煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向

结合现阶段煤矿用5G研究成果和应用实践经验,从煤矿用5G专网组网架构、覆盖优化、智能化应用场景构建3个方面分析了煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向。煤矿用5G专网组网方面:煤炭集团级大规模组网和矿井独立专网2类模式可满足煤矿用5G系统建设部署需求。煤矿用5G无线覆盖增强方面:煤矿用5G无线传输性能需要持续研究和提升,现阶段宜采用低频段(1 GHz以下)多载波SUL(补充上行链路)进行煤矿用5G的覆盖优化;针对井下无线电波防爆安全功率阈值可能实现的突破和提高,需要通过同步提升煤矿用5G基站与终端两侧的无线发射功率,方可实现煤矿用5G系统整体覆盖能力优化;需要开展基于6G RIS(可重构智能超表面)的煤矿用5G覆盖增强技术预研,为无线覆盖能力提升提供进一步支撑。煤矿智能化5G应用场景构建方面:需要开展矿用装备与矿用通信领域的联合技术攻关;研究基于煤矿用5G的装备远程控制及未来装备自主群体协同控制的信息物理映射;研究智能化应用的预期功能安全机制;研发小型化、轻量化及全面适配现场设备工业控制协议的煤矿用5G模组。

察哈素煤矿导向槽定向水力压裂增透技术研究

针对察哈素煤矿煤层透气性低、瓦斯抽采难度大的问题,提出应用预置导向槽的定向水力压裂技术提高煤层抽采效率的技术方法。利用COMSOL Mutiphysics模拟软件建立煤岩应力损伤渗透的水力压裂抽采耦合模型,分析导向槽作用下煤层弹性损伤模量的变化以及有效抽采半径,并在24130工作面进行了现场试验。数值模拟和现场试验效果表明,导向槽作用煤层所受的水平主压力大于垂直方向的主应力,率先在水平方向上发生岩层拉伸破裂,现场定向水力压裂作业后抽采钻孔的平均瓦斯浓度为42.4%,平均瓦斯纯量为0.0098 m^(3)/min,有效抽采半径为3.6 m,与数值模拟结果大致吻合。

基于CAN总线和IAP的煤矿用传感器程序离线升级技术研究

针对传统煤矿用传感器程序固件升级方法存在的维护成本高、操作不便的问题,分析了多种现有程序升级方法的优势与局限,提出一种基于CAN总线和IAP技术的传感器程序离线升级方法,通过划分3段存储空间实现代码的分时加载,利用传感器现有硬件接口和离线烧写器实现数据传输,设计了一种包含计数校验、CRC校验、阶段码校验的三重校验机制保证升级的成功率和稳定性。经测试,使用该方法升级传感器程序所需时间较传统在线IAP方法缩短,升级成功率大于92%,传感器程序升级失败时仍能正常运行原功能代码。

基于边缘计算的煤矿安全监控分站设计研究

设计了一种基于边缘计算的安全监控分站,可以实现对煤矿安全监控分站各组成模块故障的自诊断和自识别,并通过语音报警模块进行语音报警,提示操作人员进行及时检修,通过故障的自诊断,方便了维护人员的操作,缩短了故障检修时间。通过语音提示保证了管理人员操作的及时性,避免了安全隐患进一步的发展和扩大。另外,分站通过语音模块也可以进行系统运行相关的提示,极大地方便了使用和维护,避免了误操作或漏操作的发生,保证了系统运行的稳定安全。

煤矿安全监控系统浪涌防护技术研究

介绍了常规浪涌防护技术,基于煤矿安全监控系统电磁兼容浪涌防护技术的理论研究和标准试验测试,指出常规浪涌防护技术对煤矿产品存在一定的不适用性,重点就常规浪涌防护设计与煤矿设备绝缘耐压要求及常规系统级浪涌防护设计与煤矿电气设备本质安全要求两大冲突问题进行了研究,并结合实际进行了原理性分析,最后给出了冲突问题解决方案。

煤矿安全监控系统传感器在线升级技术研究

为了解决煤矿安全监控系统传感器现场升级困难问题,通过对比分析ISP技术与IAP技术,得出IAP技术更适合矿用传感器的在线升级;在此基础上建立了一种通过煤矿安全监控系统现有的传输网络进行传感器在线升级的方法,地面上位机将升级程序bin文件通过以太网传输至监控分站暂存,再由监控分站通过CAN总线发送到需要升级的矿用传感器进行升级;将传感器单片机flash合理划分为3个存储区域,利用IAP区的Bootloader程序实现跳转到APP1区或APP2区运行新程序,以达到矿用传感器的升级目的,同时设计了程序传输容错机制,从而保障矿用传感器在线升级的稳定性。

