摘要：针对煤矿智能化建设对同时定位与建图(SLAM)技术的需求,以及现有SLAM技术在煤矿井下使用中因环境特征退化导致应用受限的问题,提出了一种适于煤矿井下的多传感器融合SLAM算法。算法由视觉里程计系统和激光SLAM系统2部分组成;视觉里程计系统由近红外相机与惯导传感器构成;激光SLAM系统基于特征点法激光SLAM框架,利用视觉里程计信息代替IMU预积分,并针对煤矿巷道结构改进激光点云特征分类方法,优化雷达帧间扫描匹配;在视觉里程计系统中设计异常处理机制,避免因点云特征退化造成IMU误差累计,导致定位建图失败。在煤矿模拟巷道中算法测试结果表明:算法能够在巷道环境中可靠运行,并且算法稳定性和鲁棒性相较现有SLAM算法有明显提升。

摘要：针对目前煤矿巷道掘进工作面智能化应用水平较低导致掘进效率低下、采掘接替紧张的问题,分析了制约巷道掘进工作面实现智能化的关键技术-快速掘进煤炭地质保障技术、智能超前自主感知技术、智能掘进大数据云计算及控制软件技术。论述了煤矿快速掘进理论及技术基础,以煤矿高分辨率三维地震勘探技术、矿井地质透明化技术为支撑,巷道围岩应力及其控制理论为基础,快速掘进设备为保障,形成实现煤矿智能高效掘进的探测、掘进、支护协同作业的基础支撑理论。重点阐述了煤矿巷道掘进工作面的智能超前自主感知技术,包括高分辨地质雷达探测技术、基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿感知技术、基于同步定位与建图(SLAM)原理的掘进工作面环境感知技术、掘进设备运行状态感知技术。形成实现智能化掘进工作面的“掘进机位姿感知、工作面环境感知、设备状态感知”的空间一体化感知体系。在分析煤矿综掘工作面实现智能化快掘自主感知和调控技术的基础上,提出按照“以智能化超前感知为基础,以多源数据计算为中心,以安全智能快速掘进为目标”的原则进行设计和构建煤矿智能快速掘进技术体系。开发基于F5G通讯的多源数据和多源图像传输、存储技术,确保了数据传输的高效、可靠和稳定。依托大数据分析和云计算平台,开发具有CPU、存储和网络资源聚合计算基础架构VMware vSphere的软件-智能化掘进-SmartX,系统架构划分为数据源层、智能化超前感知数据采集层、多源数据和图像的传输存储层、大数据云平台数据分析层、决策应用层,包括超前地质探测精准感知、掘进设备位姿感知和掘进工作面环境感知等8个主要功能模块。形成智能化掘进工作面Hadoop&Spark一体化大数据云计算分析处理平台,智能化掘进-SmartX系统。分析煤矿巷道智能化掘进面临的挑战和未来发展,提出继续研制高质量感知设备与多源数据、图像深度融合技术,提高智能掘进设备上使用的感知设备种类、精度和智能性等,提升多源数据、图像在深度融合方面的精度和准确度。加大研发基于F5G通讯技术的掘进工艺智能化技术,智能化掘进设备在工作过程中,确保各项参数判定和指令动作在提前设定的状态下快速可靠准确完成。提出进一步提升巷道智能化掘进辅助生产环节的智能化水平,以减少现场作业人员数量,减轻作业人员劳动强度,实现掘进工作面智能化水平整体提升。

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：瞬变电磁一维反演方法对初始模型依赖大,对异常体边界反映不清晰,计算速度也难以达到实时化水平.为此,本文开展基于深度学习的瞬变电磁实时反演方法研究,提出在非观测时间段进行反演训练,而在观测时间段进行实时精细成像的瞬变电磁长短时记忆网络反演策略.以正演模拟获得的海量采样时间-视电阻率为输入数据,基于长短时记忆网络构造Seq2seq编码器-解码器模型,并针对瞬变电磁反演的问题特性,对decoder的结构进行适应性更改,同时加入Bahdanau Attention机制突出重点信息作用,获得深度-电阻率输出数据.将该反演网络应用于随机生成的数万组以上三层和五层地电模型,测试组三大衡量指标标准差均小于10%,验证了本文算法的可靠性,在此基础上,构建了接近实际的两组含局部异常体模型,将该反演网络进一步用于三维数值模拟数据,取得了对异常体边界反映清晰的成像结果,且计算速度均小于1 s.

