基于光纤感测的急倾斜煤层采动围岩变形特征研究

将分布式光纤传感技术应用于急倾斜煤层采场围岩变形及应力分布特征物理相似模型试验,通过在模型中沿煤层倾向布置传感光纤与沿煤层底板铺设压力传感器,实时监测模型内部变形场与应力场,并结合数值模拟分析了急倾斜煤层顶板应变分布及演化特征。结果表明:工作面上部区域应力值小于下部和中部区域,中部区域应力值最大;随工作面推进,采空区底板应力逐渐释放,应力值不断降低,采空区两侧边界煤柱下方煤层底板应力逐渐升高,且中、下部采空区底板应力恢复程度显著高于上部底板;沿煤层倾向布置的光纤应变曲线呈三段分布,具有前后2处应变波峰区及采空区对应的中部波谷区,前波峰远高于后波峰;工作面中上部顶板变形程度大于下部顶板;数值模拟与光纤检测结果一致,均表现出中上部顶板变形显著大于下部。研究弥补了物理相似模型试验监测手段短板。

基于新一代信息技术的煤炭工业治理体系平台技术架构

针对我国煤炭工业治理体系无法适应当前煤炭高质量发展需求的问题,提出利用第四次工业革命所倡导的新一代信息技术建立一套完整的煤炭工业治理体系平台,提升政府监管能力,打通市场合作瓶颈,建立国际对话渠道,支撑我国煤炭工业机制体制深化改革与相关政策的有效落实。分析了5G、人工智能、大数据、区块链4种信息技术的技术特点、发展现状及趋势,指出各种信息技术在构建煤炭工业治理平台中的角色与定位。提出了基于新一代信息技术的煤炭工业治理平台总体架构及网络架构图,进一步分析了建设平台所需的信息基础设施,包含公专融合5G煤炭工业网络、煤炭大数据与智能信息处理子平台、区块链煤炭产业协作监管子平台3部分。深入探讨了公专融合5G煤炭工业网络、煤炭大数据与智能信息处理子平台及区块块链煤炭产业协作监管子平台的关键技术,为建设煤炭工业治理平台提供可行化方案。

掘锚机探放水钻机固定支架强度分析

针对一种掘锚一体机机载式探放水钻机,分析了其作业工况和功能需求。对钻机在各种工况下的受力进行分析,对关键部件的强度进行了有限元仿真校核。理论分析结果表明,安装座竖向载荷、伸缩滑套和钻机连接处的竖向载荷、伸缩滑套竖向载荷均是随着俯仰转角的增大,先增大后减小,在俯仰转角为0°时转矩最大。有限元计算结果显示关键部件伸缩轨道的和伸缩滑套的最大应力远小于所用材料Q345B的屈服强度,满足使用要求。钻机固定支架应力最大值仅为37.096 MPa,变形量为2.006 mm,说明钻机在最大载荷工况下,钻机固定支架能够满足强度要求。通过厂内和煤矿井下的工业性试验验证了设计的探放水钻机结构的有效性,具有较好的应用和推广价值。

综掘巷道迈步式自移机尾智能控制技术研究

针对现有综掘巷道迈步式自移机尾设备智能化水平低,智能控制技术研究不足等问题,阐释了自移机尾工作原理,分析了智能化煤矿验收办法中针对带式输送机自移机尾智能化的要求,提出自移机尾控制系统的总体设计方案,设计了一键自移控制、多机联动控制和人员接近识别与闯入预警软硬件系统。在此基础上,在神华集团神东煤炭有限责任公司哈拉沟煤矿31107运输巷掘进工作面自移机尾应用该智能控制系统,现场试验结果表明:该智能控制系统可实现自移机尾的一键自移控制;人员接近识别与闯入预警系统可以对自移机尾周边人员进行精准定位,并且能够在人员进入危险区域后进行识别,提高了自移机尾设备使用的安全性。

