煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第6期

• 煤矿智能化安全保障体系及关键技术

  李爽, 薛广哲, 方新秋, 杨奇峰, 贺超, 韩世锋, 康钰晴,

  煤矿智能化是新时代煤炭行业发展的必经之路，是支撑我国未来煤炭行业生产方式转型的核心技术支撑。 鉴于煤炭生产的风险客观存在性，智能化条件下的煤矿安全保障体系应适应于煤矿的智能化水平。 系统论述了煤矿智能化安全保障体系的定义、内涵及技术特点，指出了其核心在于精准的地测感知、全面的数据平台、实时的风险评估和智慧的灾害处置，形成数字式、一站式、智能式的煤矿风险辨识、预警、处理闭环。 介绍了煤矿智能化安全保障体系在感知层面、风险层面、设备层面和管理层面的架构，提出了包涵煤矿精准的全维感知、精确的煤矿风险识别预警、技术密集型的煤矿安全管理理念和智慧化的自检自修设备系统 4 项技术内涵。 首先，在实现技术层面，阐述了需重点解决的以透明地质保障技术为基础，以煤矿大数据共享平台为载体，以煤矿重大风险评估预警技术为核心的关键技术体系，并初步给出了解决路径。 然后，论述了系统软件平台的系统架构和核心技术，其要旨是实现系统数据“集成化”、要素展现“可视化”、风险评估“智能化”、操作软件“平台化”。 最后，开发了面向煤矿智能化安全保障的煤矿智慧安全管控平台系统，实现了煤矿综合可视化操作平台、煤矿大数据分析平台、煤矿安全风险智能评估、多系统联动控制和移动可持式终端展示功能，为建设完整的煤矿智能化安全保障体系探索了一条可行的技术路径。

• 基于物联网的矿山机械设备状态智能感知与诊断

  丁恩杰, 俞啸, 廖玉波, 吴传龙, 陈伟, 郁万里, 王威,

  矿山生产机电设备是机械、电气、液压、控制等多形式系统的复杂耦合结构,工作过程中环境和工况条件变化多样,缺乏有效的技术手段解决矿山设备运行健康状态的实时感知问题。 借助物联网、工业互联网、人工智能和大数据挖掘技术,研究矿山设备状态知识建模与在线诊断方法,将传统的“人-机”交互监控模式提升为“传感—机器认知—机器决策”的智能化监控模式。 分析了基于物联网的矿山设备状态感知系统架构,定义了多源信息感知层、边缘智能层、大数据分析层和数据与知识共享迁移层的 4 个层次的作用,提出了设备状态知识共享与迁移模式;结合本体语义、置信规则库和数字孪生技术,设计了面向矿山机械设备系统状态知识建模的信息描述、知识表示、决策融合方法,提出了面向矿山设备运行全过程的实时感知、演化分析与智能交互的“虚实融合”感知模型,实现虚、实系统运行过程的“精准映射、信息对偶、融合交互、协同演进”。 分析了数据驱动的矿山机械设备状态诊断方法研究现状、技术架构、存在问题和研究趋势,提出结合数字孪生、深度学习、迁移学习等方法,构建机理模型、经验知识与数据深层特征相融合的矿山设备状态诊断模式,研究矿山设备状态大数据分析与应用技术,研发矿山设备状态诊断与全生命周期管理等智能化应用服务系统。 形成了矿山设备运行信息感知、知识建模与状态在线判识方法体系,以实现矿山机械设备故障状态自诊断、早期隐患预知维护、智能调度与协同管控,为矿山生产智能化、无人化提供技术支撑。

• 煤矿坚强智能电网建设理论与技术探讨

  刘扬, 刘建功, 王毅颖, 史艳楠,

  介绍了国内外智能电网的发展状况，针对中国煤炭企业智能煤矿建设的需求和现在煤矿井下电网存在的问题，提出建设具有煤矿特点和优势的坚强安全、智能控制的“煤矿坚强智能电网”的思路。 分析了井下用电负荷集中化的趋势和事故多发的原因，指出了煤矿电网结构、监测和保护、电能质量、信息系统等方面存在的不足;提出“坚强与智能同行，智能和坚强共进”的煤矿智能电网建设理念，给出了煤矿坚强智能电网的拓扑结构。 建设煤矿坚强智能电网主要有:用先进材料、先进装备和先进工艺建设主干坚强、科学冗余的坚强电网架构;对电网安全参数和动态运行状况进行连续大数据监测的感知系统、基于深度学习的分析判断智能控制系统和基于 5G 网络的智能电网通信系统，实现煤矿电网的预先感知、智能控制、互联互通。 描述了煤矿坚强智能电网的自感知、自强安全、自愈和自储备分布式电源 4 个基本预期优势。 利用煤矿得天独厚的优势，建设水蓄能发电和压缩空气蓄能发电为核心的自储备电源。 并提出建立我国煤矿智能电网技术体系，研究攻关克服多种技术组合的煤矿电网应用技术，深入研究煤矿智能电网高性能传感技术、高端技术装备和智能控制系统;制定煤矿坚强智能电网的技术标准，并敢为人先，创新实践，加快煤矿坚强智能电网的发展步伐。

• 露天矿边坡稳定性智能评价研究现状、存在问题及对策

  杨天鸿, 王赫, 董鑫, 刘飞跃, 张鹏海, 邓文学,

  在收集整理国内外相关资料的基础上，从露天矿边坡稳定性智能感知手段、智能评价预测方法、智能决策技术等方面总结了露天矿边坡稳定性智能评价研究现状，分析露天矿边坡工程的特点，指出当前露天矿边坡稳定性智能评价研究存在的问题，提出“位移时间序列阈值、力学机理分析、案例分析及专家系统诊断”三位一体的边坡稳定性智能评价的学术思路，认为露天矿边坡稳定性智能评价研究发展趋势为: 首先，建立边坡灾害案例和多因素多模式智能识别数学模型，采用深度学习和大数据分析方法进行案例类型聚类、要素识别和模式匹配;其次，通过力学机理计算评价，识别隐患区确定滑坡隐患触发因素和条件; 然后，基于案例模式匹配结果建立监测预警指标体系和预警阈值，构建案例库知识库和专家系统并实现智能决策; 最后以大孤山铁矿西北帮滑坡为例，基于力学计算给出边坡安全系数变化规律，同时结合滑坡案例库的匹配结果，确定现场数据时序曲线指标阈值(位移累积量、位移速率)，从而科学合理的给出预警警情判别结果，通过云平台实现数据分析、现场模型可视化和预警发布及滑坡诊断。 该案例初步验证了三位一体边坡稳性智能评价学术思路，为实现露天矿边坡稳定性智能评价提供了有效手段。

• 天-空-地协同的露天矿边坡智能监测技术及典型应用

  刘善军, 吴立新, 毛亚纯, 贺黎明, 王植, 许志华, 魏恋欢, 杨泽发,

  露天开采是我国矿产资源开采的主要形式之一，长期高强度、大规模开采形成了众多高陡边坡，由此带来的边坡失稳及灾害现象十分严重，对其进行有效监测和灾害预警，是边坡治理、安全保障和绿色矿山的关键。 由于大型露天矿山地形复杂、观测条件困难、影响因素众多，传统的、单一的监测手段均难以奏效。 在讨论智能监测相关概念的基础上，介绍了露天矿边坡智能监测的思想、内容和内涵;指出大型露天矿边坡智能监测的核心是天-空-地多平台多模式协同观测，包括时间协同、空间协同、参数协同和智能分析;介绍了目前大型露天矿边坡智能监测的 7 项关键技术，即导航卫星 GNSS 在线监测技术、雷达卫星InSAR 监测技术、光学卫星高分影像监测技术、无人机与TLS 联合监测技术、地基红外热像监测技术、顾及大气折光的测量机器人监测技术、基于 WiFi 的监测信息多终端显示技术。 这些手段不仅要强调监测仪器的先进性、鲁棒性和精度，更要发挥多手段的时空互补性和过程协同性，而稳定可靠的通讯网络、快速自动的数据处理和智能综合的分析模块，是实现矿山滑坡智能监测和智能应急的关键。 最后，以辽宁抚顺西露天煤矿特大滑坡、鞍钢鞍千铁矿大型排土场和鞍钢弓长岭铁矿滑坡的天-空-地协同观测为典型案例，介绍了适合不同矿山特点和任务需求的露天矿边坡智能监测技术方案及其取得的实效。

