千万吨级综放工作面智能化放煤理论及关键技术

针对综采放顶煤工作面在智能放煤理论、智能感知与识别关键技术、智能放煤综合决策技术和远程放顶煤智能控制技术方面存在的问题,依托“十三五”国家重点研发计划——千万吨级特厚煤层智能化综放开采关键技术及示范,开展了千万吨级综放工作面智能化放煤理论及关键技术研究,取得如下成果:(1)开展了顶板顶煤组合体压缩试验、煤岩组合体破碎块度分布试验和不同顶板-顶煤条件下综放开采放煤相似模拟试验,阐明了顶板顶煤的破碎-运移的相互作用过程;开发了采空区三维激光空间探测技术,证明了群组放煤过程中顶煤“面接触块体成拱现象;开展以采放协调、高回收率、低含矸率为约束条件的特厚煤层多口群组智能放煤数值模拟,确定了群组放煤口数量;综上,为智能放煤工艺优化提供了可靠理论基础。(2)对工作面煤矸地质信息及物性特征、顶煤放落过程全周期感知要素进行探索研究,形成了包含“顶煤厚度在线探测-煤矸精准识别-煤流动态测量”的综合感知技术体系,为智能化放煤决策技术提供了充分的数据信息支撑。(3)建立了综放面“人-机-环”多源信息数据库,构建了基于采放时间协调、采放空间协调、采放运能协调的特厚煤层综放面采放协调决策模型,开发了基于Q-learning算法的智能放煤决策软件,形成了基于煤矸识别、顶煤厚度探测和过煤量监测感知,结合煤矸运移时序特征和经验数据的人工智能决策技术。(4)研发了智能综放面三机位姿高精度惯导监测与控制技术,实现了采煤机、液压支架、刮板输送机的实时定位、姿态监测及动作控制;开发了智能化矿山融合通信调度系统,构建了智能综放远程综合控制平台,成功实现了“远程一键启动”模式的智能放煤。(5)在塔山矿8222工作面,开展了基于探地雷达的顶煤厚度在线探测技术、融合振动-音频-高光谱的煤矸精准识别技术、基于激光三维扫描的放煤量实时监测技术和综放工作面智能化放煤决策软件的应用,现场顶煤厚度探测、混矸率和放煤量的误差分别控制在10.71%、9.32%和7.8%以内,平均每个放煤循环节省时间约30 min,实现了年产1500万t的综放工作面智能高效放煤。

基于支架结构运动学的放煤机构精准控制研究

放煤机构的精准控制是实现智能化、无人化放顶煤开采的重要基础,放煤机构与后部刮板输送机的空间关系及支架姿态对空间关系的影响规律是构建放顶煤支架控制模型的关键。以ZF17000/27.5/42D型低位放顶煤支架为研究对象,阐述了支架顶板和底板不同俯仰姿态下放煤机构与后部刮板输送机的空间关系;基于液压支架放煤机构开口度控制逻辑,搭建了支架姿态感知系统,提出了液压支架放煤机构末端运动学分析方法;建立了基于D-H矩阵的低位放顶煤液压支架放煤机构末端运动学模型,并据此构建了液压支架放煤机构开口度计算模型,平均计算误差仅为1.71%,满足现场应用精度要求;提出了基于姿态反馈的支架放煤机构闭环控制方法,并将基于放煤机构开口度计算模型开发的放煤决策模型应用于现场。应用效果表明:自动放煤时各支架平均放煤时间的均方差仅为0.13 min,较人工放煤方式整体放煤效率提高20%~43.9%;顶煤采出率达89%,后部刮板输送机负载更加均衡,过载率仅为0.73%。