基于信息融合技术的超前液压支架姿态感知方法及实验验证

超前耦合支护系统空间姿态动态监测方法融合了众多的先进感知传感器,而单一感知传感器间相对独立,无法融合由于复杂扰动变化引起的超前液压支架组的空间姿态动态信息和相对位置信息反馈。采用多传感器系统协同作业的原理,结合超前液压支架组相对位置调整、移架和顶底板变形引起的2种典型空间姿态变化情况,提出一种基于信息融合技术的超前液压支架组姿态感知方法。采用超声波测距传感器测量超前液压支架组与巷帮相对位置动态信息,将小于安全距离进行位置调整过程中所引发的超前液压支架组空间姿态变化视为航向角度的动态变化,实现超前液压支架组位置调整、移架过程的空间姿态感知。采用九轴姿态传感器感知支架顶梁、底座和连杆机构的姿态动态变化信息,利用卡尔曼滤波算法融合单个姿态传感器各轴姿态数据,抑制测量过程中噪声的影响,利用自适应加权融合算法将所有姿态传感器具有相同变化趋势的同轴数据进行融合,实现对超前液压支架组空间姿态数据的动态融合感知。最后使用超前液压支架组空间姿态感知实验台对所提出的超前液压支架组空间姿态感知方法进行实验验证分析。实验结果表明:横滚角融合结果最大误差为0.0243°,最小误差为0.0016°,平均绝对误差为0.0048°,偏航角融合结果最大误差为0.0276°,最小误差为0.0012°,平均绝对误差为0.0047°,验证了所提出的姿态感知方法的准确性。

矿压峰值点极限和无煤柱末采技术研究

按照地下资源“连续开采”的技术思路,提出工作面推进方向的无煤柱末采技术中的关键科学问题。首先,在系统分析实体煤内部应力极限平衡模型的基础上,利用克希荷夫定律,推导弹性区支承应力分布表达式,建立新的复合力学模型;其次,运用复分析几何理论中的共形映照方法,阐述无煤柱连续开采条件下大巷“先加载—后卸载”力学特征,并建立共形数学模型,同时,基于黎曼映照定理和Schwarz-Christoffel定理,推导末采煤柱矿压载荷峰值点极限定理;最后,在大巷超前复合力学模型、共形数学模型的基础上,构建“末采无煤柱贯通巷道补强支护—防漏风—液压支架贯通大巷切顶—支架回撤”的新技术,并对比工作面超前支承压力影响范围和峰值点位置的现场实验测量结果与理论模型计算结果。研究结果表明:实测结果在理论计算结果区间内,证明复合力学模型有效,且采用新技术的末采巷道的现场位移满足无煤柱末采技术的工艺条件,也为无煤柱末采技术现场应用提供更完善的理论依据。

煤滞尘对叶片反射光谱与植被指数的影响与定量分析

我国煤炭资源多集中在干旱少雨的北方地区,露天开采和运输等过程极易引起煤粉尘扩散和污染。粉尘扩散后其中一部分在重力作用下沉降覆盖到周边的植被上,导致植被降尘现象普遍。在利用遥感手段进行植被监测时,降尘效应会影响植被光谱的纯净性,使遥感器所获取的信号为植被与降尘的混合光谱信号,从而严重影响植被定量遥感精度。为定量研究植被遥感中煤尘的滞尘效应,开展了叶面滞尘光谱测量实验,探究了光谱和植被指数的变化规律;在此基础上,利用含有红边波段的Sentinel-2A遥感影像,在内蒙古霍林河露天矿区分别选择煤尘影响区与对照区两个区域进行植被指数对比,用来验证地面光谱测量实验结果。结果表明,随着滞尘量(0~36 g·m^(-2))的增加,叶面煤尘会使叶片的反射率整体逐渐降低,叶片光谱波峰处(560,720,860,1 680和2 220 nm)的反射率变化幅度明显高于波谷处(445,681和1 940 nm);随着滞尘量的增加,归一化差异植被指数(NDVI)、简单比值指数(SR_(705))和归一化差异指数(ND_(705))明显下降,而中分辨率成像光谱仪陆地叶绿素指数(MTCI)、改进型简单比值指数mSR_(705)(modified simple ratio)和改进型归一化差异指数(mND_(705))基本保持不变,表现出抗煤尘特性,445 nm处反射率和681 nm处反射率对指数起到了重要作用。利用霍林河露天煤矿区的Sentinel-2A遥感影像计算上述指数,将煤尘影响区与对照区比较,MTCI、 mSR_(705)和mND_(705)等指数表现了抗煤尘特性,验证了地面实验的结果。该研究为煤尘污染区域的植被遥感奠定了一定基础,对保证植被遥感反演精度具有积极意义。

