智能采矿概论第七章 掘进工作面智能控制基础理论与技术

本章重点1、掘进工作面破岩基础理论2、掘进工作面智能开采关键技术3、掘进工作面智能控制关键技术第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.1掘进工作面破岩基础理论机械破岩理论机械破岩是一种借助刀具的作用，通过机械驱动将岩石破碎的技术，在功率充足的情况下实现破碎岩石的目的。根据刀具的类型、刀具的分布和刀具的作用方式的差别，设备分为多种类型，表7-1中列出了常用的各种机具破岩方法。破岩方法岩石情况切割速度m3/h破岩能力m3/h输入功率kW单位能耗kW·h/m3滚刀切割坚固2.32.315065金刚石岩芯钻进坚固/破碎5.40.24150625刮刀钻头切割破碎4.00.1430210冲击破碎破碎9.59.5242.5表7-1机具破岩方法对比表第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.1掘进工作面破岩基础理论机械破岩方法切削破碎冲击破碎碾压破碎岩石情况对于破岩方法和机械设备的选择有很大的影响，因此应该根据实际情况确定破岩设备的选用。目前大多矿山的生产过程都引入了破岩机械，从而有效地实现了上述目标。根据破岩机械的破碎岩石机理及其工作方式，将其分为三种：第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术切削破岩切削破岩是凭借刀具刃角对岩体产生作用，从而使得岩石表面分离破碎的一种机械破岩方式。金刚石钻头、刮刀钻头、人造金刚石钻头、麻花钻头和采煤机、掘进机截割部等均属于切削破岩的机械设备，其中使用钻头的机械通过钻头的旋转实现其对岩石的切削，而采煤机和掘进机切削破碎岩石的工具是带有刃口的刮刀。根据刀具在破岩时的运动轨迹分类，切削破碎可分为钻、刨、截、挖等。目前应用较多的冲击破岩设备有矿用凿岩机、潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机、碎石机等。冲击破岩是通过工具的髙速度运动对岩石产生冲击，通过能量转化实现岩石的破碎。根据其破碎岩石的实质可以分为如下几类：①凿碎，如凿岩机凿岩钎头冲击式凿岩；②劈落，如风镐落煤侵入岩体，分离大块出来；③砸碎，如破碎头冲击大块矿岩进行二次破碎；④射击，如吊绳冲击式凿岩。冲击破岩第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术冲击切削破岩冲击切削破岩是联合冲击和剪切作用对岩石进行破碎，主要设备有牙轮钻机钻井和全断面井巷钻机掘进，主要破岩刀具包括各种滑移型牙轮钻头和钻掘进机刀头。目前，全断面掘进机、竖井及天井钻机己广泛应用于井巷掘进；基于冲击切削破岩机理的硬岩连续采矿机也获得了巨大发展。公司装备名称装备特征适应工况美国Robbins矿业公司连续采矿机安装大直径的刀盘，通过刀盘上滚刀径向运动进行切割破岩瑞典公司AtlasCopco公司采矿机旋转刀盘一次只切割工作面的一部分德国Wirth公司连续采矿机四把沉割式盘形滚刀，分别装在四个可径向回转的切割臂上美国矿业学院高强度抗压岩石的掘进机该机在直径的转筒端头上安装直径的小型盘形滚刀进行切割有轨底盘与主巷道成90°夹角的情况可进行作业基于冲击切削破岩机理的典型矿山设备第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.1掘进工作面破岩基础理论机械破岩机理不同的岩石破碎方法其破坏机理也不完全相同，针对岩石的切削破岩，自上世纪50年代以来，国内外学者建立了不同的破碎机理模型，大破碎块体在不同刀具作用下形成的断裂面形状是不同的，通过对差异进行的一系列分析和推导得出模型，经典模型包括三种：剪切模型拉伸破裂模型拉-剪断裂模型冲击和碾压的破岩过程在刀齿和岩石的相互作用过程中增加了应力波的作用，本书主要针对机械切削破碎机理进行描述；第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术剪切模型格赖（GrayKE）理论指出，切削钻头所产生的作用力本质上是作用于弹性半空间，并呈线载荷分布，与最大主应力存在一定交角的对数螺旋线作为其剪应力轨迹。当剪应力大于岩石的极限抗剪强度以后，首先沿着近似于对数螺旋线的路径产生裂纹并不断发展，然后逐步向上弯曲，直至自由表面，如图7-1所示。格赖认为，最大正压力与扭转力随着钻进深度的增加和前角的减小而急剧增大，同时刀尖磨钝或刃角加大时也符合上述规律。图7-1格赖的剪碎机理模型第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术剪切模型西松裕一（NishimatsuY）在莫尔-库伦准则基础之上，建立了剪切破碎模型，如图所示。