基于矿山物联网的矿井突水感知关键技术研究

从感知矿山理念与物联网三层架构出发,以网络化测量、智能传感器、地球信息科学、数据挖掘等新兴学科与水文地质、采矿、地球物理等传统矿山学科相互交叉为手段,分析了矿井突水信息采集、传输、处理与预警技术现状,论述了矿山物联网条件下实现矿井突水感知的关键技术。在感知层,以网络化测量与智能传感器为关键技术,构建多物理场网络化分布式监测系统;在网络层,利用空间数据仓库、三维地学模拟系统和云计算搭建突水云服务平台,实现矿井突水多源异构信息的高效存取与三维复合分析,为构建突水专家云提供基础;在应用层,以多源信息融合为关键技术,提出了一种多模型组合的矿井突水预警方法,将静态预测与实时预警相结合,充分利用历史与实时数据,增大突水预警判据的信息量。最后指出了建设整个系统需要分3个阶段逐步实施。

矿井微震与电法耦合监测技术

随着煤炭资源开采区域、深度及强度的增加,矿井工作面采掘扰动极易诱发矿井突水事故,严重威胁我国煤炭资源安全开采。矿井水害事故的发生主要是岩体采动破裂与矿井水渗流共同作用的结果。研究表明,微震信号的纵横波到时、幅值、频率等参量可有效表征岩体破裂位置、强度及其震源机制,地电场信号中的电阻率、激励电流及自然电位等参量可有效表征岩体渗流演化过程。透水通道形成对应微震场特征,地下水渗流对应地电场特征,因此微震电法耦合方法对矿井水害孕育发展过程具有监测预警的功能,可有效对采动破坏过程中形成的突水通道、水源位置及渗流过程等水害三要素进行精准捕捉;减少单一地球物理方法多解性,提高水害监测预警精度,对煤矿防治水意义重大。当前,微震与电法耦合监测技术在煤矿水害实时动态监测中开始得到应用,突破传统微震与电法独立采集的局限,课题组自主研发了国内外首款煤安认证的微震与电法耦合并行监测系统,该系统以微震场与地电场并行采集基站为核心,集被动源微震波场与主被动地电场为一体,通过连接矿井物联网,实现远程数据采集控制、传输及云端存储;其一体化网络服务器主机可连接多个采集基站,并将微震检波器、电法激励电极与电位测量电极进行相互隔离、并行采集,形成微震事件密度与能级分布、电阻率分布、自然电位分布等时空云图来监测预判水害三要素。微震与电法耦合监测技术仍需在微震事件智能识别与定位、地电场的电阻率三维反演以及自然电位渗流反演方面进行专项攻关;结合并行监测的微震电法大数据集,重点在微震电法数据联合反演、智能化监测预警方向开展进一步研究。微震与电法耦合监测技术,作为矿井水害的主动预警监测新方法,可为我国智能化矿井建设发挥重要作用。

采动含水层生态功能修复:概念内涵、理论与技术框架

针对我国保水采煤研究现状及煤矿区采损生态修复的技术需求,提出应开展采动含水层生态功能修复研究,并将其纳入绿色开采技术体系中。在充分阐述采动含水层生态功能修复概念与内涵的基础上,构建了以采动含水层失水流动规律及水径流阻隔关键技术为主的理论与技术框架,分析了当前相关研究进展与未来攻关方向。含水层的损伤失水与生态功能退化本质源于采煤引起的岩层运动与裂隙发育,应在充分掌握含水层失水机制与规律的基础上对其开展生态功能修复理论与技术研究。深入揭示含水层失水路径分布与水流动力耗散规律,将失水流量集中分布的采动影响区作为重点修复的靶区,合理运用“边采边修”、“采后再修”等方式实施水流通道封堵与修复。同时,应充分利用采动岩体裂隙自修复机制及其引起的含水层自恢复效应,开展采动含水层生态功能引导修复研究与实践;基于水-气-岩相互作用产生化学沉淀促进导水裂隙自修复的降渗机理,提出了向含水层下方裂隙岩体中灌注可与地下水产生化学沉淀的修复试剂,以诱导沉淀物在裂隙中吸附-固结并封堵通道的含水层生态功能修复技术路径。在此基础上,阐述了利用铁/钙质化学沉淀进行导水裂隙修复降渗的研究现状,提出未来应重点研究形成利于不同类型导水通道高效封堵的化学沉淀诱导生成对策。研究可望为西北部生态脆弱矿区煤炭开采地下水保护与生态修复提供参考。