特厚煤层综放开采顶煤遗失机理及放煤步距优化数值模拟研究

为确定特厚煤层综放开采的合理放煤步距,探究放煤步距对顶煤遗失和回收率的影响机理,以塔山煤矿8222综放工作面为工程背景,采用CDEM颗粒-块体单元耦合数值模拟方法,建立考虑液压支架支撑作用的二维走向开采数值模型,研究特厚煤层综放开采放煤步距对遗煤形态、放煤漏斗、煤岩分界线等的影响,揭示“见矸关门”条件下的顶煤遗失机制,探索顶煤在采空区内随综放工作面循环推进的遗失规律。结果表明:随着综放工作面不断推进,液压支架上方的矸石提前到达放煤口,采空区一侧部分顶煤未能放出而留在采空区内,造成顶煤遗失;放煤步距对煤岩界面形态和煤岩相互侵入有显著影响,进而影响顶煤回收率和混矸率;通过数值分析、顶煤回收率和总回收量指标确定了塔山煤矿8222综放工作面12 m顶煤厚度下最佳放煤步距,为0.8 m。

液压支架放煤机构安全过煤临界准则及放煤口精准控制方法研究

综采放顶煤技术已成为我国特厚煤层高产高效开采的主流方式,放煤机构的精准控制是实现放顶煤开采自动化与智能化的重要基础,掌握放煤机构的空间运动规律是实现对其精准控制的前提。液压支架放煤机构的即时形态受支架支撑高度、支架姿态、插板伸出长度、后部刮板机相对位置共同控制,对放煤机构安全过煤高度和放煤口开口度有重要影响。以ZF15000/27.5/42型支架为研究对象,采用有限元分析软件ABAQUS建立了三维四柱式放顶煤液压支架多体动力学仿真模型,分别采用Hinge,Translator连接器模拟支架各铰接点的旋转行为及支架立柱、插板的伸缩行为。以支架支撑高度H、尾梁摆动角度α、插板伸出长度l为控制变量,开展了三因素多状态数值模拟试验,研究了掩护梁–尾梁铰接点、插板末端的空间运动规律,运用Levenberg-Marquardt拟合迭代法得出了放煤机构安全过煤临界准则,建立了插板末端坐标、放煤口开口度与H、α、l的标定关系数据库。推荐了用于感知与控制放煤机构姿态的传感器类型及安装位置,推导了基于行程传感器的尾梁角度计算方法,提出了放煤口开口度精准控制方法。通过现场验证对比放煤机构开口度计算值与现场放煤口实测值,得出两者相对误差符合现场精度要求。该控制方法为智能决策与控制系统(软件)研发提供了理论支持,在现场得到成功应用。

特厚煤层智能化综放开采理论与关键技术架构

综放开采方法是我国特厚煤层矿区实现高产高效的主要技术途径,智能化综放开采是未来综放开采技术发展的重要方向。在分析千万吨级特厚煤层智能化综放开采技术和问题的基础上,围绕安全、高效、智能这一主题,综合考虑特厚煤层顶煤体和上覆岩层的相互作用,以掌握特厚顶煤冒放理论,实现综放工作面放煤智能化,降低含矸率、提高顶煤采出率为主导,提出要解决的关键科学问题和技术构想。针对综放开采存在的煤矸智能识别、智能放煤控制、"采-支-放-运"系统智能协调等主要难题,凝练出特厚煤层智能综放开采大尺度顶煤体破碎与冒放机理,特厚煤层智能化采放协调控制机理与方法,特厚煤层智能综放开采群组放煤过程控制原理三大科学问题。攻克特厚煤层群组协同智能放煤工艺决策技术,特厚煤层顶煤厚度与放煤量实时监测技术,冲击振动和高光谱融合的煤矸识别技术,多模式融合的智能化放煤装备及控制技术,综放工作面"采-支-放-运"系统智能协调控制技术五项关键技术。突破特厚煤层智能化综放开采技术与装备瓶颈,研发煤矸识别装置、开发智能放煤控制系统及软件,解决采放协调、煤矸识别、群组放煤等难题,创建年产1 500万t智能化综放开采示范工程。最终实现特厚煤层智能化综放开采,为我国特厚煤层的安全、高效开发提供可靠的技术支撑。