他认为岩石的切削破碎是脆性破坏，因此在进行岩石的切削钻进时，不会有塑性变形的出现。因此，在出现宏观断裂或块体崩裂以前，岩体各区域的受力情况一定是不均匀的，岩石中也不会像金属切削过程中那样出现塑性区。用两维平面的理论来分析切削岩石的力学问题，由切削破碎产生的剪应力其轨迹是与最大主应力呈一定交角的直线。如果剪应力超过岩石的极限抗剪强度，将沿着近似于直线的路径产生断裂裂纹并不断发展直至自由表面。此外，克塞健（KasajanJN）也建立了相关的岩石剪碎破岩机理的模型。图7-2西松裕一机理模型第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术拉伸模型19世纪60年代，伊万斯（Evans）根据刨煤机原理建立了脆性拉伸破岩机理模型，见下图7-3所示。根据伊万斯理论，在刨刀的作用下，沿着刀尖r至自由表面上b的某点构成的圆弧形轨迹产生拉伸裂纹并不断扩展，剪应力与刨刀楔面之间的夹角等于（π/2-θ）（θ为刨刀与煤炭之间的磨擦角），产生的总拉应力垂直于圆弧轨迹，并通过圆弧的圆心点。通过修正，伊万斯将其模型扩大应用于钝刃楔形刨刀破煤，使该模型可以适用于中硬岩石。图7-3伊万斯拉伸断裂模型第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术拉伸模型费尔哈斯特（FairhurstC）等人认为：断裂是沿着直线发展的，并且与切削钻头正压力和扭转力的合力方向成X角，如图7-4所示。此外，铃木光和WhittakerBN等人也建立了类似的拉碎机理模型。图7-4费尔哈斯特破岩机理模型第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术拉剪联合模型别隆应用高速摄影法获取了煤炭的切削破碎过程的录像，认为：在切削破岩的过程中，随着刃与煤之间接触压应力的增加，同时考虑到煤炭多孔性与裂隙性的影响，煤炭首先被挤压成非常细小的颗粒，然后被压实成压实体，其中会有一部分的压实体随着切削过程的进行，沿刃面流出，当切削力逐渐增加到一定程度时，在压实体边缘就会出现大体积剪碎的现象，别隆的模型如下图7-5所示。图7-5简化的别隆切削机理模型第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术拉剪联合模型根据布拉辛的理论，切削断裂分为以下过程：①刀具的冲击力作用在岩石上，使得在岩石的冲击区外会产生微小的裂纹；②当载荷逐渐增大，微裂纹会慢慢扩展形成大裂纹；③在裂纹达到某一个临界长度后，扩展速度突然加快直至形成自由面，并最终导致切屑分离（如下图7-6所示）。图7-6布拉辛的切削机理模型第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术冲击破岩理论研究冲击破岩是指采用冲击载荷进行岩石破碎，冲击载荷与静载荷破碎岩石的机理原则上是一样的，由于岩石本身的岩性不同其破碎过程也不一样，但他们产生的裂纹类型基本一样。大量实验证明，静载荷和冲击载荷使岩石破碎的损伤形态相似，但静载荷岩石破坏产生的裂纹顶角明显比冲击载荷大，动载荷使岩石破碎产生的径向裂纹比静载荷的大约长40%，冲击载荷使岩石破碎时的塑性区的深度与宽度之比为0.8，而在静载荷作用下该值为0.5且塑性区呈半球形，静载产生的开裂范围与冲击载荷相比之下也会偏小。冲击和碾压破碎岩石的过程均是动态冲击过程其破岩机理可用应力波相关理论进行解释，此处以冲击式凿岩为例进行说明，当凿岩机的活塞撞击钎尾，钎杆内部产生应力并以应力波的形式传递到钎头，而该应力波一部分发生反射另一部分传递到岩石，当传递到岩石和反射回来的应力波之和大于岩石的极限破坏强度时，岩石便发生破坏。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.1掘进工作面破岩基础理论岩石爆破理论岩石爆破理论是用来说明爆破时的破岩机理,并指导岩石爆破工程进行合理设计和施工的理论。爆破理论是随着炸药、起爆器材的发明和应用、爆破量测技术的进步以及相邻学科发展而发展的。主要爆破理论包括:爆炸气体膨胀压理论冲击波拉伸破坏理论冲击波和爆炸气体综合作用理论第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术爆炸气体膨胀压理论村田勉等人认为药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些爆炸气体产物迅速膨胀并以极高的压力作用于药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，作用于岩壁上的压力引起岩石质点的径向位移，由于作用力的不等引起径向位移的不等，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的抗剪强度时，岩石就会产生剪切破坏。