主动式微波射频识别瓦斯传感器的设计与实现

为解决目前煤矿井下固定瓦斯传感器不能方便地随着采掘工作面的推进而跟踪前进和不易在窄小的巷道布置瓦斯监测点的问题,设计了一种基于无线射频技术的主动式微波射频识别瓦斯传感器。在模块化设计其硬件结构的基础上编制了简洁的控制软件,研究了井下巷道环境的无线通信特点,并据此确定了无线通信方式,给出了传感器与阅读器间的无线通信流程及其关键技术。该传感器具有监测实时性强、数据容量大、作用距离远、功耗低和移动灵活等优点。     

一种UHF频段RFID煤矿井下人员定位系统读写器天线的设计

针对煤矿井下巷道地质条件的特点,设计了一种基于射频识别技术煤矿井下人员定位系统的读写器天线。该天线由4个角刻蚀成V型裂缝的正方形微带帖片和1个带EBG结构的地板构成,工作于UHF频段,采用同轴底馈方式馈电。HFSS仿真结果表明,可以通过改变V形裂缝的尺寸和位置,使天线分别工作于左旋或右旋圆极化模式。在901～939 MHz频率范围内,样本天线实测的S11≤-10 dB,而轴比AR≤3 dB的频率范围也落在该阻抗带宽内(907～925MHz)。在最大辐射方向上,天线的增益为5.4 dBi,前后比达21 dB。天线结构简单,体积小,加工简便,满足UHF频段基于射频识别技术煤矿井下人员定位系统对读写器天线的一般要求。     

矿用人员监测用RFID系统的天线分析与设计

研究在矿用人员监测中所用的RFID系统的天线,根据短波段射频识别系统的应用场合引入了小环天线。对期望的远距离阅读器的小环天线进行了设计、调谐和优化。给出了天线的结构,并对天线线圈电感进行理论计算,最后通过现场实验确定了最好性能时的电容值,此时阅读器在煤矿下有1.5m的识别距离。     

一种基于射频识别技术煤矿安全追踪系统电子标签天线的设计

设计了一种基于射频识别技术煤矿安全追踪系统的电子标签天线。在尺寸为50mm×70mm的双面为FR4基片上刻蚀蝶形缝隙,采用4个等间距排列的短路过孔构成SILA结构,并在基片地板的下方放置硅胶层。将天线置于尺寸为400mm×400mm×20mm的仿人体材料上,用HFSS10对天线的性能进行了仿真研究,得出了天线输入阻抗随缝隙敏感尺寸变化规律曲线和天线主要参数。仿真结果表明,在880～930MHz频率范围内,天线相对于目标芯片的反射系数(S11)-10dB,满足RFID系统对标签天线的带宽要求。此外,天线的最大增益可达0.6dBi,在阅读器平均辐射功率EIRP=4W,射频芯片灵敏度Pchip=12μW的条件下,标签与阅读器的最大通信距离可达8.8m。     

基于RFID和ZigBee技术的矿井机车定位系统设计

针对煤矿井下运输的生产环境,设计了一种RFID技术和ZigBee技术相结合的煤矿井下机车精确定位系统。系统采用射频识别数字标签卡将井下地理位置数字化,再经过机车上携带的定位终端准确地获取机车位置信息,通过无线传感网络将数据传输至地面管理控制模块,通过解析将机车信息显示和存储。     

近距离煤层群下层煤回采巷道合理布置研究

近距离煤层下行开采时,下层煤回采巷道的位置至关重要。针对106煤矿7#煤回采巷道的布置问题,通过数值模拟和理论分析研究得出:当考虑11采区上山与7#煤回采巷道连接时,7#煤层11701工作面回采巷道应采用垂直布置;当考虑6#煤层采动影响时,11701工作面的回采巷道应采用内错布置,11701的运输平巷由11601运输平巷向内平移15 m,11703的回风平巷由11603回风平巷向内平移25 m。     

基于TOA技术和Kalman滤波相结合的井下人员定位系统设计

结合煤矿巷道特点,设计了基于TOA测距的井下人员定位算法,建立Kalman滤波模型消除随机误差;定位节点采用nano PAN5375无线射频模块作为核心器件,设计了人员定位系统中的测距系统,详细介绍了标识卡和读卡器的软件、硬件设计,并在煤矿巷道进行了性能测试。实验结果表明,该系统定位精度3 m,可实现井下人员实时跟踪定位。     

