摘要：针对智慧矿山建设过程中存在的信息孤岛、数据质量和网络信息安全等问题,分析了智慧矿山建设技术架构现状,对比了智慧矿山建设与煤炭工业互联网关系,采用以ISO/IEC/IEEE42010系统与软件工程标准为主要方法论,提出了智慧矿山工业互联网架构体系,包括设备层、边缘层、企业层和产业层的“网络、标识、平台、安全”四大系统建设,提出了智慧矿山工业互联网平台技术5层架构,分析了各层构建的主要内容和相互关系,包括:①现场层,提供工业设备与业务管理数据来源与流程优化场景;②边缘层,构建基于OPC UA与TSN融合的边缘云计算架构,实现感知、互联与计算的边缘侧应用闭环;③IaaS层,构建基于边云协同的存储与计算架构,实现网络、存储、CPU等资源虚拟化与池化;④工业PaaS平台层,包括通用资源部署与管理、矿山大数据引擎、矿山机理与大数据建模分析、矿山数字孪生信息模型建模引擎和基于微服务框架及组件开发环境;⑤工业SaaS应用层,调用和封装工业PaaS平台上的开发工具、矿山机理模型、数据驱动模型等服务开发智慧矿山业务运行与矿山智能化应用APP。并探讨了基于智慧矿山工业互联网操作系统PaaS平台构建“智慧矿山大脑”赋能智慧矿山建设,主要有矿山资源勘察、数字化协同设计、矿井施工管理、综合自动化集成、智能开采、快速掘进、地测管理、故障诊断、智能物流、智能通风、精准感知、重大危险源辨识与控制等赋能应用场景,最后进行了总结和展望。

摘要：围岩自承载能力的利用对于井工巷道的支护起到关键作用。在加固拱理论基础上,结合轴变论得出的巷道围岩自组织平衡过程中巷道断面轴比的演变特征,提出等效断面支护原理。认为人工支护的目的是促使围岩内部形成具有一定轴比的“椭圆状”自承载结构,且将真实承受外部载荷作用的承载结构的剖面中心线构成的曲面称之为等效断面;借助弹性力学对巷道围岩进行建模,分析了巷道围岩内部形成的等效断面边界的受力响应特征,得到了巷道所在区域内水平主应力与垂直主应力的比值(λ)与巷道围岩内部形成的等效断面的轴比(k)之间理论关系的表达方程;分析认为,当等效断面(“椭圆状”承载结构)的轴比(k)与巷道所在地质区域内水平主应力与垂直应力的比值(λ)接近或者相等时,等效断面上的应力最小且均匀分布,可以使该等效断面内巷道围岩处于低位应力环境中;最后运用等效断面支护原理对山西某矿四采区胶轮车巷道支护设计进行有效性评价,且理论分析结果和现场具有良好的对应性。等效断面支护原理可以对现有的支护方法进行重新解构和分析,为巷道支护设计参数的选取提供半定量化的理论支撑:①在保证巷道功能性的基础上尽量将巷道断面的最大内切椭圆的轴比设计为巷道所在区域地应力场条件下椭圆的最佳轴比(k=λ);②高度重视锚杆(索)预紧力的施加等级,在巷道内断面端角部位补打锚杆(索)来维持顶板与两帮的应力扩散范围的联通,形成完整的应力椭圆;③围岩破碎条件下的巷道在掘进过程中要及时一次支护,后续进行注浆加固,然后再次对围岩施加预紧力;④巷道在应力较大且特殊地质条件下采取全断面支护,封闭式的全断面支护有利于促使巷道围岩内部形成完整的应力椭圆承载结构(等效断面)。

摘要：我国煤层透气性系数普遍较低,尤其进入深部开采后,煤层表现出高地应力、高瓦斯压力和低渗透性等特征,采用高压水力割缝降低煤层地应力,增加煤体透气性,提高煤层瓦斯抽采效率是技术发展方向之一。针对不同煤层地质条件,煤层采用水力割缝的相关技术参数设计主要依据经验判断,可能导致煤层水力割缝钻孔控制不均匀存在空白带或两相邻钻孔割穿而影响瓦斯抽采及煤层防突效果。研究以高压水射流破煤冲击效应分析为基础,针对高压水射流冲击特征,结合高压水射流分区结构,通过边界层理论得出高压水射流速度分布函数,获得了高压水射流割缝过程中平均射流速度衰减规律;应用应力波在煤体中传播特性建立波动方程,然后结合高压水射流随距离变化的衰减规律及最大伸长线应变准则,综合建立了高压水射流环形割缝深度理论模型。通过试制高压水射流作用力采集装置,以喷嘴直径、射流压力和射流距离为条件,测试了不同参数下高压水射流打击力的变化规律,在理论上验证高压水射流平均速度衰减规律。采用研究获得的高压水射流环形割缝深度理论模型,结合新集二矿试验区1煤层力学参数,理论计算了不同射流压力条件下煤层割缝破煤深度,现场实际割缝深度与理论模型预测结果对比误差小于7%。研究表明高压水射流环形割缝模型能较好地预测煤层割缝深度,可用于指导煤层高压水力割缝参数的设计。