摘要：面向非结构化任务环境下球形机器人的实用性提升需求,研制BYQ-GS型质心径向可变球形机器人样机,使球形机器人同时具备重摆驱动模式与倒立摆驱动模式,且2种驱动模式下均能实现质心的径向变化。考虑质心径向变化因素,同时将运动过程中受到的可控影响因素融入动力学模型构建过程,得出面向非结构化任务环境的动力学模型。以BYQ-GS型球形机器人样机为实验平台,分析倒立摆驱动模式与质心径向移动对球形机器人运动产生的影响。结果表明,与重摆驱动相比,倒立摆驱动在超调量、系统响应速度与能耗方面具有优势,在系统收敛速度与运动稳定性方面具有劣势,并且运动开始阶段质心-球心距离逐渐减小能够使2种驱动模式的控制系统收敛速度、超调量、稳定性与响应速度均变差,同时使能耗变优。

摘要：震源垂直定位位置是煤矿冲击地压机理研究的重要基础数据,对冲击地压灾害的监测与防治研究具有重要意义。对于近水平煤层工作面,由于各微震台站之间高差较小,导致在进行震源定位计算时,震源参数的偏微分矩阵接近奇异,迭代计算无法收敛到准确解。对台站合理高差和无高差两种情况下的煤矿微震台网进行仿真模拟,结果表明当台网内台站处于同一水平面时,震源垂直位置的定位误差较大。为了解决这个难题,笔者在井下微震监测台站的基础上,增加了地面微震监测台站,形成井上下联合监测台网,有效优化了微震监测台网的空间结构,尤其是台站在垂直方向上的分布效果。对红庆河的微震数据进行分析可知对于2次方的微震事件,井上下联合监测系统的监测效能可达90%,3次方及以上的微震事件可达100%。通过对比10组井下断顶爆破引发的微震事件数据,发现井下微震监测系统定位结果基本位于煤层上方30 m的封孔范围内,井上下微震联合监测系统定位结果基本位于煤层上方30~60 m的爆破孔装药长度范围内;与单纯利用井下监测台站的定位结果相比,井上下微震联合监测系统的定位结果普遍距离真实震源更近,表明地面监测台站的加入有效提高了震源的垂直定位精度,解决了近水平煤层微震事件垂直定位误差较大的问题。

摘要：矿用锚杆钻机广泛用于井下顶板和侧帮的打孔和支护,极大地缓解了掘锚失调的问题。为此以机械臂为研究对象,对含有不确定性区间参数的机械臂运动学进行了误差分析。由于传统微分法对机械臂运动学误差分析存在很大的局限性,故将Chebyshev扩张函数算法应用在求解含不确定性区间参数的机械臂运动学中。具体方法是采用了扫描法(SAS)、张量积(CTP)、与配点法(CCM)3种代理模型对含有不确定性参数的机械臂运动学正解矩阵进行响应区间的包络研究,3种代理模型在CPU时间消耗上均有所减少。其中配点法(CCM)的优势较为突出,与原始计算方法相比时间消耗减少了97.65%。同时也将理论值和3种区间代理模型计算出的上、下边界响应值进行了对比。结果表明配点法(CCM)、扫描法(SAS)计算出的边界值与理论值更加接近,产生较小范围的误差。最后在样机上对所提算法进行验证,紧密的包裹效果验证了本文提出算法的精度和有效性。其中扫描法(SAS)和配点法(CCM)这两种代理模型在上下边界值的求解中拥有较小的保守估计,张量积法(CTP)代理模型则在局部求解中获得较好的估计。对含有不确定性参数的响应区间研究,成为了预测机械臂空间轨迹跟踪和定位的新方法,确保机械臂的预测误差值最小。同时也为实现机械臂的最优结构的设计和高速、高精度的控制,提供一定的理论指导。

