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2022年  第7卷  第2期

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煤矿数字孪生智采工作面系统构建
苗丙 , 葛世荣 , 郭一楠 , 周家忻 , 蒋二松
2022, 7(2): 143-153. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.001
摘要(1575) HTML (410) PDF(209)
摘要:
为实现煤矿井下采煤工作面的全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测和协同控制，本文构建了数字孪生智采工作面系统的整体框架。首先，将数字孪生智采工作面系统划分为3个层次，并给出各层次的功能及特征；其次，分别构建了数字孪生智采工作面系统中采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机、液压支架、乳化液泵站及工作面环境的数据感知模型，并深入剖析采煤机、液压支架、煤流运输系统及设备与环境之间的协同约束关系；最后，给出数字孪生智采工作面系统的整体应用体系结构。基于该数字孪生智采工作面系统，可以实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射与实时交互、数字孪生体的智能感知与协同控制，为提升采煤工作面智能化水平提供实现依据。
冻融循环下排土场散体物料力学特性及其稳定性分析
徐文彬 , 王家臣 , 栾茂旭
2022, 7(2): 154-165. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.002
摘要(604) HTML (252) PDF(35)
摘要:
为了解冻融循环引起的排土场散体物料剪切强度劣化规律，采用自主研发的大型直剪仪开展冻融循环作用下土石混合体的剪切试验，得到不同冻融循环次数下的排土场土石混合体剪切强度劣化曲线，并通过CT扫描分析不同冻融循环次数下土石混合体内部细观结构演化特征；最后，开展考虑冻融循环影响的排土场边坡稳定性分析。研究结果表明，在低法向压力下，散体物料的剪切应力-位移曲线主要呈现应变软化型，且在剪切过程中伴随剪胀行为；随着法向压力增大，曲线逐渐向应变硬化型转变，剪切过程中主要呈现剪切压缩行为；冻融循环次数增加，会使曲线应变硬化行为明显，逐渐弱化剪胀行为，内聚力和内摩擦角逐渐减小。当冻融循环次数达到15次时，内聚力和内摩擦角的减小量分别为18.45 % 和9.42 %；冻融循环导致散体物料内部细颗粒冻胀挤压碎裂，致使细颗粒和孔隙间发生错位与重组；冻融循环引起的散体物料孔隙变化主要集中在前5次；当冻融循环次数达到15次时，排土场安全系数减小率约为7.6 %。研究结果可为寒区排土场稳定性分析提供参考。
基于深度学习方法的矿山微震信号分类识别研究
赵洪宝 , 刘瑞 , 刘一洪 , 张一潇 , 顾涛
2022, 7(2): 166-174. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.003
摘要(702) HTML (595) PDF(121)
摘要:
为了精准识别矿山微震信号，本文提出了一种适用于识别矿山微震信号的VGG4-CNN深度学习网络模型，该模型采用Python语言进行编写，基于PyTorch深度学习网络架构框架进行搭建。根据矿山生产过程中的岩石破裂、爆破作业、背景噪声等9类事件的微震信号的时域特征，VGG4-CNN深度学习网络模型实现了对3 835组矿山微震信号数据进行监督学习训练和分类识别应用。研究结果表明：本文构建的VGG4-CNN神经网络识别精度高达94 %，在采用该模型时不需要对原有波形信号进行去噪且鲁棒性强于现存其他模型，可在中等层次GPU上实现，满足工程需要。
伪斜工作面梯形采场的基本顶初次破断特征
