振幅衰减系数及渗透率的影响，结果表明：破碎煤岩中P波速度随孔隙率增大而减小，随粒径增大而增大，受地震波频率影响较小；振幅衰减系数随孔隙率增大而增大，随粒径增大而减小，孔隙率较大时更易受地震波频率影响；破碎煤岩的渗透率随孔隙率和粒径增大而增大，遵循Kozney-Carman方程，基于实验结果建立了采空区垮落煤岩渗透率预测公式，计算得现场采空区垮落煤岩渗透率为1 225×10~(-12)～178 930×10~(-12) m~2；为消除粒径对地震波振幅衰减系数和煤岩样品渗透率的影响，提出单位波长振幅衰减系数（振幅衰减因子），并通过最小二乘法拟合得到振幅衰减因子与渗透率之间的经验关系式，为初步判断采空区垮落煤岩的渗透率提供了思路。
2023年02期 v.49;No.323 134-140页 [查看摘要][在线阅读][下载 1690K] [下载次数：171 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：0 ]