低阶煤基炭材料研究进展

低阶煤因其储量丰富、富含多环芳烃有机物、含碳量高、成本低等特点,被认为是炭材料的优质前驱体。然而,由于不同低阶煤的灰分、微观结构、界面的差异,导致了煤基炭材料结构、性能难以有效调控的问题。近年来,研究人员提出了低阶煤基炭材料微观结构、表界面调控的有效方法。本文重点总结了低阶煤制备吸附活性炭、电容炭、硬炭、石墨和纳米炭材料的差异化策略,进一步讨论了煤种和工艺对煤基炭材料的微观结构、界面特性和官能团种类等的影响。同时介绍了煤基炭材料在吸附、超级电容器和碱金属电池中的应用。最后,展望了低级煤基炭材料未来研究的方向和挑战。

迎采对掘巷道密集孔卸压及分段控制技术研究

针对炭窑坪煤矿坚硬顶板迎采对掘巷道变形破坏严重、难以维护等问题,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分析了该类巷道围岩的垂直应力动态演化规律,揭示了动静载叠加扰动效应下巷道围岩变形破坏机理,提出了“密集孔切顶卸压及分段控制”技术。结果表明:迎采对掘巷道的垂直应力分布在走向上呈现3个阶段,即起始阶段(超前工作面50 m以外)、快速升高阶段(超前工作面50 m至滞后150 m范围内)、稳定阶段(滞后工作面150 m以外);迎采对掘巷道变形破坏原因为采空区大面积悬顶产生的侧向支承压力与邻近工作面采动产生的动载相互叠加作用;提出的“密集孔切顶卸压及分段控制”技术具体为在工作面煤柱侧顶板布置直径65 mm、深度18 m、孔间距400 mm的密集钻孔,在工作面采动影响下,钻孔间塑性区导通,主动控制基本顶断裂位置。实践表明,采用密集孔卸压及分段控制技术对类似巷道围岩稳定性控制具有指导意义。

大型动力煤选煤厂提质增效实践

围绕大型动力煤选煤厂提质增效实践展开研究,主要聚焦于商品煤提质和品种煤增量两个方面。在商品煤提质方面,通过优化改造煤系统入洗瓶颈、提升入洗效果和分级分选效果,以及切换入洗低质煤等措施,实现了煤质量的显著提升。在品种煤增量方面,通过改造优化2-2煤块精煤增量、提升瓶颈设备能力和最大化生产特低灰煤等举措,有效提高了煤炭生产的效率和产量。本文总结了在提质增效实践中取得的成果和经验,为大型动力煤选煤厂的运营提供了有益的参考和借鉴。

煤矿外因火灾防治与应急处置技术研究

为预防煤矿外因火灾事故的发生,并在风险失控后实现高效快速的处置,最大程度降低人员伤亡和财产损失,以神东煤炭集团大柳塔煤矿为例,分析大型特大型煤矿外因火灾关键致灾因素,总结灾前防治措施,探索研究应急处置技术。结果表明:长距离带式输送机摩擦起火、高压电缆及设备过热、辅助运输车辆自燃等是大型煤炭企业外因火灾关键致灾因素;可采取风流短路、局部反风、新型风门控风、火区封闭、压风自救等应急处置技术应对煤矿外因火灾;煤矿外因火灾具有普遍多发性、损失严重性和处置困难性,需采取灾前防治与应急处置相结合的综合性治理技术方能保障矿井安全生产。

大型煤矿企业应急救援队伍建设存在问题与对策思考

当前,推进应急管理体系和能力现代化已成为我国政策要求和时代需要。煤炭工业的高速发展并未改变煤矿的高危属性,各大煤矿企业应急管理水平参差不齐,应急救援队伍建设还有待提高。文章在分析大型煤矿企业应急救援队伍建设现状和存在问题的基础上,从争取政策支持、提升救援装备科技化水平、建立健全救护队员准入和退出机制、加强培训与演练、注重作风建设、强化应急资源保障等方面提出了解决措施和意见。

浅埋深易自燃煤层沿空留巷采空区自燃三带分布特征

为厘清浅埋深、易自燃煤层沿空留巷采空区自燃“三带”分布特征,通过预埋高压胶管、高强度钢管防护测温光纤和监测束管的方式,动态监测沿空留巷采空区氧气和温度变化特征,借助数值模拟软件,判定采空区自燃“三带”分布范围。结果表明:31116沿空留巷采空区架间测点氧气浓度随工作面推进整体呈下降趋势,回风巷测点氧气浓度受隅角漏风干扰出现局部反升趋势,基于光纤测温数据,温度变化不能作为锦界煤矿沿空留巷采空区自燃“三带”划分的依据,受风流运移和局部漏风影响,31116采空区氧气浓度回风侧略高于进风侧,最终得到31116采空区进风侧氧化带范围为140.4~313.3 m,中部201.2~351.6 m,回风侧153.2~328.1 m,依据采空区遗煤量、地质特点等因素,综合判定工作面正常生产条件下最小推进速度为3.3 m/d。

