王坡煤业透明工作面数字孪生系统应用研究

针对智能化建设对新技术的迫切需求,在分析数字孪生技术的起源、概念及其在煤炭行业应用现状的基础上,阐述了数字孪生系统架构和关键技术,设计了透明化综放工作面数字孪生系统的功能架构,基于Unity3D开发了王坡煤业透明化工作面数字孪生系统。工程实践结果表明,基于实际采掘数据驱动实现综放工作面与虚拟综放工作面之间同步映射的思路在技术上是可行的,能为智能化、透明化矿井建设提供参考。     

基于数字孪生的智能化工作面三维监测技术研究

针对智能化工作面设备运行数据监控、视频监控存在的不足,结合智能化工作面成套设备状态实时监控需求,提出了一种基于数字孪生技术的多元信息驱动智能化工作面三维可视化监控方法。分析了当前煤矿工作面设备监控、视频监测以及三维可视化等存在的问题,系统阐述了将数字孪生技术应用于智能化生产过程监控的可行性、设计思路、技术路线与关键技术。对工作面煤机设备传感器配套、数字孪生三维监测系统架构、设备精准建模、工作面数字孪生体搭建、模型数据驱动算法、实时数据采集、运行数据管理分析、人机交互界面设计等进行了详细介绍。基于鄂尔多斯中煤某矿大采高智能化工作面,开发了一套工作面数字孪生三维监测系统,内嵌了三维展示、数据监控与开采工艺仿真功能模块,集成了设备传感器数据、生产运行控制数据、历史数据、人员定位数据以及相关的派生数据等,实现对工作面成套设备的实时三维动态监测、数据和模型三维融合展示、设备异常状态诊断预警、工况和生产数据分析管理以及自动化开采工艺虚拟仿真等。实践应用证明,该系统能够直观再现和精准描述设备状态,对工作面设备运行数据和生产数据提供系统性管理,提高了监测的效果。     

数字孪生智采工作面技术架构研究

为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用5G通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息3个部分组成。介绍了DTSMW系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等10项关键技术。新的DTSMW系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。针对DTSMW系统数据的高度依赖性,首次将智采...     

智能综采工作面刮板输送机直线度监测方法研究

综采工作面刮板输送机的直线度误差受刮板输送机的轨迹检测误差和液压支架的推移误差的影响,给刮板输送机的状态监测带来了新的挑战。综采工作面刮板输送机直线度实时监测与控制及其获取精确、可靠的位置状态信息对煤矿智能化开采至关重要。为实现综采工作面刮板输送机自动化、智能化、无人化调直并有效地监测刮板输送机的状态,提出了一种基于卡尔曼滤波的刮板输送机位置状态估计方法,结合综采工作面采煤工艺,利用刮板输送机检测轨迹建立刮板输送机调直方法模型,针对传统方法无法实时反映刮板输送机运动状态的难题,以数字孪生技术作为物理世界与数字世界的桥梁,实时精准地反映刮板输送机的位置状态信息,研究综采工作面“三机”的工作特点,利用卡尔曼滤波算法实现对综采工作面刮板输送机直线度的有效监测,并通过改变检测误差与推移误差的正态分布来检验该方法的准确性。试验结果表明,所提出的监测方法能够有效地减小检测误差和推移误差对综采工作面刮板输送机直线度的影响,且在检测误差与推移误差较大时依旧能发挥出色的效果,监测精准率均能提高30%以上,能使综采工作面刮板输送机的直线度误差稳定在一定的范围内,提高刮板输送机直线度的监测精度。     

基于数字孪生的智能掘进工作面三维场景再现技术研究

目前井下掘进设备作业一般采取视距遥控或远程视频监控方式,巷道断面成形质量取决于人工操作经验或视频数据传输质量。针对该问题,结合智能掘进系统实时监控和真实场景再现需求,研究了基于数字孪生的智能掘进工作面三维场景再现技术,完成了数字孪生系统架构设计、传感器数据采集处理、数字孪生模型创建、模型驱动算法开发、显示界面设计。根据神东某矿掘锚一体机工作面的工况条件,开发了一套三维场景再现系统,内嵌数字孪生体、数据监控与驱动仿真模块,集成设备传感器、动作指令等数据,实现对掘进系统的物理设备状态实时监测、数字三维模型同步展示、数据分析管理以及智能掘进工艺仿真。实践证明,该系统能够实时同步精准映射设备状态、巷道空间信息,实现场景真实再现。与视频远程控制的方式相比,改善了操作体验和准确度,有效提升了掘进智能化水平,保障了巷道掘进效率和施工质量。     