剪切粗糙裂隙渗流多尺度分形表征

甘肃北山为高放废物深地质处置库场址的主预选区。针对场址区花岗岩受剪切破坏形成裂隙的渗流特性进行研究,具有重要的工程建设指导意义。为探究北山花岗岩多尺度粗糙裂隙几何特征对非线性渗流场演化的影响规律,对剪切条件下花岗岩裂隙断面的几何特征及渗流特性进行了分形建模研究。结果表明,粗糙裂隙的粗糙程度和开度在模型尺度变化过程中存在完全的自相似性,二者的分布特征在分布空间尺度变化过程中始终保持一致;渗流速度场、梯度场及散度场只存在局部特征的延续,尤其是不同尺度下对应的数量场均服从于正态分布;随着观察尺度的增大场内空间起伏逐渐减小,三场内的尖锐突变逐渐消失且向平滑过渡,这意味着观察尺度越大,粗糙裂隙渗流被误判为平行板渗流的概率越大,即粗糙断面渗流特性的精准描述依赖于几何尺度。

基于改进YOLO v4的煤矸石识别检测技术研究

为提高煤矸石分拣的精度和可靠性,提出了一种基于改进YOLO v4的煤矸石识别网络,引入了Focal损失函数,使用K-means++聚类算法优化初始锚定框,将PANet中的五次卷积操作替换为CSP结构,同时引入空洞卷积的金字塔结构,降低模型参数,实现模型的轻量化,增加了一条跨连接边构成BiFPN结构,提高对中等目标的检测能力,得到My-YOLO v4目标检测模型。本研究对所提出的My-YOLO v4识别检测方法与SSD、YOLO v3、YOLO v4三种检测方法进行实验对比分析。实验结果表明,该检测算法在测试集上检测煤与煤矸石混合的mAP值为98.14%,FPS为28.3 f/s,相较于SSD、YOLO v3检测算法识别精度分别提高了5.41%、2.87%,相较于YOLO v4目标检测模型识别速度提高了7.7 f/s,通过对比分析实验数据验证了My-YOLO v4目标检测模型整体性能的有效提高。

基于新陈代谢算法优化的GM(1,N)动态网络灰分拟合

煤炭是我国能源资源安全的压舱石,“双碳”背景下实现煤炭清洁加工与高效利用意义重大,而灰分检测对煤炭清洁化和智能化发展尤为重要。针对现有灰分检测存在的检测精度有待提高的突出问题,以两淮矿区典型煤样为研究对象,通过慢灰和X射线荧光(X ray fluorescence,XRF)测试系统地探究了煤样的灰分和元素组成分布规律,并结合机器学习理论构建了灰分-元素特征数据集;结合灰色系统理论和新陈代谢算法,构建了自适应的GM(1,N)动态网络灰分拟合优化模型,并详细设计了动态网络算法流程;提出了GM(1,N)动态模型的关键超参数,并通过与常规拟合方法对比,全面地评价了模型拟合性能。结果表明:两淮矿区煤可视为由可燃元素和成灰元素共同构成,且成灰元素中质量分数占比最高为Si和Al,次之为S、Fe和Ca等,最少为P和Cl等,并且煤中成灰元素总含量与灰分呈正相关,而可燃元素与之相反;以灰分为标签值、以组成元素为特征值,形成了煤的灰分-元素特征数据集;以样本数据划分→动态网络灰分拟合→模型评价机制→动态拟合模型自适应优化→鲁棒性提升→多轮迭代优化为主线设计了GM(1,N)动态网络灰分拟合模型及其算法流程,有效提升了数据集稳定性和新鲜度,并且迭代收敛速度快,灰分误差阈值5%时其准确率达100%;对比经典GM(1,N)模型和常规多元线性回归模型,证明了新模型的灰分拟合性能得到显著提升,其相对误差为0.16%~4.96%、误差均值仅2.29%。