神经网络结合机器学习的煤与瓦斯突出量和危险性等级预测组合模型

准确预测煤与瓦斯突出危险性能够有效预防煤与瓦斯突出事故,保证煤矿的安全高效生产。为提高煤与瓦斯突出预测模型的准确性和普适性,提取BP神经网络最后一步隐藏层作为随机森林的输入特征,构建了BP神经网络结合随机森林的组合模型(BP-RF模型)。以60组煤与瓦斯突出工程数据集作为样本,采用平均误差、均方误差、危险等级预测精度和相关系数对模型进行了定量评价。研究结果表明:所建立的BP-RF模型对煤与瓦斯突出危险等级预测的准确率为99.9%,对煤与瓦斯突出量的预测准确率为94.87%。所建立了BP-RF模型性能优于BP、RF、IFOA-GRNN模型,精度较高。同时,根据所建立模型对所有特征的敏感性进行了分析,研究认为煤层深度、厚度煤层、地质构造变化、煤层厚度变化、煤层倾角变化、软层厚度变化、煤层软塌现象、煤层坚固系数变化、钻井动力学现象、气体释放初始速度对模型预测结果最为敏感,在煤矿实际开采过程中必须要高度重视。

煤矿智能型水处理净化站的应用

针对目前煤矿井下水质差、硬度高、多余物和酸碱盐离子偏高等现象,基于水质问题对液压系统相关设备造成损坏等现状,介绍了一种煤矿智能型水处理净化站设备的结构、工艺、原理、功能及关键技术。重点围绕该设备的主要功能:三级过滤、自动清洗、自动监测、自动加药和远程监控等方面,对涉及的关键技术进行了介绍。该设备三级过滤通过3种滤材产出3种过滤精度的水质;自动清洗通过3种清洗设备实现免人工维护;自动加药通过液力加药装置实现药物自动加注;远程监控通过系列传感器、控制主机、以太网等实现在线监测。该设备在神东某矿井下投入使用后,能显著去除该矿井下水中酸碱盐离子,水处理前后去离子效果显著;在井下采用压差和时间模式,实现三级智能清洗,在煤矿设备自动化技术推广和远程监控方面进行实践应用,实现了井下实时自动数据上传至地面监控。该设备在满足井下设备对产水水质和流量的前提下,实现了自动监测、无人值守,降低了劳动强度,提高了煤矿设备井下管理水平和生产效率,值得进一步推广和应用。

基于相模变换的柔性直流电网短路故障电流计算

精确的短路故障电流计算对柔性直流电网的器件选型、参数设计以及继电保护研究十分重要。针对现有短路故障电流计算方法未充分考虑直流线路极间耦合的问题,文中提出一种基于相模变换的柔性直流电网短路故障电流计算方法。首先,建立换流站与直流线路的故障等值模型;然后,利用相模变换实现柔性直流电网正极与负极的电气解耦,并获取柔性直流电网在模域内的节点阻抗矩阵;接着,结合柔性直流电网的故障边界条件,计算出柔性直流电网短路故障电流的复频域值,并利用矢量拟合得到故障电流的时域值;最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证所提故障电流计算方法的有效性。仿真分析结果表明,在直流电网发生故障且换流站尚未过流闭锁期间,所提故障电流计算方法能够精准描述直流故障电流的变化规律。

堆栈自编码器下机电故障信号多尺度滤波方法研究

煤矿机电故障信号组成成分较复杂,会导致煤矿机电故障诊断质量下降。对此,提出基于堆栈自编码器的煤矿机电故障信号多尺度滤波方法。首先,采用非线性时间序列以及相空间重构的方式构建煤矿机电故障函数并采集故障信号。其次,通过成本函数与稀疏约束相结合的方式设计堆栈自编码器,将采集到的故障信号输入堆栈自编码器,以实现故障信号分类。最后,以分类结果为基础,通过集合经验模态分解(EEMD)将故障非平稳信号转变为平稳信号,并采用多尺度滤波对故障信号展开寻优处理,以获取煤矿机电故障的多尺度调解信号,从而实现煤矿机电故障信号多尺度滤波。经试验验证,所提方法对故障信号进行多尺度滤波处理后,大多数频率成分得到了保留,同时滤除了不需要的频率成分。煤矿机电故障诊断准确率平均值为99.71%、诊断时间平均值为0.24 s。该方法能够实现准确、快速的煤矿机电故障诊断。