• 煤层底板水害三维监测与智能预警系统研究

  靳德武, 赵春虎, 段建华, 乔伟, 鲁晶津, 李鹏, 周振方, 李德山,

  针对华北型煤田煤层底板突水监测点覆盖不全、智能化水平不高等问题，以底板“下三带”理论为基础，提出集多频连续电法充水水源监测、“井-地-孔”联合微震采动底板破坏带监测以及监测大数据智能预警为一体的煤层底板突水三维监测与智能预警技术思路。 其中多频连续电法监测系统以伪随机多频序列为人工场源，利用伪随机相关辨识技术提取强噪声背景中的弱信号，采用拟高斯-牛顿法对预处理数据进行三维电阻率反演，实现对煤层底板充水水源变化过程的自动化三维监测;“井-地-孔”联合微震监测系统主要通过研制带推靠的孔中传感器及回收装置，实现微震传感器“井-地-孔”三维立体布署，采用井下有线( IEEE1588)和地面无线(GPS)时钟同步方式解决地面与井下采集设备的时钟同步问题，建立起“井-地-孔”监测数据的实时传输网络，基于偏振分析联合反演的三分量定位算法，实现采动底板破坏深度时空精细定位与实时监测;智能预警系统利用时序大数据挖掘技术与计算机深度学习技术对电法、微震多元时序监测数据进行分析和处理，采用指标预警和模型预警方法对监测数据空间展布和预警级别以三视热力图形式输出，实时显示煤层底板各网格的预警等级，从而形成煤矿底板水害三维监测与智能预警技术体系。 最后，以葛泉矿东井 11916 采煤工作面为应用对象，采用多频连续电法监测系统、“井-地-孔”联合微震监测系统，以及基于时空监测数据的智能预警系统对煤层底板岩溶水害进行三维监测与智能预警，为我国华北型煤田煤层底板水害监测预警提供了新的技术与装备支撑。

• 冲击矿压风险智能判识与监测预警云平台

  窦林名, 王盛川, 巩思园, 蔡武, 李小林,

  针对制约煤矿安全高效生产愈发严重的冲击矿压问题,为提高冲击矿压监测预警的准确性及针对性,紧跟监测预警技术朝着区域化、连续在线化、智能网络化的发展趋势,基于 GIS 技术、云技术、采矿地球物理等技术,搭建了集成微震、应力、钻屑等多种监测手段的冲击矿压风险智能判识与多参量监测预警云平台。 该平台由硬件、平台支持软件及云技术 3 个部分组成,采集并以标准化格式存储上传至云服务器,利用内嵌于平台的风险判识模式及危险等级预警准则,判定所评价区域危险状态,通过选取冲击变形能、时序集中度、时空扩散性等 13 个监测预警指标并利用 F-score 法对不同冲击危险程度的指标赋予动态权重,根据各指标与震动、应力、能量间的关系,建立了多场多参量综合预警体系,克服了单一监测指标预警效能较低弊端,实现了由点、局部、单参量监测至区域多场多参量综合预警的转变;同时通过监测数据的信息化与防治措施信息化的融合,将现场监测、防治信息通过“一张图”的形式实时预警,在预警冲击危险性的同时指导现场对高危区域加强卸压解危,同时根据解危效果反馈预警信息准确性,做到了监防互馈,该平台在山东古城煤矿等 13 个矿井成功运用。

• 矿井通风智能化理论与技术

  卢新明, 尹红,

  矿井通风系统是矿井的呼吸系统,它源源不断地将地面新鲜空气输送到井下各作业地点,稀释和排除井下各种有毒、有害的气体和矿尘,也是防治煤与瓦斯爆炸、降温、除尘、灭火的重要技术手段。 实现矿井通风智能化是实现智能开采、建设智慧矿山的主要技术保障。 通风智能化不仅涉及到空间科学、采矿技术和流体力学理论,更需要数学、自动化、计算机和信息科学的底层支持,由于缺乏完善的理论和技术支撑,长期以来矿井通风作业都停留在人工和半人工状态。 为了彻底解决矿井通风智能化,本文从风网的拓扑结构和状态方程入手,逐一对自然分风算法、按需分风计算和风阻调节优化等理论疑点进行了深入讨论,对按需调风优化、均压调节优化、风向调节优化、联合调节优化、在线闭环调控、监控点优化布局、通风系统状态估计、需风量超前预测、反风风道识别、可靠性调节优化、通风系统初始化、通风系统故障诊断、智能调控风门风窗、通风智能化软件系统等关键技术进行了深入研究。 针对这些问题,给出理论上比较完善的、技术上比较可行的、能够付诸实施的解决方案,最后,以计算机软件技术为主线,设计了 4 层体系架构,并定义了每层架构的技术内涵和主要功能模块,简要说明了应用场景,为打造全程智能化的矿井通风系统提供借鉴。

• 矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现

  周福宝, 魏连江, 夏同强, 王凯, 吴新忠, 王雁鸣,

  针对我国现代化矿井通风信息化、智能化升级的重大需求,系统研究了矿井智能通风原理、关键技术及其系统组成。 明确阐述了矿井智能通风的定义与内涵:矿井智能通风是通过智能控制实现按需供风,稳定、经济地向矿井连续输送新鲜空气,供人员呼吸,稀释并排出有害气体和粉尘,改善矿井气候条件及救灾时具有一定智能调控风流的作业；其内涵是将信息采集处理技术、控制技术与通风系统深度融合,按照“平战结合”的理念实现按需供风及异常灾变状态下智能决策与应急调控,既满足日常通风的自动化管理与维护,又实现灾变时期的应急控风有效抑制灾情演化。 基于风网调节的非线性优化模型提出了矿井智能控风模型,设计了矿井多元信息智能感知→高效可靠信息传输→通风状态智能分析与决策→通风设施/ 动力智能调控执行与反馈的标准化工作流程；随后,围绕矿井智能通风系统功能的具体实现,分别从通风参数精准监测、通风异常诊断与智能决策平台、通风动力与设施智能调控等关键技术详细阐明了矿井智能通风功能的实现路径；最后介绍了通风参数在线监测与风网实时解算、区域联动调控等智能通风关键技术的现场试验及应用实例。通过本文的研究为矿井智能通风提供了建设思路。

• 煤矿井下智能化定向钻探发展路径与关键技术分析

  石智军, 李泉新, 姚克,

  煤矿井下智能化定向钻探是坑道钻探发展的高级阶段，是一个涉及多学科领域的系统工程，具有显著的特殊性和独立性，服务于智能化开采的全过程，为煤炭资源安全、高效、绿色、智能开采提供着技术支撑和装备保障。 首先描述了我国煤矿井下定向钻进技术与装备发展历程，从稳定组合钻具定向钻进到有线随钻测控定向钻进，再到无线随钻测控大功率定向钻进，坑道钻探技术的创新发展与装备的升级换代推动实现顺煤层定向钻孔深度从“1 000 m”跨越到“3 000 m”。 明确了现阶段我国煤矿井下坑道钻探仍处于从机械化向自动化转变的发展定位，分析了智能化定向钻探面临的突出问题，提出了在实现自动化定向钻探的基础上向智能化定向钻探迈进的发展路径，归纳分析了自动化和智能化定向钻探的技术内涵和属性特征，自动化定向钻探强调钻探动作的自动控制执行，包括自动化定向钻机集成控制、多参数随钻测量信息融合、高精度导向控制、冲洗液循环自动控制等方面;智能化定向钻探强调钻探过程的智能最优化控制，包括智能分析与决策、低延时大容量数据传输、智能钻杆、钻探装备智能检测与诊断等方面。 针对我国复杂多样的煤层赋存条件和不均衡发展的开采技术条件，建议分阶段、分区域、分层次推进煤矿井下智能化定向钻探探索与发展，并提出了智能化定向钻探亟待攻克的关键技术难题，包括自动化定向钻机研制、旋转导向钻进技术、地质导向钻进技术、随钻地质信息三维动态建模技术、智能化钻探数据库建立、钻孔事故预防与处理技术，同时介绍了“十三五”期间我国煤矿井下智能化定向钻探部分阶段性发展成果。

