【摘 要】
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综放开采是我国厚煤层开采的主要技术之一,然而,由于综放开采工况复杂、环境恶劣,目前放顶煤还处于人工放煤的落后状态,易产生“过放”和“欠放”问题。精确地识别煤和矸石,进而采取策略对“放落”或“关停”进行自动化控制,是安全、高效地进行智能自动化综放开采的有效途径,也是当前智能综放开采研究的热点。本文在分析放顶煤开采工艺特点的基础上,采取理论分析、数值模拟和试验研究相结合的手段,对煤矸与放顶煤液压支架的
【基金项目】
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连接间隙对液压支架动力学响应的影响机制及其控制办法，国家自然科学基金（51974170）； 基于尾梁振动信号的煤矸识别技术研究，国家自然科学基金（51674155）；
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综放开采是我国厚煤层开采的主要技术之一,然而,由于综放开采工况复杂、环境恶劣,目前放顶煤还处于人工放煤的落后状态,易产生“过放”和“欠放”问题。精确地识别煤和矸石,进而采取策略对“放落”或“关停”进行自动化控制,是安全、高效地进行智能自动化综放开采的有效途径,也是当前智能综放开采研究的热点。本文在分析放顶煤开采工艺特点的基础上,采取理论分析、数值模拟和试验研究相结合的手段,对煤矸与放顶煤液压支架的冲击、滑移接触特性进行研究,并基于多类别试验信号和多信息融合展开试验技术研究,实现了基于动态冲击滑移接触特性的煤矸分类识别。本文研究得到了国家自然科学基金“基于尾梁振动信号的煤矸识别技术研究”项目的支持。本文提出了基于接触响应差异的煤矸可识别性研究方法。构建了极限压缩状态岩石与金属板的冲击接触动力学模型以及岩石的屈服冲击速度模型,针对高阶非线性接触状态方程提出了递归求解的方法,并得到了煤矸与不同支撑状态金属板变位弹性冲击接触动力学数学模型;建立了准脆性煤矸与金属板的冲击损伤动力学模型并对其进行了接触有限元模拟。通过弹性及准脆性接触响应分析,得到了煤矸与金属板的接触差异特性。开展了煤矸与金属板的冲击试验,提取金属板的接触振动信号进行煤矸颗粒识别,试验识别准确率达到91.25%,验证了所提出的煤矸识别方法的有效性和可行性。针对放顶煤中煤矸与液压支架间存在的冲击和滑移接触行为,通过Hypermesh和Adams联合开展了煤矸与液压支架顶梁、掩护梁和尾梁的刚柔耦合冲击接触分析;随后,在离散元软件中开展不同比例煤矸混合体与不同放煤姿态液压支架的滑移接触仿真,研究了煤矸比例和支架位姿对煤矸与液压支架滑移接触特性的影响。通过冲击和滑移接触特性分析,得到了煤矸性质、混合比例差异导致的系统接触响应差异。建立了煤矸颗粒与尾梁结构体的结构-接触理论模型,分析得到了系统接触响应的影响因素,研究了各影响因素对系统动态响应的影响规律。引入间隙非线性因素,研究了多间隙和变间隙条件下煤矸冲击诱发的销轴非线性接触行为及系统接触响应特性。通过多工况接触响应差异分析,确定了尾梁千斤顶压力、尾梁振动信号和销轴振动信号为煤矸分类识别参数。搭建了煤矸与液压支架冲击滑移试验台,构造了双维多信息采集系统。开展了 2270组变煤矸混合比例冲击滑移试验,运用GBDT等10种分类算法基于单通道信号进行煤矸“可放类”和“关停类”有序随机分类识别以及识别信度和“煤矸混合比例范围”适应性研究。结果表明:信号的时域特征数据具有较强的分类识别能力,验证了基于冲击滑移接触特征进行煤矸“类”识别试验方法的有效性。为进一步提高分类识别精度,以试验信号时域特征为样本,提出了基于信号特征串行和并行投票制度的煤矸多信息融合分类识别方法,同时运用Kalman滤波数据融合进行了煤矸分类识别研究,并得到了各方法的识别准确率。结果表明,基于信号串行特征和投票制度的煤矸分类识别方法均可有效提高煤矸的有序随机分类识别准确率。在此基础上,继续进行了煤矸完全随机分类识别,最终确定了“GBDT对全通道信号串行特征的分类识别”为最佳分类识别方式,有序分类识别准确率和完全随机平均识别准确率均达到99%,识别方式稳定可靠。
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