当爆轰气体的压力足够大时，爆轰气体将推动破碎岩块作径向抛掷运动。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术冲击波拉伸破坏理论该学说以爆炸动力学为基础，认为应力波是引起岩石破碎的主要原因。这种学说忽视了爆轰气体的破坏作用，其基本观点如下：轰波冲击和压缩着药包周围的岩壁，在岩壁中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。此应力波在周围岩体内形成裂隙的同时向前传播，当应力波传到自由面时，产生反射拉应力波。如图7-7所示。1-压应力波波头；2-反射拉应力波波头图7-7拉伸波破坏过程示意图第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术冲击波和爆炸气体综合作用理论这种学说认为，岩石的破坏是应力波和爆轰气体共同作用的结果，为大多数研究者所接受。其基本观点如下：爆轰波波阵面的压力和传播速度大大高于爆轰气体产物的压力和传播速度。①爆轰波首先作用于药包周围的岩壁上，在岩石中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。冲击波在药包附近的岩石中产生“压碎”现象，应力波在压碎区域之外产生径向裂隙。②随后，爆轰气体产物继续压缩被冲击波压碎的岩石，爆轰气体“楔入”在应力波作用下产生的裂隙中，使之继续向前延伸和进一步张开。③当爆轰气体的压力足够大时，爆轰气体将推动破碎岩块作径向抛掷运动。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术爆破破岩的模式爆破破岩分为以下五种破岩：①炮孔周围岩石的压碎作用；②径向裂隙作用；③卸载引起的岩石内部环状裂隙作用；④反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸;⑤爆炸气体扩展应变波所产生的裂隙。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.2掘进工作面智能开采关键技术本书针对掘进工作面智能开采关键技术，从五个方面进行介绍：掘进工作面智能开采工艺及控制系统掘进工作面智能开采实现技术设备故障诊断技术智能信息传输技术设备状态智能感知及预警技术第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.2掘进工作面智能开采关键技术综掘工作面智能化开采技术是以煤壁为输入对象，原煤和支护成型巷道为输出对象，且探测控制、生产控制和视频控制在综掘工作面电液控制系统的协同作用下完成的智能化开采方式。综掘工作面信号来源复杂，可测量、不可测量、可控制和不可控制信号交叉存在。综掘工作面探测工序有岩层移动、超前地质勘探、水源探测、瓦斯抽采等；生产工序有割煤、支护、运输等;视频工序有供电、通风、排水、顶板监测和瓦斯监测等。掘进工作面智能化开采工序，如图7-8所示。智能化开采工艺图7-8掘进工作面智能开采工艺第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.2掘进工作面智能开采关键技术根据综掘工作面智能化开采工序可将综掘工作面智能化开采控制分为三大系统，分别为：围岩探测系统生产控制系统视频监控系统综掘工作面智能化开采控制系统，如图7-9所示。智能化控制系统图7-9掘进工作面智能开采控制系统第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.2掘进工作面智能开采关键技术根据掘进工作面智能化开采工序和控制系统分析可知，从系统控制的角度研究巷道掘进的智能化集成，其掘进工作面智能开采实现技术包括五个部分：智能开采实现技术大断面巷道变形智能控制技术掘进机智能化技术锚杆支护智能化技术运输系统智能化技术视频监控智能化技术第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.2大断面巷道变形智能控制技术背景：随着综采工作面自动化、智能化及无人化程度的提高和重型设备的应用、工作面产量的增加以及瓦斯涌出量的增大，对回采巷道提出加大巷道断面的要求。现状：大断面巷道与目前一般断面的巷道变形破坏规律一致的是，巷道开挖后，如果未采取及时、有效的支护，巷道的破坏区与塑性区会越来越大。但破坏区与塑性区的扩展有一个时间过程，若及时对巷道施加高预紧力锚杆支护，增加煤岩体的峰值强度和残余强度，可使巷道处于稳定状态。所以，及时采用高预紧力锚杆及锚索支护是目前控制大断面煤巷围岩变形的一种有效支护技术。