煤矿智能快速掘进关键技术研究现状及展望

针对煤矿巷道掘进智能化建设情况,探讨了现阶段分别以连采机、掘锚一体机、全断面掘进系统、掘锚机为核心的四大类智能快速掘进成套装备发展现状,分析了四大类智能快掘装备与地质条件适用性,提出了实现煤矿智能化掘进需要解决的关键技术的问题,探讨了以信息传输与智能分析技术、智能感知技术、精确定位导航技术,自主定型定向截割技术、掘进机远程自主截割控制技术以及多级多工序智能协同控制技术为基础的智能化掘进实现途径;基于复杂地质条件下煤矿巷道掘进亟待解决的关键问题,提出了以掘进作业功能需求、掘进工艺要求为依据的系统化分析、模块化设计、功能优化组合的设计方法;研究了以虚控实、虚实结合的多级数字孪生构架,基于掘进巷道设备、环境、地质构造多维信息再现实现掘进机远程控制;提出了单机智能化、系统协同化、井下智控与地面远程监控相协同的控制方法。开发了新型的无重复碾压柔性超前支护技术、截割部多级伸缩截割技术、智能锚固机组多钻机并行作业等技术,研制了具有掘、支、锚、运、探多工序并行作业的新型快速掘进作业联合机组,提出了掘进机器人、超前支护机器人、锚固机器人、辅助运输机器人组柔性并行作业技术;提出了基于数据驱动的多机多工序协同控制行为规划决策方法。提出构建完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系,构建集井下现场生产状态、掘进巷道空间信息、掘进装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知智能化监控平台,实现虚拟系统与实际掘进系统实时通信,通过数据驱动规划分析实现智能化、少人化掘进。

基于改进YOLOX的电铲铲齿断裂检测方法

电铲是露天采矿中广泛使用的一种大型机械挖掘设备。在挖掘过程中,铲齿与矿石长时间的直接冲击会造成铲齿过早的松动甚至断裂,从而导致电铲计划外的停机和生产力的损失。针对这个问题,提出了一种基于改进YOLOX的电铲铲齿断裂检测方法。该方法以YOLOX为基础,首先针对受光照不均匀等影响导致检测效果差的问题,在特征金字塔网络加入扩张卷积注意力机制增强目标在复杂背景中的显著度;其次使用CEIOU(corner efficient intersection over union)损失函数代替原网络损失函数优化网络的训练过程,进而提高目标的检测精度;最后考虑嵌入式设备本身的计算能力问题,利用模型压缩策略裁剪网络中冗余通道,减少模型体积并提高检测速度。在自主构建的4200张WK-10型电铲数据集上进行性能测试,实验结果表明:与YOLOX网络模型相比,改进后模型的平均检测精度达到了95.37%,提高了1.95%,检测速度为46.1 fps,提升了8.4 fps,模型体积为31.74 MB,减少到原来的32.9%。对比多种其他现存方法,所设计的目标检测算法有着精度高、体积小和速度快的优势。

不同物料流对皮带机转载点的振动冲击分析与研究

选煤厂带式输送机转载点处两皮带有一定高度差,受上端面煤块大小、含水量等因素影响,会对皮带机造成不同程度的振动冲击,从而影响皮带机带身及托辊的使用寿命。为探究物料流对转载点振动冲击的影响,结合现场调研及相关理论,推出落料冲击的影响因素主要为物料流粒度级别和含水量。然后利用光纤振动传感器、数据采集卡等器材和Labview测试系统进行现场试验,将落料口下方带式输送机在不同物料流冲击下的振动信号进行采集和处理,试验结果表明,不同粒度物料流对转载点振动冲击不同,小粒度物料流对转载点的振动波形峰值为大粒度物料流的20%,自功率谱波形峰值为0.625%;不同含水量对转载点振动冲击不同,含水量少的物料流对转载点的振动波形峰值为含水量多物料流的60%,自功率谱波形峰值降低为45%。研究结果可为降低皮带机转载点振动冲击提供合理的方法。

