煤矿智能化开采光纤传感关键技术体系

智能感知是煤矿智能化开采的首要环节,为智能决策与智能控制提供数据支持。光纤传感技术因精度高、抗干扰能力和环境耐受能力强、组网复用方式灵活多样等优势,为煤矿开采智能感知提供了解决方案。在研究光纤传感技术原理基础上,构建了光纤光栅-基材感知信息传递模型,提出了表面粘贴式、刻槽填埋式、表面粘贴基片式光纤光栅封装技术,并进行光谱重构与温度补偿研究,以保障高精度数据感知;开发了高精度光纤光栅钻孔应力传感器、锚杆应力传感器、锚杆测力传感器、顶板离层传感器、温度传感器等开采环境智能感知传感器,光纤光栅支架倾角传感器、支架压力传感器、曲率传感器等采煤工作面装备姿态感知传感器,以及光纤光栅传感器标定工作台,为智能化采煤工作面建设提供了基于光纤传感技术的智能感知设备;整合多种光纤光栅传感器,构建了煤矿开采环境与工作面装备姿态多参量光纤光栅智能感知体系,解决了煤矿开采过程感知数据多源异构容量大、感知设备不易复用、组网难等问题;开发了煤矿开采环境安全预警与装备姿态决策系统软件,形成集“光纤光栅智能感知-动态响应-前兆预警-安全决策”于一体的煤矿开采安全决策体系;分析指出研发多场景适用的特殊材质光纤产品、适应煤矿开采需求的封装技术、兼顾精度与成本的解调仪硬件,将有助于推动光纤传感技术在煤矿智能化开采信息感知方面的应用。

智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术

煤矿智能化开采是我国煤炭综采技术发展的新阶段,也是煤炭工业技术革命和升级发展的需求和必然方向。围绕煤矿智能化开采技术、煤矿安全监测技术现状及发展趋势,介绍了煤矿智能化开采的技术内涵及核心三要素,指出智能感知是煤矿智能化开采的关键技术,传感监测技术是智能感知的核心。针对煤矿智能化开采感知层基础信息采集传感不全面、可靠性差、灵敏度低及安全决策技术落后等问题,基于“科学采矿”和“煤炭精准开采”先进理念,建立了智能工作面开采信息多参量精准感知与安全决策关键技术体系,研究了光纤光栅精准感知原理与传感特性,构建了光纤光栅-基体三层感知传递模型,揭示了光纤光栅粘贴长度范围内的应变分布规律,创建了光纤传感式煤矿开采巷道围岩安全状态信息和工作面装备姿态信息多参量信息感知体系,提出了基于光纤光栅智能感知技术的大容量、准分布传感网络拓扑结构,开发了基于大数据与云计算智能技术的多参量感知系统信息服务平台,构建了包括数据采集与感知层、数据传输层、数据处理与管理层和安全决策与控制层等4层系统架构,开展了基于光纤光栅的多参量感知与决策系统在煤矿开采中的具体工程应用,实现了现场生产状态、矿压信息、风险信息监测预报,为煤矿安全生产与管理提供决策支持。

煤矿智能化安全保障体系及关键技术

煤矿智能化是新时代煤炭行业发展的必经之路,是支撑我国未来煤炭行业生产方式转型的核心技术支撑。鉴于煤炭生产的风险客观存在性,智能化条件下的煤矿安全保障体系应适应于煤矿的智能化水平。系统论述了煤矿智能化安全保障体系的定义、内涵及技术特点,指出了其核心在于精准的地测感知、全面的数据平台、实时的风险评估和智慧的灾害处置,形成数字式、一站式、智能式的煤矿风险辨识、预警、处理闭环。介绍了煤矿智能化安全保障体系在感知层面、风险层面、设备层面和管理层面的架构,提出了包涵煤矿精准的全维感知、精确的煤矿风险识别预警、技术密集型的煤矿安全管理理念和智慧化的自检自修设备系统4项技术内涵。首先,在实现技术层面,阐述了需重点解决的以透明地质保障技术为基础,以煤矿大数据共享平台为载体,以煤矿重大风险评估预警技术为核心的关键技术体系,并初步给出了解决路径。然后,论述了系统软件平台的系统架构和核心技术,其要旨是实现系统数据“集成化”、要素展现“可视化”、风险评估“智能化”、操作软件“平台化”。最后,开发了面向煤矿智能化安全保障的煤矿智慧安全管控平台系统,实现了煤矿综合可视化操作平台、煤矿大数据分析平台、煤矿安全风险智能评估、多系统联动控制和移动可持式终端展示功能,为建设完整的煤矿智能化安全保障体系探索了一条可行的技术路径。

