压裂煤层综采截割比能耗模型及应用

针对陕北侏罗纪厚硬煤层开采中存在的截割功耗高,截齿磨损严重,块煤率低等问题,以超前水压致裂改造硬厚煤层工程为背景,以形成的不同压裂煤层为对象,建立压裂煤层截割比能耗损伤模型,研究了压裂煤层截割性能的变化规律和影响因素.结果表明,压裂煤层的截割比能耗与压裂损伤变量成对数关系;进一步采用ANSYS/LS-DYNA软件分析,研究了不同压裂煤层的截割能耗、截割阻力等参数的变化规律,得出压裂煤层损伤变量与采煤机截割功耗及截割阻力成反比关系;在煤机截割条件相同情况下,压裂煤层比原始煤层的截割能耗减小50%左右,截割阻力比原始煤层降低了20%;压裂损伤程度越大,煤层截割比能耗越小.结合陕北4种工作面压裂煤层条件,通过数值计算分析,给出不同工作面压裂煤体损伤变量及截割能耗的变化规律.现场工业试验研究表明,压裂煤层与原始煤层相比较煤层开采具有节能降耗、提质增效等方面的作用,与理论模型计算结果一致.观测表明,采煤机截割不同压裂程度煤层的吨煤电耗、截齿及油脂消耗不同,损伤变量越大的压裂煤层综采截割性能越高;各压裂工作面粉尘平均降低36.7%,压裂煤层综采工作面块煤率平均提高26.5%.

截割参数对镐型截齿截割比能耗的影响

为了研究相关截割参数对截割比能耗的影响,基于直线截割试验装置,在不同截割角条件下,使用5种不同锥角的镐形截齿对一种砂岩进行截割试验,研究了相关角度参数对截割力和比能耗的影响;在截割角为55°时,使用锥角80°的截齿,在不同截割厚度和截线距条件下进行截割试验,探讨了截割厚度和截线距对截割力和截割比能耗的影响。试验结果表明,清理角对截割力和截割比能耗有显著的影响,当清理角过小时,截齿与岩石之间产生严重的摩擦使截割力明显较大,从而使截割比能耗较大。当清理角小于等于10°时,平均截割力随截齿锥角的增大呈线性增大,随前角的增大呈线性减小,此时截割比能耗明显小于清理角大于10°时的截割比能耗,但锥角和前角对截割比能耗未见明显的影响趋势。平均截割力随截割厚度和截线距的增大呈线性增大。截割比能耗随截割厚度的增大呈幂函数减小。截线距与截割厚度的比值存在一个最优值使截割比能耗最小,此时截割比能耗相对无截槽影响时约降低65.1%。截线距与截割厚度比值的最优值为2或3,且该比值不受截割厚度和截线距的影响。这些结论对镐型截齿工作角度的设计及采掘机械工作机构截齿布置有重要的指导意义。

基于数据清洗算法的采煤机截割比能耗计算方法

为了研究特定矿井或地区的截割比能耗,利用MG900/2400-WD采煤机在陕蒙煤田某矿区的运行数据,结合设备使用的实际工况,提出了针对不同数据类型的数据清洗算法,消除数据采集过程中的误差。首先针对速度,采高,架号三种数据分别设计了速度修正算法,完成数据修正后通过可视化采煤机架号数据变化情况,选取了45组采煤机在正常截割时的数据。最后利用采煤机牵引速度左右采高及滚筒截深,计算采煤机割煤体积。利用采煤机电机电流数据,计算采煤机割煤消耗的能量,从而得出了随着牵引速度变化,截割比能耗的变化情况。结果表明这两种算法能够分别修正速度和采高数据中存在的误差,使用清洗后的数据能够计算出的截割比能耗随速度的变化规律。截割比能耗的结果为下一阶段此采煤机的推广、设计和改进提供指导数据。