基于激光扫描和三维栅格地图的掘进巷道空间建模方法研究

采用常规煤矿巷道三维点云信息地图建模方法得到的点云数据庞大而繁杂,运算量很大,因此提出了基于激光扫描和三维栅格地图的掘进机截割成形三维扫描系统和掘进巷道空间建模方法。将点云数据与三维栅格进行映射,将巷道空间划分为有限个栅格,构成巷道空间三维栅格地图,并将三维栅格地图划分为多个功能区域。通过三维扫描激光雷达坐标系与巷道坐标系的转换,实现了将激光雷达获取的点云数据转换为巷道外轮廓数据,来分析掘进机截割的超挖和欠挖误差。实验表明,当三维栅格边长设定为10 cm时,采用由截割成形巷道三维栅格地图建模方法得到的栅格地图指导掘进机自主截割作业,相比采用常规点云地图可减少84.7%的数据处理量,极大减轻了截割控制系统处理器的负担。研究结果为基于激光雷达三维扫描的掘进机自主截割作业系统的设计及应用提供了依据。

气流床煤粉工业锅炉非催化还原脱硝试验

选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术是燃煤工业锅炉领域重要的脱硝技术之一,目前电站锅炉SNCR脱硝效率普遍偏低,且工业锅炉SNCR应用研究较少。针对一台20 t/h气流床煤粉工业锅炉测量了炉膛温度以及不同喷枪位置和气液压力下炉膛出口的NO_(x)排放浓度,研究了气流床煤粉工业锅炉中SNCR的脱硝性能。结果表明,采用尿素进行脱硝反应的最佳温度窗口为790~850℃,最佳温度窗口位于炉膛中心截面附近,喷枪设置在炉膛侧壁中心优于炉膛顶部,喷枪插入深度和角度对脱硝效率的影响较小,喷枪位于最优位置时,脱硝效率可达87.2%,出口NO_(x)质量浓度为38 mg/m^(3),满足超低排放。喷枪流量随液压升高和气压降低而增大,气压大于液压时,喷枪雾化较好,整个扇面液滴分布较均匀,2.38≤氨氮物质的量比≤3.00时,液压越低,脱硝效率越高,0.30 MPa≤液压≤0.35 MPa,0.29 MPa≤气压≤0.40 MPa时,SNCR脱硝效率较高,且氨逃逸较少。喷枪液滴雾化情况对脱硝效率的影响高于扇面角度。