基于改进Mask Scoring R-CNN的铲齿磨损检测研究

为了实现在电铲工作过程中对铲齿磨损进行实时检测,防止因铲齿磨损而影响电铲开采效率,提出了一种基于改进Mask Scoring R-CNN(region convolutional neural network,区域卷积神经网络)的铲齿实例分割模型。首先,以ResNet-101(residual network,残差网络)和改进的FPN(feature pyramid networks,特征金字塔网络)作为主干网络,提取高、低特征层的语义信息和细节特征并融合,结合ROI Align层对局部特征层进行裁剪和归一化处理,以完成目标检测与实例分割;然后,基于获取的铲齿分割效果图以及二值化掩码图形信息,计算实例分割后图像中铲齿部分的像素面积,以判断其磨损情况。结果表明,以ResNet-101和改进FPN为主干网络的铲齿实例分割模型在测试集上的平均像素精度为90.76%,平均交并比为83.62%,相比于以ResNet-101和传统FPN为主干网络的实例分割模型分别提升了1.18%和1.21%。在电铲采掘工作现场进行8次铲齿磨损检测实验,检测到的每颗铲齿的磨损程度波动幅度均小于2%,均方差为0.7左右,说明所提出的实例分割模型对铲齿有较好的分割效果和稳定性,基本满足磨损检测要求。研究结果可为铲齿磨损状态的智能化检测提供新思路。

融合短时傅里叶变换和卷积神经网络的托辊故障诊断方法

托辊故障已成为带式输送机运行中的常见问题。若不能及时诊断托辊故障,则将严重制约带式输送机的安全运行。为了解决上述问题,基于某矿带式输送机中间段托辊的实际运行工况,提出了一种融合短时傅里叶变换(short-time Fourier transform,STFT)和卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的托辊故障诊断方法。首先,以分布式光纤为基础,对托辊在正常、轴承损坏及筒皮断裂工况下运行时的振动信号进行采集并作STFT处理,得到对应的时频图样本集,并将其分为训练集和测试集。然后,将训练集输入CNN模型以进行诊断模型训练,在训练过程中不断更新不同工况下托辊的运行状态特征。最后,将训练好的CNN模型应用于测试集,并输出托辊运行状态的识别结果。结果表明,所构建的CNN模型的识别准确率高达99.6%。基于所提出的故障诊断方法,在某矿上开展现场实验,以进一步验证CNN模型的识别准确率。实验结果表明,CNN模型对带式输送机中间段托辊的运行状态有较高的识别准确率,可达96.5%,与测试集上的识别准确率仅相差3.1个百分点,说明所提出的故障诊断方法具有一定的可靠性。后续可通过不断增加不同工况下托辊的运行数据来提高该故障诊断方法的鲁棒性,这可为煤矿企业有效诊断托辊故障提供有力的理论基础。

巷道掘进截割钻进先进技术研究现状及展望

为响应智能化煤矿发展需要,同时为改善综掘工作面智能化无人化发展较综采工作面滞后现状,提出了掘进装备自主定型定向截割、掘进装备自主巡航、掘进机健康管理技术及多机多工序智能协同控制技术四大截割钻进装备先进技术并给出研究方向。针对掘进装备自主定形定向截割技术,通过研究不同掘进装备的截割轨迹规划、机身振动特征对截割头轨迹误差的影响规律及不同掘进速度下掘进巷道顶板稳定性分析方法进行掘进装备截割路径及截割速度规划研究;通过研究位姿监测技术、恒功率截割技术、记忆截割技术实现掘进装备自主定形定向截割控制;通过数字采集系统构建掘进巷道数字孪生虚拟模型,采用掘进机虚拟操纵平台实现掘进机远程自动截割控制。通过掘进巷道环境感知技术,构建掘进巷道的三维模型并标明巷道的安全情况;利用激光扫描及多种算法,形成巷道三维点云模型;对激光、通信、视觉及惯性等传感器等进行技术互补性融合,利用多种融合算法,实现高精度巷道感知;采用随钻测量系统进行瓦斯监测和超前探水作业;将视觉感知技术、激光测距技术、全站仪、超宽带定位技术等融入井下巷道的设备定位系统中,实时监测巷道内的掘进机位姿。通过结合掘进机健康管理技术发展现状,梳理出掘进机健康管理技术在故障预警技术、故障诊断技术、寿命评估技术3个方面存在的不足,并针对所面临的挑战提出了跨时空域度的监测信息多源数据融合技术、掘进机与断面岩层耦合作用机理、突发事件风险识别模型、自学习健康管理系统4项拟解决的科学问题。通过多传感器信息融合技术,研究掘进系统截割单元及临时支护单元的控制方法,分析多源信息分析处理及优化策略,以自动截割系统和超前临时支架移架系统为例,阐明了多传感器信息融合的运行机制,提出多工序协同控制技术难点及实现这一目标需要解决的2个关键点。