张守宝 , 李强 , 刘志高 , 皇甫龙 , 王超
2022, 7(2): 175-184. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.004
摘要(422) HTML (252) PDF(17)
摘要:
采煤工作面伪斜布置时，采空区基本顶呈非矩形状，此时采空区上方基本顶的破断位置及其破断规律与矩形顶板有所不同。为研究伪斜工作面基本顶初次破断特征，根据弹性薄板力学理论建立直角梯形基本顶的板结构初次破断力学模型，同时推导出直角梯形薄板的弯矩公式，分析顶板破断位置及其破断规律；依据有限差分原理分析基本顶的应力极值大小及位置特征，对理论推导结果进行验证。结果显示，四边固支直角梯形薄板内力分布规律与矩形薄板大体相似，但在四条边界上，主弯矩极值的位置与矩形薄板有所差异，后者都位于中心部位，而前者整体向逆时针方向一侧移动，基本顶的初次来压呈椭圆状倾斜“O-X”型。
煤中CH4渗透率估算方法研究
李文睿 , 赵耀耀 , 王登科 , 刘鹏
2022, 7(2): 185-192. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.005
摘要(535) HTML (120) PDF(24)
摘要:
煤体内部气体流通路径主要由裂隙和孔隙构成，是典型的双重气路结构。为便于量化不同尺度气路的气体传输视渗透率，一般采用单一气路的孔隙或裂隙气路结构来建立渗透率数学模型。随着微结构表征技术的发展，对煤体内部裂隙和孔隙结构的表征更加精确，基于单一气路建立的渗透率模型显然不够精确。因此，本文将微米级气路结构简化为裂隙和孔隙两种形态，运用高精度CT技术获取孔隙、裂隙结构在总气路中的体积占比，即孔隙率、裂隙率；将参数代入渗透率统计分布模型，进而求得孔-裂隙整体视渗透率；将基于单一气路结构的孔隙视渗透率、裂隙视渗透率和双重气路结构的总视渗透率计算结果进行比较分析。结果表明：裂隙视渗透率会高估实际视渗透率，孔隙视渗透率会低估实际视渗透率，孔-裂隙双重结构视渗透率处于二者之间。从单一气路结构与双重气路结构的视渗透率计算相对偏差均值来看，基于孔隙气路的视渗透率相对偏差均值都未超过50 %，更接近于实际双重气路结构的视渗透率。
混凝土抗拉与抗压强度尺寸效应统计模型
王志斌 , 杨立云 , 钱桂安 , 李芹涛 , 徐辉东
2022, 7(2): 193-199. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.006
摘要(452) HTML (138) PDF(45)
摘要:
为研究混凝土抗拉和抗压强度与试件尺寸的关系，利用Lei提出的广义最弱链公式，假设混凝土内部缺陷分布形式服从均匀分布或泊松分布，建立相应分布形式下的混凝土强度尺寸效应统计模型，实现了在给定失效概率情况下通过小尺寸混凝土试件强度对全尺寸构件强度的预测。3个案例中混凝土强度数据分析表明：在缺陷服从均匀分布假设下，尺寸效应统计模型能够很好地反映普通混凝土和RPC抗拉强度与尺寸的关系；RPC混凝土内部缺陷分布更接近于均匀分布，尺寸效应统计方法能描述抗压强度与尺寸的关系。
胶结充填采场顶板承载特性及煤柱稳定性分析
徐斌 , 李永亮 , 路彬 , 李进
2022, 7(2): 200-209. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.007
摘要(281) HTML (220) PDF(23)
摘要:
为研究连采连充式胶结充填采场顶板承载特性及煤柱稳定性，基于FLAC3D建立数值模型，分析了顶板交替承载特性，研究了顶板主次承载结构的转换规律，揭示了煤柱应力释放及变形规律。基于煤柱两侧约束条件的差异性，建立了煤柱应力分布的力学模型，得到了应力集中系数、临时支护强度、埋深等因素对煤柱极限承载宽度的影响规律。通过煤柱与充填体协同承载的数值模拟，揭示了充填体宽度对煤柱承载特性的影响规律。结果表明：采场顶板承载结构随工作面推进而变换，且在煤柱与充填体协同承载阶段，煤柱为主要承载结构，随煤柱的逐步采出，充填体逐步过渡为主要承载结构；煤柱应力平衡区宽度与临时支护强度呈反比，且与工作面埋深和应力集中系数呈正比，提高临时支护强度，能显著降低临空面破碎区范围，减小极限平衡宽度；增加充填体宽度可保障煤柱稳定。在昊源煤矿中，通过提高充填体强度与充填率，提高充填体对煤柱的约束效应，有效保障了煤柱稳定性，为类似条件下煤柱变形控制提供参考。