截齿切削厚度与截割比能耗的算法及误差分析

为给出截齿切削厚度和截割比能耗的准确算法,通过分析滚筒半径、最大切削厚度和截齿位置角三者间的数学关系,提出切削厚度和截割比能耗的准确算法,对比分析准确算法与近似算法间的误差变化范围。通过研究截齿截割速度、采煤机牵引速度和滚筒转速三者间的几何关系,获得截齿截割速度的准确算法、截割速度大小与方向的变化规律。结果表明:当滚筒半径为0.3 m、最大切削厚度为50 mm,截割位置角为10°时,切削厚度两种算法误差率为32.0%,截齿截割一周平均切削厚度误差率为6.0%,截割比能耗误差率为33.4%;截齿截割速度两种算法误差最大值等于采煤机牵引速度大小。该研究为截齿截割参数和截割比能耗的准确计算提供了参考。

截割参数对采煤机截割比能耗的影响研究

为提高矿用采煤机滚筒截割煤岩的工作效率,针对影响采煤机截割性能的煤层倾角、采煤机牵引速度、截割深度3个参数进行分析研究,得出:随着煤层倾角、截割深度的增大,采煤机截割比能耗也同步增大;而随着牵引速度的增大,采煤机截割比能耗逐渐减小,且牵引速度与采煤机截割比能耗的变化关系是幂函数。综合可以得出,牵引速度对采煤机截割比能耗影响最大,截割深度影响相比较小,而煤层倾角影响最小。

数字孪生驱动的巷道自动成形截割虚拟调试方法研究

针对目前巷道自动成形截割控制调试周期长、调试成本大、安全风险大、成形质量难以评价等问题,提出了一种数字孪生驱动的巷道自动成形截割虚拟调试方法。采用基于即时外观建图(RTAP−MAP)技术重建巷道三维环境,构建掘进机控制系统模型,形成虚拟调试环境,并利用虚拟传感器技术实现物理空间到虚拟环境状态的精准映射。针对难以量化评估断面成形质量的问题,确立了巷道自动成形截割性能评价方法,以断面成形截割控制过程在数据传输中心的记录为基础,主要对断面成形精度、截割效率与油缸开关次数、硬岩切割调整、超挖欠挖4个评价指标进行计算,从而为深度学习算法的迭代优化提供精准反馈信号,并提出了一种融合强化学习的自动截割控制策略,以提高自动化作业的适应性和精确度。为验证该虚拟调试方法的有效性和准确性,搭建了掘进机自动控制实验平台,并将虚拟调试系统应用于掘进巷道成形截割自动控制程序中。虚拟仿真结果表明:①被调试软件在控制关键点位处的X,Y,Z轴定位误差的最大值分别为74.8,72.93,123.67 mm,说明虚拟调试方法的定位精度达到性能要求。②虚拟样机与物理样机轨迹基本一致,说明该调试方法实现了对物理空间的映射。应用结果表明:①强化学习控制器在虚拟掘进测试中适应了复杂环境,将虚拟传感器输入有效转换为精准控制指令,验证了模拟−现实迁移训练的可行性。通过处理掘进精度和避免超欠挖的实时反馈,控制器学习并优化了策略。②优化后的断面成形截割控制性能得到了提升,根据数据库中控制量时间戳的记录,用时126 s,较优化前耗时减少了8 s。③优化后截割部末端轨迹跟踪最大误差为6.0 mm,较优化前降低了0.3 mm,避免了截割轨迹抖动导致的欠挖,同时使得轨迹和断面更加平滑。

煤矿掘进机自定位截割控制方法及试验研究

开展了掘进机自定位截割控制方法及试验研究,提出了掘进机自定位截割控制策略,使用基于单目视觉与深度学习的掘进机机体六自由度位姿检测方法,以及具有规定性能的双层模糊自适应反步控制方法实现了掘进机自定位截割,并将其用于机体任意位姿下的截割头循迹跟踪控制。在掘进机两种不同的机体位姿下进行了截割头循迹跟踪控制试验,试验结果显示最大轮廓误差分别在48 mm和52 mm(约2.14%与2.32%)以内,验证了提出的掘进机自定位截割控制方法的有效性。