• 煤矸智能分选的机器视觉识别方法与优化

  徐志强, 吕子奇, 王卫东, 张康辉, 吕海梅,

  煤矸图像的在线准确快速识别是煤矸智能分选的关键，深度卷积神经网络能够解决这一问题。 以实际生产状态下采集的煤与矸石图像为训练与测试样本，基于 ResNet 等经典网络与SqueezeNet 等先进轻量级网络建立了煤矸图像识别模型，分析了各模型的训练收敛情况。 基于 kmeans++判断模型中不同卷积核所提取特征的相似程度，基于模型剪枝技术对相似度高的卷积核进行裁剪，实现了识别模型的优化与压缩。 以识别精度、模型规模和模型运算复杂度为评价指标，定量衡量了压缩前后各模型的测试性能。 分析了压缩后的模型对煤矸难、易识别样本的分类热力图可视化结果，揭示了模型的识别机理与分类依据。 结果表明：利用多数现有的 CNN 框架建立模型均可以对煤和矸石有效识别，但网络复杂度过低则特征提取能力不足，网络复杂度过高则易产生更严重的过拟合情况，即模型复杂度对识别精度影响较大；基于模型剪枝得到的煤矸识别模型可以将煤的截断面处因镜质组成分而产生的反光现象作为识别煤的可靠依据，同时准确捕捉煤与矸石由于硬度不同所产生的轮廓、纹理、表面平整度等差异，综合给出识别结果。 压缩后的模型在计算量与模型大小减少 10 倍的同时，识别精度提升了 17.8% ，实现节约计算与存储资源的同时提升识别精度，模型性能明显优于常规网络模型。

• 煤矿井下移动机器人深度视觉自主导航研究

  马宏伟, 王岩, 杨林,

  煤矿井下移动机器人是煤矿机器人的主力军，煤矿井下移动机器人的自主导航是其研究的难点和热点。 目前，煤矿井下移动机器人自主导航所必须的三维环境数据库尚未形成，尤其是制作高分辨率、多信息融合的煤矿井下高精度地图还处于研究阶段。 为了有效解决煤矿井下移动机器人自主导航问题，构建了基于深度相机的机器视觉系统，提出了一种基于深度视觉的导航方法，自主导航过程分为地图创建与自主运行两个阶段。 在地图创建中: ① 对深度视觉数据进行特征提取与匹配，利用 10 组煤矿井下真实视频截图，对比测试 5 种特征提取与匹配组合算法，结果表明SURF+SURF+FLANN 与 GFTT+BRIEF+BF 算法能够在煤矿井下获得良好匹配结果; ② 建立煤矿井下移动机器人深度视觉定位与建图问题的捆集调整迭代最近点图模型(Iterative Closest Points Bun?dle Adjustment，ICP BA);③ 通过图优化方式估计当前观测下的最优位姿与环境路标点坐标。 在实验室场景中利用提出的 ICP-BA 图优化算法，建立了包含关键位姿与三维环境点的原始点云地图。 在自主运行阶段，① 通过八叉树数据结构，将点云地图转化为移动机器人运动规划可使用的 Octomap 导航地图，实验结果表明，Octomap 导航地图分辨率可调、系统资源占用低、索引效率高;② 使用三维到二维映射的视觉图匹配 PNP(Perspective N Points)方法进行实时在线重定位;③ 基于图搜索的 A∗(A Star)路径规划作为轨迹规划初值，自定义最小化能量损失泛函为最小化加加速度的变化率(Minimum-Snap)求解 2 次规划问题，生成用于煤矿井下移动机器人运动执行的轨迹。 在Matlab 开发环境中设计随机导航地图，生成时间分配、位置、速度、加速度、加加速度的最优轨迹规划结果，验证了运动规划算法的正确性。 通过理论分析和实验验证，表明本文提出的煤矿井下移动机器人深度视觉自主导航方法的有效性。

• 煤矿地下毫米波雷达点云成像与环境地图导航研究进展

  陈先中, 刘荣杰, 张森, 曾慧, 杨鑫鹏, 邓浩,

  环境感知与地下空间导航是煤矿智能化信息领域的重要研究方向,对实现无人化、全自动化、智能化的煤矿生产作业至关重要。 随着第五代移动通信技术(5th generation mobile networks,5G)和毫米波成像雷达软硬件日益紧密结合与成熟,毫米波探测与通讯应用到更多领域。 5G 通讯技术依托高速率、低延时、高带宽的特点给现有的无线电通讯技术带来巨大的变革；同时,毫米波雷达相比激光雷达,低成本、抗干扰、三维点云(3 dimension point cloud,3D)数量相对激光点云数量少1 ~ 2 个数量级的特点,使得其在地下环境 3D 成像及同步定位与地图构建( Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)领域得到越来越多的关注。 基于 5G 通讯的 V2X(Vehicle to Everything)技术结合毫米波 SLAM 导航,为煤矿机器人的自主导航提供新的解决方案。 系统综述了当下煤矿机器人自主导航以及实现煤矿智能化所面临的问题；近期国内外毫米波成像最新进展；地下环境毫米波雷达模块组通讯与信号获取方法；高分辨率成像遇到的稀疏特征提取问题；稀疏点云的处理策略与算法评估；深度学习在毫米波稀疏点云处理中的研究现状与发展方向；SLAM 算法应用于不同环境的研究现状及 SLAM 导航算法。 最后归纳了煤矿地下环境中应用 SLAM 地图构建、路径规划及避障的困难和挑战,并对未来煤矿复杂环境下毫米波通讯与导航兼容并蓄的新应用提出了展望。

• 新型煤矿救援机器人研发与试验

  朱华, 由韶泽,

  煤矿救援机器人是一种在矿井发生灾害事故时，替代救护队员进入危险区域进行环境探测和对矿工实施救援的多功能智能救援装备，其应用对提升煤矿灾后救援效率、减少 2 次伤亡具有重要的意义。 以中国矿业大学 CUMT-V 系列煤矿环境探测与救援机器人的研发为例，从行走机构、防爆设计、结构轻量化、通信方法、传感探测和智能化等方面进行了相关技术和理论研究。 针对灾后煤矿的巷道环境特点，推演了机器人行走机构的基本构型，设计了地形适应性好、越障能力强的机器人行走机构;提出并采用基于短时防爆理论的本安兼隔爆的机器人防爆设计技术;提出了基于多腔体自加强结构的机器人轻量化优化设计方法;采用了有线和无线相结合的机器人通信方式;搭建了机器人传感探测与运动控制系统;研发了机器人井下地图构建和定位导航技术。 从而研制了能够承载多种探测传感器和急救装备的煤矿灾后环境探测救援机器人，并取得了国家煤矿安全认证。 井下应用试验及性能测试结果表明，机器人的行走能力强，能够适用于煤矿非结构复杂地形;机器人续航能力强，通信距离长，环境感知和信息传输的可靠性高;能够通过遥控方式实现机器人的灾后救援;采用有线和无线相结合的机器人通信技术可实现多台机器人的协同救援。 通过对机器人进行智能化升级，提高了煤矿救援机器人的环境感知能力，并使其具备了实时定位与自主行走的功能。 将上述技术的组合进一步完善，可研发出满足不同应用需求的煤矿环境探测、监控、救援机器人。

• 煤矿井下仿生机器人技术应用与前景分析

  宋锐, 郑玉坤, 刘义祥, 马昕, 李贻斌,

  当前，煤矿安全生产正面临着重大技术挑战，井下作业技术的智能化、无人化迫在眉睫，机器人化替代已成为重要解决途径。 煤矿智能化是煤矿作业高质量发展的核心技术支撑，从煤矿井下智能化、无人化作业需求出发，综述了目前掘进、采煤、运输、安控、救援五大类煤矿机器人国内外的应用现状。 在此基础上，就国内外仿生机器人技术在煤矿作业中的应用现状做了概述，指出了煤矿仿生机器人技术与装备发展思路和研究方向。 综述了仿生机构、仿生感知、仿生控制、仿生驱动和仿生材料等关键技术的研究现状，并阐述了仿生技术较现有设备的优势及可应用场景。 结合目前仿生技术与人工智能技术的发展水平，科学分析了仿生机器人的发展趋势，包括:从传统驱动器向生物肌肉驱动器的发展，从刚性结构向软体和刚柔混合结构发展，由传统材料到新型生物材料发展，从单一运动模式向高机动多栖机器人发展，从传统控制方法向生物智能控制发展，从机电系统机器人向生物系统机器人发展，从单一机器人向集群机器人发展。 结合仿生机器人技术的发展趋势，展望了仿生机器人技术在煤矿无人化作业中的应用前景:新型功能材料的应用，高效行走方式的应用，智能环境感知的应用，智能化自主作业的应用，为煤矿仿生机器人的开发利用提供参考。