我国开采沉陷学70年研究综述及技术展望

从覆岩破坏规律、地表移动变形规律,以及技术标准和学术专著等方面,回顾了开采沉陷学科的发展历程和取得的重要研究成果。在覆岩破坏规律方面,我国学者提出了岩体响应采动理论、关键层理论等,并总结归纳了裂隙带的形态特征和发育高度;在地表移动变形规律方面,我国学者提出了负指数函数法、概率积分法等计算方法,尤其是概率积分法广泛应用于地表沉陷预计;在技术标准和学术专著方面,我国开展了较为系统的建设工作,几经系统修订并实施,并出版了一系列学术专著。本文归纳总结了目前开采沉陷学研究中存在的难点问题,包括围岩介质属性、概率积分法局限性、综采(综放)“两带”高度和形态、地表残余移动变形特征与规律、动态地表移动变形特征和计算方法、地表观测站观测频率、相关规程对同一事项的技术要求不一致的问题。提出了学科今后研究工作的发展方向及建议,包括以覆岩运动全过程可视化为主要手段揭示开采沉陷的本质机理、以空间信息技术为主要手段完成数据的采集与处理。研究认为,只有认识到“采场矿压-岩层移动-开采沉陷”是一个有机统一的整体,才能准确地理解和描述开采沉陷。在不断继续补充完善已有研究成果的同时,有必要以新理论和新思想审视开采沉陷学,以新技术和新方法研究开采沉陷学,不断推动学科的深入发展。

基于锂离子蓄电池的煤矿井下储能微电网设计研究

针对煤矿井下隔爆型锂离子蓄电池电源多采用分布式供电,其储备能量和输出功率不能扩容,导致无法实现带载功率较大设备并提供较长时间电力供应的难题,采用“化零为整”策略,通过研究锂离子蓄电池电源并联控制技术,将多台锂离子蓄电池电源以并联方式组合起来构成一种微电网结构,实现储备能量和输出功率的扩容。对并联控制技术实现原理进行了详细的论述,对微电网架构和构成电网的单体电源设备进行了设计,最后将微电网系统在神东煤炭集团锦界煤矿进行了现场试验测试。通过试验得出微电网系统在续航能力、能源利用率、可靠性和稳定性等方面较原单体后备电源具有显著的提高。项目研究非常符合煤矿安全生产实际需要,对煤矿井下供电系统建设和安全高效生产具有十分重要的意义。

智慧矿山工业广场三维自动建模技术研究

为打破煤矿工业广场建模模式目前存在的高度依赖人工操作的现状,实现数字矿山规模化规范化建设、煤矿地面建筑设备模型量产化。本文对煤矿工业广场生产建筑群进行空间结构分析,着重分析煤矿井口、煤矿车间、煤矿办公楼的几何空间结构及生产设施的空间几何构型元素,提出一种分体分面组合模型自动建模技术。首先,通过将复杂的生产建筑群进行个体解构和几何拆分,将整套地上生产线设备及建筑拆分为最小规则(不规则)几何单元体,构建顶视投影弧段索引拓扑图;其次,通过线性封闭弧段环高程拉伸生成几何体空间组合关系构建建筑群;最后,以灵新煤矿为实验区域进行验证。结果表明:本文方法能够模拟建筑结构与设备的几何独特性,且纹理外观满足数字化要求;总建模工时由原来的每10栋建筑3.25人天降低到0.78人天,产能提升达到预期。

综采工作面双回撤通道围岩控制技术研究

为保证某矿21102工作面双回撤通道稳定,实现综采设备安全高效回撤,提出锚网索支护+末采临近双排高强立柱的支护方式,通过计算,高强立柱的承载力需大于6.4 MPa。共设计全部采用直径φ1 m的高强立柱、混合采用直径φ1 m和φ0.8 m的高强立柱、全部采用直径φ0.8 m的高强立柱3种支护方案。通过计算,决定施工2排直径φ1 m的高强立柱、间排距1.8 m×1.2 m,采用“三花”布置方式。高强立柱采用新型ZKD型高水速凝充填材料,强度达到15 MPa,在立柱对应的锚索上固定玻璃钢锚杆一体浇筑,将HDPE树脂套管固定在顶板上同时采用约束钢带箍筋可防止高强立柱歪斜变形。实践表明,末采期间回撤通道采用锚网索+高强支柱的支护方式,能够抵御末采期间超前支撑应力和动压影响,回采过程中未见大规模的片帮、冒顶或顶板破碎情况,取得了良好的支护效果。

