采煤机截割部低照度图像的边缘检测技术

针对井下低照度环境下采煤机截割部边缘检测任务中存在的边缘缺失、细节模糊等问题,提出一种基于分数阶微分的边缘检测Lif算法。首先采用更大的检测模板尺寸,根据Grünwald-Let-nikov分数阶定义构造最初的分数阶掩膜算子;然后根据Pascal三角形理论确定掩膜算子上各位置的权重系数,并将掩膜算子扩展到4个不同方向;最后将得到的掩膜算子与图像进行卷积,利用图像的局部特征信息对每个方向的微分结果进行后处理。结果表明:(1)在进行多个不同场景的井下低照度图像上的实验时,Lif算法可以更全面地获取图像中不同方向上的边缘信息,在处理低照度图像时具备更强的抗噪性能,并且提取的边缘线条比其余边缘检测算法更加清晰、完整,保留了更多的纹理细节信息。(2)在客观指标评价的对比上,与基于分数阶灰色系统模型的边缘检测算法以及改进的分数阶Sobel边缘检测算法相比,Lif算法在Entropy指标上分别提高了43%、11%,AG指标上分别提高了23%、23%,SSIM指标上分别提高了152%、6%。表明Lif算法在进行采煤机截割部的边缘检测任务时更具优势,研究对井下设备工作运行时的安全性和可靠性提升具有重要意义。

液压钻机钻杆连接方式研究

为了提高钻杆拆卸速度和改善转矩传递方式,文中根据液压管快速接头的工作原理对ZDY1900型钻机使用的63.5 mm钻杆接头进行改进和优化,研究设计了一种新型的钻杆连接方式。建立三维模型,导入ANSYS有限元软件进行静力学分析,并根据结果对接头结构进行进一步优化。改进后的快速接头改正了螺纹接头只能单向旋转的缺点,能够实现正反转动,并且装卸快速方便,更利于机械装卸和矿用钻机自动化发展。

井下工程参数随钻测量系统研制

钻探过程中,随钻实时测量近钻头工程参数是动态调控钻探工艺的重要依据。针对钻探过程中各项工程参数测量的需要,设计了一套井下工程参数随钻测量系统。通过室内模拟试验环境对随钻测量系统进行了试验测试,结果表明,该系统能够测量井下温度、压力、扭矩、轴压及振动等工程参数,且测量误差较小,满足实际钻探项目的需求。

基于应变法和光电法的液压凿岩机回转性能试验分析

液压凿岩机是一种广泛应用于岩石开采和工程建筑的重要设备,其回转性能对凿岩效率具有重要影响。探索更简单、有效、准确的回转性能检测方法对于研发高性能液压凿岩机和提高凿岩技术具有重要意义。该文在对液压凿岩机工作原理和回转性能参数分析的基础上,结合应变法和光电法的测试原理,将其应用于液压凿岩机回转扭矩和回转转速的检测中,提出了一种液压凿岩机回转性能测试系统。该系统通过应变法实时检测液压凿岩机回转部件的应变变化,通过光电法实时检测回转部件的转速,然后通过数据分析和处理,得出液压凿岩机的回转扭矩和回转转速,主要由路由器、应力信号采集模块、激光测速传感器、液压凿岩机组、转速信号采集模块等组成,为凿岩行业提供了一种回转性能测试方案。通过实验验证,该系统能够连续采集和在线实时检测液压凿岩机的回转扭矩和回转转速。实验数据的分析表明,液压凿岩机的回转扭矩与负载密切相关。在施加负载未超过凿岩机额定扭矩时,增加回转进油压力只会提高钎杆的转速,对回转扭矩的影响较小。这一发现为优化液压凿岩机的工作参数提供了重要的依据,可以提高凿岩效率。