摘要：矿用磁力偶合器具有效率高、传递可靠等优点,广泛应用于煤机装备传动领域。但偶合器关键部件耐热性能差,影响偶合器寿命,对其进行温度场研究十分必要。针对研究较少的区别于框架式磁力偶合器的矿用封闭式大功率磁力偶合器温度场散热系数计算难的问题,提出一种区别于传统转速代入经验公式计算散热系数的方法,即基于流固耦合速度场计算散热系数进而分析偶合器温度场的方法,并进行三维温度场数值模拟,得到偶合器温度场分布,可适用于不同偶合器散热表面。并以160 kW偶合器为例进行试验验证,深入分析了偶合器表面不同位置、不同输入扭矩下偶合器温度变化规律:随时间进行,温度呈先增加后稳定趋势,稳定时即达到热平衡状态;输入扭矩增大时,温升加快,稳定温度也相应升高;扭矩值每增加10N·m,最终稳定温度增加15℃左右。最终,通过数值模拟数据与试验数据对比分析,误差为2%～3%,验证了所提方法的正确性,对指导偶合器控制系统温度保护设计与散热结构优化具有重要意义。

摘要：小煤窑积水采空区威胁煤矿安全生产,为有效识别钻孔旁侧遗漏的积水采空区并确定其空间位置,采用地面发射阶跃磁场、钻孔中接收三分量感应场的观测方式进行地面-钻孔瞬变电磁探测。通过构建积水采空区地电模型,正演分析了异常的响应特征及异常场随异常体电阻率、规模和相对钻孔距离变化的规律。计算结果表明:异常场的3个分量均响应明显, X,Y分量过零点与Z分量极值点对应异常体深度;X,Y分量幅值相对较小,但为纯异常场,便于识别和提取;Z分量幅值相对较强,但异常场为背景场的千分之一,不易识别和提取;由于更接近异常体,地面-钻孔观测方式相比地面瞬变电磁采集到的Z 分量异常信号更强;异常响应强度随异常体电阻率降低、规模增大、距离减小而增强。基于等效电流环理论,设计了最小二乘约束反演算法,通过反演拟合异常场能获得异常体的中心坐标、倾角、尺寸等参数,实现异常体的空间定位。在陕西省榆林市某煤矿使用地面-钻孔瞬变电磁法开展积水采空区探测实验,采集的 X,Y 分量数据在目标层附近表现明显的异常响应特征,通过对1.0 ms和1.3 ms的异常场数据进行反演拟合,发现并推断钻孔北侧存在小煤窑积水采空区,反演结果得到后期钻孔验证,与实际揭露情况吻合。理论分析与现场实验证明:地面钻孔瞬变电磁法能有效探测到钻孔旁侧的积水采空区,实现“一孔多用”并突破“一孔之见”,为小煤窑积水采空区的精细探查提供了一种新的地球物理勘探手段。

摘要：为研究晋城无烟煤的煤体结构面剪切强度及相关参数,通过对取自寺河煤矿3号煤层的含结构面煤体试样进行不同法向应力下的直剪试验,并对结构面形貌进行三维摄影测量,得到了剪切强度的试验值及估算值。试验结果表明:在低法向应力水平下,煤体结构面的法向刚度取值为13. 0～39. 2 GPa/cm,剪切刚度取值为3. 1～26. 6 GPa/cm,中等法向应力水平下,煤体结构面的法向刚度取值为13. 8～62. 0 GPa/cm,剪切刚度取值为4. 3～18. 2 GPa/cm,煤体结构面黏聚力平均值0. 67 MPa,峰值摩擦角平均值37°,同时结构面法向刚度、剪切刚度、剪切强度都随法向应力增大而增大,实验结果可为数值模拟中参数的选取提供一定参考。对比估算剪切强度值与试验剪切强度值表明,运用JRC-JCS模型能较好的预测煤体结构面剪切强度。