煤矿井下带式输送机故障智能诊断

针对带式输送机托辊轴承故障诊断中振动信号提取特征困难而导致故障诊断精度较低的难题,提出了一种基于一维卷积神经网络(1DCNN)和极限学习机(ELM)的托辊轴承故障诊断方法。首先,根据具体的故障诊断任务,对采集到的数据进行划分,并进行傅里叶变换。然后,利用1DCNN提取故障特征,根据提取的故障特征利用ELM进行故障分类。测试精度均达到100%,用时分别为2.82和2.42 s。通过与ELM、随机森林、K最邻近法、支持向量机和卷积神经网络等方法对比,体现了所提方法的优越性。结果表明:采用1DCNN和ELM相结合的诊断方法,其诊断效果相比单一方法更好,能够满足煤矿领域托辊故障诊断需求。

变工况下的煤矿清挖输送机速度自适应PID控制技术

煤矿清挖输送机速度控制是输送机运行的关键。依据工况的变换,煤矿清挖输送机运行中需要及时转换为对应工况下的速度,以保证运行稳定。为此,提出变工况下的煤矿清挖输送机速度自适应PID控制技术。建立煤矿清挖输送机能耗模型和系统模型,通过相关性分析方法获取运输量与带速之间的互相关关系。在PID控制器的基础上设计专家PID控制器,将能耗最小作为控制目标,结合运输量与带速之间的关系对煤矿清挖输送机速度展开自适应控制,并在控制过程中通过RC滤波器提高PID控制器输出信号的平滑性,避免控制过程中出现振动现象,完成煤矿清挖输送机速度的自适应控制。结果表明:在不同工况下进行实验,所提方法的能量消耗率在0.24 W/kg以下;速度控制曲线与设定速度曲线基本相符,且控制误差低于5 m/s;角速度曲线较为平稳;不同工况下得到的响应稳定性在98%以上。表明所提方法具有较强的实用性。

补连塔煤矿12511工作面覆岩导水裂隙带发育特征

采动诱发覆岩导水裂隙带发育范围探测及机理研究对于科学指导煤矿井下涌水量统计、工作面水害防治及保水开采具有重要意义。本研究以神东矿区补连塔煤矿12511工作面为地质原型,基于物理模型试验对工作面开采引起的导水裂隙带发育高度进行研究,并通过钻孔视频与冲洗液漏失量的结果进行综合评定。研究结果表明:物理模型试验测试的顶板初次来压步距50.6 m,平均周期来压步距为15 m,岩层断裂角变化范围为32°~60°,平均51°,顶板基本运动方式主要为离层、弯曲、断裂、回转、垮落;工作面从100 m位置到推进至200 m位置过程,随着顶板的破断并不断压实,覆岩裂隙密度从初次来压时的20条/m降至16条/m。冒落带发育高度35.7 m,裂隙带发育高度为118 m,依据现场钻孔视频与冲洗液流失量监测结果,认定导水裂隙带高度为93.12 m,冒落带高度为36.52 m,裂采比为16.63∶1。研究证明了基于物理相似模型试验得出的导水裂隙发育特性结果的合理性,对于推动覆岩导水裂隙带发育高度的研究具有重要意义。

深部砂岩破裂——损伤力学机制及细观模拟研究

深部岩体损伤破裂是围岩大变形失稳破坏的热点问题之一,开展深部砂岩损伤破裂研究对采场围岩稳定性控制具有重要理论意义及工程价值。通过三轴压缩试验开展了不同围压下砂岩力学行为及裂纹演化规律研究;采用岩石破裂过程分析系统(RFPA3D)建立了基于真实细观结构的砂岩数值模型,模拟研究了单轴作用下砂岩真实细观破裂过程,分析了试样破裂过程中声发射演化规律及破裂力学行为特征。结果表明:随着围压的增加,砂岩试样应力—应变曲线具有脆性向延性转变的趋势,且残余应力随着围压的增加而增加,这与物理试验结果一致。在低围压状态下,裂纹易于扩展,导致试样容易破碎;高围压状态下,裂纹扩展受围压限制,因此裂纹不易扩展,导致试样内部发生碎胀现象。砂岩试样内部具有大量软弱结构,试样受力过程中裂纹沿着晶粒边界或软弱面萌生扩展是其破坏的主要方式。声发射数量随着围压的增加而增加,主要集中在裂纹产生处。研究结果对采场围压稳定性控制具有指导作用。