双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究

双悬臂截割机器人可解决传统单臂掘进机在截割大尺寸断面时效率低下的难题,但其与煤岩的动态交互影响控制性能。现有研究以双臂接触同一对象形成运动闭链为前提,无法满足双悬臂截割机器人双臂运动及末端截割头输出力的控制要求。针对该问题,设计了一种基于机器人相对动力学模型的力位混合控制系统。建立双悬臂截割机器人运动学和动力学模型,基于机器人的相对雅可比矩阵及虚位移与虚功原理推导出机器人的相对动力学模型,通过单一变量同时描述机器人双臂的运动状态,将机器人双臂独立的动力学模型整合为一个整体。基于机器人的相对动力学模型,设计了机器人双臂力位混合控制系统,通过李雅普诺夫函数验证了系统的稳定性和可行性。仿真结果表明:双悬臂截割工艺较单悬臂截割拥有更大的工作空间,具有一次性实现大断面截割的能力;双悬臂截割机器人力位混合控制系统能够完成对期望相对位置和期望相对力的同步跟踪,对截割头期望位置跟踪的绝对误差在0.3132 m以内,均方根误差为0.1447 m。

短横轴截割机器人直墙拱形巷道自动成形控制方法

针对掘进机在直墙拱形巷道掘进过程中存在定位难、截割效率低、成形质量差等问题,提出一种短横轴截割机器人及其自动成形控制方法。首先设计了串联式短横轴截割机器人结构,构建了短横轴截割机器人运动学模型,建立了截割臂升降油缸、滑移油缸及回转油缸伸缩量与截割头末端位姿的数学关系,提出了短横轴截割机器人直墙拱形巷道自动成形控制方法;其次研究分析了短横轴截割机器人截割头包络空间与直墙半圆拱形巷道空间耦合关系,确定了截割过程中截割轨迹关键点位置,提出了基于截割轨迹关键点的“弓”型截割轨迹规划方法;然后根据建立的短横轴截割机器人运动学模型,求解截割头在跟踪截割轨迹的过程中运动控制量和截割、修帮、扫底3个任务各个关节控制时序;最后以模糊PID为例,建立了短横轴截割机器人自动成形控制方法,利用Adams软件对短横轴截割机器人进行截割运动仿真试验。结果表明:利用“弓”型截割轨迹规划方法能够完成直墙拱形巷道的截割轨迹规划,控制截割头对截割轨道进行跟踪控制,实现了直墙拱形巷道断面的自动成形截割,截割成形的巷道最大欠挖量为48 mm,最大超挖量为21 mm,满足煤矿巷道成形质量要求。研究得出短横轴截割机器人可在沿巷道中线不左右移机的情况下,高效率、高质量地完成直墙拱形巷道断面自动成形截割任务。

采煤机截割部低照度图像的边缘检测技术

针对井下低照度环境下采煤机截割部边缘检测任务中存在的边缘缺失、细节模糊等问题,提出一种基于分数阶微分的边缘检测Lif算法。首先采用更大的检测模板尺寸,根据Grünwald-Let-nikov分数阶定义构造最初的分数阶掩膜算子;然后根据Pascal三角形理论确定掩膜算子上各位置的权重系数,并将掩膜算子扩展到4个不同方向;最后将得到的掩膜算子与图像进行卷积,利用图像的局部特征信息对每个方向的微分结果进行后处理。结果表明:(1)在进行多个不同场景的井下低照度图像上的实验时,Lif算法可以更全面地获取图像中不同方向上的边缘信息,在处理低照度图像时具备更强的抗噪性能,并且提取的边缘线条比其余边缘检测算法更加清晰、完整,保留了更多的纹理细节信息。(2)在客观指标评价的对比上,与基于分数阶灰色系统模型的边缘检测算法以及改进的分数阶Sobel边缘检测算法相比,Lif算法在Entropy指标上分别提高了43%、11%,AG指标上分别提高了23%、23%,SSIM指标上分别提高了152%、6%。表明Lif算法在进行采煤机截割部的边缘检测任务时更具优势,研究对井下设备工作运行时的安全性和可靠性提升具有重要意义。