“互联网+”时代高校微课教学模式探析

微课是“互联网+”时代背景下,催生出的新型教育信息资源传播形式。借助于简短且精炼的微视频,极大颠覆人们对教学模式的认知。而高校在实际将其融入到课堂过程中,应对其融入形式建立正确的认知。并能均衡教学资源,合理兼顾教学对象;确保微课类型多元化,有效融入课堂流程;保证微课制作方案丰富性,有效抓住学生眼球。

矿山信息化发展及以数字孪生为核心的智慧矿山关键技术

矿山信息化建设在经历了单机自动化、综合自动化、数字矿山几个阶段之后,在物联网、人工智能、大数据技术的推动下,正朝着矿山智能化和智慧矿山的方向发展。以数字孪生技术为核心,围绕矿山生产场景和智能装备的知识服务体系是智慧矿山下一步需要重点研究的方向。首先回顾了矿山信息化技术的发展,然后分析了智慧矿山的核心关键技术,从智能感知与智能装备、边缘计算与网络服务、数字孪生知识建模、平台与应用系统4个方面进行阐述。智能传感装置和智能装备的不断涌现,为智慧矿山前端感知和执行提供了基础,而即时的感知、分析和决策是智能装备自治、自主工作的前提;随着边缘网关计算能力的提升,需要设计面向应用场景的轻量级算法模型和高效云边协同机制,以满足智能装备即时服务的需求,同时,围绕5G的通信技术在矿山的应用,将进一步提升知识服务的快速响应能力;矿山运行机理、经验知识、大数据分析与数字孪生建模技术融合的矿山生产场景可信数字孪生模型,将成为智慧矿山知识服务的核心;面向大数据和知识模型的平台技术是矿山数字孪生和智能化服务的载体,大数据高效存取、分析和利用能够有效的促进矿山智能化应用服务的融合。矿山数字孪生及相关智能化技术的突破,将实现对矿山物理世界实时可测、可观、准确控制、精确管理和科学决策,从而建立少人化或无人化的矿山生产模式,为智慧矿山的发展奠定基础。

矿山物联网统一标识编码标准研究

目前,我国在大力推行矿山的智能化建设,矿山物联网是实现矿山智能化建设的核心技术支撑。矿山物联网技术的核心是形成对矿山生产过程的整体感知,即对工作人员身体参数、工作环境、位置环境等信息进行主动感知,实现主动式的人员安全保障;对矿山机械、设备的工作状况进行感知,实现设备的预知维修;对矿山常见的灾害风险进行预报预警,以及实现灾害的主动感知;对矿区的环境信息进行快速提取、即时分析和有效控制,以及实现矿区生态环境的主动感知;对矿山的运行管理和发展进行信息挖掘与分析,建立动态立体感知、智能信息管理、智慧决策应用为一体的综合服务管理云平台。

矿山动态协同作业场景无线通信关键技术

随着智能化装备和工业机器人技术的发展,矿山开采过程逐渐趋向无人/少人化,亟需解决数据的高效连续传输问题,如矿山动态协同作业场景下大量的数据采集和传输、多样的用户设备接入以及低时延的控制操作等。深入剖析了矿山动态协同作业场景的通信技术需求、矿山无线通信技术的应用现状与发展趋势,分析了当前矿山无线通信的关键技术瓶颈、相关解决方案及其应用效果。得出分布式多源、多目标动态业务的激增及其并发式的传输是矿山高可靠、低时延多业务交互协同网络所面临的最大问题。如何利用矿山用户、设备群体的协同作业特点和对应的动态业务属性,有针对性地对通信网络的物理信道、物理资源进行管理和分配,则是从根本上有效优化网络可靠性,提高传输效率的关键。为此,提出了多业务属性驱动的矿山动态协同作业场景无线通信模式:在提取矿山非高斯脉冲干扰特征及无线信道空-时-频域统计特性的基础上,面向作业场景深入挖掘业务特性与物理层传输的内在关联,利用超图匹配、图论、博弈论、非正交多址接入等方法,从信道-链路-业务快速多维匹配的角度解决多用户协同交互传输通信链路和信道的匹配、多跳用户链路匹配、多业务QoS要求与链路匹配等快速匹配问题。