基于滚动优化的电-热-气-冷系统多时间尺度低碳运行

电-热-气-冷多能联供型微网对实现能源可持续发展具有重要的应用价值。针对多能联供系统碳排放量较高和负荷模型预测不准确问题,提出了一种基于滚动优化的电-热-气-冷系统多时间尺度低碳运行策略。首先,建立电-热-气-冷系统设备模型。其次,构建日前与日内两阶段模型,在日前调度阶段引入含赏罚因数的碳交易机制,通过将卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)与双向长短期记忆网络(bi-directional long short term memory,Bi-LSTM)进行结合对风光功率进行预测,并以运行成本最低为目标进行优化。之后,建立日内多时间尺度的优化调度模型,以调度成本最低为目标进行求解。最后,以某市综合能源系统为研究对象进行分析。结果表明,所提出的方法能够有效减少碳排放,提高负荷模型预测的准确度的同时实现多能联供系统的低碳经济运行。

面向绕组监测的磁隔离直线变压器脉冲源研制

针对脉冲频率响应法中对激励信号的波形要求,研制了磁隔离型直线型变压器脉冲信号源,用于产生高压纳秒脉冲信号。该脉冲源采用三级模块结构,并采用MOSFET作为放电主开关,每级模块包含4个MOSFET(两串两并)。MOSFET驱动电路中摒弃了常规光隔离驱动,采用磁隔离方式驱动MOSFET开关,仅采用两个磁芯驱动12个MOSFET开关。输出的高压脉冲信号为:电压幅值最高可达1 500 V,脉冲宽度100~600 ns可调,上升沿及下降沿均小于20 ns,高要求地满足脉冲频率响应法中激励信号的要求。此外,该结构简单,易实现,以磁隔离方式驱动,能够降低研制成本及降低现场环境中的光信号干扰。

基于关键块破断特征的区段煤柱设计研究

为了快速确定布尔台煤矿42204工作面区段煤柱的宽度,通过数值模拟手段,分析了不同关键块体对煤柱承载特征的影响,结合极限平衡理论,共同确定了区段煤柱宽度为25 m是最佳设计。实际工程应用结果显示,25 m区段煤柱有效维持了巷道的稳定性,煤柱横向位移量在合理范围,保证巷道稳定性的同时,间接提高了矿井的经济效益,符合矿井生产需求。

基于ROS的煤矿巷道巡检机器人系统设计

为解决煤矿巷道环境复杂情况下巡检机器人在环境感知、导航避障方面智能较弱的问题,设计了一种基于ROS的煤矿巡检机器人。该机器人整体系统由决策层、感知层和执行层3部分组成。首先搭建机器人硬件平台;其次通过扩展卡尔曼滤波对里程计进行改进,提高机器人位姿估计的精度,用ORB-SLAM3算法将视觉-惯性-激光雷达信息进行融合,建立二维电子地图;最后使用A算法和DWA算法对全局和局部进行路径规划,确保在建立好电子地图的环境中机器人能够实现自动导航。通过模拟环境验证机器人的导航和避障功能,结果表明该机器人在模拟环境中能够实现准确导航和自主避障,充分证明了该设计的可行性和实用性,在煤矿巷道内巡检和导航避障方面具有实际应用价值。

寸草塔二矿下层煤过集中煤柱矿压防治技术研究

为解决浅埋煤层工作面过上覆采空区遗留集中煤柱期间容易引发强烈动载矿压灾害的问题,以寸草塔二矿31109工作面为研究背景,综合运用理论分析、数值模拟和现场试验等手段,对工作面过集中煤柱时受力、矿压显现特征进行研究。结果表明,31109工作面回采通过上覆采空区遗留集中煤柱时,煤柱失稳破坏后其顶板与工作面采空区顶板同时破断,垮落时极易引发强烈的动载矿压灾害;现场通过采取下层煤回采巷道补强支护、上覆煤柱水力压裂等措施后,31109工作面回采巷道顶底板移近量最大193 mm,两帮移近量最大150 mm,且工作面支架工作状态良好,确保了31煤工作面安全通过集中煤柱。

基于机器视觉的煤矿井下皮带运输机自适应控制方法

煤矿井下皮带运输机容易受到传感信号影响,存在控制效果差的问题,为此提出基于机器视觉的煤矿井下皮带运输机自适应控制方法。采用机器视觉方法捕捉皮带运输机的实时状态,以皮带运输机的最佳状态变化参数作为惩罚因子建立约束函数,并求解最佳控制参数;建立模糊控制规则,比对不同状态偏差值对应的控制参数,利用自适应控制算法,实现皮带运输机自适应控制。实验数据证明:所提方法到达收敛点的时间为23 s,可在短时间内实现有效控制收敛,控制效果较好,能有效提高皮带运输机在煤矿井下的应用性能。