摘要：提出了一种煤矿井下高精度浊度传感器设计方法,重点介绍了浊度传感器的软、硬件设计。传感器采用进口光电二极管和高精密运放等集成电路设计,通过MATLAB软件工具对测量曲线进行拟合,对测量数据修正补偿,大大提高了传感器的测量精度,减少测量误差;传感器采用低功耗设计,特别是OLED显示技术替代传统的数码管或LCD液晶;在数字接口通讯设计上采用了抗干扰设计,通过电磁兼容性试验测试,非常适合在煤矿井下电磁环境复杂的场合使用。

摘要：为解决深部软岩地层冻结井筒内壁设计厚度较大问题,运用煤矿立井井筒设计理论和锚杆支护理论,研究了冻结井筒内层井壁、外层井壁和围岩的联合承载受力机理,提出了一种新型井壁结构形式和内层、外层井壁厚度减薄方法,即在井壁围岩中打入短锚杆,锚杆端头浇筑在外壁内部,并将锚杆端头闭锁的钢丝绳连接在内壁钢筋上,通过不同结构联合承载的方式提高内壁和外壁的承载能力,进而减薄井壁厚度。以内蒙古红庆河煤矿副井-640~-660 m冻结段为研究对象,通过理论计算得出了采用新型井壁结构形式后的井壁厚度,其中新型内层井壁厚度较原井壁可减薄12.5%,外层井壁厚度可减薄20%;结合数值模拟手段,给出了新型井壁中的应力传递过程。数值计算表明:新型内层井壁内缘混凝土的压应力值为24.5 MPa,小于原内层井壁内缘混凝土压应力值,验证了新型井壁结构的安全性和可靠性;新型井壁结构中,锚杆和钢丝绳传递的外力主要由外壁的刚性变形承担,锚杆在软岩地层中提供的锚拉作用很小,工程应用时可以缩短锚杆的钻入长度,避免锚杆钻入过程中打穿偏斜的冻结管。这种新型井壁结构将外层井壁强度通过钢丝绳和锚杆连接纳入到了内层井壁的承载体系中,提高了内层井壁的承载力,减薄了井壁厚度。

摘要：为了解决软岩采场终采线附近大巷受工作面回采应力长时高压作用引起的巷道围岩结构大变形问题,以风水沟煤矿软岩地质条件为工程背景,从力源传递角度出发,提出了顶板深部围岩双主动超前深孔预裂爆破卸压原理,建立了爆破裂隙带构造应力场力学模型和终采线附近高位稳定岩层弹性基础连续板力学模型,对比分析了采场超前支承压力和爆破裂隙带构造应力分布特征,研究了顶板深部围岩双主动超前爆破卸压机制。研究得出:风水沟煤矿软岩采场超前支承压力动态演化规律具有动压影响区域广,峰值影响范围大,应力集中程度高的特点;终采线区域顶板深部围岩双主动超前爆破卸压后,爆破裂隙带构造应力场剧烈影响范围减小,应力集中程度降低,顶板下沉量和弯矩明显减小,工作面终采线预裂岩层及时垮落,冒落岩体的碎胀效应有效控制高位稳定岩层的变形以及破坏发展模式;煤柱区爆破裂隙带切断应力传递路径,采场应力环境得到明显优化。在工作面回采结束3个月后,现场监测的大巷围岩垂直应力增量在5%以下,巷道顶底板及两帮的移近量较小。研究结果表明,顶板双主动爆破卸压后形成的裂隙带阻挡了超前支承压力向前传递,降低了巷道围岩应力,减小了大巷变形。

摘要：针对煤矿数字化及BIM技术的应用现状,研发了基于开源三维引擎的Web3D可视化平台,以免插件、轻量化和跨平台的技术路线要求,对比主流基于WebGL的开源三维引擎框架,设计符合BIM模型可视化要求的矿用要素类数据描述结构管理信息模型。开发实现基于三维引擎的场景管理、模型可视化渲染和二三维界面融合功能,并基于现有相关BIM标准进行文件解析,将模型和属性信息的集成、转换和轻量化处理,利用Revit、AutoCAD、Civil3D、Bentley、NavisWorks等不同领域BIM设计和建模软件进行模型检验和集成,最后在Web3D可视化平台进行模型发布与可视化展示。提出了面对煤炭行业BIM技术应用亟待解决的问题、关键技术路线及组件,总结了跨煤矿设计、建设、运营不同阶段的BIM模型应用价值和应用场景。