变结构井下救援机器人动力学建模与轨迹跟踪控制

针对钻孔救援需求,设计了一种变结构井下救援机器人,该机器人可改变自身构型,通过钻孔进入井下环境。根据机器人结构特点,分析了机器人的转向机制,建立了考虑机器人前轮/履带-土壤间力学作用、描述机器人转向特性的动力学模型;为提高机器人的转向性能,分析了系统的瞬态及稳态响应以及不同结构参数对转向性能的影响,并对机器人结构参数进行了改进;基于机器人动力学模型,设计模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)控制器,实现了直线轨迹和圆形轨迹的轨迹跟踪仿真。结果表明,所建动力学模型是有效的,MPC轨迹跟踪控制器能够稳定地跟踪期望轨迹,为机器人的控制奠定了基础。

矿井灾变时期气囊密闭技术的研究与优化

为探究气囊密闭工艺在矿井发生灾变过程中的密闭工艺效果,以唐山开滦实验巷道为工程条件,运用Fluent数值软件,结合快速气囊密技术,研究了不同火灾发展阶段下灾区爆炸危险气体的变动特性以及运移规律,分析了快速气囊密闭的工艺效果,并针对现有工艺进行了进一步的优化和设计。结果表明:灾区内上隅角CH_(4)浓度最高,气囊密闭具有封堵速度快、气密性好的特性,能在5 min内完成巷道的完全封堵,漏风率控制在5%以内,同时快速气囊密闭使得通风量急剧减少,CH_(4)积聚速度变快,氧气扩散较慢,未形成爆炸危险区域。利用PLC控制方式和远程遥控手段优化现有气囊密闭工艺,实现了远程控制。

基于应急预案的煤矿应急救援辅助决策系统设计

针对煤矿应急救援辅助决策系统中应急预案应用不足、应用效率低及系统生成的救援方案可执行性欠佳等问题,提出了一种基于应急预案的煤矿应急救援辅助决策系统设计方法。该方法采用基于大语言模型的信息抽取技术,从应急预案中提炼出关键任务要素,如任务名称、触发条件、执行部门和任务内容等,形成元任务,并构建根据事故类型和级别对元任务进行分类存储的元任务库;发生煤矿安全事故时,运用基于SBERT模型的语义匹配技术,根据现场收集的信息进行事故分类分级,并从元任务库中筛选出与当前应急需求相符合的元任务集;为提高任务的可执行性,将元任务与实时采集的现场数据结合,通过指令模板构建具体的行动指令,并利用任务规划技术对指令的优先级进行优化和调整,生成切实可行的现场救援方案。基于应急预案的煤矿应急救援辅助决策系统充分利用了应急预案的规范化内容,形成了与现场信息紧密结合、资源优化的救援方案,进一步提高了救援决策的准确性、科学性和智能化水平。

救援探测机器人动力系统设计

针对救援探测机器人在防爆条件下动力匹配设计的难点,首先通过对救援探测机器人的动力系统进行分析研究,确定了动力系统优化的关键部件及其参数决策范围,建立动力系统的多目标优化模型。其次,利用PlatEMO多目标优化平台,采用非支配排序的NSGA-II遗传算法对救援探测机器人动力参数优化问题进行求解。最后,参照求解结果设计救援探测机器人的动力系统,并制造样机进行测试,结果表明救援探测机器人的动力性能参数满足设计要求。