AR/VR融合驱动的综采工作面智能监控关键技术研究与试验

为突破综采工作面数据驱动实时监控技术瓶颈,进一步满足对综采工作面协同运行状态的深度感知,以虚拟现实(Virtual Reality,VR)监控技术及成果为基础,以HoloLens2增强现实(Augmented Reality,AR)头显为主要开发设备,结合工业互联网、云技术、数字孪生(Digital Twin,DT)等...     

数字孪生驱动的掘进工作面出风口风流智能调控系统

为满足掘进工作面通风系统智能化的发展需求,针对传统局部通风系统无法实时监测及智能调控风筒出风口风流状态而导致风速场分配不合理,死角区瓦斯积聚严重和粉尘污染等安全隐患问题,提出一种基于数字孪生技术的掘进工作面出风口风流智能调控系统,优化风流场分布。分析建立了系统实现的整体框架、运行流程及关键技术,利用Zigbee自组网功能进行巷道风速、瓦斯体积分数及粉尘质量浓度等实时数据的监测采集,通过ARIMA时间序列预测模型对下一时刻瓦斯体积分数及粉尘质量浓度进行智能预测分析,并引入小生境四段式编码遗传算法提取相应出风口风流智能调控规则,结合GPRS无线传输技术实现出风口风流状态的智能调控,在此基础上,运用Unity3D构建系统虚拟模型并实现了物理实体与虚拟孪生体的映射交互。通过设计搭建的数字孪生系统实验测试平台,验证了系统实时监测、决策评价、智能调控、虚实融合等关键功能技术可行性,并结合具体案例对系统智能调控效果进行了对比分析,结果表明:调控后司机位置处风速明显上升,上隅角瓦斯体积分数由0.623%降低为0.306%,降低率达50.8%;司机位置粉尘质量浓度由1 180 mg/m³     

基于信息和态势感知技术智能综采工作面研究

对煤矿综采工作面的技术发展阶段进行了深入研究,对综采工作面的发展4个阶段的关键技术特征进行了分析,对基于信息技术和态势感知技术的智能化综采工作面的系统构成与应用进行了深入研究,并研究了智能综采工作面新技术、新工艺的应用。对煤矿智能化开采趋势和发展具有一定的研究价值和应用推广价值。     

基于TGIS煤矿回采工作面开采接替可视化管理系统研究与开发

工作面的开采接替是一个动态的过程,研究如何充分地表现这种动态的现象,是十分有意义的,可视化技术为实现工作面开采接替动态过程管理和表现提供了技术基础。借助时态地理信息系统技术思想,实现煤矿井下回采工作面的开采进度及工作面采掘接替情况的可视化表现和管理,较之以往的图表表现形式,具有很强的直观性。文中提出了将时态地理信息系统计的思想,应用于煤矿工作面开采接替可视化管理,并在拓展现有静态地理信息系统数据库结构的基础上,开发了煤矿回采工作面开采接替可视化管理系统,对矿山数据的时空管理及其可视化做了有益的探索。     

综采工作面智能喷雾除尘控制系统

综采工作面智能喷雾除尘系统采用国内首创的采煤机跟踪定位技术,实现采煤与移架作业的智能化除尘,对采煤或移架作业时产生的大范围高浓度粉尘实现了多道阻隔和高效除尘。     

综采工作面智能喷雾泵站电气控制系统设计

为解决孟家窑煤业综采工作面防尘治理面临的控制系统独立、降尘效果差、故障频繁等问题,采用一套智能化、自动化喷雾泵站,分别设计了喷雾泵站电控系统的主回路、保护电路和控制电路。运行效果测试表明,电控系统电路设计合理、可行,为保障孟家窑煤业粉尘治理技术奠定了扎实的基础。     