煤矿采场智能岩层控制原理及方法

煤矿采场智能岩层控制是智慧矿山及智能化开采的重要组成部分,是由"试误岩层控制"向"精准岩层控制"、由"静态岩层控制"向"动态岩层控制"发展的关键路径,是当前和今后一个时期采场岩层控制领域的重要发展方向之一。明确了采场智能岩层控制的内涵:即运用现代信息技术、人工智能技术及方法等,以采场智能装备系统为载体,实现开采全过程的采场围岩自动化、智能化控制。采场智能岩层控制分为3个关键环节:开采过程中的环境及设备运行数据的感知与汇集、动态分析与状态判别、实时决策控制与反馈。分析了矿山数据的构成、感知汇集方法及利用方式,矿山数据的主要用途为:岩层控制效果与事故灾害特征评价的大数据关联分析、为人工智能模型提供学习样本及分析对象、作为动态数值计算的反演分析参照对象、作为数据可视化与开采实景虚拟的信息来源。给出了采场智能岩层控制的动态分析与状态判别、实时决策与控制的技术路径,提出了采场智能岩层控制的关键科学问题:(1)环境及设备运行数据的感知汇集方法与技术;(2)矿山数据实时快速分析方法与技术;(3)采场智能岩层控制的关联分析与模型;(4)矿山数据可视化与开采场景虚拟构建;(5)基于大数据的快速动态数值计算原理及算法;(6)采场智能岩层控制"感知-分析-控制-反馈"全过程算法集成与系统构建。结合工程实际介绍了基于支持向量机和动态数值计算的采场智能岩层控制初步应用。

真三轴动静组合加载饱水煤样能量耗散特征

煤矿冲击地压发生与煤岩的物理力学性质、所受静载荷与动载荷的结构失稳等因素有关。煤岩体失稳过程伴随着能量的吸收、储存、转换和释放,现场煤岩体破坏是受多种环境影响下的复杂过程,较难完成定量描述煤岩体释放吸收能量的大小,真三轴动静组合加载条件煤岩变形破坏的机理和能量耗散特征值得深入研究。采用真三轴动静载霍普金森冲击加载系统对自然与饱水2种状态煤样进行不同动静组合加载试验,通过试验分析2种状态煤样真三轴动静组合加载变形破坏过程中各能量变化规律及占比特征。试验结果表明:通过饱水处理能够降低煤样对弹性能量的储存能力,饱水煤样的能量反射率比自然煤样高17.25%~37.04%,在相同Y轴静载作用下自然煤样的能量吸收率比饱水煤样高17.13%~55.95%;揭示了自由水在煤样裂隙中抑制能量的透射率,使入射能以反射能的方式进行无用耗散,减小煤样的能量吸收率;自然煤样的能耗密度大于饱水煤样,在冲击加载X方向煤样能耗密度与峰值动态应力呈正相关,在Y,Z轴方向呈负相关。证实了水在三维动静组合加载作用下对煤样吸能破坏的诱导作用,冲击能量在煤样中被煤样和水吸收,煤样吸收能量用于诱导形成新的裂隙,形成煤样宏观破坏,水吸收能量用于新旧裂隙的相互贯通,形成煤样内部微观结构破坏。

密集钻孔弱化底分层顶板沿空留巷技术

为了保证古汉山矿高应力厚煤层底分层沿空留巷工序安全顺利进行,结合再生顶板的破碎情况和瓦斯条件,通过理论分析、数值模拟试验验证了古汉山底分层沿空留巷采用密集钻孔切顶卸压的必要性;通过采用砌体梁滑移失稳条件和数值模拟试验的方法分析优化了密集钻孔的倾斜角度、深度、间距,并将此钻孔参数应用到现场工程实践中。现场留巷稳定后巷道两帮收缩量为656 mm,顶底收缩量为545 mm,能满足安全和生产的要求。