基于生态安全格局的资源枯竭型城市生态保护修复关键区识别:以徐州市贾汪区为例

科学构建生态安全格局、识别生态保护修复关键区是系统推进生态修复目标,实现资源枯竭型城市绿色转型发展和生态安全的基本保障与重要途径。本文以东部典型资源枯竭型城市徐州市贾汪区为例,通过定量评估土壤保持、碳存储、生境质量、产水量和固碳释氧五种生态系统服务功能变化,分析了绿色转型中的贾汪区生态修复治理成效。在此基础上,基于热点分析、最小累计阻力模型和电路理论等方法,识别了生态源地、生态廊道、生态“夹点”、障碍区等生态安全格局要素,分析了2000—2020年生态安全格局及其动态变化,并识别生态保护修复关键区域。研究结果表明:①2000—2020年贾汪区生态系统服务总体呈增加趋势,生态环境逐步得到改善,生态源地斑块数量逐渐减少但总面积持续增加,廊道分布由“西多东少”转变为“较为均衡”的格局。②确定生态保护修复关键区包括重要生态源地10处,重要生态廊道39处,障碍修复关键区5.53 km^(2),廊道保护关键区1.70 km^(2),多位于主城区西南部和潘安湖南部生态流动强度高且廊道狭窄处,应加强重点修复和保护。③根据生态保护修复关键区覆被类型,建议重要生态源地树立红线观念、加强生态用地和非生态用地有效连接、拓宽生态廊道范围、增加廊道沿线植被恢复等保护修复策略。研究结果可为资源枯竭型城市的生态修复规划确定优先修复事项提供有效技术支撑。

基于改进YOLOv5s的煤矿机电设备维修指导系统

针对煤矿机电设备辅助维修中二维码标注工作量大、通用性低及现有免注册识别方法实现复杂、难以部署等问题,提出了一种基于改进YOLOv5s的煤矿机电设备维修指导系统。该系统由设备免注册识别模块、故障维修指导模块、远程专家接入指导模块组成。设备免注册识别模块通过HoloLens眼镜上的摄像头采集故障设备图像,并通过改进YOLOv5s图像识别算法进行分析和处理,识别出故障设备型号;故障维修指导模块根据故障设备型号自动匹配调用预设好的混合现实拆装模型,形成维修指导解决方案;远程专家接入指导模块通过音视频会话、虚拟标注等方式实现远程专家与现场维修人员的交互。为保证用户使用混合现实设备时的沉浸感体验,针对混合现实设备自身算力不足问题,采用ShuffleNetV2替换YOLOv5s中的Backbone,得到YOLOv5s−SN2网络,从而减少模型参数量,降低计算开销。实验结果表明:YOLOv5s−SN2相较于YOLOv5s精度略有下降,但每秒浮点运算次数(FLOPS)从16.5×10^(9)下降到7.6×10^(9),参数量从15.6×10^(6)个下降到8.2×10^(6)个;在YOLO系列模型中,YOLOv5s−SN2性能最优。以三叶罗茨鼓风机为例验证系统整体效果,结果表明,YOLOv5s−SN2可快速识别出电动机型号,调用与之匹配的虚拟模型及维修流程,远程专家可通过音视频接入和标注等方法辅助现场工作人员进行机电设备维修。