基于STFF-ShuffleNet的掘进机截割头故障诊断

目的为了解决掘进机截割头故障振动信号信息量大且难以充分提取和现有的掘进机截割头故障诊断模型参数量多且计算量大,训练需要耗费大量时间,部署和使用对硬件设备的性能要求严苛的问题。方法提出一种小体积和运行速度快的轻量化网络模型时空特征融合(STFF)-ShuffleNet用于掘进机截割头故障诊断研究。ShuffleNet在模型进行时空特征提取时引入深度可分离卷积提高模型的运算效率,再对融合后的时空特征做通道混洗和分组卷积,既解决了通道分组的问题又提高了诊断精度。通过悬臂式掘进机截割头实验台模拟不同故障条件,将采集到的振动信号输入模型中进行测试。结果实验表明,STFF-ShuffleNet模型对掘进机截割头的诊断与其他传统模型相比参数量少,收敛速度快,运行效率更高,更容易满足掘进机截割头故障诊断高实时性要求,准确率达到99.3%。结论STFF-ShuffleNet模型对提高掘进机截割头故障诊断效率和降低硬件要求提供了一种新的解决思路。

基于K-GRU神经网络的采煤机记忆截割及优化

目的针对采煤机记忆截割不准确、自动化程度不高的问题,方法本文提出一种基于KGRU神经网络的采煤机记忆截割算法,此算法具有更适合处理长时序数据的特点,将算法与采煤机记忆截割结合起来,可以减少采煤过程中滚筒的损坏同时保护工人生命安全。该算法在深层门控循环单元(GRU)的输入端引入比例因子K,用比例因子K表现不同时刻数据的重要程度,以加强模型对长时序数据的记忆性,进而提高记忆截割精度。在模型训练阶段利用随机搜索算法(RS)对深层K-GRU神经网络的超参数选择进行优化,加快模型训练速度。结果实验中使用Python完成K-GRU模型构建与超参数优化,使用随机搜索算法可以在更短时间内得到超参数最优解,得到超参数epochs为317、batch_size为70的最优解共花费154 s,在最优解情况下计算模型对真实采煤数据预测的误差,得到K-GRU的loss值为0.0467、R2为0.9578、EVS为0.9656、ME为0.0833。结论最终表明,优化后的深层K-GRU模型在解释方差得分、最大误差和可决系数方面均优于SVM、KNN、LSTM、RNN和普通GRU模型,显著提高了采煤机记忆截割的适用性和准确性。

截割参数对采煤机截齿受力影响研究

分析了采煤机截割实际情况,确定了截割半径、牵引速度、滚筒转速、煤层介质等截割影响参数;运用仿真和试验的方法研究了采煤机截齿在实际工况下作业时受力情况。仿真和试验结果表明:不同截割参数下,采煤机截齿截割力均呈现先增加后减小的趋势;不同截割参数下,截齿截割力峰值不同;采煤机截齿截割力试验值与仿真值基本一致,且最大相对误差为5%,试验验证仿真分析准确性,该研究为采煤机截齿受力特性的改善和疲劳寿命的提高提供借鉴。