难治性胃食管反流病食管动力异常与反流特点的研究

目的研究难治性胃食管反流病(refractory gastroesophageal reflux disease,rGERD)食管动力学特征和反流特点。方法应用高分辨率食管测压(HRM)监测87例GERD患者和70例rGERD患者食管动力学数据,同时应用便携式24 h食管pH-阻抗监测仪记录两组患者的酸暴露特点、反流类型及反流特点,分析比较两组患者间差异。结果rGERD患者中UES压力、LES压力显著低于GERD患者(P<0.05),rGERD患者LES的长度与GERD患者比较,差异无统计学意义(P>0.05)。rGERD患者中食管动力障碍比例高于GERD患者(70.00%vs 33.33%,χ2=4.891,P<0.05),DCI下降为特征的食管蠕动收缩障碍及间断收缩为特征的食管收缩节律障碍者比例两组比较,差异无统计学意义(57.14%vs 62.07%;42.86%vs 37.93%,χ2=3.275、2.822,P>0.05)。rGERD患者DeMeester评分高于GERD患者(P=0.014),rGERD患者反流性质中弱酸反流及非酸反流明显多于GERD患者(P弱酸=0.001,P非酸=0.017),而酸反流次数差异无统计学意义(P酸=0.385);rGERD患者反流性状中气体反流及气液混合反流次数多于GERD患者(P气=0.022,P气液=0.031),而液体反流次数差异无统计学意义(P液=0.742)。结论rGERD患者与GERD患者相比,存在UES压力偏低、LES压力下降和食管蠕动收缩障碍等食管动力学异常;rGERD患者反流以弱酸反流及碱反流为主,而GERD患者以酸反流为主,同时rGERD患者中气液混合反流所占比例大,而GERD患者以液体反流为主。

特厚煤层分组间隔放煤顶煤运移规律研究

综采放顶煤采煤法已成为我国特厚煤层主流的高产高效开采方法,但当前仍面临煤炭采出率低、含矸率较高的问题。塔山矿8222工作面顶煤平均厚度12 m,采用放顶煤开采,生产过程中尝试采用“大中小微”分组间隔放煤方式。为研究该放煤方式的原理及提高其放煤效率,并为开发智能放煤控制程序提供依据,采用CDEM颗粒离散元软件模拟分析了塔山矿开采条件下间隔放煤分组方法、顶煤运移规律、煤岩分界面特征以及顶煤放出率等,在此基础上揭示了组内支架数量对顶煤放出体形态的影响机制。数值模拟结果表明,顶煤厚度为12 m及见矸关门条件下,组内支架数量为9架是最优的分组间隔放煤方式;工业性试验表明,组内支架为9架的分组间隔“大中小微”放煤方式条件下的顶煤放出率为80.53%,含矸率4.00%,煤炭采出率高达85.31%。此外,组内支架数量对放煤漏斗形态影响较大;组内支架较少时,第1级放煤过程中相邻放煤口之间影响较大,中间形成畸形顶煤形态的可能性较大,在下一级放煤时容易出现混矸,导致架间残留煤量增加。分组间隔放煤的最佳支架间隔数量与煤厚密切相关;对于特厚煤层,合理增加间隔数可有效减少架间顶煤的遗留量,提高顶煤放出率。研究结果可为特厚煤层综放开采放煤工艺和参数合理确定提供参考。

首山一矿12070工作面走向高抽巷合理位置研究

为解决首山一矿12070工作面瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯体积分数易超限等问题,对12070工作面走向高抽巷合理位置进行研究。采用CDEM和FLUENT数值模拟软件分别对12070工作面采动覆岩裂隙演化规律和采动裂隙中的瓦斯体积分数分布规律进行模拟,根据"O"型圈理论和数值模拟结果确定了高抽巷合理位置选择原则并建立了计算模型。根据确定的选择原则和模型计算结果,首山一矿12070工作面走向高抽巷与回风巷垂距宜为25~30 m,内错平距宜为16~20 m。生产现场试验结果表明,12070工作面上隅角日均瓦斯体积分数处于0.03%~0.26%间,峰值体积分数为0.47%,上隅角瓦斯体积分数得到有效控制,保证了首山一矿突出煤层安全高效开采。