四台煤矿北翼轨道大巷贯通误差预计的编制

在煤矿开采中,井下巷道的贯通测量是矿山测量的一项重要工作。在煤矿建井及生产过程中,为加快矿井建设速度,提高巷道施工进度,常采用多头掘进的方法,在巷道设计位置贯通。贯通质量影响着巷道后期的使用,与煤矿接续及安全生产有着密切关联。当贯通后接合处的偏差超过限值,将严重影响巷道质量,甚至成为废巷,浪费人力物力资源,影响正常生产。     

基于RFID的煤矿井下人员跟踪定位系统

针对煤矿安全事故多,井下人员营救困难等特点,结合RFID(射频识别技术)设计了煤矿井下人员定位系统。该系统可对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位,可为工作人员提供矿井巷道网络、人员位置、危险区域等相应提示的动态信息。     

矩形巷道中对称振子天线辐射特性的研究

建立了分析煤矿井下巷道内对称振子天线的积分方程,计算分析了矩形巷道中对称振子天线的辐射场模式,给出了传输模式的归一化传输功率分布。计算结果表明：矩形巷道中含有对称振子天线时,电磁波是多模传输的,无论天线处于巷道的什么位置,TE模的总功率均占80%以上,且TE模的功率最大模式的指数变化不大。     

地应力异常区上山群巷道蠕变围岩控制技术

为了解决地应力异常区上山群巷道支护困难的问题,针对常村煤矿地应力特征,模拟分析了不同方向的最大水平主应力巷道围岩应力分布规律,并分析了上山群间煤柱宽度与掘进顺序对支护方式的影响,将全长锚固预应力强力锚杆锚索组合支护系统应用于该上山群巷道。试验结果表明：地应力异常区上山群间煤柱宽度大于30 m时掘进顺序对支护无影响,采用全长锚固预应力强力锚杆锚索组合支护系统后,巷道两帮移近量最大为87 mm,顶板最大下沉量为18 mm;锚杆最大受力为183 kN,锚索最大受力为250 kN,且巷道变形量及锚杆锚索受力稳定,围岩变形得到了有效控制。     

煤矿井下目标定位的研究现状与展望

本文总结了近年来提出的iBeacon井下定位技术、卡尔曼滤波UWB井下动态定位技术、WMSNs视频矿灯定位技术、TWR和SDS-TWR定位方法、异步测时煤矿井下人员定位技术、多传感器信息融合煤矿井下人员定位方法、GRPM煤矿井下人员定位技术、基于改进UWB算法的井下定位以及捷联惯性导航定位技术等井下目标定位技术与方法,并从受巷道及其支护和巷道中导体及障碍物影响大小、是否需要基站/移动终端和参考站之间时钟同步、是否需要参考站之间时钟同步、受基站/移动终端和参考站时钟频率偏移影响大小、基站/移动终端成本、参考站成本和定位精度等方面综合评定各种定位技术的优势和局限性。研发新型组合型井下精密定位系统,使得传输信号不受井下巷道环境影响、无需时钟同步、定位设备复杂度小、基站和参考站建设成本低、定位精度高、定位导航可视化,是实现井下实时位置服务、为井下目标管理提供精准控制以及煤矿智能化开采走向成熟阶段的重要环节。     

基于距离约束的井下目标定位方法

煤矿井下巷道为狭长的条状结构,信号衰减较大,地面已有的目标定位方法和技术难以直接应用于井下,现有的矿井目标定位主要采取基于时间和信号强度的测距方法,而这些方法并没有考虑到井下巷道的条状结构特点,定位误差较大,依据矿井巷道的条状结构特点,提出一种基于距离约束的井下目标定位方法。在巷道内每4个锚节点构成1个矩形区域,将固定的两锚节点之间的距离作为约束条件,结合垂直向量乘积为零的原理,矩形对角线的长度已知,通过基于RSSI的测距原理获得移动节点到矩形区域两对角线上锚节点的距离之比公式,进而通过合理的近似运算和向量乘法定理得到向量方程组,通过求解向量方程组可以得到移动节点的坐标,仿真实验表明该方法可以有效地降低定位误差。     

煤矿井下随钻测量电磁传输信道建模

煤矿井下随钻测量系统目前主要采用有线方式进行信号传输,但是存在通缆钻杆加工技术要求严格、使用成本高等缺点,研制适用于煤矿井下的电磁波随钻测量系统十分必要。与地面钻进中井下-地面电磁传输信道不同,煤矿井下电磁波随钻测量采用孔内-孔口电磁传输信道,电磁信号传输过程中衰减特性亟待研究。基于经典电磁理论,结合煤层及煤层围岩电性,运用等效传输线法,计算了孔口接收电极间信号电压,包括煤岩层导电性、发射信号频率、钻杆电阻率、钻杆长度对接收信号电压的影响。仿真结果表明,相同工作条件下,煤矿井下孔口电极接收电压小于地面电极接收电压,大于地面电极接收电压一半。     