多功能矿用救援柔性提升舱的研制及应用

矿用救援提升舱与提升车共同构成了提升救援成套装备,是地面钻孔救援的重要装备之一,其性能对矿山应急救援的成败具有重要影响。研制了多功能矿用救援柔性提升舱。为解决救援钢丝绳提升下放过程防扭矩的难题,开发了基于防爆滑环的分动装置,实现了钢丝绳与提升舱的分动,避免救援过程中提升舱带动钢丝绳旋转,干扰钢丝绳内部信号传输,损坏钢丝绳编织结构,进而实现了通信钢丝绳提升和通信的双重功能;设计了大球面柔性转动装置,实现了上下舱体的弯曲,弯曲角度不小于2.4°,增强了提升舱体对曲率较大、有局部凸起等复杂井壁的适应性,以加强提升舱的通过性;通过人机工程学相关理论和技术,开发了人员舱内辅助入舱、靠坐握姿态等人机工程组件,以及上下侧缓冲、底部缓冲,对被救人员及舱体本身进行全方位保护;开发了基于井径测量、气体测量和音视频通信装置的通信系统则从监测井壁、气体及环境参数、被救人员等多方面实现可视化救援,保证救援过程安全。柔性救援提升舱与提升车集成后在宁夏梅花井矿示范工程井中进行了空载、重载、载人等试验,充分验证了其性能。

矿用胶囊式救生舱设计与仿真分析

矿用救生舱是应对煤矿救援的重要设备,为增强救生舱的整体安全性,根据我国现有煤矿地质特点,结合国内外煤矿火灾救援成功案例,提出一种矿用胶囊式救生舱结构。借助NX软件对救生舱进行了结构设计,集成了引导、容纳、缓冲、防火及通信等功能,同时,参照已有防爆液压绞车,利用ANSYS对救生舱的救援工况进行了安全分析。结果表明,该救生舱安全裕量大,能够利用常规液压绞车系统,安全实现受困人员的救援。

智能可穿戴装备在矿山救援中的应用研究

近几年,柔性传感技术的研究受到广泛关注,随之涌现出一批可实时监测健康的柔性传感器应用于生物医疗与军事领域,通过获取人体的电化学信号等,从而掌握人员的各项身体指标。但在矿山救援装备的研究与应用方面,多是基于对外部环境的防护,极其缺乏对救援人员自身健康的关注。将柔性传感健康监测合理地与矿山救援装备结合,能为救援人员自身安全提供更好的保障,为救援行动的开展提供便利,同时也更进一步实现了救援装备的智能化。

可视化寻迹履带式煤矿救援机器人设计与仿真

煤矿机器人在井下救援过程中面临可控性差、行驶易侧翻、可承载救援物资少等难题。为改良履带式煤矿救援机器人,从行驶影响因素、救援安全、操作准确性等方面综合考虑,利用FPGA主控芯片+5G无线传输+视频模组组成的远程可视化遥控端,实现了机器人的自动寻迹、红外+超声波避障、人工可视化辅助等功能,较好地解决了救援过程中的人机协调难题;结合履带式行走底盘+5自由度机械手,有效地增强了机器人的行驶稳定性和辅助搬运能力。经过拓扑优化后,履带式救援机器人在井下成功应用,机器人整体结构质量减轻13.8%,刚度和强度符合作业要求;搭建的目标跟踪仿真模型和跟踪试验有效保证了辅助路径跟踪的精确性,可满足井下救援、运输作业需求。

煤矿可移动式救生舱防护密闭门气密性数值模拟研究

为了研究不同因素对煤矿可移动式救生舱防护密闭门气密性的影响,通过数值模拟方法建立防护密闭门精确三维模型,在煤矿井下巷道爆炸流场载荷作用下,分别计算了采用不同数量的闭锁机构、不同性质密封条、不同强度的门框条件下防护密闭门闭锁机构与门框相对跳动位移大小,对比分析了有关因素对防护密闭门气密性影响,给出了闭锁机构、密封条、门框等影响因素对气密性跳动位移的基本规律,为救生舱防护密闭门的设计与优化提供了技术参考。

煤矿应急救援与生命保障关键技术及装备应用研究

近些年来煤矿生产安全事故已经有所减少,但是煤矿生产安全问题仍然是煤炭开采中的重点内容,而应急救援是煤矿安全生产应急管理中的重要组成,也是一项重要的生命工程。因此认识到了煤矿生产性事故所带来的巨大威胁,就需重视煤矿应急救援与生产保障关键技术及设备在救援过程中的重要作用,需不断地提高救援装备的技术和应用水平,才可以充分发挥救援队伍的作用。基于此,从多个角度阐述煤矿应急救援与生命保障关键技术及装备应用研究的重要性。