基于熵权-可拓理论的智能化综采工作面安全评价

综采工作面智能化开采已成为当前我国煤炭开采的重要发展方向,传统综采工作面安全评价体系已经相对成熟,而智能化综采工作面安全评价体系亟需构建。通过对比传统和智能化综采工作面系统特征,系统分析综采工作面智能化背景下的安全要素和危险源,从人、机、环、管4个方面选取28项指标建立安全评价体系,基于熵权-可拓理论构建安全评价计算模型。以山西某煤矿智能化综采工作面为工程案例,采用MATLAB软件计算并评估安全等级,结果表明:选取的评价指标具有良好的独立性与全面性,符合工程实际;熵权法可合理分配指标权重,可拓理论能够逐级分析出各层指标与安全等级的相关性系数大小,从而准确计算智能化综采工作面的安全等级。熵权-可拓理论可为智能化综采工作面安全评价提供重要思路与方法。

低浓度弱涡流场瓦斯富集新方法及试验研究

针对煤矿回风巷大量低浓度瓦斯排入大气层,造成资源浪费及环境污染现状,设计及制造了低浓度瓦斯富集涡流塔,并进行了离析态和非离析态试验,同时采用数值模拟与物理试验结果进行对比。结果表明:离析态时涡流塔内稳定瓦斯体积分数从下至中(上)逐渐升高(从0.50%增至0.70%),表明弱涡流场离析状态下瓦斯富集效果较为明显;非离析态时涡流塔中(上)部瓦斯体积分数增幅不明显(从0.50%增至0.55%);两种状态下涡流塔底部瓦斯体积分数均是先升高后逐渐降低至稳定(<0.50%);离析态涡流塔上(中)部的瓦斯体积分数稳定时间比非离析态时长,底部瓦斯体积分数稳定时间基本一致;弱涡流场下叶片转速对瓦斯体积分数稳定所需时间影响较大,而对最终瓦斯体积分数高低影响不明显;最后,利用改进的Richardson数阐述了混合气体的速度及瓦斯层厚度等对涡流场强弱控制作用,解释了弱涡流场下离析态低浓度瓦斯富集特征明显,非离析态瓦斯富集效果差的原因。

基于批量式强化学习的群组放煤智能决策研究

在综放开采过程中,影响顶煤破碎和运移动态特性的因素庞杂,难以通过预探测结果对开采环境和放煤过程进行精准建模,使得放顶煤开采的智能控制缺乏模型基础,难以通过简单的放煤工艺过程实质性解决顶煤采出率和出煤含矸率之间的矛盾。将液压支架群转换为多智能体,将顶煤放出率与出煤含矸率的最优控制转换为马尔可夫过程的最优决策,从而在多智能体框架下,采用强化学习实现多放煤口的协同控制。为此,将顶煤赋存状态作为马尔可夫过程的状态,建立“顶煤赋存状态-放煤口控制”的关联机制,在线生成放煤口控制策略。为实现智能体对上述关联机制的充分学习,提出一种批量式Q值更新方法,对状态采集过程中出现的“状态跳变”现象进行优化,进一步提高智能体的在线学习效率。为验证算法的有效性,结合塔山煤矿8222工作面煤层条件及液压支架主要技术参数进行数值模拟仿真,基于离散元方法在Linux系统中搭建了放煤过程的三维仿真试验平台,并通过该平台对连续放煤、分段间隔放煤、群组智能放煤展开对比试验。一系列仿真试验结果表明,提出的批量式强化学习放煤决策方法能够根据顶煤赋存状态动态调整放煤口的动作,在群组放煤过程中将煤炭与矸石进行有效分离,实现了放顶煤收益最大化。