冲击荷载下运动裂纹与空孔相互作用的焦散线试验研究
骆浩浩 , 张渊通 , 左进京 , 李成孝 , 李炜煜
2022, 7(2): 210-216. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.008
摘要(275) HTML (126) PDF(21)
摘要:
为了研究含有圆形缺陷的半圆盘试件在不同冲击速度下的断裂特征，采用霍普金森杆加载系统和动态焦散线试验系统，对半圆盘试件进行了试验研究。结果表明：裂纹起裂前，焦散斑半径出现跳跃情况，是入射杆的反复加载造成的；随着冲击速度的增加，裂纹穿过圆形缺陷的应力强度因子峰值有所增加，裂纹穿过圆形缺陷的扩展速度也增加明显；随着圆形缺陷半径的增大，裂纹在圆形缺陷处发生二次起裂时的应力强度因子变大。
基于图论-AHP管廊灾害影响评价及减灾分析
张召冉 , 于天富 , 项方备 , 刘国庆 , 夏雨欣
2022, 7(2): 217-224. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.009
摘要(378) HTML (168) PDF(29)
摘要:
地下综合管廊内有多种市政管线，一旦发生事故将造成巨大的财产损失和社会影响。准确评估管廊运营阶段灾害影响值，定量分析灾害的影响范围和影响程度可以实现防灾减灾的目的。本文通过分析管廊内外部致灾因素演化过程和运营阶段的灾害演化路径，基于图论和AHP方法建立灾害评价模型；以通州A段管廊项目为背景，运用所建模型得到该段管廊各灾害影响值，确定出需要重点管理的灾害链。研究结果表明：通州A段管廊灾害影响值较大的因素为爆炸、地震、质量和设计问题，并针对致灾因子、孕灾环境、承灾体等方面的灾害链提出了断链减灾管理方案。研究成果可为管廊防灾减灾提供借鉴。
基于热路模型的矿用高压电缆内因火灾预警研究
王彦文 , 张旭然 , 高彦 , 王寅生
2022, 7(2): 225-232. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.010
摘要(339) HTML (202) PDF(12)
摘要:
线芯的异常温升是矿用电缆内因火灾的极早期特征，及时准确地获取电缆线芯温度是电缆内因火灾预警技术的关键。本文提出了一种通过电缆外护套表面温度推算线芯温度的热路模型算法。该算法依据电缆外护套表面温度、电流、结构参数对电缆线芯导体的温度进行推算。其中，稳态热路模型算法用于电缆正常工作且电流稳定时的温度计算，暂态热路模型算法用于电缆故障时的温度计算。通过矿用电缆内因火灾实验，分析了模型的计算误差，验证了模型算法可行性。结果表明，热路模型算法的计算值与实验值吻合度较高，相对误差小于10 %，可作为矿用电缆内因火灾预警的判据。
煤炭输运装备用ZTAp-Fe材料腐蚀机理研究
范磊 , 范兴帅 , 张先丞 , 胡纯 , 任清海
2022, 7(2): 233-239. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.011
摘要(269) HTML (118) PDF(14)
摘要:
井下环境差，由传统钢铁材料制造的井下煤炭输运装备的使用寿命较低。本文通过电化学试验、扫描电镜观察、能谱分析等方法，探究了粉末冶金法制备增强铁基复合材料(ZTAp-Fe)的耐腐蚀性能、微观组织结构以及元素分布之间的规律，揭示了ZTAp-Fe材料的耐腐蚀机理。结果表明，ZTAp-Fe材料中ZTAp与铁基体结合状态良好，界面为非冶金结合。铁基合金中引入20 % ZTAp，腐蚀速率由0.909 28 mm/a降至0.365 14 mm/a，电荷转移电阻(Rct)由775.6 Ω·cm2提高到1 025.3 Ω·cm2。ZTAp的耐蚀性优于铁基体，界面处形成腐蚀产物有效抑制腐蚀介质对ZTAp和铁基体的进一步腐蚀。ZTAp增强铁基复合材料能够有效地提高煤炭输运装备的使用寿命。