酸性水对含铁破碎岩体降渗特性的实验研究

针对采动破坏岩体在某些水、岩化学环境下常易出现水渗流能力降低的自修复现象,以含铁质矿物的砂质泥岩破碎岩样为研究对象,就酸性水溶液浸泡与过流过程中岩样的降渗过程及其产生机理开展了实验探索与理论研究。结果表明:酸性水对含铁破碎岩样的降渗现象除了与传统认识的黏土矿物遇水膨胀作用有关外,还与水、岩离子交换化学反应形成的铁质沉淀物和次生矿物对渗流通道的封堵作用密切相关;且随着实验过程中水溶液逐步由酸性向中性转变,破碎岩样的降渗趋势也呈现一定的分区特征。在水溶液pH值较低的初期阶段,岩石矿物受溶解、溶蚀作用显著,长石等铝硅酸盐矿物与H^+发生离子交换生成次生高岭石、绢云母、石英等矿物,引起岩样渗透率小幅下降,并促使水溶液pH值逐步升高;由此,绿泥石、伊利石等矿物中析出的Fe^2+氧化生成Fe(OH)3化学沉淀的进程大幅提高,引起实验中期岩样渗透率呈快速下降趋势;说明铁质沉淀物对破碎岩样的封堵降渗作用明显强于次生矿物。当水溶液的溶解、溶蚀作用因其pH值升高而快速衰减时,铁质沉淀物与次生矿物的生成进程也随之降低,水溶液对岩样的降渗作用随即进入尾声。研究结果为"人工调节地下水、岩化学环境促进破坏岩体修复"的保水对策制定形成了重要启示,可为煤炭开采水资源保护与生态修复等提供理论参考。

煤矿井巷自适应多天线理论与关键技术研究

在分析煤矿井巷无线信号传播环境特点及多天线辐射特性的基础上,提出了融合巷道波导理论和自适应阵列天线相关技术的自适应多天线技术,介绍了煤矿井巷自适应多天线的基本组成和原理,并探讨了其需进一步研究的关键技术。煤矿井巷自适应多天线可根据信道传输特征有选择地控制导引波模的数量、类型和强度,从源头上改善井下无线通信覆盖状况,提高煤矿无线通信系统性能。

用于智能矿山移动边缘计算的二维动态匹配算法

针对智能矿山井下移动边缘计算(MEC)应用中存在的由于资源分配不合理,移动用户将任务卸载到非最优边缘服务器,导致额外的传输时间和执行延迟,从而造成总任务完成率下降的问题,提出了一种基于偏好的二维动态匹配算法,优化MEC系统中资源分配决策。将1个时隙内MEC系统中移动用户的位置、任务所需计算量等数据发送至边缘服务器,根据设定的偏好值大小,形成边缘服务器对移动用户的偏好表,同时移动用户根据物理距离的不同,对所有边缘服务器也形成偏好表,2张偏好表相结合形成一张二维动态偏好表,进而抽象为一个二维矩阵,通过基于偏好的二维动态匹配算法对二维矩阵进行处理,得到移动用户和边缘服务器的匹配优化结果。仿真结果表明:与常规MEC场景卸载算法相比,基于偏好的二维动态匹配算法能够有效缓解大量突发任务场景下总任务完成率下降的问题,在极端情况下总任务完成率能够达到60%以上。

工作面顶板导水两带发育高度动态监测研究

随着我国煤矿开采深度、强度等的增加,采掘扰动极易诱发顶板水害事故。在矿井工作面回采过程中掌握煤层顶板导水两带发育规律,对煤层安全回采至关重要。文章以华北矿区某煤矿探查工作面顶板两带发育高度为目标,采用矿井并行电法动态监测技术,通过在顶板钻孔内布设监测电极,实时动态获取回采过程中煤层顶板覆岩地电场动态演化规律,推断得到该工作面监测区域导水裂隙带发育高度为61 m,垮落带发育高度为17.4 m,有效指导了现场矿井水害防治工作。

应力值变化方向约束下的非线性地震成像实验设计

地震成像是获取煤矿井下地质结构和应力分布的有效工具,但在实际应用中往往面临初值和多解性问题。为解决该问题,针对二维地震成像提出一种新型反演方法,即以非线性方法PSO进行寻优,避免了对初值的讨论,同时引入应力值变化方向对成像过程进行约束以降低多解性。数值实验结果显示,新方法将反演结果与真值间平均距离降低了5.1%,距离方差降低了99.2%;反演结果与频域截断后的真值间平均距离降低了18.8%,距离方差降低了98.7%,表明新方法有效提高了成像结果的可靠性和稳定性。文中所述方法源码以GPL协议开源,可为地震成像教学、科研提供参考。

