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創新點
（1）智能感知是智能開採核心要素之一，基於“科學採礦”和“煤炭精準開採”先進理念，建立了智能工作面開採信息多參量精準感知與安全決策關鍵技術體系，研究了光纖光柵精準感知原理與傳感特性，構建了光纖光柵-基體三層感知傳遞模型，揭示了光纖光柵粘貼長度範圍內的應變分佈規律。
（2）自主研製了系列礦井多參量感知的新型靈敏度高、可靠性好的光纖傳感器，創建了光纖傳感式煤礦開採巷道圍巖安全狀態信息和工作面裝備姿態信息多參量感知體系，提出了基於光纖光柵智能感知技術的大容量、準分佈傳感網絡拓撲結構，自主開發了基於大數據與雲計算智能技術的多參量感知系統信息服務平臺。
（3）完成了智能工作面多參量光纖光柵精準感知與安全決策系統架構，開展了基於光纖光柵的多參量感知與決策系統在煤礦開採中的現場試驗，利用智能算法對煤礦安全生產感知的動態大數據進行多源動態信息提取與深度融合，實現了煤礦生產與管理防控的安全決策，為我國煤礦智能化開採提供了重要監測手段和技術補充。
作 者
方新秋1,2,梁敏富1,2,3,李 爽3,張 磊1,2,嚴黃寶1,2,謝小平1,2,尉 瑞1,2,吳 剛1,2,呂嘉錕1,2
作者單位
1. 中國礦業大學 深部煤炭資源開採教育部重點實驗室；2. 中國礦業大學 礦業工程學院；3. 中國礦業大學 管理學院
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研究背景
近年來,隨著“互聯網+”的迅速發展和兩化深度融合,作為新時期採礦工程需求的煤礦智能化開採已成為煤炭工業發展的必然方向,也將是推進煤炭工業轉型的根本出路。為此,國家“十三五”規劃、國家《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》、國家能源局、煤炭工業“十三五”規劃等=明確指出智能化開採是實現煤礦安全高效生產的核心和關鍵。
目前我國煤礦智能化建設的新高潮正在全國興起,諸多學者從戰略高度開展煤礦智能開採研究,並相繼提出了突出的基礎理論與技術成果,但煤礦智能化開採的發展尚處於初級階段。智能化開採的技術內涵是指通過對採掘環境的智能感知、採掘裝備的智能調控、採掘作業的自主巡航,而完成的獨立回採過程,並實現自適應開採。智能感知、智能決策和智能控制是智能化開採的核心三要素,而智能感知作為煤礦智能化開採的關鍵之一,是獲取開採過程中的基礎信息,併為智能決策和智能控制提供數據支持;智能決策是分析數據,修正控制決策方案;智能控制是完善和優化參數,適應環境變化響應。
智能感知的核心是傳感監測技術,通過調研國內外煤礦開採監測技術,總結目前監測方式主要包括:機械式、電磁式及地球物理方法等,這些監測技術在煤礦生產中應用較多併發揮了極為重要的作用,但在智能化開採感知層應用方面仍存在許多問題,如易受井下複雜環境影響,長期穩定性、抗腐蝕性較差,穩定性與精確度不高,難以構成分佈式感知網絡,因此需要對新的傳感監測技術進行引進、創新和應用。筆者根據智能化開採發展背景,研究了光纖光柵智能感知技術與方法,建立了光纖傳感式煤礦開採多參量智能感知與決策體系,並將研究成果進行了初步現場試驗,為煤礦智能化開採的進一步研究奠定了基礎。
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摘 要
煤礦智能化開採是我國煤炭綜採技術發展的新階段,也是煤炭工業技術革命和升級發展的需求和必然方向。圍繞煤礦智能化開採技術、煤礦安全監測技術現狀及發展趨勢,介紹了煤礦智能化開採的技術內涵及核心三要素,指出智能感知是煤礦智能化開採的關鍵技術,傳感監測技術是智能感知的核心。
針對煤礦智能化開採感知層基礎信息採集傳感不全面、可靠性差、靈敏度低及安全決策技術落後等問題,基於“科學採礦”和“煤炭精準開採”先進理念,建立了智能工作面開採信息多參量精準感知與安全決策關鍵技術體系,研究了光纖光柵精準感知原理與傳感特性,構建了光纖光柵-基體三層感知傳遞模型,揭示了光纖光柵粘貼長度範圍內的應變分佈規律,創建了光纖傳感式煤礦開採巷道圍巖安全狀態信息和工作面裝備姿態信息多參量信息感知體系,提出了基於光纖光柵智能感知技術的大容量、準分佈傳感網絡拓撲結構,開發了基於大數據與雲計算智能技術的多參量感知系統信息服務平臺,構建了包括數據採集與感知層、數據傳輸層、數據處理與管理層和安全決策與控制層等4層系統架構,開展了基於光纖光柵的多參量感知與決策系統在煤礦開採中的具體工程應用,實現了現場生產狀態、礦壓信息、風險信息監測預報,為煤礦安全生產與管理提供決策支持。
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文中圖片
工作面多參量精準感知與安全決策關鍵技術體系
光纖光柵基本結構及感知原理
軸嚮應變作用下光纖光柵反射光譜
光纖光柵準分佈感知模型
基體表面粘貼光纖光柵感知傳遞模型
光纖光柵-基體感知傳遞力學模型
光纖軸嚮應變分佈規律
光纖傳感式煤礦開採多參量信息感知體系
巷道用光纖光柵傳感器實物
液壓支架姿態感知光纖光柵傳感器實物及佈置
基於光纖捷聯慣導的採煤機定位系統
採煤機運行姿態感知原理
感知系統三級誤差補償模型
基於光纖光柵的刮板輸送機直線度感知系統佈置
光纖光柵智能感知系統佈置示意
煤礦開採多參量精準感知信息服務平臺框架
多參量光纖光柵精準感知與安全決策系統框架
礦壓監測測站佈置方案
FBG感知系統現場安裝效果
光纖光柵傳感器監測數據
礦山安全綜合監測預警系統平臺
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方新秋，男，1974年8月生，浙江永康人，中共黨員，中國礦業大學教授，博士生導師。中國礦業大學採礦工程博士，東南大學控制工程博士後。中國礦業大學深部煤炭資源開採教育部重點實驗室副主任，青年學術帶頭人、入選江蘇省“六大人才高峰”、江蘇省“333高層次人才工程”中青年科學技術帶頭人。江蘇省煤礦安全生產專家、南京慣性技術學會理事。中組部第十批博士服務團成員，曾掛職新疆生產建設兵團農一師統眾國資公司副總經理。獲新疆生產建設兵團三等功、中國礦業大學“十佳共產黨員”等榮譽稱號。
研究方向
煤礦智能化開採、礦山智能感知、礦山壓力與岩層控制
主要成果
近年來以“科學採礦”、“煤炭精準開採”理念為指導，致力於煤礦智能化、無人化開採方面的研究，最早建立了智能無人工作面系統工程模型，提出了智能無人工作面多參量精準感知與安全決策技術體系，在開採環境、工作面設備感知等方面取得了部分創新成果。獲省部級科技獎勵12項，出版專著6部，發表學術論文100餘篇，授權國內外發明專利37項。主編《開採環境智能感知》、《智能採礦概論》等教材2部。
方新秋,梁敏富,李爽,等. 智能工作面多參量精準感知與安全決策關鍵技術[J]. 煤炭學報,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.
審 核：常琛
End
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