矿用单元式液压支架立柱“井”形防冲吸能构件特性分析

为了解决目前煤矿井下巷道支护设备和支护材料在冲击地压作用下发生损坏破坏和失效的问题,设计研发了一种新型多肋板吸能构件。首先,根据防冲支架吸能构件的作用原理,明确了吸能构件的设计要求,提出了一种多肋板型吸能构件,对吸能构件的构型和截面形状展开了结构设计,给出了多肋板型吸能构件尺寸图与三维模型图;基于简化的超折叠单元理论剖析了“井”形管的能量耗散途径,推导出了“井”形管的平均支反力预测公式;其次,采用数值模拟方法对多肋板型吸能构件吸能特性展开了仿真研究,并探究了肋板厚度和不同材料对多肋板型吸能构件的吸能性能的影响,得出了肋板厚度和材料显著影响吸能性能的结论。最后,利用MATLAB的遗传算法进行了优化,利用参数优化结果,重新设计了多肋板型吸能构件,并进行了仿真试验,将仿真试验与压溃试验的结果进行对比分析。分析表明,遗传算法迭代的多肋板型吸能构件具有较好的能量吸收参数,在平台阶段支撑反力的波动较小,能量吸收过程相对稳定,能有效达到能量吸收的效果。

基于IMU-LiDAR紧耦合的煤矿防冲钻孔机器人定位导航方法

防冲钻孔机器人是冲击地压矿井卸压的关键设备,其在复杂卸压巷道的精确地图构建和的稳定导航是实现钻孔作业智能化的基础和前提。在分析激光雷达点云畸变成因和同步定位与地图构建(SLAM)算法缺陷的基础上,设计了基于惯性测量单元(IMU)连续时间轨迹的点云畸变矫正方法,建立了激光雷达和IMU的数据融合模型,提出了基于IMU-LiDAR紧耦合的防冲钻孔机器人定位建图方法。根据煤矿卸压巷道特点建立了密闭坡道模型,开展了建图效果仿真分析,结果表明,所提算法在定位精度、轨迹误差方面均优于现有常用算法。在此基础上,设计了基于改进人工势场法和快速扩展随机树的动态路径规划方法,建立了适用于防冲钻孔机器人的路径规划与导航融合方案,并设计了2种仿真运动场景,结果表明,所提路径规划方法在全局路径规划和动态路径规划的平均路径长度、平均运行时间、平均生成节点数等方面均具有较好的综合性能。为了进一步验证防冲钻孔机器人定位导航方法的实用性,在校内模拟巷道、地面实验基地和井下卸压巷道等场景下开展了多组对比实验,结果表明:将IMU数据与LiDAR数据紧耦合后,所提方法的定位建图精度明显提高,在特征退化场景中具有优越的定位建图性能,且规划路径的运算效率和路径代价方面均具有良好的表现,验证了所提定位导航方法在多种场景中的可行性和优越性。