基于光纤光栅的刮板输送机直线度感知关键技术研究

为了解决煤炭智能化开采进程中刮板输送机直线度感知手段缺失的关键技术问题,在研究光纤光栅曲率传感原理的基础上,设计并研发了光纤光栅三维曲率传感器。然后基于光纤光栅三维曲率传感器传感获得的正交方向上的离散点曲率信息,采用拟合递推的方法进行了三维算法推导,实现了刮板输送机三维弯曲形态拟合感知与重建。通过搭建刮板输送机三维弯曲测试试验平台,分别对刮板输送机三维直线状态及三维弯曲状态下感知形态与实际形态的测量效果进行了验证。试验结果表明:在刮板输送机三维弯曲形态布置情况下,实测曲线与感知曲线基本一致,各坐标轴方向误差不大于±15 mm,能够满足智能工作面对直线度的检测精度要求。

正交试验设计的FBG测力锚杆结构封装优化及应用

煤矿智能化开采是我国煤炭开采技术发展的新阶段,智能感知又是煤矿智能化开采的核心技术之一。针对深部巷道变形速度快、变形量大、底臌严重、难以形成统一的指导性锚杆支护方案等问题,提出一种能感知锚杆杆体轴力的FBG传感器及围岩状态感知监测系统。基于光纤光栅传感基本原理,研究了FBG测力锚杆的关键技术,包括测力锚杆的结构设计、测力锚杆的工作原理和应变传递机理;对比分析了基体表面粘贴封装和基体刻槽封装的FBG传感器应变传递规律,揭示了FBG传感器的应变传递变化规律及影响因素。运用正交试验法探究了黏结剂的剪切模量、凹槽的形状以及光纤光栅的粘贴长度对应变传递效率的影响特征,提出9种试验方案,并设计3组锚杆拉伸试验以获得测试结果。通过极差分析得到:按照对应变传递效率影响大小排序,黏结剂种类对应变传递效率造成的影响最大,其次为凹槽形状和光纤光栅粘贴长度;确定了最优封装方案,即使用AB环氧树脂胶,凹槽形状为半圆形且粘贴长度为100 mm时应变传递效率最大。通过方差分析得到:黏结剂种类对应变传递效率的作用显著,其次为凹槽形状,光纤光栅粘贴长度对应变传递效率的作用不显著。在寺家庄矿15106回风巷建立了围岩状态感知监测系统并进行测试,应用效果显著。

煤矿开采光纤光栅智能感知与安全决策 关键技术研究

智能化开采是煤炭工业高质量发展的必由之路。为加快智能化煤矿建设,针对智能化开采初级阶段存在的煤矿开采环境与装备姿态信息感知不全面、多维感知信息精度低、多源异构数据融合弱、安全决策滞后等关键技术难题,笔者及团队经过多年的理论研究与现场应用,提出煤矿开采环境与装备姿态高精度光纤光栅感知理论,以解决多参量感知不准确、可靠性低的瓶颈问题,为高可靠矿用光纤光栅传感设备的研发提供了理论基础;开发了煤矿开采多维感知的光纤光栅传感技术与成套设备,解决了煤矿开采环境与装备姿态感知不全面、传感设备难组网等难题,为煤矿开采多参量感知的实践提供设备支撑;构建煤矿开采环境与装备姿态信息融合的安全决策平台,创新性地建立了煤矿开采“智能感知动态响应前兆预警安全决策”关键技术体系。通过在40余座煤矿的实际应用表明,上述研究成果促进了煤矿开采的科技进步和产业升级发展,可有效解决煤矿智能化开采安全预警与融合决策的关键技术难题。

Tests and error analysis of a self-positioning shearer operating at a manless working face

Self-positioning of a shearer is the key technology for mining with a man-less working face. In an underground coal mine all radio navigation; satellite positioning or celestial navigation methods have their limitations. We analyzed an inertial navi-gation system intended to guide the movement a shearer and designed a self-positioning device for the shearer. Simulation tests were also performed on the system. We analyzed the errors observed in these tests to show that the main reason for the low preci-sion of the self-positioning system is accumulated error in the inertial sensor. A Kalman filtering algorithm used in combination with the shearer motion model effectively reduces the measurement errors of the self-positioning system by compensating for gyroscopic drift. Finally, we built an error compensation model to reduce accumulated errors using continuous correction to provide self-positioning of the shearer within a certain range of accuracy.