摘要：常规地表沉陷预计是对工作面回采结束、地表沉陷稳定后最终的静态移动变形预计;当涉及建(构)筑物下保护性开采与地面建(构)筑物加固及动态纠偏治理时,需要掌握该地质采矿条件下的地表动态移动变形规律,同时能够解决区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。首先对常见Knothe,Logistic,Weibull、分段Knothe、幂函数-Knothe与双曲线等时间函数的曲线形态、各时间段的地表动态下沉、下沉速度与下沉加速度进行了优缺点和适用性分析;其次基于东坡煤矿地表移动变形实测数据,针对特厚煤层综放开采条件下地表移动变形的特殊性,引入Bertalanffy时间函数,并基于此函数改进Bertalanffy三参时间函数;分析了各参数对改进Bertalanffy三参时间函数的影响规律,研究了各参数的物理意义以及与地质采矿条件的内在联系规律;最后将该函数用于平朔井工一矿特厚煤层综放开采条件下的地表动态下沉预计,并进行了拟合优度分析和现场应用效果检验。结果表明:基于改进Bertalanffy三参时间函数的各参数物理意义与地质采矿条件具有内在联系;该地表动态沉陷预计模型可塑性强、有着较好地预测精度和应用广度,能够较好地应用于煤矿地表动态变形的预计工作中;提出基于改进Bertalanffy三参时间函数结合影响函数法,该方法可有效地解决特厚煤层区域性限厚开采,如特厚煤层只采不放、煤层厚度赋存不稳定等区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。

摘要：如何实现深部冲击地压煤层智能安全高效开采是煤炭开采面临的一项重大工程技术难题。该问题的核心内涵在于冲击地压煤层开采的智能化、无人化和本质安全化,通过煤岩冲击风险的智能精准感知与预警,以及采掘工程的自适应与自优化,形成智能防冲控采技术,实现由工程致灾向工程防灾、工程减灾的根本转变。通过开采源头设计、顶板区域压裂、局部靶向治理、强化巷道支护等措施为冲击地压煤层安全高效开采创造低应力环境和巷道安全空间。在此基础上,开发融合静态地质、动态监测、工况环境、人员定位、生产组织、历史数据等信息的大数据分析软件平台,以及融合冲击地压决策信息的智能化开采控制系统,将防冲信息源转化为智能开采控制源,形成了“低压快推,中压慢采,高压停产”的柔性智能推采新模式。通过现场应用表明,在智能防冲控采区,工作面及巷道矿压显现程度更小,煤岩能量释放更稳定,有利于冲击产能的合理释放。

摘要：工作面周边存在较大断层时,一般采用留设断层保护煤柱法,使覆岩移动不直接影响到断层。为分析受正断层影响的地表移动变形规律,通过工作面开采前后地表裂缝与房屋墙体裂缝损坏的现场调查,发现位于常规沉陷影响边界之外至断层露头范围内仍有平行于断层走向的地表裂缝及墙体裂缝性损害;应用FLAC??模拟研究了正断层影响下的上盘煤层开采时地表沉陷特征及断层带应力变化特征。结果表明:受开采扰动影响的断层带附近原始构造应力得到释放并产生一定变形,反映至地表为非对称性的偏态下沉;建筑物下伏岩层有较大断层时,应在边界角法或沉陷预计法留设地面建筑保护煤柱的基础上,考虑留设合理宽度的断层安全煤柱;同时提出断层带周边的应力变化可作为断层受开采沉陷影响与否的判定依据。