智能化：但综掘智能化工作面对大断面巷道变形要求具有智能感知和智能控制的功能，因此需要对大断面巷道围岩稳定机理及变形特征做进一步研究，以达到智能控制、适应及预测围岩变形的目的。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术掘进机智能化技术掘进机是综掘智能化工作面的核心装备，对实现综掘工作面智能化开采起到关键作用。重点研究方向：掘进机姿态定位控制煤岩智能识别断面智能成型控制前沿研究热点：光纤陀螺的惯性导航激光制导机器视觉测量利用实时检测掘进机在推进过程中的定位技术，可以揭示掘进机与巷道开掘前后的空间耦合关系，并能进一步构建掘进机推进过程中的自主导航体系，是目前掘进机智能化技术的前沿研究热点。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术锚杆支护智能化技术锚杆支护是综掘智能化工作面的常用支护方式。锚杆支护智能化技术实现的关键：钻孔智能化铺网智能化安装智能化目前，钻孔和安装智能化在采用掘锚一体化钻机等方式后，取得了长足的进步，但铺网智能化发展较为缓慢，缺乏成套的解决方案，可在锚杆支护全工序内进行优化创新，找到智能化铺网的解决途径。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术运输系统智能化技术运输系统智能化关键：原煤运输智能化材料运输和补给智能化原煤运输智能化目前具有可行的解决方案，材料运输和补给的智能化受综掘工作面空间、材料的自动搬运等限制很难取得突破，可采用矿用机器人或智能装备代替人工装卸材料的方式，最终实现运输系统的智能化发展。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术视频监控智能化技术视频监控智能化技术是实现综掘工作面可视远程干预型智能化无人开采的关键技术。由于综掘工作面存在粉尘极大、视频晃动等问题，可视远程视频不易分辨、看清。视频监控智能化技术的可行研究方向：（1）建立综掘工作面成像轮廓与掘进机转速、电流、机头温度等工况参数的非线性规律关系；（2）探索基于热成像技术的综掘工作面高清成像研究。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.2掘进工作面智能开采关键技术设备故障诊断技术随着科学技术的不断发展，掘进工作面设备机械化程度也在不断提高。然而，随之带来的是设备故障种类也在不断增多。因此，这就要求设备故障诊断技术水平也应该相应进行提高。本书从两个方面介绍：

主观诊断技术仪器诊断技术数学模型诊断技术智能诊断技术设备故障诊断检测技术的基本原理设备故障诊断技术分类：第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备故障诊断检测技术的基本原理矿山机电设备诊断技术的基本原理有以下几点：（1）数学模型的建立。对矿山机电设备进行数字模型的建立，在一些关键的部位，安装一些数据传感设备，在机电设备运行的情况下，能够对设备中每一个部件的参数进行收集，而在现实的数据中，某一部位出现故障的时候，数据就会显示出异常，就能够很好的找到出现故障的位置。（2）分析数据。在对机电设备故障进行诊断的时候，一般都是将收集到的数据进行综合性的分析，这就需要将收集到的数据及时的进行录入，对出现故障的类型进行判断。（3）完成数据模型的建立。利用计算机，将数据进行模型的建立，相关的工作人员利用专业知识对其进行分析，找到出现故障的位置并对其进行诊断。（4）通过进行以上的步骤的操作，对其进行信息转化，成为浅显易懂的信息，对其进行处理方案的制定。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术主观诊断技术主观诊断技术，是指相关的技术人员根据自己的工作经验来进行诊断，以此来判断矿山机电设备出现故障的原因以及类型。概述：这种主观的诊断技术，工作人员要对矿山机电设备的专业技术有很高的要求。在对矿山机电设备故障进行诊断的时候，相关的技术人员要利用自己本身的视觉、听觉等能力，对出现故障的原因进行判断。如果矿山机电设备出现的故障，技术人员不能够根据直观的观察能判断出的时候，工作人员可以根据一些其他的机械设备来作为辅助工具，进行判断。但是不能够把这些辅助的工作当作判断的主要工具，只能够进行一些收集数据等的作用，最主要的还是工作人员自身进行的主观判断。评价：主观诊断技术的应用性非常的广泛，在大部分的矿山机电设备的故障诊断中都能够使用，但是过于依赖工作人员的主观意识和判断能力，容易受到工作人员的情绪、态度以及自身的经验等方面的限制，所以对判断的结果有着一定的影响。