• 基于时空演化的露天矿运输线路存留状态判别算法

  刘光伟, 李晋, 柴森霖, 刘嗣哲, 付恩三,

  露天矿采场是一个随时间协变的有源时空场，其内部的时空演化规律是露天矿开拓运输系统定线的重要基础，直接制约着露天矿运输道路的废除、重建和更新等相关决策。 但多年受露天采场的自身复杂性限制，开拓定线仍以经验化的手工定线为主，尚缺乏一种科学化、系统化的定线法，特别是对于已确定的运输线路随采、剥工程发展而发生的时空状态演化规律的判别与分析，直接制约着露天矿山道路运输系统设计的经济性。 以开拓定线过程中既定坑线的存留问题为切入点，首先对露天矿采场内采、剥物料的运输线路的演化规律进行了有效分析和描述，并结合采、剥物料的场内流动特性，构建了不同坑线状态下的迁移模型。 同时，为进一步定量化的描述运输道路的状态迁移模型，文中从分析运输线路与物料流之间的功能联系入手，引入矢量分析和场论的理论方法，结合采场采、剥物料实际给出了满足矢量场分析条件的均质流体假设，并进一步提出散度的概念、时空状态描述子的判别指标及利用散度的量化计算实现采、剥物料的迁移状态判别，从而为承载运输任务的运输线路的废除、重建和更新状态提供更为科学、合理的量化决策指标。 最后，以不同计划工程位置上的开拓定线问题(混合坑线)为仿真实验，验证文中算法模型对于判别运输线路存留问题的有效性。 实验结果表明：抽象散度的引入能有效地将采场内的有源矢量场划分为有源和无源区域，并能进一步判别出有源区域内流体的吸收或发散特性，且上述特性能极为理想的对应于运输线路的废除、重建、更新以及继续服务等几种状态，从而保证了这种区域化指标能为开拓定线过程中的区域性坑线布设提供更为理想的前期决策，有效解决了主观定线过程中线路更新难题。将应用数学、理论物理学中的通量、散度的概念引入到解决露天矿山的现实优化问题中，提出了一种定量化描述露天采场时空状态演化过程的新方法，弥补了现阶段手工定线主观经验化更新的不足，同时也为开拓运输系统的自动化优化定线算法的实现提供了一种路径更新判别的新思路。

• 基于3D LiDAR的矿山无人驾驶车行驶边界检测

  陈龙, 司译文, 田滨, 檀祖冰, 王永涛,

  路沿检测是矿区无人驾驶的关键技术之一，所得路沿信息可用于辅助无人矿车的感知、规划和定位。 准确的路沿检测与路沿图构建同时也是高精地图构建中的首要步骤，通过机器学的方法可以在现有路沿点的基础上初步构建道路结构拓扑。 与传统的卡尔曼框架下的路沿跟踪所不同的是，本文提出了基于占用栅格思想的路沿跟踪方案。 所谓占用栅格，即根据传感器感知到的障碍物信息来对全局范围内的场景进行构建的一种方法。 由于矿区环境下的路沿具有高度不确定性，所以需要用一种由包含概率信息的模型找出最高可能性是路沿的位置，而基于八叉树的结构正好可以满足这一需求。 本文通过将每一帧点云实时栅格化来筛选路面候选栅格，然后以环压缩为主进行多特征的路沿检测，其中栅格是一种应用已经非常广泛的点云结构，根据矿山道路本身具有的粗粒度特性，将特征检测扩展到以每一个扇形单元格为不可分割的基本单元，在提高了检测效率的同时，也避免了很多路面凹凸所带来的干扰。 路沿的跟踪策略采用基于八叉树的三维占用栅格，融合多帧检测结果，建立全局路沿地图，将传统的二维的占用栅格图的概念扩展到了三维的仅包含路沿属性的全局障碍物图。 实际矿区道路检测结果表明，本文提出的针对矿山非结构化道路的路沿检测算法可以准确地实现对矿山道路边界的检测，并可以满足无人矿车驾驶的实时性。

• 刮板输送机永磁直驱系统机-电耦合模型仿真与试验

  王洋洋, 鲍久圣, 葛世荣, 阴妍, 王世博, 张磊,

  刮板输送机作为综采工作面关键机械设备，其性能直接决定了井下煤炭开采的效率及成本的高低，而驱动系统是保障刮板输送机性能稳定、高效运行的首要条件。 为解决刮板输送机传统异步驱动系统因减速器而造成的传动效率低、故障率高、可靠性低等问题，基于永磁同步电机设计了1 套输送量可达1500万t/a的刮板输送机永磁直驱系统，并匹配计算了所需了永磁同步电机功率、转速以及变频控制器容量。 根据永磁直驱系统与刮板输送机之间的机-电耦合关系，利用MATLAB / Simulink 仿真软件搭建刮板输送机永磁直驱系统的机-电耦合模型，仿真分析了永磁直驱系统在空载启动、满载运行、多边形效应等多种工况下永磁同步电机的输出转速、转矩、三相电流以及刮板链的速度、加速度、张力等动态特性变化规律。 仿真结果表明，永磁直驱系统在刮板输送机启动及负载变化时能够快速响应且比较准确，由于减少了减速器的柔性缓冲，电机输出转速与转矩对负载突变响应波动较大；永磁直驱系统的动态响应在突变负载下与突变量成正相关关系，应当从驱动系统控制算法的优化角度出发减小波动，改善其性能;多边形效应影响系统速度控制的稳定性，机头链轮啮合处的链条更易受到多边形效应的影响。 最后，搭建小功率永磁同步电机直驱模拟试验台架，将仿真得到的机械负载特性曲线等效处理后通过测功机加载输入，开展了刮板输送机永磁同步电机直驱系统的模拟驱动试验。 试验结果表明，台架试验测得的永磁同步电机动态特性曲线与对应仿真试验得到的永磁同步电机动态曲线的变化规律基本一致，从而从侧面验证了本文所建立刮板输送机永磁直驱系统机-电耦合模型的正确性。

• 带式输送机永磁智能驱动系统及其控制策略

  杨小林, 葛世荣, 祖洪斌, 鲍久圣, 常国强, 张磊, 李海莹,

  矿用带式输送机传统驱动系统存在传动线路长、传动效率低、可靠性不高等技术不足，针对传统驱动系统的不足，设计了一种集多点永磁直驱与永磁张紧于一体的带式输送机永磁智能驱动系统，并通过仿真试验和现场应用验证了其可行性。 首先，对带式输送机永磁智能驱动系统的结构进行了设计。 接着，基于传感器矢量控制永磁电机驱动系统的技术特点，提出了带式输送机永磁直驱系统的双闭环矢量控制、柔性启动与多机协调控制，永磁张紧系统的三闭环控制与打滑抑制等控制策略;在此基础上，利用 MATLAB / Simulink 软件构建了带式输送机永磁智能驱动系统的仿真模型，通过仿真分析在理论层面验证永磁智能驱动系统的正确性。 最后，通过现场应用实例与经济效益分析，进一步验证了永磁智能驱动系统的优势。 仿真分析与现场试验结果表明，带式输送机永磁智能驱动系统的多种控制策略在保证带式输送机重载柔性平稳启动的同时，也有效减小了启动时动张力对胶带的冲击损伤;可实现带式输送机的多机转矩平衡，能够解决多点驱动功率分配不均带来的问题;张紧系统与驱动系统协调性良好，可实现快速张紧，同时在发生打滑时张紧系统可快速响应消除打滑带来的不利影响。 与传统的异步电机驱动系统相比，永磁智能驱动系统可大幅度提高带式输送机的智能化程度，有利于推进矿山装备的智能化发展。

• 煤矿井下机车无人驾驶系统关键技术

  韩江洪, 卫星, 陆阳, 魏臻, 程磊,

  煤矿井下机车无人驾驶系统的研发和运行,有助于降低因调度、操作失误而发生运输事故的概率并且能够从根本上减少井下作业人员的数量。 与技术日趋成熟的地面汽车无人驾驶、铁路无人驾驶不同,在井下环境实施机车无人驾驶存在诸多新的挑战:例如运输大巷人车共用、巷道狭窄、光照条件不均匀,无法利用卫星定位系统,缺乏有效的通信手段等。 从实现井下无人驾驶机车系统的关键问题分析入手,综述了其技术研究进展。 ① 提出了基于信息网络与控制网络无缝结合的井下无人驾驶机车系统架构,以确保列车调度智能化、机车操控与状态采集自动化、运输监控中心与调度中心一体化,并且兼容远程遥控、自主运行等无人驾驶模式; ② 给出智能调度的概念,即无人驾驶系统应当在运输调度智能化的基础上实现,有效促进两个系统间的资源共享、功能协同; ③ 详细比较分析了井下封闭环境定位技术,指出超宽带(UWB)能够有效应对亚米级的机车高精度无线定位且鲁棒性和稳定性方面性能优良,能够满足井下机车无人驾驶对定位精度的要求; ④阐述了适用于井下无人驾驶的数据通信网络覆盖,重点根据实际的工程经验给出接入 WLAN 网络需要满足的性能指标,分析了 5G 新型通信网络即将带来的井下无人驾驶应用突破; ⑤ 在机器视觉用于路况分析方面,探讨了基于轨道模型和基于图像特征的轨道线检测算法、基于深度学习神经网络的目标检测算法、基于双目测量和单目测量的目标距离估计算法、深度学习网络的轻量化技术。最后,展望该领域的技术发展与应用前景。