三维全景技术在煤矿安全培训中的应用研究

文章重点从三维全景采集、多图像融合和全景图像发布三个方面介绍井下全景图像的生成流程。针对矿山安全培训的实际需求,三维全景技术在大柳塔煤矿得到了较好的应用,建立全景影像属性和空间信息数据库系统,研发出图像轨迹点坐标与GIS地理坐标关联算法,完成全景图像漫游轨迹铺设软件开发,建立全景图像空间坐标系与模型立方空间坐标系的数据转换关系,实现了煤矿井下三维全景影像与安全培训的集成融合显示,为矿山安全培训提供了技术辅助支撑。

煤矿井下智能电力监控及故障诊断系统应用研究

随着煤矿开采的逐步深入,高功率用电设备的投入增多,煤矿供电结构越来越复杂,供电安全问题越来越突出。为实现电网故障早期的诊断预测,缩短故障处理时间,减少供电事故的发生,在煤矿井下安装智能电力监控及故障诊断系统。该系统可实现基于相敏保护特性的短路故障诊断和故障选线,可实现基于GOOSE快速报文通信机制的防越级跳闸功能。对系统故障诊断原理(防越级跳闸原理和短路故障诊断原理)进行了分析,并设计了系统安装方案,监测范围包括风井10 kV变电所、工业场地、压风机房、中央变电所、201运输巷、201回风巷和一采区运输上山。对系统的电力参数监测功能、分合闸控制功能、防越级跳闸功能、短路故障诊断功能和单相接地故障诊断功能进行了实际试验测试,测试结果表明系统各项功能正常。系统应用解决了矿上越级跳闸等供电安全隐患问题,提高了电网管理的自动化水平,提高了井下电网的供电安全性和可靠性,为智能矿山建设提供了助力。

基于边界隔离与系统防护的矿井网络安全系统研究

随着智能矿山信息基础设施不断建设推广,矿井终端设备在专网与公网间的切换为矿井网络引入信息安全隐患,需研究矿井网络隔离边界并构建系统防护手段。分析了矿井网络面临的主要风险,指出应对风险的关键是定义隔离边界、强化系统防护手段及研发特定井下设备。针对矿井网络安全防护需求,定义了经营管理网络与工业控制网络、传输网络与服务器区域、井下与井上工业控制网络三大隔离边界。提出了基于边界隔离与系统防护的矿井网络安全系统防护架构,设计了基于网络、主机、应用和数据4个子系统防护的矿井网络安全系统及相应的安全传输流程和防护思路。针对目前矿井网络安全防护主要侧重井上网络、缺少井下网络安全防护手段的情况,研发了矿用隔爆兼本安型网络接口作为井下网络安全防护设备,针对Modbus、Profibus、IEC 61850、RTSP等井下终端常用的工业协议制定了相应的防护规则。测试结果表明,该接口设备对网络攻击的平均识别率为98.8%,平均防护率为98.0%,千兆接口吞吐量不低于线速的95%,实现了井下信息安全防护功能,并保障了数据传输性能。

煤矿主运输系统智能控制技术研究与应用

煤矿主运输系统普遍存在人工点巡检、无法实现远程集中控制、监测数据不完善、缺乏智能控制机制、无高效的故障检测手段等问题。针对上述问题提出了分段提取关键帧的巡检视频分析方法,形成了煤矿主煤流运输巡检异常检测技术,并将其运用于巡检机器人系统中,提高了故障检出率。设计的主煤流运输智能控制系统,实现了基于煤流跟踪的智能调速和顺煤流一键启动功能,并研究了带式输送机的最优启动速率。基于视觉和激光雷达融合的输送带撕裂视觉检测技术和基于声纹分析的带式输送机状态监测和故障诊断技术,提升了主煤流系统运行的稳定性。