便携式自动正压苏生器系统的设计

针对目前市场上的苏生器体积大携带不方便、正负压呼吸模式安全系数低、各功能手动切换自动化程度低等问题,研制了一款便携式自动正压苏生器。采用气路板将系统中的大部分元件集装到一起,大大提高了系统的便携性;采用气动逻辑元件组成震荡回路取代原有的自动肺,实现系统完全正压,提高了系统的安全系数;采用气动逻辑元件感应伤员是否存在自主呼吸,并根据伤员情况自动切换功能,提高了系统的自动化程度。

基于改进A^(*)算法的煤矿救援机器人路径规划

路径规划是煤矿救援机器人研究的重要内容之一。针对灾后煤矿环境非结构化的特点,以及传统A^(*)算法规划的路径长度非最短、拐弯次数多和平滑度较差等问题,提出一种基于改进A^(*)算法的煤矿救援机器人路径规划方法。对真实环境中的地图信息进行二值化处理,构建栅格地图;判断当前点与目标点的相对位置,利用改进A^(*)算法进行路径规划,得到一条从当前点到目标点的路径;利用Douglas-Peucker(D-P)算法提取路径上的关键节点,采用三次样条插值函数对关键节点进行拟合,完成对路径的平滑处理。改进A^(*)算法将传统A^(*)算法的8邻域搜索扩展为有目的性的13邻域搜索,在进行路径搜索时,先对当前点和目标点的位置关系进行判断,从而减少路径节点,减小路径长度,提升路径平滑度。Matlab仿真结果表明:与8邻域A^(*)算法、24邻域A^(*)算法、48邻域A^(*)算法相比,改进A^(*)算法在路径长度、拐弯次数、平滑度等方面有一定优化,更适用于煤矿救援机器人路径规划;与Fuzzy算法相比,改进A^(*)算法路径规划所用时间更短,规划的路径长度更短,拐弯次数更少。

一种煤矿开采用应急照明设备在采煤工作面的实践与应用

本研究针对鹤煤公司五环分公司3107外段工作面的现状,研制出一种煤矿开采用应急照明设备,并阐述该应急照明设备的工作原理和使用注意事项,在鹤煤公司五环分公司3107外段工作面进回风顺槽进行试验应用,获得良好使用效果。

爆轰不稳定性及初始压力对螺旋爆轰轨迹角的影响

为研究爆轰不稳定性及初始压力对螺旋爆轰轨迹角的影响,开展了预混气螺旋爆轰实验研究。利用内径63.5 mm、长4 m的爆轰管道系统对4组预混气(气体Ⅰ:2H_(2)+O_(2)+50%Ar,气体Ⅱ:C_(2)H_(2)+2.5O_(2)+85%Ar,气体Ⅲ:C_(2)H_(2)+5N_(2)O,气体Ⅳ:CH_(4)+2O_(2))进行爆轰实验;采用烟膜技术记录螺旋爆轰波的胞格结构,测量不同预混气在不同压力下右旋、左旋横波与管轴形成的轨迹角α^(+)、α^(-),分析轨迹角的变化、初始压力以及爆轰不稳定性对其影响。实验结果表明:4种预混气的螺旋爆轰轨迹角均位于30°~50°范围内;爆轰不稳定性相对较弱的气体(气体Ⅰ,气体Ⅱ,气体Ⅲ),轨迹角测量值与声学理论计算得到的理论值吻合度较好,不稳定性强的气体(气体Ⅳ),测量值与理论值吻合度较差;4种预混气的轨迹角离散度大小及变化趋势与壁面胞格离散度一致;随着初始压力增大,4种预混气的轨迹角均明显减小,减小幅度相近,且在高频螺旋阶段,初始压力比爆轰不稳定性对轨迹角的影响作用更强。