矿用自动液压锚杆钻机可靠性分配研究

针对自动液压锚杆钻机可靠性数据缺乏、结构复杂、工作环境恶劣的问题,优选了代数分配法作为其可靠性分配方法。通过结构功能分析,将钻机划分为8个组元并建立了可靠性分析模型。依据MT/T 688-1997《煤矿用锚杆钻机通用技术条件》计算了钻机故障率。运用代数分配法完成了钻机可靠性分配,研究结果表明控制系统等4个组元为薄弱环节。从提升关键部件可靠性和钻机加载试验两方面提出了钻机可靠性提升建议,对于自动液压锚杆钻机研发具有参考价值。

基于损伤力学的矿用定向钻机金属结构寿命评估

针对ZYL-15000D型煤矿用履带式全液压定向钻机底座寿命评估,首先通过Q345B钢的脉动循环加载拉伸疲劳试验数据,拟合得到应力幅值和寿命的关系式,经由应力修正和安全系数的选取,转换得到对称循环下的应力幅值和寿命的关系式。结合基于损伤力学推导出的损伤退化模型,根据Q345B钢试验数据拟合确定损伤退化模型中的待定参数,将Q345B钢对称循环下应力幅值和寿命的关系式代入,得到Q345B钢的疲劳损伤退化模型。然后借助ABAQUS对钻机整机进行结构分析,得到钻机底座的危险点位置(即应力最大处),在该型号样机试验台上通过应变片测得钻机底座危险点处的应力—时间历程。最后采用雨流计数和应力修正,对测得的随机载荷谱进行处理得到雨流计数直方图(应力均值-幅值-循环次数),再转换为对称循环载荷的形式,代入确定的疲劳损伤退化模型中,评估钻机底座的疲劳寿命。

煤矿用钻孔机器人钻臂定位误差补偿研究

目前钻孔机器人位姿调节多采用手动遥控调节与人工复测结合,未实现全自动调节,开环控制精度低、自动化能力低、无法实现煤矿用探放水、防突和防冲钻孔机器人精确开孔定位与孔群全自动施工。通过分析钻孔机器人钻臂结构和动作,建立了钻臂运动学模型;通过对加工误差、机身变形、装配间隙等影响因素分析,发现采用回转减速器蜗轮蜗杆结构间隙会引起倾角和方位角误差放大,并在机身平时会引起倾角和方位角误差最大达0.85°;为消除误差,首先采用传统钻臂运动学误差补偿方法建立了钻臂静、动态误差补偿模型,利用全站仪测试关节间隙和变形量,基于补偿模型和RBF神经网络法求逆解得到误差补偿量,钻臂期望位姿与实际位姿误差的x方向平均误差为9.6 mm,y方向平均误差为18.2 mm,z方向平均误差为16 mm,满足工程应用要求;其次为解决传统全站仪试验测量的方法的复杂性和非实时性问题,提出了一种通过激光测距仪和高精度开孔定向仪组合获得位姿误差检测的方法,通过测距实时计算实际和理论倾角、方位角差值,作为误差补偿后的新倾角和方位角的控制输入量,对钻臂进行实时误差检测与补偿;最后利用传统全站仪精度检测方法对激光测距组合位姿误差补偿模型进行验证。试验表明:激光测距组合定位误差检测法最大误差差值在±0.5°以内,方位角最大误差在±0.5°以内,比未采用误差补偿前分别提高了41.1%和37.5%,满足了钻孔机器人开孔定位误差要求。在煤炭行业开展了钻孔机器人钻臂在线精确定位与误差补偿研究,对钻孔机器人精确自动开孔定位及孔群全自动施工具有重要的借鉴和指导意义。