煤矿防冲钻孔机器人全自主钻进系统关键技术

针对高地应力矿井钻孔卸压作业智能化程度低的技术难题,总结分析了国内外钻孔卸压技术和装备的研究现状,指出研发高性能、高可靠、高效率的防冲钻孔机器人全自主钻进系统是破解冲击地压防治难题的重要发展方向。为此,凝练了影响钻进系统性能的“孔位精准识别、钻具姿态精确感知、无线电磁随钻智能检测、钻具运行状态智能识别和钻进系统精确控制”五大关键技术,并给出了解决思路和方法。针对在复杂恶劣环境下卸压孔的精确识别问题,设计了融合图像尺寸调节和多阶段训练模式的卸压孔图像样本扩充SinGAN模型,引入多层特征融合优化的FasterRCNN,构建了基于改进SqueezeNet轻量级网络架构的孔位识别模型,以实现卸压孔位的准确快速识别;针对钻具姿态精确感知问题,提出了基于改进梯度下降法算法优化无迹卡尔曼滤波的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)初始对准方法,设计了多个IMU的空间阵列布局方式,研究了基于BP神经网络的钻具姿态误差补偿方法,旨在提高钻具姿态的解算精度,实现精准钻孔卸压;针对复杂地质环境下钻进工况的精确检测问题,搭建了煤矿井下随钻测量无线电磁传输系统架构,探讨了微弱电磁波信号自适应调制和随钻高速双向电磁传输技术原理,研究了孔底地质参数、几何参数和工程参数的测量原理和实现过程;针对钻进系统运行状态识别问题,构建了钻进信号时域、频域、时频域的多域特征和深度网络高级特征提取架构,提出了钻进系统关键零部件健康状态评估和故障诊断技术,构建了基于改进蝙蝠优化长短期记忆网络的卡钻风险因子预测模型,实现对卸压钻具卡钻状态的准确预测;针对钻进系统的精确控制问题,分析了钻进系统的液压系统工作原理,构建了考虑煤岩性状的钻进系统精确控制方案,探讨了基于转矩和位置的钻进系统最优控制参数求解原理,旨在实现钻进回转系统和给进系统的智能协同控制和并行作业。

巷帮煤体整体滑脱型冲击地压锚杆防冲支护原理及工程实践

冲击地压是目前严重影响煤炭安全有效开采的灾害之一,研究锚杆防冲支护原理和技术对防治巷道冲击地压灾害具有重要意义和价值。通过对巷帮煤体整体冲入型冲击地压发生的地质条件以及破坏特征进行总结分析,认为坚硬顶板与坚硬煤层是此类型冲击地压的重要地质特征,而巷帮煤体整体滑脱是其主要冲击破坏特征。在此基础上,以巷帮滑脱煤体为研究对象,建立了顶板-巷道-底板复合结构体力学模型,建立了巷帮煤体发生水平滑移的极限平衡方程,并对各个参数进行分析。结果表明:由于顶板反弹使巷帮煤体竖直方向压力降低,巷帮煤体被构造应力推入巷道发生冲击地压。基于该发生机制模型,认为目前的锚杆支护设计体系在防治巷帮煤体冲入型冲击地压存在不足,并基于其发生和破坏特征,建立了针对巷帮煤体整体滑脱型冲击地压的锚杆防冲支护设计原则,即将顶和底帮锚杆锚固端分别穿层打入稳定的顶底板内,并使用长锚索取代中部帮锚杆,提供锚杆支护的防冲作用。基于新建立的锚杆防冲支护设计方法,以大屯矿区孔庄煤矿7305工作面防冲支护为工程背景,在宽煤柱段巷帮锚杆支护采取了防冲设计,帮顶、底部锚杆及补强锚索均锚固于顶底板内部,能够有效吸收煤体滑动动能,提高安全性。

基于无线电磁传输的防冲钻孔机器人钻进轨迹随钻测量方法

防冲钻孔机器人是高地应力矿井实现无人化卸压的必要装备,研发可靠的钻进轨迹随钻测量系统是保障钻孔卸压效果的重要措施。为此,在分析钻进轨迹算随钻测量基本原理的基础上,研制了基于无线电磁传输技术的钻进轨迹随钻测量钻杆;分析了不同电磁信号调制方式的频谱效益和抗噪声性能,设计了钻杆姿态信号的频移键控(FSK)调制和解调流程,进而开发了先放大后滤波的微弱信号调理系统,设计了相应的功能电路,并基于Multisim软件对其进行了测试,各电路模块满足设计要求。对比分析了5种轨迹解算算法的精度和执行效率,选择了均角全距法进行钻进轨迹解算,研究了基于小波滤波的惯性测量单元测量数据振动误差处理方法,验证了小波滤波算法对于提高姿态角解算精度的有效性。提出了基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法,并开展了地面试验与井下试验。试验结果表明:所设计的微弱信号调理系统可以实现煤矿井下微弱信号的接收与处理,基于拉线位移传感器与机器人动作标志位的钻进深度测量方法可以提高钻进轨迹的拟合精度。

