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基于物联网的智慧矿山控制系统设计与应用研究

2025-05-25 31 上传者：管理员

摘要：近年来，智慧城市的概念方兴未艾。而煤矿作为城市发展的重要组成部分，应具有智慧化或智能化的特征。随着第四次工业革命自动化、物联网、大数据、人工智能、云计算等技术的应用，综采工作面生产无人化成为煤矿智能化发展的目标。为此，对物联网智能开采中的地面控制进行了研究，提出了基于物联网的地面控制架构和地面控制方法，针对锚杆锚固质量NDT(Non Destractive Testing，无损检测)评价，建立了1个持续动态的地面控制平台，分析了智能化设备原理以及在现场实验中的应用，评估了NDT与地面控制物联网结合的未来发展趋势。

关键词：
无损检测
智慧城市
智能开采
物联网
设备选型
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近年来,随着城市化进程的加快,智慧城市成为热点话题,对于缓解资源浪费､环境污染等问题具有重要意义｡在智能环境领域,煤炭在电力生产中起着至关重要的作用,煤炭生产是智慧城市建设的延伸研究[1]｡受第四次工业革命“智能制造”的启发,中国工程院(CAE)推出了一系列政策鼓励科学家发展智能采矿,以提高采矿生产率､准确性和安全性,同时降低成本｡刘佩情等[2]总结了在地下深部情况下自动化提取､分离和充填的理论和技术｡魏文艳[3]提出了特厚煤层智能化综放开采理论与框架｡

为了对无人化和安全采矿的未来发展提出新的见解,对物联网智能采矿中的地面控制进行了回顾和讨论,提出了基于物联网智慧矿山控制系统的地面控制架构,讨论了当前研究的局限性和物联网地面控制的未来趋势,还提出了一种地面稳定性评估与控制的在轨动态平台｡研究成果将为面向地面控制的物联网智能挖掘提供前景和应用潜力｡

1、研究区概况

1.1地质条件

山西煤炭运销集团保安煤业有限公司位于阳泉市郊区旧街乡,行政区划隶属阳泉市和寿阳县,批采煤层为3~15号煤层,设计生产规模1.50×106t/a,井田面积14.3236km2,开采深度为+219.93~+459.93m标高,区域主要含煤地层为太原组和山西组;其中太原组一般含可采煤层4层,分别为8､9､12､15号煤层;山西组一般含可采煤层2层,分别为3､6号煤层｡

1.2综采工作面智能开采装备配套设施

保安煤业有限公司智能化综采工作面采用MG300/700-WD型双滚筒采煤机､SGZ764/500型刮板输送机､SZZ730/160型桥式输送机,GL2000/37.5/25型智能高压反冲洗过滤站｡智能化综采工作面共选用支架146架,其中ZF5000/17/28型电液控制液压支架140架为主支架,ZF6500/18/30型电液端头支架6架｡

智能化综采工作面设备配套应考虑设备的可靠性｡1)满足智能化综采工作面产能要求;2)要保证各种设备的选型合理,保证煤流系统的可靠性和稳定性,保证工作面的快速推进;3)工作面和运输巷的设备可实现协调集中控制｡

2、基于物联网智慧矿山控制系统的地面控制架构

地面控制应具有高精度､实时监测和决策的特点,与物联网的优势相契合｡智能挖掘在传感器节点实时数据采集､人工智能建模等方面已有大量研究｡提出了基于物联网的地面控制体系架构,包括感知层､通信层､服务层和交互层｡

1)感知层依赖于安装在地下设施､介质､机器(如围岩体､锚杆､液压机等)中的不同标签或传感器,该图层用于采集巷道伸缩仪变形､应力计应力变化､锚杆支护状况､液压支护状况等数据,这些数据集对于后3个层次是必不可少的｡

2)通信层的职责是在每个相互联接的事物之间传递信息,该层的技术由无线和有线2种模式组成｡由于安全传输､高效率和抗毁性,WSN(WirelessSensorNetworks,无线传感网络)､ZigBee､Wi-Fi和蓝牙等无线网络正在逐步取代有线模式(例如光纤和电缆)｡

3)服务层依赖于中间件技术,其提供的功能可以无缝集成物联网中的服务和应用｡该层承担信息交换与存储､数据抽取与管理､搜索引擎､关联事物间的通信等功能,所有传感器节点的大数据分别由云计算平台中的人工智能建模计算得到｡