基于改进A^(*)算法的矿用机器人救援路径规划及仿真分析

【目的】煤矿井下灾后现场情况复杂,针对传统A^(*)算法的煤矿机器人救援路径规划存在路径不安全、效率低等问题,结合栅格地图及救援机器人可沿任意方向移动的特点,多方面对传统A^(*)算法进行改进。【方法】首先,引入了机器人尺寸叠加到障碍物的概念,以确保路径的安全性。其次,通过优化启发函数,降低偏离最佳路径节点的扩展数量,减少冗余节点与路径转折,降低了计算复杂度。最后,采用动态调整算法将路径转折角圆弧化,对所得路径平滑处理,提高了路径的可操作性。最终获得路径代价更小、耗时更短、转弯次数更少的优化路径。基于改进的A^(*)算法,利用MATLAB开展了不同尺寸及不同障碍物覆盖率下救援机器人路径规划的仿真模拟试验。【结果】结果表明:相较于传统A^(*)算法,在崎岖环境地图中改进的A^(*)算法使搜索节点降低了26.51%、计算时长减少了80.42%、路径长度缩短了31.85%、转向次数减少了44.44%,提高了路径的搜索效率和平滑程度。【结论】改进的A^(*)算法为复杂工况环境下煤矿机器人的救援工作提供了一定的理论基础。

孕镶金刚石钻头磨损机理研究

孕镶金刚石钻头通过钻头胎体的持续磨损实现金刚石的自锐和高效破岩。因此,研究金刚石钻头磨损的影响因素及其影响程度和影响机理,对孕镶金刚石钻头的设计和使用非常重要。本次研究探讨了岩石物理力学性质、钻头胎体性能和钻进工艺参数等因素对孕镶金刚石钻头磨损过程和磨损机理的影响。分析表明,对钻头磨损最为显著的影响因素是岩石中的硬质颗粒导致的磨粒磨损,其次是钻头胎体与岩粉之间的粘着磨损,以及冲洗液中岩粉颗粒导致的冲蚀磨损。在此基础上,以不同硬度的钻头胎体摩擦磨损试验结果为例,探讨了钻头胎体性能及其内部硬质点对钻头磨损的影响机理。该研究成果可为科学设计与合理使用孕镶金刚石钻头提供依据。

基于线性自抗扰防卡压力流量回转系统研究

针对煤巷锚杆支护时岩石强度复杂多变而出现的卡钻现象,提出一种线性自抗扰控制(LADRC)算法,通过控制比例先导压力阀和变转速伺服电动机,合理匹配钻进时的压力和流量。为验证上述方法的合理性,设定负载端为突变和渐变两种围岩硬度变化工况,在AMESim与Matlab/Simulink中进行模型搭建和联合仿真实验,并与滑模控制(SMC)和PID控制进行比较。结果表明:根据负载变化,采用比例先导压力阀实现回转马达变扭矩输出,可以解决钻进过程卡钻问题;采用转速环和电流环双闭环控制的伺服电动机,可以根据负载变化调节系统流量。提出的LADRC控制电动机和压力阀相较于滑模控制和PID控制,超调量更小,具有更好的响应性和鲁棒性。

自动定向钻机双摩擦力胶体卡瓦仿真研究

煤矿井下钻孔封孔技术自动化程度不足,采用自动定向钻机协助封孔可提高封孔自动化程度。设计了一种自动定向钻机用双摩擦力胶体卡瓦,以解决自动定向钻机夹持器夹坏封孔器的问题;提出了2种胶体结构,实现了主动钻杆接扣与退扣2个过程摩擦力差异化,确保钻机顺利加接封孔器。采用非线性有限元法,选用Mooney-Rivlin应变能函数表征胶体力学性能,开展了胶体夹持封孔器仿真,得到了不同材料胶体的工作摩擦力,验证了2种结构胶体的合理性,研究了胶体表面胶条压缩量对封孔器应力的影响,探究了胶体表面胶条数量对胶体轴向摩擦力的影响。结果表明:天然橡胶与聚氨酯橡胶作为胶体材料是合理的,胶条压缩量宜为0.9 mm、胶条数量宜为3条。

矿用隔爆压入式对旋轴流通风机性能调节的研究

通风机是矿井安全生产的重要设备,被称为矿井的肺。为解决大功率通风机长期处于非设计工况运行时效率低、风压小、能耗高等问题,采用FLUENT流体仿真软件,研究对旋式风机叶片在不同安装角度的运行特性,明确风机运行时的最佳安装角度。研究结果表明,当风机的流量工况不同时,所对应的最佳风机安装角度不同,根据流量工况来匹配不同的风机,能够显著提升风机的运行效率,保障矿井安全生产。

