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    • 論文
    主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

    “地質透明化關鍵技術與示范”專題

    來源:煤炭科學技術

    專題來自于《煤炭科學技術》2022年第7期。共7篇研究成果。涉及地質透明化典型應用場景及關鍵技術、安全智能開采地質保障系統軟件開發、礦山巷道參數化三維建模技術、數字孿生驅動的掘進機器人決策系統等。

    行業視野

    智能化

    類別

    40個

    關鍵詞

    37位

    專家

    9篇

    論文

    864IP

    點擊量

    2801次

    下載量
    • 作者(Author): 程建遠, 王保利 , 范 濤 , 王云宏, 蔣必辭

      摘要:簡要回顧了煤礦地質透明化的提出背景,詮釋了煤礦地質透明化的技術內涵,辨析了地質透明化與可視化、透明地質與透明礦井等異同,重點闡述了煤礦地質透明化三大典型應用場景、實現路徑和關鍵技術,其中超前鉆孔地質透明化是利用開孔定向、鉆孔測量、巖屑錄井、鉆孔成像和鉆孔物探等技術與裝備,以鉆孔縱向鉆探控制、徑向物探掃描的方式,從而實現鉆孔“線狀”地質透明化;掘進巷道地質透明化是以長掘長探、隨掘隨探、反射槽波等關鍵技術為支撐,實現掘進巷道前方、側幫一定范圍的超前探測,達到巷道“束狀”地質透明化的目的;回采工作面地質透明化是以隨采地震、隨采電法、微震監測等核心技術為支撐,將靜態、動態、實時地質探測成果與采掘工程揭露信息相互融合,形成沿回采推進方向的采面“帶狀”地質透明化。隨著“超前鉆孔-掘進巷道-回采工作面”的遞進透明,煤礦采掘地質條件將分時段、分區段、分層級趨于地質透明化。分析認為:地質可視化只是地質透明化的圖形化顯示,地質可視化并非地質透明化;透明礦井是透明地質的產物,透明地質是地質透明化的結果;煤礦地質透明化是靜態與動態地質信息采集、地質信息與采掘工程信息互饋、三維地質模型構建、地質預測預報并與采掘工作面應用場景相互融合的時空動態實現過程。
    • 作者(Author): 王世斌, 侯恩科, 王雙明, 屈永利, 崔銘驛, 劉長來, 薛喜成, 左成芳, 宋 超, 王 寧

      摘要:隨著我國智能化煤礦建設工作的快速推進,開發煤炭安全智能開采地質保障系統軟件已成為當前的急需任務。以陜煤集團各煤礦地質條件為背景,采用MySQL8.0、VS2019、OpenGL等開發工具,開發了煤炭安全智能開采地質保障系統軟件。該系統由地質信息管理、二/三維一體化建模、開采地質條件評價預測、工作面精細地質建模、地質災害預警、地質大數據分析和導航7個子系統組成。地質信息管理子系統主要存儲和管理地質、測量、物探等信息,為三維地質建模、開采地質條件評價預測、地質災害預警、工作面精細地質建模和大數據分析提供基礎數據;二/三維一體化建模子系統可繪制各種二維圖件、構建三維地質模型,為煤礦地質工作者提供必需的圖件和可視化三維模型;開采地質條件評價預測子系統能進行地質構造復雜程度評價、頂板涌(突)水危險性評價預測、底板涌(突)水危險性評價預測、瓦斯災害危險性評價預測、沖擊地壓危險性評價預測、開采地質條件綜合評價和礦井地質類型劃分,為工作面布置、地質災害預警提供二維圖件和三維模型;工作面精細地質建模子系統能融合工作面巷道寫實、鉆探、物探等各種地質信息,構建工作面高精度三維地質模型并進行動態更新,為工作面智能回采提供規劃截割數據;地質災害預警子系統可依據開采地質條件評價預測結果、隱蔽致災因素普查結果和水文、瓦斯、沖擊地壓實時監測數據,進行水害、瓦斯災害和沖擊地壓災害的距離預警和實時預警,為工作面安全開采提供災害預警保障;大數據分析子系統可進行多源數據統計分析、機器學習和深度學習,為煤礦地質大數據利用提供分析方法;導航子系統可用于查詢地質保障系統建設成果。該軟件系統已在紅柳林煤礦得到應用,基本滿足了智能化礦井建設對地質保障軟件系統要求,支撐了煤炭安全智能高效開采。
    • 作者(Author): 李 梅, 康濟童, 劉 暉, 李兆陽, 劉 曦, 朱 青, 肖彬虎