• 基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术

  程敬义, 万志军, PENG Syd S, 张洪伟, 邢轲轲, 闫万梓, 刘泗斐,

  超前感知综采工作面顶板来压并预判冒顶事故、自主评价支护参数的适应性,是提高综采工作面安全高效及智能化水平的基础。 围绕综采工作面支架与顶板状态智能感知的核心问题,基于综采工作面电液控制液压支架海量监测数据,开发了综采工作面支架与顶板状态智能感知系统(SSRI);结合大数据挖掘及工作循环分析技术,提出了用于支架压力分析的多因次工作循环特征参数;研究了安全阀开启、割煤及邻架移架、地质等多种因素影响下的单台支架承载特征及支架群组载荷转移分布规律;在深入解读支架阻力及活柱下缩时序曲线所蕴含的支架与围岩相互作用关系的基础上,构建了支架与顶板状态智能感知模型,实现了对顶板来压的预测、冒顶预警、支架适应性及支护质量评价,初步建立了基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术体系。 结果表明:① 额定工作阻力不应作为评价支架承载能力的唯一或主要指标,初撑力、额定工作阻力及安全阀开启特性等参数共同决定了支架的承载特性及承载能力;② 充分挖掘分析海量矿压监测数据,可以实现采场顶板灾害智能预警、支护质量评价及故障诊断等研究目标;③ 对海量监测数据的深入分析与利用是实现综采工作面支架围岩耦合自适应控制、支护参数自适应调整等智能化开采目标的前提与基础。

• 液压支架网络化智能感控方法

  廉自生, 袁祥, 高飞, 廖瑶瑶, 郭永昌, 赵瑞豪,

  在智能化综采工作面，液压支架的智能化技术对顶板及煤壁的安全控制、三机的协调运行及工作面的循环推进起着关键保障作用。 针对煤矿智能化开采的技术现状及发展趋势，分析了液压支架与围岩的耦合状态、液压支架动作过程、支架与刮板输送机的协同控制、护帮板与煤壁耦合状态等感知功能需求，提出了相应的感知方法及传感元件的布置方案。 在分析感知需求的基础上，提出了液压支架感知元件的结构框架及数字化感知网络架构。 感知元件具有自供电数字化信号无线传输功能、架内无线传感网络采用 ZigBee 通信方式，所有无线感知信号通过信息接收装置进行存储、处理，然后通过 RS485 总线与支架控制器通讯，架间信息传输采用工业以太网。 支架的各个动作采用闭环控制。 实现全面感知液压支架的位置、姿态、工作阻力、载荷分布、液压控制回路关键参数等信息。 依据这些信息，结合矿压理论及支架与围岩耦合机理，可以实时掌握顶板状态、来压规律以及来压过程支架与围岩的耦合特性;利用数字化感控网络，液压支架各个动作的控制回路可以实现开关式闭环控制，可以为液压支架对围岩的自适应调节、推溜拉架的平直度控制、跟机移架自适应控制以及综采装备物联网的构建等智能化水平的进一步提升提供必要的信息支撑。

• 液压支架群组跟机推进行为的智能决策模型

  付翔, 王然风, 赵阳升,

  智能决策模型支持的液压支架自组织协同控制是智能开采的关键技术之一，支架群组跟机行为的全局最优规划是智能决策模型的核心原理。 提出了液压支架跟机行为的动作类型排序和动作速度调控的双层规划原理，以支架适应采煤机速度、液压系统压力稳定为多目标导控，设计了支架群组跟机推进行为智能决策模型，实现供液动力与支架动作协同全局最优控制序的动态决策。 基于液压支架多类型单自由度的运动空间特性，根据时间世界模型的时间元关系约束定理，提出了液压支架群组跟机动作时序规划方法，设计了满足跟机工艺和空间约束的支架动作动态排序模型，以改进支架不同类型动作发生顺序和相互之间的时间逻辑。 基于支架动作的稳压供液原理，构建了供液流量与支架组合动作执行时间的数学映射模型，构建了支架动作时压力状态模糊辨识模型，实现支架组合动作速度和压力稳定性的预测评价。 通过示例的仿真和试验验证了决策模型的正确性和可行性，并得出结论，智能决策模型可根据采煤机速度自动生成支架与供液协同控制策略，提高了支架群组跟机适应能力，并一定程度地稳定了液压系统压力过程状态。 本文研究形成自适应采煤机速度的支架群组跟机推进行为智能决策机制与框架，为实现支架自组织协同控制技术提供关键的决策支持。

• 基于多频连续波相位差测距的掘进机位姿识别方法

  张晓光, 杨悦, 孙彦景, 李松, 田志坚, 丁恩杰,

  随着矿山生产过程的日趋无人/ 少人化，采掘装备位姿识别技术对煤矿井下安全生产和机器协同工作具有重要意义。 为了解决在空间受限的复杂掘进作业环境下，电磁波频繁反射和散射会造成密集多径和大相位误差问题，采用无源宽带谐波标签生成可利用的谐波信号，建立基于非线性二次谐波反向散射的抗干扰模型，通过上、下行链路的频率分集，抑制矿井密集多径干扰;通过基于距离的几何定位方法，提出连贯发射宽带多频连续波(Coherent Sending Broadband MultifrequencyContinuous-Wave，CSMCW)相位差测距算法，来解决大相位误差条件下的测距、定位和识别的准确性难题。 并以掘进机为例，研究了基于 CSMCW 相位差测距的无源掘进机位姿识别方法。 为了验证上述理论和算法的可行性，设定了长宽高为 105 m×4 m×3 m 的掘进机仿真实验场景，分别对谐波标签抗干扰性能、CSMCW 相位差测距和掘进机位姿识别效果进行了仿真测试。 仿真结果表明:采用无源宽带谐波标签，与传统无源标签相比可以获得更大的信干比，具有较强的顽健性，能够有效抑制纳秒级密集多径干扰;与二次相差测距算法、参差频差测距算法相比，基于谐波反向散射抗干扰模型的 CSMCW 测距算法具有更强的鲁棒性，在低信噪比条件下定位测距可达到厘米级的分辨率，保证了掘进机位姿姿态角的识别;信噪比(SNR)= -5 dB、测量距离为 100 m 时，基于提出的多频连续波相位差测距的位姿识别方法得到掘进机航向角、俯仰角、横滚角最大误差精度约为2. 3°，能够满足未来的应用要求。

• 巷道智能化掘进的自主感知及调控技术研究进展

  杨健健, 张强, 吴淼, 王超, 常博深, 王晓林, 葛世荣,

  为解决当前煤矿巷道综掘工作面的智能化程度较低，掘进效率低下的问题，分析了煤矿综掘工作面实现智能化快速掘进的关键是自主感知和调控技术。 首先，探讨了智能化掘进的关键技术特征，煤矿综合掘进机器人化装备以智能感知技术、自主控制决策技术、群组协同作业技术为支撑，形成智能化快速掘进技术体系构架，实现探-掘-护-锚一体化协同作业。 其次，重点阐述了智能化掘进的自主感知技术包括基于超宽带原理的位姿感知、基于双频激电法的超前探测、基于 SLAM 原理的环境感知、基于变迁记忆故障 Petri 网的故障感知等，自主调控技术包括基于群体智能算法的智能截割、基于遗传变异粒子群算法的路径规划、基于 BP 神经网络 PID 算法的自主纠偏等。 再次，详细论述了智能临时支护感知包括围岩压力、顶底板状况、支架位姿等多维信息的感知，研究了非水平场景下掘支协同与多机组多缸联动的自适应控制方法;介绍了智能永久支护感知包括围岩位移感知和支护装备受力变形感知，并探讨了锚护网络结构优化方法，自适应钻进控制上为获得最佳推进力控制性能，提出基于粒子群优化算法的自抗扰控制器参数整定略。 最后，探讨了煤矿巷道智能化掘进的自主感知及调控技术的进一步发展方向。