特厚煤层综放开采倾向大比例试验平台研制与应用

综放开采是我国特厚煤层高产工作面最主要的采煤方法,其中放煤方式是影响顶煤回收率的重要因素。为了提高特厚煤层综放开采顶煤回收率,基于综放开采顶煤放出散体介质流运移规律和特征,针对现有放顶煤试验平台工作面方向放煤试验较少、相似比例小、支架个数少、放煤口大小无法控制等问题,研制特厚煤层综放开采倾向大比例试验平台,相似比1∶10,含有19个放煤口模拟装置,可实现工作面方向不同放煤方式、不同放煤口大小、不同煤层倾角、不同顶煤厚度、不同煤矸粒径等条件下的放煤试验。采用该平台能够对不同放煤方式下放煤漏斗形态发育特征和各放煤口放出量特征进行研究,可通过多次试验,探寻合理的放煤方式,从而提高矿井资源采出率以及生产效率。以此平台对塔山矿8222工作面“分段四级一次”放煤方式成功进行了物理模拟试验。

护理技术操作解剖学课程思政建设的探索与实践

课程思政是新时代高校思想政治教育建设的新模式、新理念,是高校教师“传道、授业、解惑”的基本遵循[1]。习近平总书记指出,高校要利用好课堂教学这个主渠道,让各类专业课程与思想政治理论课同向同行,形成协同效应,更好地完成"立德树人"这一教育根本任务[2]。护理技术操作解剖学是介于解剖学与护理技术操作课程之间的交叉课程,也是一门创新课程。护理技术操作解剖学课程思政建设存在诸多问题:①部分解剖学教师在谈及学生的思政教育时,认为思想政治教育应该是高校党组织、思政课教师或辅导员的事;护理技术操作解剖学课时短,任务重.

“三明治”教学法在医学影像专业人体解剖学实验教学中的应用

目的:探讨"三明治"教学法在医学影像专业人体解剖学实验教学中的应用效果。方法:把医学影像专业学生分两组:实验组2个班,对照组2个班,分别使用"三明治"教学法和传统教学法。然后统一标准考核,比较考核成绩。结果:实验组考核成绩高于对照组,差异具有统计学意义(P <0. 05)。结论:"三明治"教学法促进了学生对人体解剖学知识的掌握,有助于提高学生学习的主动性和兴趣。

护理技术操作解剖学课程创建及实施

现代医学的发展需要各学科之间的相互融合、相互交叉、共同发展,使学生的知识结构和知识体系成为一个紧密联系的整体,形成整体知识观^([1])。基础医学与临床相关医学的交叉渗透融合是必然的趋势^([2])。然而由于医学教学模式的问题,解剖学教师和护理专业课教师仅仅对自己的课程知识负责。

康复治疗实训解剖学课程创建及实施

现代医学的发展需要各学科之间的相互融合、相互交叉、共同发展,使学生的知识结构和知识体系成为一个紧密联系的整体,形成整体知识观^([1])。基础医学与临床相关医学的交叉渗透融合是必然的趋势^([2])。然而由于医学教学模式的问题,解剖学教师和康复治疗技术专业课教师仅仅对自己的课程的知识负责,没有广泛地去主动学习与自己课程相关的其他医学知识和技能。

基于学术期刊“域出版”背景下高校图书馆的调适

学术期刊的"域出版",给编辑出版、读者、作者、编辑之间的互动、传播方式等方面都产生了极大的影响,高校作为学术期刊资源和学术期刊传播与使用的主要阵地,必须关注"域出版"产生的巨大变革和重大影响,在思想观念、资源配置、服务方向、队伍建设等方面做出调适,才能更好地为学校的科研工作做出保障。