防冲击地压薄壁吸能构件的压溃吸能机理分析

当煤矿井下发生冲击地压时,矿用液压支架的冲击性失效,常常会引起巷道支护系统的破坏,进而引发巷道坍塌,造成矿难。当前通过添加吸能构件来提高支架的防冲击性能是防治巷道冲击地压的有效途径之一。而不同类型吸能构件的压溃变形模式不同,表现出的吸能特性和力学特性也不同。本文采用数值方法对不同类型、支座和壁厚的吸能构件进行了冲击压溃模拟,通过对各相关防冲吸能参数的对比分析可知:预折纹吸能构件支撑反力最大、具有良好的吸能能力,但变形过程稳定性较差;外翻式吸能构件的塑性变形能力强,有效让位行程最大,但支撑力较小,不适合单独使用;扩径式吸能构件变形过程稳定性最好,其塑性变形后的径向位移较小,节省工作空间,但支撑能力较差,适用于小型液压支架或用作其他特殊用途。

警务车辆特种驾驶“防冲撞”专项培训课程研究

警务车辆“防冲撞”驾驶专项训练是全警实战大练兵活动的重要内容之一。依托于公安部警务车辆特种驾驶培训基地这一平台,通过多年来积累的警用车辆安全驾驶和特种驾驶教学经验,结合当前车辆冲撞类案件的特点,以及应急处置的不同临战状态,研究搭建了以单车最小作战单元现场处置为基础,双车、多车配合相辅助,以不同情境条件下车辆的追击、控制、截停等为技战术要点的一门针对性强、全面完整、及时有效的特种驾驶“防冲撞”专项培训课程。

苏巴什水库下游消能防冲建筑物加固设计

苏巴什水库工程行洪过程中,水库下游消能防冲建筑物遭受洪水冲刷破坏。针对消能防冲的问题,首先分析了冲刷破坏的原因,其次明确了加固设计思路,在此基础上进行多方案比较分析,并依托水工模型实验优化消力池内辅助消能工设计,最终确定加固设计方案。水库在经历次年行洪后,加固改造范围没有冲刷破坏,河床未见明显掏刷痕迹,挡墙基础结构稳定,可知加固设计方案是可行的。

基于数值模拟的水闸消能防冲控制条件确定方法研究

为研究水闸消能防冲控制条件的确定方法,以铜城闸实际工程为例,采用数值模拟方法在优选模型的基础上分别选取消能设计工况与消能校核工况的5个闸门开度进行消能防冲计算,通过分析确定过闸最大单宽能量找寻该水闸运行时的最不利工况。模型优选后闸前上游段计算长度选取90 m、防冲槽下游段计算长度选取40 m、网格划分形式选取基于粗网格下的局部加密网格、湍流模型选取RNG k-ε模型,在此模型基础上最终计算分析得出消能设计工况下闸门开度为4.0 m时,过闸单宽能量最大,此工况下上游水位10.1 m,下游水位5.6 m,即为该水闸的消能防冲控制条件。研究内容打破了将水闸泄洪工况作为最不利工况的传统思路,更能保障该水闸的安全运行,具有较好的工程应用价值,能够为同类水闸工程确定消能防冲控制条件提供参考。

冰盖下桥墩局部冲刷新型防冲组合结构试验研究

河流冰盖的形成改变了桥墩周围的水力特性,导致桥墩局部冲刷加剧。基于动床冲刷,在冰盖及明流条件下进行了螺纹式减冲索与钩环式护圈组合的新型防冲结构室内模型试验,探究其对桥墩局部冲刷的防冲效果。试验结果表明:新型防冲组合结构改变了桥墩的局部冲刷模式,延缓了冲刷过程;通过极差分析与方差分析可知,螺纹直径为6.0 mm、螺纹角为15°、螺纹排数为3的新型防冲组合结构的防护效果最优;与无防护工况相比,在粗糙冰盖条件下新型防冲组合结构桥墩最大冲刷深度减小了59.03%;螺纹式减冲索增大了桥墩表面的粗糙度,可以更好地削弱下潜流和分离墩前迎面水流,从而达到有效防冲的目的。