负载敏感在掘进机升降液压回路中的应用

针对矿用悬臂式掘进机掘进时悬臂抖动剧烈、截割头磨损严重的问题,采用负载敏感控制方法,对掘进机的升降液压回路进行重新设计。利用仿真软件AMESim4.2,对重新设计的负载敏感控制回路进行仿真,通过对仿真结果的分析可知,当负载压力从0瞬间升高到6MPa时,泵出口的压力在0.3s迅速稳定在6MPa,峰值为8.6MPa。而在同样的仿真条件下,早期的升降回路,不仅峰值达到了10MPa,而且调整时间需要4s。这些都说明了重新设计的升降回路能很好地适应负载的变化,起到了保护悬臂截割头和降低悬臂抖动的作用。

EBZ-160A型掘进机高压喷雾系统的设计

通过对EBZ-160A型掘进机喷雾系统缺陷的分析,在改进型掘进机中,利用高可靠性喷雾系统的参数确定方法,重新确定系统参数,制定喷雾系统工作原理图及结构,选择了配套设备。

液气锤故障分析与设计方案的改进

针对40 t.m液气锤在无操作情况下自动落锤的问题,介绍了单杆、排油打液气锤及其控制阀的工作原理,分析了该液气锤发生故障的主要原因和设计结构上的不足,并就这些缺陷,对机械密封和液压回路提出改进措施。同时提出了整个设备的改造设计方案,经多次方案论证,该方案具有切实操作性。

基于Adams的刮板输送机卡链及断链工况动力学特性分析

由于刮板输送机长距重载的作业特性以及复杂的作业环境,经常会导致卡、断链等事故发生。为了探究卡、断链事故发生后刮板输送机动力学特性,结合Adams虚拟样机仿真平台,对刮板输送机卡、断链异常载荷下特殊点的动力学特性进行模拟分析,得到了卡、断链工况下链环之间接触力的变化规律,并且针对卡链工况展开了实验验证。研究结果可知,卡链会引起刮板链传动系统波动强烈,且卡链点前后张力差值较大,断链位置越靠近机头处对链传动系统影响越大。

复杂条件下新型锚固钻机系统振动特性分析

针对煤矿井下掘锚比失衡问题,提出一种新型掘支锚平行作业机组,可对复杂地质条件下的巷道断面形状、煤岩属性及顶底板不平整性具有高适应性,通过搭载多姿态新型锚固钻机系统,实现掘锚同步并行快速作业模式;考虑掘锚作业空间位置关系、锚固断面形状尺寸及锚固作业耦合振动影响等因素,提出一种锚固钻机系统钻进抑振装置,采用“顶天立地”式稳定支撑形式,减少锚固钻机群组系统在同步作业时相邻系统耦合振动影响;考虑锚固钻机群组为多质量块、多自由度系统构成,提出一种基于复杂地形工况下机组变姿作业状态振动传递模型图,利用有限元分析软件Abaqus模拟钻进不同岩石属性工况,分析可得到不同煤层条件下钻杆的推进阻力变化规律;为求得锚固钻机系统关键部件在抑振装置作用下其刚度变化规律,基于材料力学中变形协调等方法求解横梁伸出不同长度及油缸支腿伸出/缩回状态的刚度变化范围;通过数值分析软件Matlab对上述锚固钻机系统动力学模型进行求解,得到在左右横梁伸出及支腿伸出与缩回等不同工况条件下钻机群组本体振动参数,分析可知钻机支腿对于减缓锚固机组横滚振动效果十分显著。通过进行锚固系统样机试验分析,验证锚固钻机系统支腿抑振效果满足要求,通过提高锚固系统稳定性可为锚固自动定位、钻孔成孔质量等方面的研究提供一定的理论基础。