神东矿区天然矿物中的氟化物浸出规律研究

随着神东矿区煤炭开采向深部转移,矿井水中氟化物超标问题凸显,因此研究氟化物的主要来源对控制矿井水中的氟化物浓度具有重要的意义。为证明天然含氟矿物是矿井水中的氟的主要来源,深入了解天然含氟矿物在矿井水中的浸出过程,以神东矿区为对象,分析了不同深度矿井水中的水质变化规律,研究了不同深度矿物中的氟化物变化,并讨论了天然含氟矿物在矿井水中的氟化物浸出规律。研究结果表明,当煤炭开采深度大于120 m时,矿井水中氟化物浓度超过地表III类氟化物标准值,并且含氟矿物在天然矿物中的比例增大。通过对矿井水中阴阳离子成分分析,认为矿井水中氟化物主要来源于煤炭开采深部含氟矿物的浸出。研究不同水岩作用条件下含氟矿物浸出规律发现,提高水岩作用强度,可以加速含氟矿物中氟化物的浸出;当岩水比例增大(大于1∶50)时,部分含氟矿物的氟浸出浓度大于1.0 mg/L;特别在酸性或碱性条件下,由于离子交换作用和溶解平衡机制,含氟矿物中难溶性氟化物发生浸出。综上所述,在一定的水岩作用环境中,天然含氟矿物中的氟化物浸出,可导致矿井水中氟化物浓度超标(大于1.0 mg/L),这一结论为在复杂地质条件下精确管控天然矿物的氟化物浸出提供了重要指导。

定向钻进技术在高瓦斯矿井大区域瓦斯抽采中应用效果

为满足煤矿井下大区域深部瓦斯抽采的需要,本文介绍了区域瓦斯治理的类型、钻探装备,分析了远端水平对接钻进技术、扇形多分支定向钻进技术和超长定向钻进技术对实际煤炭开采的影响,计算了运用超长定向钻进技术开采的井下瓦斯含量。生产实践表明:超长定向钻孔技术可以覆盖整个待采工作面,使得它比传统常规钻孔技术和扇形、半扇形钻孔技术治理煤矿井下大区域瓦斯效果更好。该技术对煤矿大区域瓦斯超前治理和矿井安全回采具有重要意义。

用于钢丝绳芯输送带制样的高射水刀切割机研制

目前钢丝绳芯矿用输送带检测试样的制备较繁琐,主要靠人工制样,存在尺寸偏差、外形不稳定的瑕疵,给检测结果带来误差。本文用高射水刀进行钢丝绳芯输送带制样,结合检测标准对样品的尺寸及规格要求,研制了自动制样的高射水刀切割机。结果表明:通过五轴切割平台和样本训练修正后的斜度模型解决了钢丝绳切割面不垂直的问题。防飞溅平台设计减少了切割产生的有害物质,避免了对制样人员造成的伤害。

热-流-固耦合作用下页岩气储层渗透率的演化机制

为了研究热-流-固耦合作用下页岩渗透率的演化机制,考虑热解吸、有效应力和热膨胀对页岩渗透率的影响,提出了页岩的有效应力-渗透率模型,该模型能够分析吸附应变和热膨胀应变对页岩渗透率的影响机制。基于该模型和多孔介质弹性理论,建立了单轴应变条件下页岩气储层的热解吸渗透率模型,该模型能够探讨页岩渗透率随温度和孔隙压力的演化规律。利用室内实验观测的页岩岩样渗透率实验数据,验证了该模型的有效性和准确性。结果表明:(1)热解吸渗透率模型能较好地拟合恒压变温条件下的Marcellus页岩渗透率。(2)探讨了恒温条件下页岩渗透率随孔压的演化机制,发现恒温条件下渗透率的演化规律呈“U形”,温度越高,渗透率随孔压下降的反弹现象越不明显。(3)分析了恒压条件下页岩渗透率随温度的演化机制,发现恒压条件下渗透率随温度的演化规律呈“倒U形”,孔隙压力越大,温度对渗透率的影响越小。(4)分别在恒温和恒压条件下对热解吸渗透率模型进行敏感性分析,发现泊松比越大,渗透率比值梯度越大,孔隙体积模量越大,渗透率比值梯度越小。恒压条件下,当线胀系数大于临界值或朗缪尔体应变小于临界值,渗透率的演化规律不呈现“倒U形”。恒温条件下,当朗缪尔体应变小于临界值时,渗透率的演化规律不呈现“U形”。