二水石膏对非晶态C12A7早期水化性能的影响及其相关机理
唐官保 , 王栋民
2022, 7(2): 240-246. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.012
摘要(376) HTML (136) PDF(25)
摘要:
为推动非晶态C12A7在早强快凝工程材料中的高效应用，洞悉二水石膏对非晶态C12A7的影响作用机理，本文采用X射线衍射、微量热分析、扫描电子显微镜等测试手段研究了二水石膏对非晶态C12A7早期水化性能的影响。结果表明，适量二水石膏会延缓非晶态C12A7的水化进程，即随着二水石膏掺量增大，非晶态C12A7达到第一个水化放热峰的时间延迟，第二个放热峰值降低，放热峰持续时间延长；水化24 h时，二水石膏掺量为50 % 的试样水化放热总量最大，水化活性最高。在本实验的二水石膏掺量范围内，所有试样的水化产物均以钙矾石AFt和氢氧化铝AH3为主，二水石膏掺量和水化龄期可改变钙矾石的生成量和形貌特性，进而影响浆体的抗压强度。在相同水化龄期内，随着二水石膏掺量的增加，试样的抗压强度均呈先增后降趋势；本实验中最佳二水石膏掺量为50 %，其在水化龄期24 h、72 h和168 h时的抗压强度均为最高。
苯酚和喹啉降解菌Alcaligenes faecalis的降解特性及固定化应用
赵乾程 , 苏凯文 , 邱子梁 , 王庆宇 , 于彩虹
2022, 7(2): 247-256. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.013
摘要(365) HTML (159) PDF(20)
摘要:
苯酚和喹啉单基质降解菌在实际应用中局限性较大，筛选共基质条件下具有生物降解活性的菌株更具有实际价值。从焦化厂废水处理系统的污泥中经过驯化、分离，筛选出一株能同时降解苯酚和喹啉的菌株KD1，根据形态特征、生理生化和16S rDNA序列等分析，鉴定其为粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)。降解条件优化表明，菌株KD1有较好的酸碱度适用性，在接菌量为10 %、初始pH值为7.0、温度35 ℃、振荡器转速150 r/min时，对苯酚和喹啉的降解效率最高；氮源能影响菌株KD1对苯酚的降解，而共基质下菌株KD1能协同降解苯酚和喹啉。菌株KD1能完全降解700 mg/L的苯酚和400 mg/L的喹啉，降解过程均呈零级反应特征，其在不同浓度的苯酚和喹啉中的生长符合Haldane底物抑制模型，抑制浓度分别为293 mg/L和229 mg/L。固定化研究表明，通过包埋和吸附制备的新型固定化载体能提高菌株KD1对苯酚和喹啉共基质的降解效率。
基于层级链参考模型的智慧矿山建设问题分析
谭章禄 , 吴琦
2022, 7(2): 257-266. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.02.014
摘要(493) HTML (225) PDF(31)
摘要:
煤矿信息化进程在历经数字矿山和感知矿山两个阶段的建设后，当前正朝着以透彻感知、深度互联和智能应用为主要特征的智慧矿山迈进。本文立足于“工业4.0”的国际发展背景，按照“中国制造2025”的方针政策，借鉴德、美、日的工业化参考模型，结合煤炭行业自身特点，从顶层设计的角度提出了符合我国国情的智慧矿山建设参考模型。模型分别从活动层、组织级和价值链三个维度阐明了智慧矿山建设所涉及的基本要素及其关系。基于参考模型对智慧矿山存在的问题与现状进行了分析，并指出了未来建设中应该重点攻克的方向。

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