基于WiFi的人员动作识别实验演示系统

为了帮助学生了解物联网前沿技术,针对“物联网技术”课程前沿性实验设备不足问题,开发基于WiFi的人员动作识别实验系统。系统由信号采集模块和动作判识模块两部分组成,信息采集模块负责采集不同行为信号,并将信号传输到判识系统进行人员动作判识。判识模块通过信号处理、标注学习、模型训练等步骤实现人员行为判识。

厚松散层薄基岩煤层顶板富水性并行电法

厚松散层薄基岩煤层顶板水害亟需有效手段查明,以保障煤矿安全开采。基于并行电法的O型观测系统,可一次同步采集全工作面全空间电场电位值,减少不同时间测量数据的干扰,有效增加地电场数据辐射范围和密度,增强三维顶板探查精准度;在试验工作面回采前,布置O型观测系统并对其进行数据反演,得到煤层顶板存在两处低阻异常区和煤层顶板薄基岩面分布形态,为工作面开采前提供有效的疏放水靶区,并指导后续电法监测钻孔位置设计。

神东矿区采动裂隙岩体自修复特征研究

针对采动裂隙岩体在煤层采后长期演变过程中易发生降渗自修复的客观现象,以神东补连塔煤矿12401工作面和大柳塔煤矿52306工作面为典型试验区,开展覆岩不同区域裂隙岩体自修复规律的工程探测与理论研究,揭示了采后覆岩导水裂隙长期自修复过程的演变规律。结果表明,两矿试验面采动覆岩分别在采后15 a和7.3 a均获得了较好的自修复效果,在原先导水裂隙带范围出现导水的区域已明显减少,垮落带虽仍导水,但高度也已有所降低。通过将覆岩由原先导水变为隔水的自修复区段垂向长度占导水裂隙带高度的比值作为自修复率进行统计,得到12401试验面在开采边界附近及倾向中部覆岩中的自修复率已分别达到59.5%和53.5%,52306试验面在对应区域自修复率分别为25.8%和47.5%;因12401试验面采后年限更长、煤层埋深更大,其裂隙岩体自修复效果明显偏好。受覆岩纵向不同层位岩层赋存差异、横向不同区域初始垮裂程度的影响,自修复区域的分布常易呈现离散非连续性,其中间隔的未修复区一般对应于关键层或厚硬岩层位置,且采后年限越短、距开采边界越近,这种离散性越显著。采动裂隙岩体的自修复实际是多因素综合影响下的降渗演变过程,对于神东矿区开采条件,在煤层采后1.5~2 a时间内,是以应力压实作用引起的残余沉降为主导影响自修复进程,这在采区中部覆岩中体现相对显著;而后则一直以采动地下水与裂隙岩体或采空区CO_(2)等气体发生的水–岩或水–气–岩相互作用为主导影响自修复进程,即相关作用过程产生的衍生物对裂隙的充填封堵效果以及裂隙面受冲蚀后粗糙度降低程度直接影响裂隙自修复效果或程度。因此,采后覆岩中是否长期存在水体渗流决定了裂隙岩体实现自修复的难易程度;神东多数矿井覆岩导水裂隙一般直接沟通第四系松散层或地表,且近年雨水充沛,这为采动覆岩中水–岩或水–气–岩相互作用产生及促进裂隙自修复提供了优越条件。