      摘要:巷道三維BIM建模具有數據結構復雜、細節信息量大等特點,在幾何和語義上與GIS巷道三維模型相差很大,因此難以進行直接數據集成。為更好地利用GIS的空間分析功能和BIM的精細化建模功能,提出了基于BIM與GIS的礦山巷道參數化三維建模技術。首先設計了考慮BIM層次細節和GIS空間拓撲的巷道三維數據模型和數據結構,包括了結點、中間點、巷道弧段、巷道中線和三角網等多類型幾何數據,能夠管理巷道相關的地質素描、巷道設計、通風網絡、避災線路的各類專業參數;其次,提出了三維巷道網絡拓撲關系處理方法,通過GIS的空間拓撲編輯功能構建標準化巷道中線網絡數據集;最后,提出了參數化BIM巷道三維建模流程,即讀取巷道中線數據集及參數,構建基本巷道BIM模型,利用布爾運算技術處理巷道硐室、拐彎和交岔點等復雜情況,生成的BIM模型可以充分展現巷道形態、支護等細節,也保留了GIS巷道網絡拓撲關系,提高了數據的可集成性。采用布爾運算算法與常見的線框建模算法進行比對后,發現布爾方法在不同斷面類型的巷道交岔點處理效果更佳。研究成果已經在大海則煤礦透明地質保障系統中得到應用,支持udatasmith、obj、fbx等多類型標準化三維數據格式,生成的三維巷道模型能夠為煤礦避災路線生成、通風網絡解算、路徑導航、智能地質保障等提供可視化與網絡分析服務。
    • 作者(Author): 張旭輝, 呂欣媛, 王 甜, 黃本鑫, 鄭西利

      摘要:針對掘進設備遠程控制中存在的設備決策能力低,掘進效率不高,安全隱患大等問題,提出了一種數字孿生驅動的掘進機器人決策控制方法。通過分析對比當前數字孿生技術在煤礦領域的研究情況,設計了數字孿生驅動的掘進機器人決策控制系統體系框架,包含物理空間、虛擬空間、孿生數據、規劃層、控制層、執行層6個模塊,以實現虛擬樣機自主規劃決策,遠程控制物理樣機同步運動的目的。首先,結合虛擬現實技術研究了非結構化環境下的局部避障策略,建立掘進機器人運動控制模型與傳感觀測模型,利用激光雷達將巷道中的障礙物在虛擬環境中進行重建,采用Ray-Col方法進行機器人與障礙物之間的碰撞檢測,為機器人的路徑規劃決策奠定基礎;其次,結合深度強化學習技術研究了基于虛擬智能體的全局路徑規劃方法,提出了基于改進PPO算法的Muti-PPO算法,通過獎懲機制建立掘進機器人虛擬智能體,并在Unity3D平臺中進行訓練,訓練結果表明Muti-PPO算法相比于PPO算法、SAC算法,平均獎勵值分別提升了13.82%與11.31%;標準差分別下降了17.85%與16.81%;最高獎勵值分別提升0.14%與0.43%,其性能在3種算法中達到最優;最后,搭建決策控制平臺,將虛擬空間中產生的決策指令發送至物理樣機的末端執行器,通過物理樣機傳感器數據驅動虛擬樣機同步變化。根據系統的規劃決策、雙向映射與遠程控制功能,設計路徑規劃試驗與虛實同動試驗對其進行驗證。路徑規劃試驗結果表明,在3種不同復雜程度的工況下,虛擬智能體路徑規劃結果與目標點的誤差在1.2 cm以內,且能夠將控制信息傳輸至物理空間中,遠程控制機器人運動;虛實同動試驗結果表明,在掘進機器人運行過程中,虛擬樣機與物理樣機保持同步運動,兩者在巷道中的位姿均保持一致。該方法實現了“數據驅動、雙向映射、碰撞檢測、自主決策、人機協作”的無人化決策控制新模式,為掘進設備的智能化提供了新的思路。
    • 作者(Author): 許獻磊, 王一丹, 朱鵬橋, 馬 正