掘进机截割部齿轮传动系统振动特性研究

掘进机截割部齿轮传动系统性能的好坏直接决定掘进机的使用寿命和传动效率。以某型掘进机截割部齿轮传动系统为研究对象,分析了掘进机截割部组成及齿轮传动系统,运用MATLAB对减速机齿轮传动系统振动特性进行研究和分析。研究结果表明:掘进机截割减速机输入一级中心齿轮和一级行星齿轮X向振动位移呈现单周期稳定波动,2个X向振动位移共振频率均在180 Hz左右;输入一级中心齿轮X、Y向振动位移小于一级行星齿轮X、Y向振动位移。该研究为掘进机截割部齿轮传动系统振动噪声的改善提供理论依据。

基于多传感器融合的模糊PID采煤机截割路径自适应控制方法

截割路径自适应控制是提高采煤机生产效率和质量的重要手段,但现行方法控制精度较低,在实际中,截割路径RMSE、MAE均比较高。针对现行方法存在的不足和缺陷,提出基于多传感器融合的模糊PID采煤机截割路径自适应控制方法。采用多传感器融合技术感知采煤机截割运动学模型中位置及状态信息,并对多传感器数据融合处理,根据采煤机截割运动学规律得到采煤机截割路径,模糊化截割路径偏差,利用PID控制器调控比例、积分、微分3个参数,修正采煤机截割路径偏差,实现基于多传感器融合的模糊PID采煤机截割路径自适应控制。实验证明,设计方法应用下的采煤机截割路径RMSE和MAE得到了明显降低,为采煤机截割路径自适应控制提供了一定参考。

悬臂式掘进机截割头截线距对截割性能的影响分析

悬臂式掘进机进行煤矿截割的过程中,针对截线距对截割性能的影响作用进行分析,从而提高煤矿的截割效率。采用离散元分析的形式建立不同截线距的模型,并对截齿的截割阻力、截割阻力波动系数、截割比能耗进行分析,从而选取最优的截线距参数,提高煤矿的截割效率。

通风扰动下连采工作面截割粉尘运移及分布规律

为掌握通风扰动下连采工作面截割粉尘运移及分布规律,以陕西红柳林煤矿15218连采工作面为研究对象,采用SolidWorks构建了连采工作面物理模型,基于欧拉-拉格朗日方法,使用CFD软件对风流场、粉尘浓度分布、粉尘粒径分布进行了数值模拟。结果表明:(1)连采工作面内大部分含尘风流向回风侧运移,粉尘主要富集于回风侧连续采煤机截割滚筒下方的三角区及连续采煤机尾部至巷道中部区域。(2)涡流区内粉尘富集较少,部分粉尘富集于梭车内,尾流区内粉尘云团呈凹形条带状。(3)含尘风流向巷道出口运移过程中,粗尘沉降最多,细尘次之,微尘沉降最少;微尘、细尘、粗尘数量随巷道高度增加均呈先增加后减少的变化规律;微尘、细尘、粗尘数量随距采煤壁面距离、回风侧巷道壁面距离的增大均减少。(4)呼吸带高度处粉尘云团浓度和面积均随风速增大而减小,且微尘、细尘、粗尘占比分别为15%,54%,31%左右,基本不受风速变化影响。(5)1.6 m/s的风速虽利于呼吸带高度平面粉尘富集区域的排尘,但会扬起更多的粉尘进入呼吸带高度平面,因此既要合理增大风速进行全局排尘,也要采取针对性措施进行局部重点控降尘。