巷道防冲吸能钢管混凝土拱架支护性能研究

针对目前巷道支护中钢管混凝土拱架缺乏可缩让压性能的问题,从吸能让位角度设计了一种防冲吸能钢管混凝土拱架结构。通过Abaqus建立新型钢管混凝土拱架与围岩组合模型,在静载与动载两种荷载状态下,对比分析新型拱架对巷道的支护效果与抗冲击能力。结论如下:①根据合理的让位阻力特性设计吸能构件壁厚与尺寸,在拱架上部连接处和底弧段中部设置吸能构件,可避免弯曲过大发生失稳。套管形状依据U型钢拱架卡揽结构设置为折纹型,与拱架摩擦实现缩动让压;②在竖向与侧向冲击下,优化后拱架支护巷道各点位移量呈减少趋势,降低了拱架顶弧段下沉与底弧段上拱,支护效果更强;③静载作用下,优化后拱架与吸能构件接触后,拱架各点处塑性应变不再增加,吸能构件代替拱架发生形变。在受到动载后,吸能构件能快速响应,同时拱架两帮拐角发生弯曲变形,其余部分仍未发生明显变形。吸能构件压溃后,拱架整体塑性应变开始增加,最终优化后拱架各点等效塑性应变竖向与侧向冲击下分别降低了10%~50%和13%~78%。

海上风电基础仿生草防冲刷试验

针对仿生草防冲刷方案开展物理模型试验,探讨仿生草尺寸和布置方案对海上风电单桩基础防冲刷效果的影响。结果表明,在综合考虑防冲刷效果及成本的情况下,仿生草高度和布置半径存在最优值。当仿生草高度为1.5 m、仿生草布置半径为1.7倍桩径时,仿生草防冲刷效果较好,且较为经济。

海上风电基础防冲刷装置专利现状

与陆地风力发电相比,海上风力发电具有风能资源丰富、不受占地面积制约、噪声污染影响小等明显的优势,因此海上风力发电逐渐成为风力发电的重点发展方向。在风电场建成后,浪、流等水动力作用会对海上风电基础周围土体产生严重的局部冲刷,带走海上风电基础周围的泥沙。

颗粒填充钢管支护构件防冲减震性能研究

为解决钢管混凝土内部混凝土收缩产生裂缝导致支护效果减弱问题,基于光滑粒子流(SPH)方法研究砂石颗粒充填钢管防冲减震性能,采用有限元软件建立砂石钢管和钢管混凝土受到轴向冲击与循环荷载作用模型,通过吸能指标与阻尼比进行对比,最终充填至巷道拱形支架中分析二者支护效果。研究结果表明:顶板轴向冲击时砂石钢管顶板能量衰减更多,且内部塑性耗散能密度更大,产生裂缝的概率更低。砂石钢管内部颗粒黏聚效果良好更早进入回升段,恒载段更加稳定,吸能效率更优;循环荷载作用时砂石钢管内部颗粒具有较好黏聚力与摩擦耗能作用,滞回曲线宽度增幅较小,砂石颗粒钢管阻尼比大于钢管混凝土,耗能效果较好;在巷道支护中,砂石充填拱架支护巷道位移量与拱架等效塑性应变值基本小于钢管混凝土拱架,其中两帮底部受弯较严重位置巷道位移量与拱架等效塑性应变大于钢管混凝土。研究结果为钢管支护构件在巷道支护的运用提供有益参考。

潮流作用下水工建筑物防冲刷技术进展综述

文中对潮流作用下水工建筑物冲刷机理的理论研究进行了梳理总结,对目前已有的一些防冲刷措施和工程实例进行了调研,通过对四面六边体透水框架防护、主动式勾连体防护、双工字透水框架防护、固化土防护、海底仿生防冲刷系统等新的防护技术及其应用实例的分析,对各新技术的优缺对比提出几种可行的潮流作用下水工建筑物防护方案构想。