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术仪器诊断技术仪器诊断技术就是通过一定的检测某种数据的仪器和设备，对矿山机电设备中的参数进行检查，将检测出来的数据和原本正常运行的数据进行分析和比较，来判断矿山机电设备的故障，及时进行相关措施的制定。例如电流互感器和高频率检查器等。因为仪器诊断技术能够很好的检测出相关的数据，在结果方面有很好的准确程度，所以在矿山机电设备故障诊断中应用得非常广。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术数学模型诊断技术数学模型诊断技术，是根据数学的统计方法和统计概率的方法，来对其进行分析，与动态检测技术以及传感器技术等进行结合而出现的诊断技术。概述：数学模型诊断技术在当前的矿山机电设备故障诊断中是应用的最广泛的。数学模型诊断技术在使用的时候比较方便快捷，并且能够准确的检测出数据。除此之外，数学模型诊断技术还能够对矿山机电设备进行实时的监控，对于机电设备的智能化发展有着非常重要的作用，在一定程度上能够减少工作人员的数量，提高工作效率。评价：在应用数学模型的诊断技术的时候，值得注意的是在建立模型的时候，一定要按照所在矿山的实际情况来进行，这样才能够得到正确的数据。如果和实际情况不符合的话，就会影响到诊断的结果，出现判断失误的情况。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术智能诊断技术智能诊断技术是随着科学技术的发展而不断发展的，综合了传感器技术以及人脑模拟等技术，完成了对设备故障进行智能检测和分析的过程，进而得到有效的诊断结果，根据得到的数据来进行相应的处理。诊断技术难点及重点：建立一个设备故障特征的数据库建立数据库，能够让机电设备的诊断工作变得更加方便和快捷，当出现故障的时候，只需将故障的特征数据与数据库中的数据进行比对，如果在某一项数据中出现差异，那么就能够找到故障的原因了。目前，智能诊断技术还不是很成熟，随着科技的发展，在未来还会有很大的提升空间。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.2掘进工作面智能开采关键技术智能信息传输技术本节智能信息传输技术从四个方面介绍：

智能信息传输技术功能分析智能信息传输技术环节数据信息处理运行原理信息传输的时效性第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术智能信息传输技术功能分析1）信息的采集和分析对信息的采集和分析功能来说，它的主要针对对象是生产过程中的各种各样的模拟或数字量，在它的作用下，对其进行必要的检测、采样和分析，例如常见的报表的打印、电视显示等，因此，它也是具有一定的形式展现的，在这种形式下给人们全部的信息，使其可以更好的分析处理，这样就可以使他们得到的信息准确性有更大的提升。2）监督作用阐述经过上述的环节之后，我们可以对得到的信息进行针对性的分析处理以及计算等的二次加工，然后把其分类型的作为实时数据信息和历史信息进行合理化的保存。3）控制功能分析这一功能的主要体现就是依据于检测功能，对所得到的数据信息进行有目的性的处理，在处理的过程中还要和与事先设置的控制策略相互协调形成具有控制性质的输出，最后再把其直接的应用于整个过程之中。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术智能信息传输技术环节1）物理现象的有效转化需要借助传感器的作用实现；2）电信号在信号匹配器的作用下转化为具有测量性强的参数；3）模拟的电信号在数字模拟转化器的作用下回变为数字信号；4）能够在它的界面利用下对数据信息进行直接式的输送。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术信息传输的时效性智能监控系统除了可以实现实时不间断的勘察作用之外，它的另一个作用就是可以对其进行智能化的分析操作，不仅可以确保整个系统对获得的各种收集的状态数据信息进行合理的控制，而且还可以对其进行所固有的预处理和初步的辨别。除此之外，在实际应用的过程中，由于环境的特点限制，它还需要具备在户外进行长时间的工作的能力，减少人工模式过多的干扰。从实际的运行来看，数据信息处理的运行原理一般包括以下几方面内容：1）对测量系统的数据信息界面进行针对性的接收；2）承担一个执行作用的平台，具体执行的有系统自身和用户的需求计算；3）程序的开发和数据的测量是采用记忆单元进行的。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术数据信息处理运行原理要保证参数信息的获取具有很好的时间保障，系统应该具备超越距离限制的传输手段，进行具有远程化、实时化特点的及时传输，并对其有一个正常性的判断分析。