巷道超前支架全支撑态动力学模型

设计了一种用于综掘巷道工作面顶板支护的迈步式超前支护装备,为提高该装备的工作稳定性,避免共振的产生,介绍了支护装备的结构和工作原理,利用拉格朗日方法,建立超前支架全支撑状态多自由度振动系统的动力学模型。基于自动控制理论,对超前支架动力学模型进行拉普拉斯变换,得到传递函数。基于现代控制理论,建立超前支架振动系统状态空间模型并给出参数,利用Matlab软件建立模拟动力扰动下超前支架系统的仿真模型,对振动系统进行仿真,得出系统动态响应。利用锤击试验得到振动系统模态参数,结合仿真结果,得到超前支架易产生共振频率为42.3~42.9 Hz。利用实验样机和测试仪器,对超前支架不同工作状态进行了振动实验,得到了前6阶的频率和阻尼比。

刮板输送机过弯曲段工况下力学特性研究

考虑到常规研究综采工作面刮板输送机过弯曲段时仅针对链传动系统进行了分析,而实际工作中随着推溜与拉架动作的进行,作为刮板输送机的主要支撑构件的中部槽会有一部分组合成弯曲段,针对此种工况,借助ADAMS虚拟样机仿真软件开展了动力学分析,并进行了实验验证。研究结果揭示了过弯曲段处相邻的两中部槽之间位移、夹角、速度的变化情况,以及弯曲段处中部槽哑铃窝与哑铃销轴之间的接触力变化特性。

一种综掘巷道临时支护力学特性及振动特性研究

超前支护装备主要由两组可互相推移的框架组成,属于综掘巷道顶板临时支护的一种。为提高超前支护装备的稳定性、避免共振的发生,在分析超前支护装备工作原理的基础上,提出超前支护单组支撑状态的力学模型,采用拉格朗日方法和广义空间坐标系原理,建立超前支护装备的动力学数学模型和状态空间模型。以劳斯-赫尔维茨判据作为其动态稳定性判断条件,参考煤矿井下常用激扰力数学模型,结合Matlab和现代控制理论对超前支护单组支撑组的振动特性进行仿真,得出系统动态响应。最后,利用超前支护装备实验样机和振动测试系统,对超前支护装备进行模态分析,研究结果表明:超前支护装备易发生共振的频率范围约42.353 Hz^42.994 Hz。

迈步式超前支护装置降架过程控制方法

为降低降架时超前支护装备对顶板稳定性的影响,提高支护效果,在分析支护结构和力学分析的基础上,建立超前支护装备升降架过程的力学模型;根据超前支护降架过程的力学要求,即保证支撑力缓慢减小的同时,对多液压缸进行同步控制,由此提出了降架过程位移-压力的双闭环控制方法,借助Simulink和力学模型对控制系统进行建模并仿真.最后,将研究内容应用到超前支护装备的实验样机中,实验结果表明:降架过程的最大同步误差10 mm,可控最高精度达到5 mm.