基于捷联惯导的采煤机运行姿态感知与误差补偿实验研究

在采煤机运动特征的基础上,建立了基于捷联惯导的采煤机运行姿态感知系统,实时监测采煤机的运行姿态参数,分析了采煤机运行姿态感知系统的误差效应,建立了误差补偿模型。利用高精度陀螺仪、加速度计等惯性导航仪表,进行了采煤机运行姿态感知实验,在惯性仪表零偏补偿、卡尔曼滤波等误差补偿基础之上,对实验结果进行了深入研究。结果表明:与传统采煤机运行姿态监测技术相比,基于捷联惯导的采煤机运行姿态感知技术能够准确描述采煤机在工作面的运动特征与进刀特征,还可以实现对采煤机更高精度的运行姿态感知。研究成果满足了矿井采煤机运行姿态感知的实时性、精确性和可靠性要求,为我国煤矿智能化建设提供研究基础与技术补充。

刮板输送机直线度光纤精准感知与调直关键技术

煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的必由之路,围绕煤矿智能化开采技术、刮板输送机直线度感知与调直技术、光纤形状传感技术现状及发展趋势,介绍了刮板输送机直线度光纤精准感知与调直的关键技术。针对刮板输送机形态感知不全面,感知信息可靠性差、感知精度低以及刮板输送机直线度调直不具备实时性、调直误差大等问题,基于“科学采矿”和“煤炭精准开采”理念,提出了智能工作面刮板输送机直线度光纤精准感知与调直的研究技术路线。首先建立刮板输送机形态监测模型并开发光纤形状传感重构算法,然后研究在纯弯曲、旋转以及扭转受力下光纤形状传感器中心波长的响应特性,提出光纤形状传感器纯弯曲与旋转、扭转分离的理论方法,构建光纤形状传感器的误差补偿模型;其次研究基于LSTM神经网络算法的刮板输送机直线度误差预测模型,对刮板输送机的目标轨迹进行动态预测,建立刮板输送机目标调直轨迹的修正模型和刮板输送机调直理论模型;最后开展了刮板输送机直线度光纤感知系统的具体工程应用,实现了刮板输送机形态的实时曲线显示、历史数据及曲线查询、数据存储、自动预警/报警等功能。研究成果为研究智能化工作面刮板输送机形态感知与调直控制提供理论基础和现场实践经验。

表贴式光纤光栅锚杆应变感知机理与应用研究

自主设计一种光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)测力锚杆,基于线黏弹性黏结剂对剪切应变传递的影响,将黏结层简化为标准线性固体模型,建立光纤光栅剪切应变传递的力学分析模型,得到表贴式FBG传感器准静态应变传递关系,结合光纤光栅对轴向应变的敏感特性,推导出FBG测力锚杆光力转换方程,设计3组锚杆单轴拉伸试验验证了方程的正确性.研究结果表明:电阻应变仪测量的应变值和根据转换方程计算得到的FBG测力锚杆测量的应变值呈正比例关系,比例系数分别为1.099 69,0.976 74,1.017 35,相关系数达0.993以上.在阳煤一矿81303回风巷中构建了锚杆杆身轴力分布的光纤光栅监测系统,成功监测井下巷道锚杆杆身受力情况.

光纤光栅支架压力表的研制及性能测试

针对液压支架支护阻力研究方法和监测技术的不足,基于光纤光栅传感原理和"膜片+连接杆"式结构,研制了一种用于液压支架工作阻力监测的光纤光栅支架压力表。通过力学分析和Ansys仿真分析,推导出膜片结构最大挠度表达式及光纤光栅中心波长与压力之间的线性关系,并得出变形和应力云图,证明了力学分析与仿真分析的一致性;对其进行了温补性能测试,去除了温度干扰,提高了精度;利用自主研发的光纤光栅传感器标定装置,对其进行了5次加-卸载试验。结果表明:2个光纤光栅压力计具有较高的压力灵敏度,其灵敏度系数分别在27.4pm/MPa和27.6pm/MPa附近波动,与理论计算的灵敏度系数接近,且具有良好的线性度和工作重复性,可靠性较高。

表面粘贴布拉格光纤光栅传感器的应变传递耦合机理研究

建立表面粘贴布拉格光纤光栅(FBG)传感器、黏结层、被测物体三者间应变耦合传递的分离式模型,推导得出FBG测量应变与被测应变真值之间的修正关系。通过有限元模拟和实验,验证该理论模型的精确性,并在不同粘贴条件下讨论理论解的精确程度和适用性。结果表明:理论值与实验值稳合良好,误差普遍低于1.6%;应变感知率及精度与粘贴长度和涂层弹性模量呈正相关,与被测物体力学强度呈负相关;应变感知率对保护涂层、黏结层的几何特性不敏感,但其精度与两者呈负相关。研究成果对表面粘贴FBG应变测量、误差修正和传感器设计具有重要的参考意义。