从使用的角度来讲，要提高它的使用便利性，就需要它有一个互动性很强的操作界面，在机械的显示界面上通过图形的展现把关键性的参数变化予以直观地表达出，并且还要具备有进一步扩展升级的条件。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.2掘进工作面智能开采关键技术设备状态智能感知及预警技术背景：目前煤矿的信息化建设已经取得了很大的进步，煤矿的信息化框架已经搭建完成，但是对于煤矿主要生产设备的安全管理却还只停留在定期停产检修和人工巡检的阶段。这样的设备安全管理模式不仅降低了设备的利用率，反而由于过度维修、维修遗漏、维修人员维修质量不到位等多种原因为煤矿主要生产设备的运行造成了非常大的安全隐患。而煤矿主要生产设备的安全运行又直接关系到煤矿的生产和安全，因此如何实现和保障煤矿主要生产设备的安全可靠运行，一直是矿山安全生产领域的重要研究课题。利用基于工业大数据分析的预警技术手段为依据的安全生产管理模式，通过煤矿的自动化系统在内的多个生产系统采集的大量设备运行数据，经过有效的数据分析，可以在事故发生之前发出预警信息，将有效防止事故发生，大幅提高操作人员和设备管理人员的工作效率。

第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备状态智能感知设备状态智能感知主要从四个方面介绍：设备运行状态数据挖掘可视分析技术矿山异构网络环境下的多端实时同步告警技术研究与实现矿山视频监控设备运行态势感知模型海量数据分布式存储与读写技术第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备运行状态数据挖掘可视分析技术针对当前电矿山设备运行监控过程中存在的较为混乱和管理方式现状，研究如何将设备监控运行数据进行地图可视化并实现对其挖掘分析，实现监控设备的地理位置可视化。通过对故障设备进行分析挖掘，实现故障点位置及原因推测等效果。该关键技术点主要包括以下内容：1）基于空间操作的监控运行数据专题图可视化实现。软件调用的电子地图格式以层的形式保存为ASCII文件，每层对应一组或一类电力设备数据，其中数据对应点、线、面等多种对象，专题图文件数据通过多种途径转换获取，例如专业的GIS软件GeoGlobe，具有生成数字地图的功能，能够将栅格地图数字化，并以需要的格式转出。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备运行状态数据挖掘可视分析技术2）使用GDI+提高电力设备运行监控数据可视化显示效果。在一般情况下，地图可视化数据可以满足要求，但它是利用Windows的图形绘制接口(GDI)编程实现图形显示，由于GDI的局限性，在全省范围内进行电力设备运行监控时，由于全省设备数据是千万级，因此需要使用GDI的升级版本GDI+来完成电力设备运行监控数据的可视化展示。3）基于空间数据挖掘的监控运行数据专题图分析方法。对电力监控设备运行数据进行基于GIS的挖掘主要包括按空间特征规则，空间区分规则，空间分不规则，空间分类规则，空间聚类规则，空间关联规则，空间演变规律的数据挖掘分析。一般表现为一组概念规则，法则，规律，模式，方程和约束等形式的集合，是对数据库中数据属性、模式、频度和对象簇集等的描述。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术矿山异构网络环境下的多端实时同步告警技术研究与实现利用移动互联网和矿山内外网安全通信技术，构建基于即时通讯的多端实时告警平台，实现在异构网络环境下的移动与桌面终端等设备的实时同步告警。矿山视频监控设备运行态势感知模型视频设备实时监控过程中会产生海量电力设备视频数据，这些数据以集群的形式汇聚在服务器图片库中。T级数量的视频数据汇聚在服务器，其写入和读取的效率十分低下。Seaweed－FS又称Weed－FS，是一种用golang实现的简单且高可用的分布式文件系统。是一种用以存储大规模数据文件的简单分布式模型。本工具体系的服务器存储端，采用该模型，对大数据量的视频数据进行存取优化处理。提出一种矿山视频监控设备态势感知模型，围绕矿山视频监控设备运行状态觉察、时空可视化展现、结构化消息告警等方面进行了详细规定。海量数据分布式存储与读写技术第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备异常状态预警技术数据处理是工业大数据分析的首要工作。在数据处理方面：工业大数据不同于商务大数据，工业大数据更强调利用工业软件为基础，对数据格式进行转化，降低数据信噪比，要求数据具有真实性、完整性和可靠性，更加关注处理后的数据质量。