基于截割顶底板高度预测模型的采煤机自动调高技术

传统的煤层截割路径规划通过几何控制、规划计算等方式对采煤机滚筒高度进行预测,但存在预测的数据误差较大、无法适应地质条件变化的问题。针对上述问题,提出了一种基于截割顶底板高度预测模型的采煤机自动调高技术。首先,分析了影响截割顶底板高度的因素,指出影响顶底板高度的主要因素包括煤层的起伏变化数据、历史截割数据、刮板输送机的高程数据及人工操作记录,将上述4类数据融合处理,建立以长短期记忆(LSTM)模型和灰色马尔可夫模型为基础的截割顶底板高度预测模型,通过算法模型预测出截割顶底板的高度。然后,以截割顶底板的高度数据为基础,结合采煤机位姿和空间坐标,建立计算滚筒高度的几何模型,同时依据刮板输送机上窜下滑量及是否执行加减刀工艺等因素进行修正,最终将顶底板高度序列转换为滚筒高度序列,即将截割顶底板高度转换为采煤机滚筒的目标高度,由采煤机执行到目标高度,实现滚筒自动调高工业性试验结果表明:(1)在自动调高技术的控制下,顶滚筒和底滚筒的预测高度与实际高度偏差值有90%的数据量均在10 cm以内,滚筒的预测高度和实际高度具有明显的一致性。(2)与传统手动控制方式相比,中部截割一刀煤的人工干预调高次数由49次下降为21次,说明截割顶底板的高度预测模型和计算滚筒高度的几何模型是准确合理的,采煤机滚筒的自动调高技术是可行的。

基于B样条曲线拟合和蜉蝣算法的采煤机截割路径约束优化

实现采煤机智能化调高,关键是解决煤岩界面识别问题、截割路径优化问题及采煤机调高控制问题。即使煤岩界面被精确识别,受到实际工作中顶底板的平整性和液压支架的推移滑溜等要求的限制,采煤机滚筒无法完全跟随煤岩界面曲线,因此需要基于煤岩界面识别结果,对起伏变化的煤岩界面曲线进行截割路径优化,得到采煤机调高控制的目标轨迹。滚筒截割路径优化是基于煤岩界面估计曲线,在采煤工艺、煤质要求和设备的适应能力等限制条件的约束下,得到使回采最大化的平滑轨迹。针对上述采煤机截割路径约束优化问题,提出一种基于B样条曲线拟合和蜉蝣算法的采煤机截割路径约束优化方法。为了提高截割路径优化效果和降低计算复杂度,以B样条曲线节点系数作为设计变量,构建一种新型截割路径优化目标函数;考虑采煤机截割工艺、煤质要求等限制,使用多段赋值罚函数法处理约束,根据约束的不满足程度动态改变罚函数系数值,避免优化陷入局部最值和约束不能起到实际作用;为了进一步提高优化效果和收敛速度,使用修正蜉蝣算法寻找最优截割路径。最后,考虑实际煤岩界面中褶皱、陷落柱、断层等典型地质构造,进行仿真研究,结果表明,所提方法能在满足实际约束下快速得到平滑的截割优化路径,实时性好、适用性高。

大采高综采工作面截割湍流风对煤尘侧向逸散的影响机制

大采高工作面内大尺寸的采煤机滚筒在截割煤体时产生更为明显的湍流风,使得工作面局部风速发生变化,粉尘颗粒向人行道区域发生横向扩散。为了明晰大采高工作面截割湍流风对粉尘质量浓度沿程分布的影响机制,针对三道沟85219工作面,运用数值模拟方法构建了风流-粉尘两相耦合数学模型,对工作面风流分布、粉尘运移、呼吸带高度粉尘质量浓度分布进行研究。结果表明;相较于仅系统通风作用下的流场,前后滚筒处及移架处在截割湍流风扰动下横向偏移分速度明显增大,在滚筒附近产生了横向偏移分速度约为-1.06 m/s的“风流偏移区”;在截割湍流风扰动下,前后滚筒处质量浓度超过151.85 mg/m^(3)的粉尘团向人行道区域发生横向逸散,在顺风割煤状态下前滚筒处截割湍流风对截割煤尘横向逸散的诱导能力高于后滚筒处,前滚筒附件人行道呼吸带区域粉尘质量浓度相较于仅系统通风状态下提升了64.77%;将模拟数据与现场实测数据进行比对,相对误差小于12.57%,模拟数据相对准确。基于此,提出一种采煤机含尘气流控尘装置,在现场进行应用并检测其防控尘效果,在工作面人员作业区域呼尘降尘效率超过78.31%,全尘降尘效率超过89.93%。