煤矿双巷连掘工作面智能化锚杆钻车研究与应用

基于现有四臂顶锚杆钻车、六臂帮锚杆顶锚索钻车,对其进行智能化升级改造,研制智能化四臂顶锚杆钻车、智能化六臂帮锚杆顶锚索钻车,并在双巷连掘示范工作面开展试验应用。结果表明:2种钻车实现了顶/帮锚杆、顶锚索支护钻孔施工的电液智能化控制,在局部少量人工辅助下完成顶/帮锚杆支护钻孔、锚固全流程自动化施工,起到了减员、提效作用,为煤炭行业智能化转型提供技术支撑和有益参考。

湖南周源山煤矿采空区群钻井与充填施工工艺

矿产资源开发利用过程中产生了煤矸石、废石、尾砂等,大量矿山废料堆放于地表,容易诱发泥石流、尾矿溃坝事故。同时矿床开采产生的地下大量采空区,容易诱发塌陷、矿震、滑坡、矿井突水等地质灾害。采空区群失稳成了煤矿安全生产的主要危险源之一。结合一工程实践,对矿区地质特征及岩层的可钻性进行了分析和研究,探讨了煤矿采空区群的钻井成孔和充填施工的工艺技术方法;通过室内试验,获得了尾砂充填系统尾砂膏体的配比。采用信息化技术方法,建立了煤矿井下巷道及其采空区群的三维矢量化、可视化模型,对钻进成孔工程实践具有指导意义。

ZDY6500LQK钻机电液控制系统故障分析

ZDY6500LQK是在煤矿井下大量推广应用的一款电控钻机,其远距离遥控操作减轻了工人劳动强度,提高了安全性。但随着设备的长期使用,钻机电液控制系统难免出现故障。为了快速、准确地定位故障原因和迅速处理故障,建立了以遥控发射器调节给进压力时压力显示异常为顶部事件的故障树模型。结合实际生产,定量分析了基础事件发生的概率。结合大概率基础事件的定性分析,从维护保养和设计优化两方面提出了解决方案,为钻机电液控制系统的改进和优化提供参考。

ZDY4500LK全流程自动钻机研制与应用研究

为提高煤矿井下钻机施工安全性、提升钻孔效率、降低工人劳动强度,设计开发了一种基于六轴机械手自动加卸钻杆的一体式钻孔机器人及控制方法,解决了煤矿井下机器人伺服电机控制系统防爆问题。整机采用一体式结构,运输尺寸小,变幅装置灵活可靠,可以实现150 m左右钻孔的全自动钻进施工。介绍了该钻机的主要技术特征及系统参数、关键技术,以及在淮南张集矿的工业性试验情况。试验结果表明,ZDY4500LK钻机结构设计合理,双机协同控制系统运行可靠,实现了全自动钻进施工,促进了钻探装备技术自动化、智能化的发展。