煤岩强度原位快速测试技术与应用

为获取煤岩体真实单轴抗压强度,介绍了煤岩体抗压强度井下原位测试方法,并应用此法对枣泉煤矿东、西翼采区进行了煤岩体强度现场实测。结果表明:枣泉煤矿二煤平均单轴抗压强度17 MPa以上。顶板粉砂岩和细砂岩的抗压强度为42～55 MPa;砂质泥岩和泥岩抗压强度24～34MPa;炭质泥岩抗压强度较低,为11～15 MPa。基于井下煤岩体抗压强度实测数据应用于巷道支护设计,更符合井下实际情况,设计的合理性与可靠性显著提高,巷道支护状况得到明显改善。     

地表石灰岩矿山爆破对煤矿井下巷道稳定性及瓦斯涌出量的影响分析

针对地表石灰岩矿山爆破开采将威胁煤矿井下安全生产问题,分析了井下煤层"三带"发展规律、瓦斯涌出规律、地面石灰岩矿山爆破对南杨煤矿井下巷道稳定性和瓦斯涌出量的影响,对井下巷道顶板岩柱临界安全厚度的确定以及爆破震动速度与爆心距、最大段炸药量之间的关系进行了研究。结果表明:1小葛村石灰岩矿山开采爆破时,允许最大段炸药量不得超过190kg;南杨煤矿井下巷道顶板岩柱临界安全厚度不得小于42.2m。2小葛村石灰岩矿山采场爆破时,只要最大段炸药量和总炸药量不超过允许值,并且按照规划要求开采,就不会对南杨煤矿井下采掘工作面顶板稳定和瓦斯涌出等造成影响。     

深部厚煤层巷道失稳破裂演化过程离散元模拟研究

为研究深部厚煤层巷道围岩失稳破裂演化过程,以某煤矿厚煤层巷道为工程背景,采用离散元中随机分布三角形单元块体集合模型研究巷道开挖失稳。对深部厚煤层巷道围岩失稳破裂过程中位移、应力演化规律分析发现:两帮围岩水平应力释放相对于顶底板剧烈,竖向应力反之;围岩竖向应力释放的主要部位是巷道中部。结果表明,深部厚煤层巷道失稳破裂演化的2个主要特征为:1)顶板出现"尖顶型"垮冒,巷中是围岩失稳的关键部位;2)顶底板离层破坏严重。并对其相应机制进行分析:顶底煤岩松散破碎,自稳能力差,顶底板径向应力释放相对剧烈,巷道矩形断面顶、底板受力能力差等因素,导致围岩顶底板离层变形。基于深部厚煤层巷道失稳破裂的演化规律,给出锚索悬吊组合支护方式,结果表明该支护方式可有效地控制厚煤层巷道变形。     

花草滩煤矿轨道暗斜井变形破坏机理研究

随着煤矿开采深度的增加,U型钢被动支护难以缓解轨道暗斜井的变形。为解决轨道暗斜井巷帮移进和底鼓问题,采用数值模拟方法,分析了不同终采线位置时巷道的变形破坏规律,对煤柱宽度影响暗斜井围岩变形现象进行研究,总结出其内部应力分布规律。基于巷道塑性区演化规律,分析了暗斜井巷围岩的应力分布状态,发现巷道呈非对称性变形;此外,研究了相同应力分布特征、不同终采线时巷道变形的变化规律。研究结果表明,随着终采线距离增加,围岩最大变形量减小。     

矿井瞬变电磁探测技术在煤系地层探测中的研究与应用

 介绍了矿井瞬变电磁探测技术的基本原理,从瞬变场的结构出发,说明视电阻率计算公式与地面的区别。通过调整天线的法线与巷道迎头左侧、正前方和右侧的角度,布置11个测点,可以探测迎头前方的地质异常。让天线的法线方向与煤层工作面顶、底板分别成450,可以探测工作面顶、底板方向岩层的电性变化情况。对采集到的数据进行处理,绘制视电阻率等值线断面图,结合地质资料可以准确判定地质异常区域的位置和富水性强弱。探测结果表明,该方法在煤矿水文探测中效果较好,对解决煤矿水文地质问题是一种快捷、高效的勘查手段。