• 煤矿岩巷全断面掘进机（TBM）及智能化关键技术

  王杜娟, 贺飞, 王勇, 荆留杰, 赵先发,

  岩巷掘进技术和装备的发展直接关系到煤矿生产的能力和安全。随着综合机械化采煤技术的迅速发展,回采工作面推进速度越来越快,对巷道掘进速度的要求越来越高。煤矿岩巷掘进技术,经历了钻爆法、综掘法,现在已经发展到第3个阶段TBM工法。传统的钻爆法、综掘法受技术和施工工艺限制,越来越无法满足各重大工程对施工效率、安全性、社会效益、经济收益等提出的更高要求,难以满足煤矿采掘平衡发展。TBM实现高效破岩、连续出渣、快速支护,通风除尘、供排水同步作业。分析了近几年国内煤矿TBM施工案例,提出矿用TBM开发关键技术,TBM针对煤矿井下特殊工程地质条件设计,实现掘锚运同步、及时支护,提高对坡度、围岩适应性,小半径转弯能力,融合千米定向钻机技术,做到逢掘必探,设备、施工规范和组织管理有机融合;提出工序衔接关键在于“探得远,掘得快,支得住,运得出”。分析煤矿巷道特点,提出设备系列化、模块化设计规划,关键部件国产化发展方向。依托大数据分析和云计算平台,按照“以感知为基础,以信息融合为中心,以智能掘进为目标”的原则,规划TBM智能掘进技术体系;开发掘进智能控制软件——TBM-Smart,系统架构划分为数据采集层、数据分析层、实时决策层,包括七大功能模块。分析煤矿行业面临的瓶颈和未来发展,提出矿用TBM向“机械化换人、自动化减人、智能化解放人”方向发展。

• 掘锚一体化高效掘进理论与技术

  王虹, 王建利, 张小峰,

  为提高巷道掘进效率，提出了掘锚一体化高效掘进的概念，指出高预应力锚固理论、空顶区顶板稳定控制理论、软岩流变理论、松动圈理论和锚杆支护动态信息设计方法等是掘锚一体机高效掘进的理论基础，进一步采用数值模拟和试验，发现了高效掘进围岩破坏变形规律和低比能耗高效截割的有关规律。 针对综掘工艺平行作业率低的难题，攻克了高效掘进系统集成配套技术，创新研制掘锚一体机、锚杆转载机、跨骑式锚杆钻车和柔性连续运输系统等装备，构建掘进、支护、运输、除尘等工序的同步作业线，掘支运平行作业时间由 25% ~ 35% 增至 50% ~70% 。 攻克了掘锚一体化技术和全宽截割技术，研制了国产掘锚一体机，优化了截割功率、空顶距、接地比压，行走采用千伏级交流变频调速技术，解决了国外设备截割能力不足、适应性差等难题，研制了双驱动高速合流重型截割减速器，实现截割功率达 340 kW，研制前探式临时支护，将临时支护空顶距由1 m 减至0.4m，研制宽型履带底盘，整机接地比压由0.28MPa 降至0.2MPa;针对锚杆支护与转载运输平行作业的难题，攻克了空间多维度同步支护技术，研制了锚杆转载机和跨骑式锚杆钻车等设备，通过多组钻机实现多排多臂分段平行支护，掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板，后部同步实施增强永久支护，形成“前疏后密，快速推进”协同支护体系;攻克了多钎杆钻孔自动接续技术，钎杆由机械手自动续装、由钎杆仓存储，解决了锚索钻装不连续的技术难题;针对胶带长距离搭接的难题，研制出柔性连续运输系统，设计了位姿锁定的蛇形关节架体、偏置摆动式油气悬挂、具有减摩降阻机构的迈步式自移机尾、穿梭动力站等核心部件，实现小半径 90°转弯和 150 m 往复搭接、连续转载;针对高效掘进粉尘防治的难题，提出了固液气三幕组合控尘方法，将粉尘控制在掘进工作面并形成粉尘池，防止粉尘扩散;研制了可随主机设备移动的除尘装置，实现除尘装置与掘进设备同步移动;攻克了小体积无龙骨自承式菱形滤袋过滤技术，研制了矿用全自动紧凑型袋式除尘器，总尘除尘率达99．7% ;攻克了滤网表面超疏水改性、双面两级流线形气液分离等技术，研制了矿用机载湿式负压除尘器。 应用表明，与原有掘进方法相比，掘锚一体化高效掘进技术在稳定围岩和中等稳定围岩条件下提高掘进速度1 ~ 2倍。

• 智能化放顶煤开采的精确放煤控制技术

  张守祥, 张学亮, 刘帅, 徐国清,

  综放工作面液压支架引入电液控制系统后，实现了定时放煤和记忆放煤。 要适应顶煤层地质变化，还需要引入放煤过程全方位监控技术和装备，实时监测放煤前、放煤中和放煤后的顶煤层静态和动态变化情况，精确控制放煤过程，做到随放随探，才能保证回采率和煤质的最优平衡。 首先分析放煤过程监控的技术难点，在于放煤时煤岩粉尘造成视觉成像的信号严重衰减；其次根据放煤量数据判断煤矸放落比例的信号处理时间要求达到秒级，才能满足“见矸关门”决策对控制放煤实时性的要求。 按照放煤过程分“放煤前、放煤中和放煤后”3 阶段采用不同的感知技术和装备，放煤前采用支架顶梁前部安装透地雷达测量顶煤厚度作为放煤量的基准；放煤中采用在支架顶梁和掩护梁结合处安装三维雷达扫描未放顶煤空间，测量出剩余顶煤体量，与放煤前的放煤量基准进行比对，来确定放煤过程何时终止；放煤后将识别后部刮板运输机上已放落的煤炭体量和煤矸比例，提高煤矸检测的鲁棒性。 放煤前测量煤层厚度的雷达采用超宽带无线脉冲信号，能够穿透3 ~ 6 m的煤层，测量煤层厚度精度达到厘米级；放煤中对顶煤体量的动态变化检测采用激光雷达或毫米波雷达，能够满足空间测量范围、精度和处理实时性要求；放煤后对煤矸的识别采用高清宽动态摄像机辅以透尘光源，通过图像灰度卷积来计算煤矸混放比例参数，用以判断全煤下放、煤矸混放和全矸下放的 3 个过程数字量化问题，实现实时反馈控制精确放煤。 通过放煤前、中和后 3 阶段的技术综合，研制相应的传感装备，将测量数据实时传输给工作面自动化系统，经过系统数据计算分析和智能化处理，把放煤控制决策数据发送给液压支架电液控制系统，实现对应支架的放煤口大小及时调整和关闭控制。 经过具备条件的智能化综放工作面现场工业试验，验证了采用放煤前中后全过程实时监测手段能够精确地控制放煤口大小和关闭，实现了将现场放煤工人解放到安全条件好的巷道或地面监控中心，达到了综放工作面放煤现场无人操作的智能化目标.

• 中薄煤层智能开采技术及其装备

  高士岗, 高登彦, 欧阳一博, 柴敬, 张丁丁, 任文清,

  针对我国薄煤层产量逐年增长和开采技术相对滞后的现状，提出了透明化自适应型中厚偏薄煤层智能开采模式。 以神东矿区为例，对当前的中厚偏薄煤层智能化开采技术进行了总结，介绍了中厚偏薄煤层智能开采情况，由此提出厚度1.0-1.7m的煤层称为中薄煤层的分类概念，以适应煤矿智能化开采和优先发展的需要。 首先，在综合处理多源异构信息的基础上，将三维初始地质模型、激光扫描动态数字化工作面、顶底煤厚度探测结果以及煤机姿身数字化，实时提交给智能开采系统进行超前规划，生成动态透明四维地质模型。随后，根据实时生成的动态四维地质模型，获取每个截割位置的顶、底板高度数据，结合煤机姿态参数和采煤机的绝对位置坐标，及工作面平直度要求，对未来几个割煤循环的采煤机调高策略进行提前规划，形成基于动态透明工作面智能化割煤技术。 提出了“十二工步”割煤工艺，建立采煤机电缆拖拽系统。 最终，以动态四维地质模型构建、采煤机智能化割煤、工作面自动调直、机器人巡检、采煤机电缆拖拽、液压支架自动跟机以及智能协同联控等技术为依托，建立了具备综采工作面全面感知、设备远程集控、协同联动、自动控制、多维数据融合、隐患自动辨识、流程数据驱动、智能辅助决策的中厚偏薄煤层智能化综采工作面开采体系，实现由可视化远程干预型智能开采模式向透明化智能自适应型智能开采模式的转变。 实践表明，动态四维地质模型的构建解决了薄煤层开采煤岩分界线识别，对未来10刀割煤循环给出调高策略，预设割煤轨迹与实际割煤轨迹趋势曲线位置偏差小于 0.3m。 榆家梁煤矿 43101 工作面实践，日割煤15刀，年产量达221.6万 t，生产工效提高15.08%;工作面无直接操作人员，仅有1人巡视。