煤矿用自动化钻机远程控制系统的研制

针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题,采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术,研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主体,实现了视距内控制、井下集控以及地面远程监控3种控制模式,并构建了云端自动化钻机管控平台。具体而言,视距内监控模式通过遥控器、控制器及配套传感器,实现了对井下视觉范围内钻机的精确操作;井下集控模式则集成了集控舱、隔爆兼本安型计算机、本安显示器、隔爆兼本安型交换机、本安摄像头以及本安操控箱等设备,实现了对井下危险钻场的钻机远距离安全监控;地面监控模式则通过地面操控台、地面服务器、显示器、交换机以及AI智能分析盒子等设备,为自动化钻机的地面远程监控提供了有力支持。此外,云端自动化钻机管控平台则主要用于自动化钻机群运行状态和施工状态的数据统计与分析。研制的远程控制系统应用于ZDY4500LFK、ZDY6500LDK型钻机,并实现了视距内遥控、井下集控以及地面远距离控制等多种控制方式的稳定运行。现场试验和测试研究结果表明:(1)钻机视距内遥控系统遥控器按键丰富、控制器具有CAN、RS485等丰富的接口,手机升级便捷方便,可广泛应用于钻机电控化升级和改造。(2)远程集中控制系统可以实现10km距离的远程控制,控制响应时间小于200ms。视频、参数采集数据响应及时无卡滞,可以满足井下钻机远程监控的需求。(3)地面远程监控系统可以实现地面钻机远程监控并具有AI识别功能,可实现人员闯入预警和停机功能。(4)自动化钻机管控平台经过功能、压力、并行、访问测试,功能正常,响应及时,系统无崩溃,可用于自动化钻机数据和工况的统计分析。该控制系统的应用在保证钻孔施工安全的同时也为煤矿钻机实现少人化、智能化、信息化提供了借鉴。

基于层次分析法的智能钻机运行工序判识

煤矿钻机智能施工过程中自动判识当前工序的难度较大,针对该问题提出了一种包含钻机运行过程层次建模、工序执行概率推理的工序判识方法。首先,以层次分析法对钻机运行过程中不同粒度对象间耦合过程进行描述和建模,揭示了钻机各工序执行过程中设备、功能与系统间的交互特征。其次,在上述研究基础上引入贝叶斯概率推理方法,建立工序执行概率推理模型,分析了钻机运行过程中不同粒度对象属性与各工序状态间的因果关系。随后,将采集到的传感数据进行处理并作为实时证据提供给工序判识模型,推理获得各工序的当前执行概率。最后,以ZDY23000LDK钻机运行过程中液压压力值、动力头转速及移动速度作为输入信息,利用提出的工序判识方法,推理出当前执行工序编号,实验结果显示针对上扣工序、钻进工序和起拔工序的识别准确率分别达到85.3%、81.2%和87.1%,从而证明所提工序判识方法是切实可行的。上述研究工作提供了钻机运行过程的层次解耦方法及钻机不同粒度对象间交互过程的分析方法,为后续钻机智能控制方法研究及先进智能地质装备研发提供了技术支撑。

煤矿钻孔机器人双机协同加杆运动空间分析及应用

针对煤矿钻孔机器人主机、加杆机械臂与杆仓的运动空间及布局问题,通过分析煤矿钻孔机器人的结构特点,建立了加杆机械臂和主机的运动学模型,求得其基坐标系与末端坐标之间位姿变换矩阵、关节变量与末端位姿关系式;构建了协同加杆运动的空间集合,采用蒙特卡洛法对运动空间求解,得到了加杆机械臂末端和主机钻杆中心点的运动散点图;以加杆机械臂的运动空间范围为基准,确定了主机和杆仓的位置设计范围分别为-1.87~-0.80 m和0.35~2.06 m。试验结果表明:该煤矿钻孔机器人布局合理,操作灵活,加杆机械臂可将杆仓中的全部钻杆准确放置于主机上的回转器与夹持器之间。

基于节流压降原理的煤层段水力造穴钻头研究

煤层段水力造穴能够增大煤层透气性,提高瓦斯抽采效率,然而水力造穴钻头的节流控制机理分析计算方法仍不完善。首先,介绍了水力造穴装置的组成、水力造穴的详细过程、水力造穴钻头的结构和原理、节流管的作用机理;将节流管内部流畅简化为一维流体进行分析,根据流体连续性方程、动量方程、伯努利方程3个方程,推导了节流管内部压力分布的数学表达式,绘制了节流管内部压力的分布曲线。其次,依据k-ε湍流模型建立节流管的仿真模型,分析了节流管内部压力分布、流速分布。最后,开展了水力造穴钻头开启关闭试验,研究了水力造穴钻头开启关闭流量和压力的变化、不同节流管缩径直径和压降值之间的关系;为低透煤层瓦斯抽采增透提供钻具支撑,为水力造穴钻头的节流管设计提供借鉴。