高精度双稳水流量试验器控制方法及实验

准确性和重复性是水流量检测试验器最重要的性能指标。为提高试验器的检测精度,以某航空叶片水流量检测试验器为研究对象,在分析其工作原理和电动调压阀性能的基础上,采用模糊PID控制器,配合遗传算法对控制器参数进行优化。提高水流量试验器压力和流量的双稳定性,并确保叶片流量检测结果准确性和系统重复性满足测量要求。经与常规控制算法仿真结果比较以及大量实验结果对比表明,叶片流量测量准确性误差小于±0.2%,系统重复性误差小于±0.5%,远高于实际测量要求精度。

自主激振式辅助截割相似实验样机研制及其力学实验

考虑到目前煤矿井下重采轻掘,综掘设备自身结构设计的局限性,掘进技术落后等问题导致巷道掘进效率低下,采掘比失调,同时煤矿井下巷道综掘设备体积庞大,井下环境复杂,设备拆解组装困难,难以在实验室条件下对其进行关键零部件力学特性分析及其截割效率提升实验,对一种主动激振辅助截割的方法进行研究,该方法基于相似理论,建立比例为1∶3的相似模型实验台,首先对其进行模态实验,得到前6阶的固有频率以及各阶的模态振型,验证主动激振辅助截割实验台的可行性;对实验台分别进行有、无主动激振截割实验,测量在有、无主动激振的情况下截齿截割接触力及截割电流变化,实验结果表明,在相同时间阶段内,当存在主动激振时,接触力的增大初值时间相比无激振时早0.07 s,作用时间更长,接触力相比无激励时减小0.12 kN,有激励后截割电流平均值减小1.12 A。通过基于相似理论构建的实验台能够在有限的实验室条件下对掘进机截割臂进行主动激振力学实验,从而为选取最佳的激振辅助截割参数提供理论参考,同时也从引入激振的角度为掘进机截割机构节能高效的工作开拓了新思路和新方法。

基于语义分割的火车车厢位置检测研究

为了实现在煤炭定量装车站装车过程中实时检测火车车厢位置,为溜槽升降提供触发信号,设计了一种基于语义分割的火车车厢位置检测模型。以FPN(feature pyramid networks,特征金字塔网络)和ResNet101(residual network,残差网络)为主干网络,提取并融合分辨率、语义强度不同的特征图;结合基于期望最大化(expectation maximization,EM)算法的注意力机制,构建车厢上边框语义分割模型,用于过滤特征图中的噪声,提高图像边界的语义分割精度;设计位置检测模块,计算语义分割后图像中各类别的面积及其比例和车厢上边框外接矩形高度,以获取火车车厢位置信息。结果表明,所构建的车厢上边框语义分割模型在测试集上的mIoU(mean intersection over union,均交并比)为81.21%,mPA(mean pixel accuracy,平均像素精度)为88.64%,相比未引入注意力机制的语义分割模型分别提升了3.91%和7.44%。在煤炭定量装车站现场进行的火车车厢位置检测试验结果表明,基于语义分割的火车车厢位置检测模型的检测精度满足煤炭装车过程中车厢位置检测任务的要求,这为实现煤炭定量装车系统的智能化提供了新思路。

学好邓小平教育理论 促进地方高校事业的新发展——纪念真理标准问题大讨论和党的十一届三中全会召开二十周年

回顾与总结历史,是为了更好地开创未来。纪念真理标准问题讨论和党的十一届三中全会召开二十周年,就是要抓住核心与根本:坚定不移地坚持并贯彻执行党的解放思想,实事求是的思想路线。勇于改革,大胆实践,把社会主义现代化事业推向前进。当前高校改革建设与发展面临着新的形势,需要广大师生在党的基本路线指引下做到四个有机结合,即:学习邓小平教育理论与学习贯彻党的十五大精神结合起来;学习邓小平教育理论与开展教育思想大讨论、转变教育观念结合起来;学习邓小平教育理论与深化教育教学改革、不断提高教育质量结合起来;学习邓小平教育理论与全面贯彻党的教育方针、开创高校校风建设、精神文明建设新局面结合起来。

美国大学创新人才培养模式及启示

文章介绍了美国大学的创新教育与创新人才培养模式,指出牢固树立以人为本的办学理念,坚持以学生为中心,努力做到课内与课外相结合、科学与人文相结合、教学与研究相结合;将以人为本的办学理念具体落实到高校的教育教学改革、加强师资队伍建设、建立优质的学生管理与服务体系、营造浓郁的育人环境与校园文化氛围等环节,是培养创新人才的有效途径与方法。