      摘要:煤巖層位的識別與追蹤是煤炭智能化開采的重要難題,常規的煤巖層位探測方法存在精度低、實時性差等問題,提出一種基于高頻空氣耦合雷達的煤巖層位識別與追蹤方法,相比于傳統方法,本方法可實現非接觸式探測,并且能實時進行層位的追蹤與識別。首先通過正演模擬分析了天線懸空耦合條件下高頻雷達波在“空氣-煤-巖”層位的回波反射特征,提出了“空氣-煤”和“煤-巖”層的定位方法;其次對不同煤層厚度條件下的界面探測精度和誤差進行分析,提出了“煤-巖”層精確定位方法,并建立了種子層位點的位置關系模型;針對雷達天線懸空高度受煤層起伏變化的影響,研究推導出煤巖層位動態探測過程中煤層厚度的解算算法;再次,根據 “煤-巖”層位種子點,提出以三級“窗口算子”為核心的煤巖層位追蹤算法,實現了煤巖層位的快速追蹤,提高了系統穩定性;最后開展了物理模型試驗和現場探測試驗,結果表明:物理模型探測中平均誤差為±0.12 cm,平均誤差百分比為2.18%,礦井工作面探測平均誤差值為±0.71 cm,平均誤差百分比為3.53%;基于1.2 GHz高頻空氣耦合雷達可在懸空條件下實時動態獲取到1 m范圍內煤巖層位信息,動態探測精度達到厘米級,研究成果為煤礦智能化開采以及透明地質模型的動態更新提供技術支撐。
    • 作者(Author): 李娟莉, 杜文勇, 謝嘉成, 王學文

      摘要:為解決在有限煤層地質數據條件下難以構建高精度煤層的難題,提出了一種基于多源煤層數據的煤層DEM(Digital Elevation Model,數字高程模型)構建與動態精細修正方法。首先,基于采區煤層變化特征,提出結合雙軌掃掠與加權融合的初始煤層DEM構建方法,通過該方法所構建的煤層DEM能夠反映煤層的變化趨勢,垂直方向上的模型節點RMSE(Root Mean Square Error,均方根誤差)與MAE(Mean Absolute Error,平均絕對誤差)分別達到0.25 m與0.2 m以下;其次,引入采區內離散分布的煤層地質數據,在原有模型基礎上計算煤層DEM中相應節點處高程誤差值,基于這些誤差值通過擬合的方法得到殘差曲面,并通過殘差曲面對DEM節點進行整體性偏移。通過該方法對煤層DEM進行修正后,模型RMSE與MAE降低至0.14 m與0.12 m水平;最后,引入工作面上連續煤層地質數據,在該工作面處產生新的模型分段面,對同一區域的DEM進行劃分,新劃分的區域中重新構建區域煤層DEM,覆蓋原有DEM,從而達到煤層DEM的動態精細修正。通過該方法對煤層DEM進行修正后,模型局部RMSE與MAE均達到0.12 m以下,模型精度水平能夠為無人工作面的實現提供可靠的地質信息保障基礎。

    主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司 中國煤炭學會學術期刊工作委員會

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