• 智能化采煤系统架构及关键技术研究

  黄曾华, 王峰, 张守祥,

  随着煤炭行业自动化、数字化、信息化的变革,智能化采煤成为了重要的发展方向。 本文先针对我国当前推广应用的可视化远程干预智能化采煤模式进行了分析,介绍、总结了基于视频监控的远程干预综采智能化、以巡检机器人辅助的工作面智能化,以及基于惯性导航技术的综采智能导航等 3 个方向的技术发展情况,总结性提出了当前可视化远程干预智能化采煤工作面对的“看、动、想、稳”4 方面实际问题。 其次,分析了面对复杂开采条件下智能化采煤所面对的自适应技术和综采机器人技术 2 项技术难题,归纳出开采空间多元信息采集及交叉融合、智能化采煤决策基础理论、综采装备群智能化协作 3 个科学难题。 再次,围绕技术科学难题,提出了智能化开采系统需要具备的 4 个基本要素,分别为:煤炭开采空间感知能力要素,智能分析及决策能力要素,自动执行能力要素,可靠及稳健运维能力要素,设计了以“感知、决策、执行、运维”为 4 个维度的智能化采煤系统架构。 研究了关键技术待突破方向,包括开采地质环境增强感知技术、智能开采工艺分析决策技术、开采装备智能化技术、煤矿智能巡检机器人技术、开采系统智能运维技术、辅助生产环节智能化技术、综采智能服务等方面。 最后,以国能集团神东榆家梁煤矿智能化采煤示范工程项目为例,开展了基于“透明工作面”的数字化采煤应用,初步实现了智能化自主采煤。

• 融合5G技术生态的智能煤矿总体架构及核心场景

  范京道, 李川, 闫振国,

  5G技术的到来,强化和深度融合了物联网、大数据、人工智能等技术,已经形成了较为成熟的 5G 技术生态,有力推动了包括煤炭企业在内的各个行业的转型升级和智能化发展。 通过分析移动通信技术与煤矿建设的关系,明确了 5G 技术在煤矿生产中所具有的重要作用,揭示了 5G 技术生态是智能煤矿建设的重要推动力; 详析分析了当前制约煤矿智能化的井下高效通信、装备智能化、决策智能化等方面的主要问题,并且从 5G 技术生态的角度探讨了解决当前问题的技术手段; 研究了智能煤矿的内涵,提出了智能煤矿的定义,明确了智能煤矿必须具备时空一体、万物互联、数据融合、全息感知、业务联动、智能决策六大特征; 揭示了智能煤矿基础设施所需要的 5G 技术生态、混合云和 GIM 技术等 3 个技术要素,提出顶层设计中所涉及的云边端思维模式、微服务架构和基于一张图的智能态势分析与决策等 3 个设计理念,从而完成了对智能煤矿建设总体架构的构建。 同时,对智能煤矿建设中包括智能探测、智能掘进、智能开采、智能通风、智能洗选和智能调度在内6个典型应用场景所需的研究重点和方向进行了阐述。 最后,以延长石油矿业巴拉素煤矿为实例,在兼顾实际开采条件和发展愿景条件下实践了本文提出的智能煤矿建设构想,力求为我国智能煤矿建设提供一种新探索。

• 煤矿智能开采信息共享管理平台构建研究

  毛善君, 崔建军, 王世斌, 涂兴子, 张鹏鹏, 李梅,

  井工煤矿生产是一个复杂的巨系统,实现其智能化开采的重要基础是安全生产全业务流程信息的高度共享和动态分析,但目前存在空间信息管理基础理论薄弱、数据孤岛严重、管理模式落后、共享平台缺失等问题。 基于煤矿智能化信息处理的特点,提出了基于“一张图”的智能化煤矿信息共享管理平台的系统设计,为实现生产和管理部门间的横向整合和纵向集成奠定了基础;进一步完善了管理煤矿空间信息的灰色地理信息系统理论,并对业务流程重构和时空数据库的构建进行了较为详细的阐述,实现了智能开采环境下煤层空间信息的动态修正、管理模式的创新和各类空间及属性数据的一体化存储,为信息处理的动态性、共享性、准确性和可靠性提供了保障; 对信息共享和协同处理机制以及可视化展示等关键内容和技术进行了研究,解决了包括移动端在内的全业务流程数据处理的一致性、完整性、现势性和可操作性问题; 开发了具有我国自主知识产权的软件平台和应用系统,并在平顶山煤业集团有限责任公司、大同煤矿集团有限责任公司、山东能源临沂矿业集团有限责任公司等单位得到实际应用,初步实现了对智能化煤矿安全生产运营" 一盘棋、一张网、一张图、一个库"的新型管理理念和 Internet+大数据+煤矿的高科技目标。

• 数字孪生智采工作面技术架构研究

  葛世荣, 张帆, 王世博, 王忠宾,

  为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用 5G 通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。 首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息 3 个部分组成。 介绍了DTSMW 系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等 10 项关键技术。 新的 DTSMW 系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。 研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。 针对DTSMW 系统数据的高度依赖性,首次将智采工作面复杂信息归纳为 3 条信息流,用于描述采煤过程的环境、控制和能量状态。 环境信息流和控制信息流来自煤岩体对采煤机、液压支架、煤流运输机组的输入信息及其调控信息,能量信息流来自开采装备对煤层、岩层变量调控所产生的能量交换状态信息。 针对智采工作面的巨大信息流量,提出了管理 DTSMW 信息流的数据主线(Digital Thread)方法,将信息流的数据分为周期性数据、随机性数据和突发性数据进行建模处理,以确保数字孪生智采工作面的数据驱动及稳定运行。 通过对比分析,DTSMW 系统比现有远程集控中心的智能性提高了一个层次,可为中级智采工作面实现无人化运行提供新的监控系统架构。

• 智能化煤矿顶层设计研究与实践

  王国法, 杜毅博, 任怀伟, 范京道, 吴群英,

  建设智能化煤矿是实现煤炭工业转型升级和高质量发展的必由之路。 针对当前我国智能化煤矿建设初级阶段缺乏体系性与前瞻性的顶层设计的现状，进行了智能化煤矿顶层设计的系统研究，阐述了智能化煤矿应分为数字融合互联，人机主动交互，主要系统自学习自决策3个阶段分区域分层次实现“物质流、信息流、业务流”的高度一体化协同，构建以人为本的智能生产与生活协调运行的综合生态圈的建设目标和阶段性任务。 基于煤矿价值活动分析对智能化煤矿复杂巨系统逻辑关联进行研究和系统归并，提出以泛在网络和大数据云平台为主要支撑，以智能管控一体化系统为核心，能够实现对煤矿开拓、生产、运营全过程进行感知、分析、决策、控制的煤矿十大主要智能系统，包括:煤矿智慧中心及综合管理系统；煤矿安全强实时通信网络及地下精准位置服务系统；地质保障及4D-GIS动态信息系统；巷道智能快速掘进系统；开采工作面智能协同控制系统；煤流及辅助运输与仓储智能系统；煤矿井下环境感知及安全管控系统；煤炭洗选智能化系统；固定场所无人值守智能管理系统；煤矿场区及绿色生态智能系统等的智能化煤矿建设顶层架构。 通过对数据特征与关联关系研究提出智能化煤矿信息实体特征与抽取方法，并研究智能化煤矿知识图谱构建及数据交互推送方法，构建智能化煤矿数字逻辑模型；研究提出智能化煤矿“云边端”数据处理架构和三层递阶控制策略，在此基础上对煤矿智能化应用系统进行具体设计。 以张家峁煤矿生产矿井智能化改造和巴拉素煤矿新建矿井全面智能化建设为典型案例进行了工程实践。