4)交互层旨在提高互联事物之间的交互效率,在该层中,将建立1个智能的地面控制系统,以实现精确的实时监控｡

3、基于物联网的锚杆支护质量检测

物联网智能采矿中的地面控制框架被分为4个层次,提出了1种结合物联网的锚杆支护质量持续无损检测装置,以反映地面稳定性｡锚杆被广泛用于煤矿井下巷道围岩松动的加固,实时监测锚杆状态可以对地面控制进行反馈,锚杆支护质量无损检测能够对围岩稳定性进行反馈,具有精度高､实时监测等优点｡设备几何参数为长200mm,宽100mm,深50mm,总质量450g｡该装置便于携带,可以随时检测轴力､锚固长度､腐蚀情况以及锚具中的缺陷或空洞部位,并且操作便捷,只需2个工人即可｡

锚固长度和轴力的识别过程中,原始数据是通过在锚杆近端激振或用锤头冲击与锚杆相连的套管获得的｡当原始数据在无损设备中采集时,采用小波变换和频谱分析进行数据提取,并对有用数据进行分析后,通过小波变换对原始振动数据进行分解,得到锚固长度｡对轴向力进行频谱分析,得到振动频率,再通过快速傅里叶变换转换为轴向载荷｡

通过对锚杆轴力变化的统计,并在计算机上建立软件平台,可以对整个巷道的锚固质量进行评价｡可建立1个软件来评估整个巷道的锚杆锚固质量,一个锚杆的锚固质量可以通过锚杆的锚固长度与轴力的关系曲线来衡量｡

通过对全岩锚杆锚固质量的统计,可以对巷道支护质量进行评价｡在此进行了轴向载荷随采动影响范围变化的现场实验(见图1),测试了开口截断前约100m处锚杆的轴向载荷变化｡对68根锚杆进行了轴向载荷试验,通过对这些轴向载荷的统计,可以确定采动影响范围｡

如图2所示,通过对轴向载荷的统计,可以确定采动影响范围｡轴向载荷随推进距离的变化情况说明了采动影响范围为38.4m,超前工作面轴向载荷波动较大,最低值为35kN,最高值为66kN,变化幅度达到45%,这表明轴向载荷是不稳定的｡在20m(除隐蔽性故障外)以外的区域,轴向载荷相对稳定｡轴向载荷的差值最大仅为3kN,最大振幅为7%,平均振幅约为3%,因此,采动影响范围约为20m｡锚杆轴向载荷无损检测反映采动影响范围的优点是操作简单､精度高､数据量大,与传统的应力测量方法相比具有明显的优势｡

4、结束语

随着第四次工业革命的发展,煤矿开采必须与物联网､大数据､云计算､人工智能等技术融合,实现无人化开采｡“智能开采”在煤炭生产中的应用取得了较好的进展,但并未涉及安全问题,重点介绍了物联网智能挖掘的地面控制｡

提出了物联网地面控制体系架构,包括感知层､通信层､服务层和交互层,感知层要求传感器节点具有可靠性､高精度和高效率｡先进的生物和化学芯片传感器在某种程度上具有克服上述反馈的潜力,煤矿井下WSN技术具有实现高精度､高可靠性传输的潜力｡此外,为了消除信息孤岛,还需要制定相应的标准通信协议｡服务层的原则是信息的交换与存储､数据的提取与管理､检索对象以及物与物之间的通信｡因此,机械､数学和数值建模与AI建模的出现可以有力地实现这一目标｡煤矿开采中的交互层应该形成一个多重可视化的预警平台,在这个平台中,安全隐患可以被预测和管理｡

介绍了一种结合NDT和物联网的在轨动态地面控制平台,NDT设备是感知层的传感器节点｡通信层应采用WSN技术,需要研究锚杆支护质量的大量信息与地面控制问题之间的联系｡锚杆支护质量､围岩稳定性评价应在地面服务中心的PC屏上实现可视化,进而对围岩控制作出决策｡

图1轴向载荷随采动影响范围变化现场实验

图2锚杆轴力变化反映的采动扰动区的可能性

参考文献:

[1]陈俊国.煤矿综采工作面自动化智能化开采技术研究[J].西部探矿工程,2023,35(8):125-127.

[2]刘佩情,刘建功,赵家巍,等.固体充填开采沿空留巷机械化挡矸装备与工艺研究[J].煤炭技术,2024,43(1):225-228.

[3]魏文艳.综采工作面智能化开采技术发展现状及展望[J].煤炭科学技术,2022,50(S2):244-253.

文章来源:陈华龙.基于物联网的智慧矿山控制系统设计与应用研究[J].能源与节能,2025,(05):281-283.