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创新点
（1）智能感知是智能开采核心要素之一，基于“科学采矿”和“煤炭精准开采”先进理念，建立了智能工作面开采信息多参量精准感知与安全决策关键技术体系，研究了光纤光栅精准感知原理与传感特性，构建了光纤光栅-基体三层感知传递模型，揭示了光纤光栅粘贴长度范围内的应变分布规律。
（2）自主研制了系列矿井多参量感知的新型灵敏度高、可靠性好的光纤传感器，创建了光纤传感式煤矿开采巷道围岩安全状态信息和工作面装备姿态信息多参量感知体系，提出了基于光纤光栅智能感知技术的大容量、准分布传感网络拓扑结构，自主开发了基于大数据与云计算智能技术的多参量感知系统信息服务平台。
（3）完成了智能工作面多参量光纤光栅精准感知与安全决策系统架构，开展了基于光纤光栅的多参量感知与决策系统在煤矿开采中的现场试验，利用智能算法对煤矿安全生产感知的动态大数据进行多源动态信息提取与深度融合，实现了煤矿生产与管理防控的安全决策，为我国煤矿智能化开采提供了重要监测手段和技术补充。
作 者
方新秋1,2,梁敏富1,2,3,李 爽3,张 磊1,2,严黄宝1,2,谢小平1,2,尉 瑞1,2,吴 刚1,2,吕嘉锟1,2
作者单位
1. 中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室；2. 中国矿业大学 矿业工程学院；3. 中国矿业大学 管理学院
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研究背景
近年来,随着“互联网+”的迅速发展和两化深度融合,作为新时期采矿工程需求的煤矿智能化开采已成为煤炭工业发展的必然方向,也将是推进煤炭工业转型的根本出路。为此,国家“十三五”规划、国家《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》、国家能源局、煤炭工业“十三五”规划等=明确指出智能化开采是实现煤矿安全高效生产的核心和关键。
目前我国煤矿智能化建设的新高潮正在全国兴起,诸多学者从战略高度开展煤矿智能开采研究,并相继提出了突出的基础理论与技术成果,但煤矿智能化开采的发展尚处于初级阶段。智能化开采的技术内涵是指通过对采掘环境的智能感知、采掘装备的智能调控、采掘作业的自主巡航,而完成的独立回采过程,并实现自适应开采。智能感知、智能决策和智能控制是智能化开采的核心三要素,而智能感知作为煤矿智能化开采的关键之一,是获取开采过程中的基础信息,并为智能决策和智能控制提供数据支持;智能决策是分析数据,修正控制决策方案;智能控制是完善和优化参数,适应环境变化响应。
智能感知的核心是传感监测技术,通过调研国内外煤矿开采监测技术,总结目前监测方式主要包括:机械式、电磁式及地球物理方法等,这些监测技术在煤矿生产中应用较多并发挥了极为重要的作用,但在智能化开采感知层应用方面仍存在许多问题,如易受井下复杂环境影响,长期稳定性、抗腐蚀性较差,稳定性与精确度不高,难以构成分布式感知网络,因此需要对新的传感监测技术进行引进、创新和应用。笔者根据智能化开采发展背景,研究了光纤光栅智能感知技术与方法,建立了光纤传感式煤矿开采多参量智能感知与决策体系,并将研究成果进行了初步现场试验,为煤矿智能化开采的进一步研究奠定了基础。
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摘 要
煤矿智能化开采是我国煤炭综采技术发展的新阶段,也是煤炭工业技术革命和升级发展的需求和必然方向。围绕煤矿智能化开采技术、煤矿安全监测技术现状及发展趋势,介绍了煤矿智能化开采的技术内涵及核心三要素,指出智能感知是煤矿智能化开采的关键技术,传感监测技术是智能感知的核心。
针对煤矿智能化开采感知层基础信息采集传感不全面、可靠性差、灵敏度低及安全决策技术落后等问题,基于“科学采矿”和“煤炭精准开采”先进理念,建立了智能工作面开采信息多参量精准感知与安全决策关键技术体系,研究了光纤光栅精准感知原理与传感特性,构建了光纤光栅-基体三层感知传递模型,揭示了光纤光栅粘贴长度范围内的应变分布规律,创建了光纤传感式煤矿开采巷道围岩安全状态信息和工作面装备姿态信息多参量信息感知体系,提出了基于光纤光栅智能感知技术的大容量、准分布传感网络拓扑结构,开发了基于大数据与云计算智能技术的多参量感知系统信息服务平台,构建了包括数据采集与感知层、数据传输层、数据处理与管理层和安全决策与控制层等4层系统架构,开展了基于光纤光栅的多参量感知与决策系统在煤矿开采中的具体工程应用,实现了现场生产状态、矿压信息、风险信息监测预报,为煤矿安全生产与管理提供决策支持。
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文中图片
工作面多参量精准感知与安全决策关键技术体系
光纤光栅基本结构及感知原理
轴向应变作用下光纤光栅反射光谱
光纤光栅准分布感知模型
基体表面粘贴光纤光栅感知传递模型
光纤光栅-基体感知传递力学模型
光纤轴向应变分布规律
光纤传感式煤矿开采多参量信息感知体系
巷道用光纤光栅传感器实物
液压支架姿态感知光纤光栅传感器实物及布置
基于光纤捷联惯导的采煤机定位系统
采煤机运行姿态感知原理
感知系统三级误差补偿模型
基于光纤光栅的刮板输送机直线度感知系统布置
光纤光栅智能感知系统布置示意
煤矿开采多参量精准感知信息服务平台框架
多参量光纤光栅精准感知与安全决策系统框架
矿压监测测站布置方案
FBG感知系统现场安装效果
光纤光栅传感器监测数据
矿山安全综合监测预警系统平台
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方新秋，男，1974年8月生，浙江永康人，中共党员，中国矿业大学教授，博士生导师。中国矿业大学采矿工程博士，东南大学控制工程博士后。中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室副主任，青年学术带头人、入选江苏省“六大人才高峰”、江苏省“333高层次人才工程”中青年科学技术带头人。江苏省煤矿安全生产专家、南京惯性技术学会理事。中组部第十批博士服务团成员，曾挂职新疆生产建设兵团农一师统众国资公司副总经理。获新疆生产建设兵团三等功、中国矿业大学“十佳共产党员”等荣誉称号。
研究方向
煤矿智能化开采、矿山智能感知、矿山压力与岩层控制
主要成果
近年来以“科学采矿”、“煤炭精准开采”理念为指导，致力于煤矿智能化、无人化开采方面的研究，最早建立了智能无人工作面系统工程模型，提出了智能无人工作面多参量精准感知与安全决策技术体系，在开采环境、工作面设备感知等方面取得了部分创新成果。获省部级科技奖励12项，出版专著6部，发表学术论文100余篇，授权国内外发明专利37项。主编《开采环境智能感知》、《智能采矿概论》等教材2部。
方新秋,梁敏富,李爽,等. 智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术[J]. 煤炭学报,2020,45(1):493-508.
FANG Xinqiu,LIANG Minfu,LI Shuang,et al. Key technologies of multi-parameter accurate perception and security decision in intelligent working face[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(1):493-508.
审 核：常琛
End
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