导水裂隙的自修复——地下水混流沉淀的影响

采动覆岩导水裂隙在其产生后的长期演变过程中,会发生导水渗流能力逐步降低的自修复现象,研究揭示导水裂隙的自修复机制对于科学指导矿区采动地下水的生态功能恢复实践意义重大。基于神东矿区补连塔煤矿12401工作面采后15 a覆岩导水裂隙自修复的工程探测结果,就采后不同层位地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的修复降渗机理开展研究。结果表明,12401工作面采后覆岩导水裂隙直接发育至第四系松散层,已沟通多个含水层;由于浅层地下水含有较多Ca^(2+),而基岩地下水CO_(3)^(2-)、HCO_(3)^(-)质量浓度偏多,2种地下水在采动覆岩中交汇混流时会产生CaCO3化学沉淀;沉淀物随水迁移并不断吸附于裂隙通道表面,发生包藏-共沉-固结的结垢过程,经过长时间的累积,最终形成具备一定抗蚀能力的结垢物或包结物,堵塞并修复裂隙。室内试验测试发现,这一过程引起的导水裂隙自修复降渗效果相比水-(气)-岩相互作用产生的效果更为稳定且快速;裂隙岩样受2种不同水质模拟地下水混流通过近2个月时间后,绝对渗透率即由0.09×10-15m2降低为0.0025×10-15m2,且在水压1.5 MPa条件下也未出现明显渗透性波动。由于这种不同地下水的交汇混流主要发生在开采边界附近的裂隙岩体中,因而覆岩不同区域导水裂隙的自修复过程及效果将出现明显差异。12401工作面中部区域覆岩导水裂隙的自修复主要由降雨入渗过程引起的水-(气)-岩相互作用引起,而开采边界附近覆岩导水裂隙则由不同地下水的交汇混流反应和水-(气)-岩相互作用共同主导其自修复,因而后者对应产生的自修复效果要明显偏好。现场探测结果显示,历经15 a的自修复演变,开采边界附近覆岩在深度86.7~179.1 m范围导水裂隙已全部实现自修复,而采区中部覆岩在对应自修复区域内仍存在局部未修复现象,深度在110.0~118.6 m,由此证实了地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的良好修复效果。

煤层顶板含水构造三维直流电法探测研究

基于并行采集方式的矿井三维直流电法作为传统高密度电法技术基础上的改进,具有采集效率高、数据量大、观测系统布置灵活等优势。鉴于煤矿探查回采工作面煤层顶板含水构造的实际需求,对矿井三维直流电法勘探进行研究,设计出O型观测系统进行井下全空间电位数据的同步采集,并采用相应的正反演算法,实现含水构造的三维全空间电阻率反演成像。相似的物理模拟实验与工程实际应用结果验证了矿井三维直流电法探测方法及反演解释手段在煤层顶板水害探查方面的有效性和可靠性。

煤矿瓦斯智能抽采理论与调控策略

基于瓦斯抽采的安全原则与效率原则,提出了瓦斯智能抽采的原理;建立了瓦斯抽采管网中瓦斯-空气混合气体流动控制方程,以最大瓦斯抽采纯流量为目标函数,建立了瓦斯抽采管网参数的优化模型,分别从瓦斯体积分数、流量以及效能比等参数约束条件定量判定瓦斯抽采安全与效率;以上述模型为基础,针对钻孔抽采区域温度高于临界温度、钻孔抽采纯量低于抽采纯量下限,以及钻孔抽采浓度低于瓦斯安全浓度下限等工况条件展开理论分析和数值计算,提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略,通过协同调整不同抽采钻孔的阀门开度和抽采泵转速,有效提高了抽采瓦斯体积分数、效能比和抽采纯流量,并提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略。最后,设计了由数据感知模块、通信传输模块、数据处理与决策模块、控制模块等部分组成的瓦斯智能抽采系统,开发了基于物联网的智能调节阀门,阀门的感知模块包括温度传感器、瓦斯浓度传感器和气压传感器等,通讯模块将数据上传至云存储端,通过电脑网页和手机客户端实现监测与控制;发明了采用高分子减阻剂提高水环真空泵效率的技术方法,以高分子减阻溶液作为水环真空泵的工作介质,有效降低了液环的湍流损失和流体与泵体过流部件的摩擦损失,并开发了地面全封闭式和井下直注式2种瓦斯抽采泵节能系统,该项技术在山西潞安集团余吾煤业成功应用,节电率和节水率分别达到22.5%和66.7%,为瓦斯智能高效抽采提供了借鉴。