浅论5G网络下的矿用救援机器人建模分析

针对煤矿井下地质条件复杂、作业空间有限,特别是煤矿事故发生后,作业环境不断变化,而矿井通信系统受损,难以满足矿井救援机器人远程控制需要的情况,基于5G移动网络,建立矿山救援机器人智能控制系统,着力提升矿用救援机器人的环境认知、行为决策及运动控制能力,确保其在恶劣环境中的正常运行,使矿山救援机器人适应煤矿事故后复杂危险的环境,提升救援效率。

基于GIS技术的煤矿应急救援管理系统设计研究

基于社会层面的整体需求,煤矿行业在新时期发展迅速,但随之增加的煤矿灾害事故引起了更多人的注意。很多煤矿企业为保证员工生命安全、开展稳定施工,开始以GIS技术为基础研究如何设计应急救援管理系统,以此来实现对各项灾害事故的整体化管理,包括灾害预防、高效处理等,这对煤矿行业的长远发展来说至关重要。故此,基于GIS技术的煤矿应急救援管理系统设计展开了重点论述与分析。

碳复合纤维储氧瓶的设计及可靠性研究

针对现有矿用自救器质量重、抗疲劳性能差等问题,将氧气瓶与碳复合纤维材料相结合,设计了一种碳复合纤维储氧瓶。通过竞品分析、试验测试和数值模拟等方法,开展了碳复合纤维储氧瓶可靠性研究,获取了关键技术参数,分析不同工况下碳纤维缠绕储氧瓶内胆的应力分布。结果表明:碳纤维缠绕储氧瓶与钢制气瓶相比,瓶重减小了25.7%,工作压力提高了15.0%,氧气储气量提高了30.0%;碳复合纤维材料的最小拉伸强度和弯曲强度分别为760和822 MPa;30 MPa工作压力、爆破压力以及300 N冲击载荷作用下,碳纤维缠绕储氧瓶内胆的最大应力分别为343.6、1168、8.7 MPa,均满足规范要求。

煤矿救援钻机井口平台的结构设计与优化研究

救援钻机是煤矿应急处置的关键设备,是事故发生后的紧急救援工具。现有地面应急救援车载钻机整体井口平台结构形式不灵活,存在开口孔径小、拆装困难、不能满足大直径钻头和套管下放的问题。基于此,结合救援施工要求,提出了一种模块化且大开口车载钻机智能井口平台总体方案。模块化井口平台具有快速对中、夹紧、自动调平、满足多系列大直径钻具要求的特点。采用数值模拟方法对U型井口平台进行分析,并根据原结构的分析结果提出优化结构。结果表明,优化后的结构应力优于原始结构,为救援钻机结构设计与优化提供了重要支持。

矿井避难硐室防护系统研究

根据避难硐室的防护功能,确定防护系统由防火防爆、密闭、供氧、制冷除湿、监测监控、动力、通讯、定位、照明、医疗、食品、水、卫生几大系统组成;通过理论分析,确定防火防爆密闭系统抗爆压力影响因素为反射压力、入射压力、静压载荷、门体材料及安全系数;通过计算,可得100人避难硐室压风供氧系统总供风量不得低于36m3/min,其他供氧方式的最小供氧量不得低于60L/min。为避难硐室防护系统研究提供了科学依据及可靠数据,为矿井紧急避险系统的研究奠定了基础。

煤矿用自救器的应用与发展探析

对煤矿自救器的应用现状展开梳理,为煤矿自救器发挥作用和研究发展提供参考。通过分析煤矿用自救器基本结构、类型、功能、佩戴方式以及使用和管理维护流程,发现操作不当、维护及监管缺位导致很多自救器未能起到应有的保护作用。优化自救器部件、加强培训工作、提高自救器的管理水平可以极大提升自救器的可靠性,提高事故发生后井下人员的生存时间和生还几率。