陡窄河谷挑流消能下游边坡防冲试验研究

基于拉哇水电站溢洪洞采用挑流消能,对陡窄河谷下游边坡冲刷问题进行了试验研究。通过可视定床模型,对边坡水力学参数进行分析,并与边坡动床试验进行了对比。试验成果表明:扭曲挑坎的水流流态、岸边流速以及脉动压力等指标均优于斜切挑坎,岸边最大压力点高程与基岩抗冲流速等值线最低点高程相近;采用散粒体模拟陡峻边坡,边坡冲刷形态与定床岸边流速规律呈现较好的相关性,能较好地反映陡峻基岩边坡受水流冲刷作用的破坏范围。研究成果对类似工程的岸坡支护分区划分、防护深度确定和支护结构型式的设计具有一定的借鉴意义。

基于EDEM仿真的溜槽防冲击研究

为减小溜槽下落煤炭对下部承载设备的冲击,文中设计一种具有防冲击结构的新型溜槽,该结构具有减速轮和减速挡板2个减速装置,可以快速降低煤炭运行速度,减小下落煤炭冲击力,采用Solidworks建立溜槽的三维模型,通过EDEM-MBD耦合建立了不同煤炭在溜槽中的动态过程,以Hertz-Mindlin接触模型对不同煤炭下落过程进行了数值模拟分析,得到不同煤炭在下落过程中的速度和冲击力变化曲线,验证了防冲击结构的合理性。

煤矿防冲安全性分类赋权评价方法及应用

针对当前矿井冲击危险性评价主要聚焦于设计阶段或防冲措施实施之前,缺少对实施防冲措施后的采掘工作面防冲安全性评价的现状,综合考虑冲击地压发生地点、破坏形式、载荷类型和震源位置等,将冲击地压类型划分为煤体型、煤柱型、顶板型、断层型、综合型5种类型;基于分类防治思想,综合考虑冲击危险性、巷道围岩、监测预警体系、防冲支护体系、冲击地压防治措施和防冲管理能力等因素对防冲安全性的影响,提出了分类赋权评价方法;给出了防冲安全性系数计算公式;将防冲安全等级划分为安全、基本安全、不安全3个等级。以某矿31119工作面为例,给出了防冲安全性评价的完整流程和结果;运用分类赋权评价方法对部分典型冲击地压矿井具有冲击危险的工作面进行了防冲安全性评价,结合实际的冲击显现情况,验证了分类赋权评价方法评价结果的可靠性。

三效蒸发结晶系统管道设计和弯头防冲蚀研究

在湿法烟气脱硫工艺蒸发结晶单元,管道内介质流动以液固两相流体为主,设备布置及管道设计不合理易造成固体颗粒析出沉积,对管道、弯头等存在一定的冲蚀磨损。从工程实际出发,系统梳理了某装置蒸发结晶系统主设备的平立面布置、管道设计,并采用流体流动模型(CFD),对影响装置长周期运行的不同曲率半径的弯头冲蚀情况进行模拟分析验证,研究管道内的流体速度场分布、压强分布、粒子运动轨迹和冲蚀速率分布图,证明使用3D、6D等曲率半径弯头,能有效减少流体中固体粒子对管道的冲蚀磨损,保证装置的长周期运行。

基于三维负泊松比蜂窝结构的防冲支架性能研究

提出一种应用于支架顶梁上方的吸能缓冲装置,该缓冲装置采用轻质、吸能量高的负泊松比材料,旨在将冲击地压带来的能量快速让位、缓冲吸收。对缓冲装置的构型进行设计并进行准静态压缩仿真;对缓冲装置施加低速、中速、高速进行抗冲击特性研究。结果表明:胞元角度为θ=70°的胞元具有良好的负泊松比效应、更长的压缩行程、更高的吸能量,适宜于做缓冲结构的胞元结构。对缓冲结构施加不同的速度,得到随着冲击速度的增大,缓冲结构的比吸能越大。