经过选取的数据经过数据归一化处理以后，再经过数据降维，把原先高维的数据映射到低维的空间，低维空间的数据可以几乎完整的保持原先的数据结构。通过降维，一方面可以解决“维数灾难”，缓解“信息丰富、知识贫乏”现状，降低复杂度；另一方面可以更好地认识和理解数据。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备异常状态预警技术数据处理是工业大数据分析的首要工作。在数据处理方面：工业大数据不同于商务大数据，工业大数据更强调利用工业软件为基础，对数据格式进行转化，降低数据信噪比，要求数据具有真实性、完整性和可靠性，更加关注处理后的数据质量。经过选取的数据经过数据归一化处理以后，再经过数据降维，把原先高维的数据映射到低维的空间，低维空间的数据可以几乎完整的保持原先的数据结构。通过降维，一方面可以解决“维数灾难”，缓解“信息丰富、知识贫乏”现状，降低复杂度；另一方面可以更好地认识和理解数据。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备异常状态预警技术现选皮带运输机设备为例。在选取数据方面通过前期调研，针对皮带系统主要存在的过载、打滑、跑偏、CST不出力等故障类型，拟使用皮带电机温度、电机电流、电机功率、电机轴承温度、滚筒温度、煤仓煤位、皮带速度、CST系统压力、CST离合器压力、CST轴温度、CST功率、CST水流量、CST油泵电流、CST水泵电流等物理量来实现对皮带故障的分析和故障预警。下图7-10为以皮带运输机为例，展示了设备智能预警分析系统的系统结构。图7-10皮带运输机智能预警分析系统系统结构图第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.3掘进工作面智能控制关键技术设备状态动态管理技术现代化矿井所需的设备种类、数量日益增多。如何利用先进的网络技术和计算机设备来有效地管理这些设备，建立以信息化为核心的管理体制，减轻管理人员和业务人员的数据处理负担，提高设备管理效率和管理手段，是摆在每一个矿井管理者面前的难题。由于煤矿的特殊环境因素，现有的设备管理系统软件很难在煤矿得以应用。通过研究煤矿的实际设备管理需求，本书提出一种煤矿设备动态管理信息系统设计方案，实现了对煤矿设备的全过程、全要素管理。

第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备状态动态管理需求设备是煤炭采掘企业的重要资产，是企业生存与发展的基础，是保证企业正常生产与安全的条件。由于煤炭生产过程的特殊性和生产环境的特定性，大大增加了煤炭企业现场设备管理的难度，如：（1）现场设备没有统一编码，设备管理混乱，井下设备数量难以统计；（2）回收设备随意堆放，导致设备二次使用难度加大；（3）设备经常被移动，使管理部门难以对设备进行跟踪管理；（4）设备状态、检修和维修过程履历难以记录；（5）责任区队难以实时掌控现场设备的日常点、巡检路线、内容和标准；（6）现场设备作业人员的行为难以标准化，并引发相关责任人员的日常检维修过程、内容和行为难以把控跟踪，导致生产安全事故隐患的发生。因此，在煤炭企业建立设备动态管理信息系统势在必行。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备状态动态管理目标设备动态管理信息系统以国家、行业的政策为支撑，企业的制度、规范和作业规程为基础，采用先进的技术手段将设备编码体系、人员定位系统（人员运行轨迹信息、分站、RFID卡）工业以太网综合信息办公平台移动通信网智能PDA（PersonalDigitalAssistant）设备点检仪集成为一个规范化的业务管理体系，实现现场设备的“五化”管理，即“位置精确化、过程透明化、信息准确化、管理精细化、行为标准化”，最终降低现场设备管理成本，减少因设备故障引发的安全隐患，提高企业设备管理效能。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备状态动态管理目标以下为设备动态管理信息系统要实现的目标：（1）实现全矿现场设备的统一编码管理，建立领用设备的信息管理库。（2）以GIS（GeographyInformationSystem）技术为基础、矿井巷道及地面布置图为背景，动态显示各责任区队管理范围内的设备情况（总数、使用、备用、丢失、故障、待修、送修、闲置）、布置位置及移动情况，实现设备现场的全过程管理。（3）以责任区队为单位，管理设备为对象，人的行为为要素，制度、规范、措施为标准，巡检路线为驱动，结合人员定位系统（RFID卡、分站）、条码、二维码、智能PDA及相关点巡检设备，实现现场设备的全生命周期管理。（4）以岗位定区域，以区域定地点，以地点定设备，以设备定人员，依据相关规范，强化设备检查手段，从而实现设备管理的动态化。