大断面大压差远程控制平衡风门技术研究

随着煤矿开采逐渐向深部延伸,平衡风门作为重要的通风设施在井下的应用越来越广泛。然而,当大断面风门两侧存在较大压差时,会导致一系列问题,容易使风门受到破坏。为解决这一问题,对平衡风门进行了重新设计,增加了抗变形、三维可调节、就地智能控制和远程解锁短路排烟等功能。研究结果显示,在外形尺寸不变的情况下,新设计的风门自重减轻了约50%,但其强度得到增强,能够适应巷道变形量达到200mm。通过有限元分析对门扇、门框、迎风面等三个部件进行数值模拟计算,发现在16000N载荷下,门扇出现了局部失效,且最大位移发生在距离合页轴最远端的门扇受载荷面上。当巷道四周受到压力使门框产生最大变形量达到200mm后,风门仍能继续承受3000N的压力,未出现失效情况。当井下风压达到1000Pa时,最大位移出现在左门扇受载荷面的右下角位置,出现了局部失效,但并不影响风门的使用。经现场试验验证,平衡风门在一定矿压和大风压的情况下,正常使用且满足调风需求。研究结果表明,这种具备远程自动控制功能的大断面大压差的新型平衡风门能够提高风门的稳定性,确保通风系统的高效稳定运行。

煤矿智能压风系统的应用研究

针对传统压风系统多电机之间无法协同配合,压风机房需要定时巡检等问题,设计了一种智能压风系统。该系统通过在控制侧加入可编程控制柜,并引入模糊控制算法,实现压风系统的按压供风、负载均衡、自动轮换的功能。通过布置故障诊断装置,检测压风机的健康状况,在发生故障时可停止压风机的运行,并及时开启另一台压风机,保障管道压力恒定。通过安装视频分析摄像仪实现对压风机房进入人员的监测,分析是否有违规或越界行为,保证人员和设备的安全。智能压风系统的管控平台展示压风机的各项数据,并通过动画生动的展示压风机房内各设备的运行状态,显示压风机健康状况的分析结果。该系统的应用减少了电能的浪费,提供了准确的诊断结果,提高了煤矿智能化水平。

煤矿采煤机自动拖缆装置及控制方法研究

采煤工作面是煤矿生产系统最重要的环节之一,是煤矿实现高效生产的基础,因此,与采煤机配套的拖缆装置,也成为了影响生产效率的关键因素。针对传统工作模式下工作面线缆的卷缆、偏离、掉落等问题,提出了一种基于模糊自适应扰动补偿控制(ADRC)方法的矿用采煤机自动拖缆系统。该系统由拖缆小车、束笼拖绳装置、导向等装置组成,可带动采煤机电缆沿既定方向反复排缆,使采煤工作面的电缆在高强度、频繁运动的工作环境下得到有效的保护。同时,该系统由控制装置主机下发控制指令,通过模糊ADRC控制方法控制拖缆装置伺服电动机,实现卷筒卷缆速度与采煤机设备行走速度的同步,确保矿山的安全和高效生产。

智能矿山IoT边缘数据网关技术研究

随着工业4.0和工业互联网的发展,矿山行业也开始走向智能化,面对煤矿工业互联网接入终端复杂、通信协议多样、接入网络以及多源数据异构等现状,提出一种智能矿山IoT边缘数据网关技术。通过构建边缘网关管理架构,北向上行采用TCP、HTTP、WebSocket、MQTT等传输协议连接云平台,南向下行支持多种通信接口连接感知层设备,实现不同类型网络的协议转换以及各个系统多源异构数据的统一接入。该研究成果已应用于多个煤矿自动化相关设备数据采集与转发。

基于多传感器网络的煤矿气体自动检测研究

传统煤矿气体检测方法通常基于单一传感器或人工巡检,这些方法具有检测速度慢、覆盖范围有限以及易受人为因素影响等局限性。为了解决这些问题,本文提出一种基于多传感器网络的煤矿气体自动检测方法。首先,对传感器网络节点进行优化配置,由多种传感器协同工作,进行不同气体数据的全面采集与整合。其次,采用支持向量机(SVM)算法构建一个气体自动检测模型,该模型以整合后的气体数据为输入,经计算后能够高效、准确地输出气体检测结果。试验表明,与传统方法相比,本文提出的方法在煤矿气体自动检测精度和效率方面均有显著提升,实际应用效果较好。

元宝湾煤矿39102工作面自然发火规律试验研究

元宝湾煤矿9煤层具有自燃倾向性,39102工作面在回采时常有CO生成。为了保证矿井安全生产,对煤层自然发火规律进行研究,现场测定39102工作面采空区温度和气体浓度的变化规律,由此划分采空区自燃“三带”。结果表明:不燃带<12.7 m、自燃带12.7~66.6 m、窒息带>66.6 m;采空区温度在31℃~37℃,未出现自燃;高温范围、CO和CO_(2)高浓度区均出现在自燃带区域内;采空区预防自燃的工作面最低推进速度为60 m/月。测试结果为制定合理的防灭火技术方案提供科学基础参数,保证工作面安全生产。