混煤燃烧过程中的交互作用:掺混方式对混煤燃烧特性的影响

在沉降炉上开展了高、低挥发分煤不同配比(贫煤掺混烟煤比例0,25%,50%,75%,100%)下混煤燃烧特性实验,研究了"炉外"和"炉内"两种掺烧方式对混煤燃尽与NO_x排放特性的影响。结果表明,混煤燃烧过程中烟煤对贫煤存在促进和抑制两种作用,两者的竞争共同决定了混煤的燃尽特性。"炉外"掺烧方式下,掺烧烟煤比例较小时,促进大于抑制作用,有利于混煤燃尽;进一步提高烟煤掺烧的比例,抑制作用增加并大于促进作用,不利于混煤的燃尽;NO_x排放量随烟煤掺烧比例增加基本呈线性增加规律。掺烧烟煤比例控制在25%以内有利于提高混煤燃尽率;掺烧烟煤比例为75%时,混煤燃尽率显著降低。"炉内"掺烧方式下,混煤燃烧中的促进与抑制作用会同时减弱;掺烧大比例烟煤时,烟煤与贫煤混合越晚越有利于混煤燃尽;NO_x排放量随着烟煤延迟混合而逐渐降低。"炉内"掺烧烟煤且烟煤延迟送入炉内有利于混煤燃尽率,且NO_x的排放降低明显;而贫煤延迟送入炉内则会导致混煤燃尽率进一步降低,但NO_x排放降低程度低于前者。

OBE理念下的材料力学教学方法改革与实践

为提高材料力学教学效果,培养学生分析和解决实际问题的能力,开展了目标导向教育(outcome based education,OBE)的教学方法改革与实践。以采矿专业大学生为教学对象,结合巷道支护技术的最新发展动态,针对轴向拉伸、轴向压缩、扭转、弯曲、组合变形和压杆稳定分别导入顶板锚杆、墩柱、锚杆孔钻孔、巷道顶板锚杆布置优化、钢管混凝土支架破坏和墩柱稳定性等案例,运用相关章节力学知识,最终解答了案例。OBE教学方法能让学生深刻地认识到材料力学和所学专业的密切关系,激发学生的学习兴趣,培养学生的科学素养和研究性思维,实践创新和解决工程问题的能力,教学效果显著。

煤层气藏地面勘探开发选区灰色模糊评价

采用灰色关联分析方法确定了评价指标的权重,利用多级和梯形隶属度函数确定了指标的单因素评价,建立了煤层气资源地面开发选区模糊综合评价模型.利用Matlab编制了CBMES(coal bed methaneevaluation system),对辽宁省7个主要煤田煤层气地面开发可行性进行了模糊综合评价.根据评价结果,各评价指标中煤层渗透率和含气量所占权重较大,其他指标权重由大到小依次为:煤层厚度、煤级、资源量、资源丰度、煤层压力、埋深.辽宁省各煤田煤层气开发可行性为:阜新煤田>铁法煤田>抚顺煤田>红阳煤田>沈北煤田>康平煤田>南票煤田,评价结果与实际开发情况吻合较好,证明了所建立模糊综合评价模型的合理性.

基于小波包和EMD处理的滚动轴承故障诊断

为解决异步电机故障轴承振动信号易受噪音影响信噪比较小的缺点,提出了一种新的故障诊断方法。首先,采用小波分析方法对测得的原始信号进行去噪,并根据频率对原始信号进行频带划分;其次,用经验模式分解(EMD)方法对小波包分解重构得到的低频段信号进行分解,获得若干固有内在模函数(IMF);最后,采用傅里叶变换对各个IMF函数进行时频分析获得频谱图,进而提取故障频率,根据故障频率和故障类型的对应关系得出最后的诊断结果。实验表明,该方法能有效地提取出故障特征频率,方便地判断出故障类型。对比分析了傅里叶变换和小波变换与本方法的优缺点,为滚动轴承的早期故障诊断提供了一个新的思路。