组合智能开关在综采工作面的应用

针对大型用电设备采用HT6L-400/1140型组合智能开关来解决综采工作面的原配置真空磁力启动器存在的问题。介绍了组合智能开关的功能特点、PLC、电气工作原理、抗干扰功能,结合矿井综采面的具体工况,证实了组合智能开关利于综采面高产高效、安全生产等特性。     

基于三维通风数字孪生系统的通风系统优化研究

采用通风参数精确测量技术、三维建模技术、GinVent三维通风数字孪生技术及大数据分析技术,建立起宏坤矿区三维通风数字孪生系统。通过所建立的数字孪生系统,综合多维度变量,进行了通风系统现状定量分析、改造方案分析、柴油车尾气扩散路径分析、新掘回风竖井方案参数优化定量分析等工作;结合矿区实际生产情况,提出多种可行的优化方案。优化方案实现矿区+110 m以下深部区域有效风量翻倍提升,工作面深部污风排出时间大幅缩短。研究形成了一套以金属矿井通风系统全要素精确三维建模为基础、通风系统定量数值模拟分析为手段、三维通风数字孪生系统建设为媒介的全新金属矿井通风管理模式,为宏坤矿区深部开采、井下环境治理和矿山智能化建设提供技术储备。     

综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用

"十三五"期间,我国煤矿开采开始进入了智能化模式,但处于智能开采的初级阶段。首先,对国内外智能开采技术进展进行了分析,重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次,按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术,建立了智能感知技术体系,攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术,解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题;以物联网推动了围岩透明感知技术,基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量,具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力,高精度三维动态地质模型的动态修正技术;将机器人技术引入到综采工作面感知体系中,通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知;通过对传统VR的建模技术升级,建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术,建立了智能控制技术体系,研究了远程监督型控制技术和自主控制技术,利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别,实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制,开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;通过对5G通信系统的协议改进,实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用,进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题:深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。     

煤矿数字孪生智采工作面系统构建

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。     

综采工作面智能开采技术研究及工程应用

综采智能化工作面开采作为煤矿开采中较为常用的方法,可保证所开采煤矿质量免受破坏,所以综采工作面智能开采技术应用较为广泛.在社会主义现代化新时期,随着市场经济快速发展,如果沿袭使用老旧煤矿开采技术将会制约煤矿开采效率.因此,应对综采工作面智能开采技术及实际应用进行深入探索,为煤矿企业发展奠定坚实基础.     

综采工作面瓦斯抽采技术研究

瓦斯抽采是对综采工作面瓦斯浓度进行控制的有效措施和手段.对综采工作面基本情况进行了简要介绍,分析了煤层瓦斯的基本参数.从预抽采时间、钻孔直径和深度、孔间距、抽采负压等主要方面对瓦斯抽采技术方案进行了详细设计.基于COMSOL软件对瓦斯抽采技术方案进行模拟仿真分析,验证了技术方案的可行性.将方案应用到煤矿开采工程实践中,...     

黄陵一号煤矿薄煤层综采工作面智能化控制系统的研究

黄陵一号煤矿针对1001工作面地质条件差、煤层分布不均、较薄且时有夹矸的情况下,采用了自动集成控制系统,取得了很好的经济效益和社会效益。综采工作面设备智能化是煤矿机械装备发展的必然趋势。综采工作面智能化不仅有效地降低了工人的劳动强度,改善了作业环境,提高了生产效率,减少了资源浪费,而且也是实现矿井安全高效的有效途径。     

综采工作面智能监控系统研究

针对综采工作面工作环境恶劣、事故频发等问题,在考虑现场环境及作业设备的基础上,研究应用于综采工作面的智能监控系统。该系统运用软冗余控制技术,在线监测系统故障,极大地提高了作业现场通信的可靠性,对于实现智能化、无人化采煤具有一定的参考意义。     

综采工作面支架——围岩保障系统智能软件设计及应用

介绍了综采工作面支架－－围岩保障系统智能软件的组成，功能及特点，应用表明，该智能软件实用性强，促进了综采面的高产高效。