（5）依据检修作业标准，实现点、巡检人员的现场行为管理，减少设备日常检、维修过程中带来的安全事故隐患。（6）实现现场设备的动态卡片管理，记录设备的巡检记录、设备状态、检修记录、检修负责人、检修人员、检修结果、配件更换及设备更换等信息。（7）动态更新现场设备信息库，供管理部门及责任部门及时掌握现场设备使用信息、位置信息、状态信息、点巡检信息等相关动态信息，提高设备管理水平。（8）为现场设备的分析提供可靠的数据依据。第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备状态动态管理系统设计设备管理必须有统一编码规则；将已使用的设备位置信息添加在矿井巷道及地面布置的全景图上（GIS技术）；各单位通过设备动态管理信息库完善本单位使用的设备编码信息内容；各单位每天将设备班巡检、日检、计划检修、故障维修、故障分析结果及维修人员等信息添加到设备动态管理信息库中；设备管理人员定期更正相关设备的位置信息、数量变化及状态信息；各责任区队参照系统信息，设置岗位职责范围内设备的日常点、巡检路线、内容和标准。图7-11设备动态管理信息系统设计流程第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术应用案例分析各相关业务部门的职能：（1）各区队每天必须将各种信息提交到信息库中。（2）设备管理员定期使用点、巡检仪对设备进行跟踪检查。（3）机电管理部通过设备动态管理信息系统把控各单位的设备维护检修过程。（4）物资供应部通过设备动态管理信息系统及时了解各单位设备领用、实际使用及材料消耗情况。（5）矿领导查看机电管理部、物资供应部提供的报表，及时掌握真实、全面的全矿设备管理和物资管理情况。图7-12与设备动态管理信息系统相关的业务组织第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术设备巡检处理流程设备巡检处理流程如图7-13所示。该矿实施设备动态管理信息系统后，实现了以下目标：现场设备的统一编码管理；现场所有设备（井上和井下）的动态管理；现场作业人员的作业过程、风险隐患、规程措施、各种工卡单的管理；现场检查、检修和维修的全过程管理；最新的现场作业标准化和规范化管理。图7-13设备巡检处理流程第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.3掘进工作面智能控制关键技术智能专家控制技术智能专家控制系统可定义为：具有模拟或延伸、扩展专家智能的功能，采用人工智能专家系统技术与控制理论相结合的方法设计的系统。其实质是基于控制对象的控制规律的各种知识，而且要以智能的方式利用这些知识，求得控制系统尽可能地优化和实用化，它反映出智能控制的许多重要特征和功能。智能专家控制研究的突出代表应首推瑞典学者AstromKJ。1986年他在“ExpertControl”一文中正式提出了“智能专家控制”的概念。智能专家控制系统的任务是自适应地管理一个客体或过程的未来行为论断可能发生的间题，不断修正和执行控制计划。也就是说，智能专家控制系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等功能。智能专家控制系统有两种结构，即智能专家控制系统和智能专家式控制器。后者因较为简单和易于实现而得到较多的应用。智能专家控制系统可用于采矿掘进控制、空中交通控制、自主机器人控制、战斗管理和任务控制等方面。

第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术7.3掘进工作面智能控制关键技术掘进机自动纠偏技术传统上来说，掘进机行走作业主要利用手动方式进行纠偏操作业，掘进机操作人员均是通过手动调节掘进机左右行走液压马达的方式实现纠偏作业，将掘进机的位姿调整为预定值。手动纠偏作业存在着劳动强度大、作业环境恶劣以及地质构造差异与作业人员技术水平不同导致的巷道欠挖和超挖等弊端。而自动纠偏技术能够让操作人员实现对掘进机纠偏作业的远程操作，不需要在进入到工作环境恶劣的第一线；同时，借助于计算机的高速逻辑处理能力，掘进机的工作效率也获得了大幅度的提升，防止了因为地质构造问题、操作人员水平因素造成的巷道成型不规范的问题。

第七章掘进工作面智能控制基础理论与技术悬臂式掘进机自动纠偏技术及其实现方法（1）悬臂式掘进机位姿信息的检测掘进机不论是行走过程中还是在断面截割作业过程中，掘进机的中心轴线均不可避免地与巷道中心线出现相互偏离的问题。悬臂式掘进机的位姿信息除了包括三维空间坐标（x，y，z）之外，还应该包括掘进机的位姿信息（ɑ，β，γ，a）。如图7-14为悬臂式掘进机位姿信息简略示意图，其中，图b中，ɑ表示悬臂式掘进机的方