• 采煤工作面煤层三维模型构建及动态修正技术

  刘万里, 张学亮, 王世博,

  高精度工作面煤层三维模型是实现无人开采的有效保障，但现阶段构建的煤层三维模型普遍存在以静态模型为主且垂向分辨率较低的问题，为满足无人开采对煤层三维模型高精度的要求，煤层三维模型必须要有一个动态精细修正的过程。 为此，在详细分析了煤层三维模型不确定性影响因素基础上，提出一种煤层三维模型的动态精细修正技术，进而提升煤层三维模型局部精度，实现工作面的有限透明。 主要思路是在工作面的不断推进过程中，动态融入回采作业中最新探测的工作面激光扫描数据、顶/ 底煤厚数据和采煤机截割轨迹信息，采用二次序列规划法精确计算出煤层三维模型局部区域的修正值，并利用克里格空间曲面插值法把修正值插入到煤层三维模型中，这样利用上一回采阶段新揭露的修正数据去动态修正下一回采阶段的煤层三维模型，如此逐级递进，逐步求精，从而提升煤层三维模型精度，使修正后的煤层三维模型更准确地表达出工作面实际煤层的结构信息，为工作面无人化开采控制提供关键基础数据。 在斜沟煤矿试验结果表明工作面推进前100刀修正后煤层垂向误差绝对值小于0.2m区域比修正前提高了将近一倍，证实了该研究方法可有效提高采煤工作面煤层三维模型局部精度，提升煤层三维模型的实用价值和应用程度。

• 智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术

  王学文, 谢嘉成, 郝尚清, 李娟莉, 杨兆建, 任芳, 暴庆保,

  针对数字化综采工作面的场景构建、虚实交互通道和虚拟模型驱动三大基础问题，提出一种面向智能化综采工作面的实时虚拟监测方法，对高可信度煤层装备联合虚拟仿真与协同规划、实时可靠信息获取与“虚实融合”通道构建技术和虚实融合与感知一致性呈现等方法进行研究，具体包括: ① 基于 Unity3D 开发特点和模型所需特性，分别完成了三机装备数字模型和煤层顶底板模型的构建，将虚拟装备布置在虚拟煤层中，实现各装备之间的虚拟协同以及装备与煤层之间的关系构建，完成了虚拟煤层环境下的装备协同推进仿真并对装备群协同运行进行虚拟规划，实现了高仿真度综采虚拟场景的构建; ② 在装备反映位姿信息的关键位置上布置传感器，通过一系列接口和通道，构建 Unity3D 与组态软件、数据库和计算软件之间的信息交互。 采用分布式协同的驱动模式，优化了数据的传输处理，最终将综采装备的实时运行数据导入虚拟平台，驱动虚拟设备运行，实现了稳定可靠的传感信息协同与调度; ③ 构架了复杂综采虚拟场景实时驱动框架，研究了基于底层模型驱动虚拟单机关键技术，提出了采运装备协同仿真与实时数据驱动的方法、采煤机自动调高方法、刮板输送机和支架协同仿真与实时数据驱动方法、虚拟液压支架群的虚拟驱动方法以及动态透明工作面时空运动学实时分析方法，接着进行了虚拟监测界面设计，实现了传感数据与虚拟仿真运行信息高精度融合。 最后在实验室综采成套试验系统和样机试验平台上分别完成了相关试验，验证了三大模块联合运行的正确性和可靠性。 试验表明，VR 监测系统运行清晰流畅，虚实映射状态同步，可切换性好，呈现信息准确，后台数据库压力也较小，可以完成预期目标。 在仿真运行中可实时提取出各装备与煤层运行的相关参数，完成高可靠性虚拟规划。

• 【视频】王国法院士、葛世荣校长等12位专家寄语《煤炭学报》“煤矿智能化关键技术”专题

  王国法, 葛世荣, 鲍久圣, 周福宝, 范京道, 马宏伟, 王杜鹃, 卢新明, 石智军, 毛善君, 黄曾华,

  点击“相关视频”，查看王国法院士、葛世荣校长等12位专家对《煤炭学报》“煤矿智能化关键技术”专题的寄语。

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  本专题共36篇论文，点击“资源附件”，即可下载该专题所有论文。 “煤矿智能化关键技术”专题目次

• “煤矿智能化关键技术”专辑特邀主编致读者

  葛世荣,

  煤炭是人类生存的主要能源物质，在2019年的一次能源消费中，我国煤炭能源占比57.7%，世界煤炭能源占比约27%。在相当一段时期，我国仍要依靠煤炭能源作为经济社会发展的“工业粮食”，但其生产方式和利用将发生重大转变，必须走“智能安全开采，清洁高效利用”的高质量煤炭工业发展之路。1870年英国创造出世界第1台截杆式截煤机，人类实现了最早也是最简单的动力机械采煤。1948年，英国安德森公司推出第1台截盘式滚筒采煤机，1954年在英国奥尔蒙德煤矿薄煤层工作面实现了跺式液压支架与滚筒采煤机联合作业的综采工作面，人类进入了高级机械化采煤时代。此后，全球煤炭人都在不断追求实现智能化采煤，陆续诞生了采煤机遥控技术、电牵引技术、无链牵引技术、液压支架电液控制技术、记忆截割技术、自动跟随技术等变革性创新。2014年6月13日，习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议上明确提出了“四个革命、一个合作”的重大能源战略思想，推动煤炭智能化开采技术革命提速进步。2016年6月，国家发展改革委、国家能源局出台我国《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，首次在国家层面制定了提升煤炭开发效率和智能化水平，研发智能化工作面，重点煤矿区基本实现工作面无人化的发展目标。2019年1月，国家煤矿安全监察局发布《煤矿机器人重点研发目录》，列出5类38种煤矿机器人，这是国际上第1个完整的煤矿机器人技术体系，也是推进智能采煤装备发展的引导。2020年3月，国家发展改革委、国家能源局、应急部、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部8部委联合出台《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了煤矿智能化发展的10项主要任务。到2021年，我国要建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，井下和露天煤矿固定岗位实现无人值守与远程监控；到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化；到2035年，各类煤矿基本实现智能化。由此可见，在习近平新时代能源战略思想指导下，近5年我国煤矿智能化发展方向引领、政策落实、目标明确、推动有力。当前，煤矿智能化开采技术研发与应用积极性之高、各界行动响应之快、成果涌现数量之多、实践探索范围之大，在我国煤炭工业创新发展历史上是少有的。为了展示目前我国煤矿生产智能化技术成果，《煤炭学报》汇集了这期专题论文，征集各方面在煤矿智能化技术创新与应用的成果和经验。在征文通知发出之后，广大作者投稿十分踊跃，展现出对本期专题的广泛关注，但受限于期刊版面，本期只能刊出36篇论文。在这36篇论文中，涉及到智能化架构论文4篇（占比11.1%），智能化生产论文17篇（占比47.2%，开采5篇、掘进4篇、支护3篇、运输5篇），智能化安全控制论文15篇（41.6%，煤矿机器人6篇、安全监测9篇）。在此，向为本期专题奉献佳作的论文作者表示感谢！煤矿智能化技术发展不是一蹴而就的，它是站在机械化、数字化、自动化的扎实基础之上，这其中凝聚着几代煤炭人的辛勤奉献，向他们致敬！它是依靠绿色开采、安全开采、科学开采、精准开采的理论模型支撑，这其中凝聚着煤炭行业院士、学者的智慧结晶，向他们学习！它是融合机器人、人工智能、大数据、工业互联网等技术架构，这其中召唤着青年一代科技工作者的创新攻关，为他们加油！期待我国煤矿智能化进步更快、水平更高、实力更强！

• 【视频】神东、兖矿、黄陵、延长石油、张家峁等5家企业寄语《煤炭学报》2020年第6期“煤矿智能化关键技术”专题

  杨俊哲, 孟祥军, 范京道, 张建安, 毛明仓,

  由《煤炭学报》编辑部与中国矿业大学(北京)校长葛世荣教授共同组织策划的“煤矿智能化关键技术”专题已于2020年7月15日上午发布，同时，部分论文作者于7月16日上午“煤矿智能化技术学术论坛”解读专题论文! 本次专题的发布工作收到了来自神华神东煤炭集团有限责任公司、兖矿集团有限公司、陕西陕煤黄陵矿业有限公司、陕西延长石油集团有限责任公司、陕煤集团神木张家峁矿业有限公司等5家企业的祝福。在此，《煤炭学报》编辑部对这些单位给予的支持表示衷心的感谢!