矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2024年第4期

• 基于改进YOLOv5的矿用输送带纵向撕裂检测方法

  于庆, 罗明华, 向亮, 游磊, 朱兴林

  带式输送机输送带纵向撕裂可能引发重大安全事故。针对现有输送带撕裂检测算法精度低、抗干扰能力差的问题, 提出了一种基于多尺度特征融合的纵向撕裂检测系统。系统通过线性激光和高速相机实时捕获输送机胶带表面图像, 使用LoG算法对图像进行预处理, 提取图像关键区域、减少数据冗余, 并通过多尺度特征融合神经网络进行撕裂检测。在检测算法方面, 在神经网络主干网络引入ConvNeXt特征增强模块, 提高模型对细小撕裂纹理的特征提取能力, 在Neck部分使用双向特征金字塔网络(BiFPN)融合浅层细节纹理特征, 减少下采样过程中深层网络细节信息的丢失。实验结果表明, 改进后的算法对纵向撕裂故障检测的检测精度 P和平均精度均值mAP分别达到了96. 34%、94. 36%, 优于其他主流的检测方法。

• 煤矿工作面喷雾除尘场景下的安全帽识别算法

  张婧, 冯莹莹, 李洪安, 杜思哲, 莫金明

  首先针对煤矿工作面喷雾除尘场景下监控系统采集到的图片模糊, 清晰度低的问题, 提出了一种基于DeDi-Transformer (Density Difference-Transformer)的煤矿工作面图像去雾算法, 该算法利用密度差实现密度感知, 对采集的工作面监控图像进行增强, 提高图像中人员安全帽的清晰度; 其次针对煤矿工作面监控系统很难快速准确识别出煤矿工人是否佩戴安全帽的问题, 提出了一种基于SAC-YOLOv9 (Supervised Atrous Convolution-YOLOv9)的安全帽识别算法, 该算法在YOLOv9主干提取网络中加入监督空洞卷积, 获取不同尺度的感受野, 加快特征提取, 提高安全帽识别的精度。实验结果表明, DeDi-Transformer算法在Braize-Haze数据集上的PSNR为19. 85 dB, 比DeHamer算法提升了2. 49 dB; SSIM是0. 717 9, 比DeHamer算法提高了0. 043 4。SAC-YOLOv9算法在Dehaze-Helmet数据集上的mAP是95. 7%, 与YOLOv9算法相比提升了2. 3%。

• 基于矿灯光信号的井下作业人员身份视频识别系统

  刘毅, 刘泽祥, 赵莉莉, 李宜升

  针对矿井视频监视系统中的人员身份难识别的问题，开发了一种基于矿灯光信号的井下作业人员身份视频识别系统。通过在矿灯中嵌入近红外LED光信号，设计了便于识别与追踪的光信号矿灯；设计了基于曼彻斯特编码的光信号编码方法，提出包括霍夫圆/椭圆检测方法在内的矿灯目标检测系列方法，以及动态优化解码方法。视频识别系统通过矿灯发射唯一性ID光信号，视频监视系统采集并处理光信号，解析出矿灯ID。通过煤矿井下实验验证了视频识别系统的有效性。研究成果为矿井安全生产提供了一种创新的人员身份识别技术。

• 基于TDConv与统一注意力检测头的异物检测算法

  赵健, 王奕, 王海峰, 程德强, 李自豪

  针对矿井输送带在输送煤流的过程中，大块煤矸石和锚杆存在不同尺寸和形状，图像特征信息难以提取，传统目标检测算法检测效果不理想的问题，提出一种基于TDConv与统一注意力检测头的异物检测算法。该算法通过设计并行卷积的组合方式形成TDConv卷积模块，能有效保持图像特征原有信息，帮助更深的卷积层提取有效细节信息；在检测头部分加入统一注意力模块，有效提取和识别不同尺寸物体、不同空间位置之间的特征信息；基于煤矿井下不同场景的输送带制作了10万张矿用异物数据集(MFID)，为矿井煤流输送过程中异物检测的深入研究和实际应用提供资源支持。实验结果表明，该算法在矿用数据集MFID上的平均精度均值(mAP)与YOLOv5目标检测算法相比提升了2.1%；在具备高精度检测能力的同时，能有效减少异物检测网络模型参数量，使网络结构更加轻量化，适用于煤矿井下边缘计算设备。

• 基于HigherHRNet的煤矿井下人体姿态估计快速网络研究

  张延军, 陈博

  煤矿井下人体姿态的快速估计是井下作业智慧安全检测的重要前提。为解决煤矿井下多尘多雾、照明不足及颜色相融等问题，提高人体姿态估计关键点分配准确度及网络运行速度，研究新的Optimising HigherHRNet(OH-HRNet)快速网络模型：对HigherHRNet模型的轻量化设计、关键点分配进行深入研究，提出了基于注意力机制的记忆卷积模块及强化骨骼约束的关键点分配算法，并改进了算法的损失函数。在煤矿井下场景数据集和COCO公开数据集上的实验结果表明: OH-HRNet在GPU的速度上是LitePose的1.06倍，平均精度均值mAP提高了7.4%，平均召回率均值mAR提高了14.0%，可以实现更有效的智慧安全检测。

• 基于改进YOLOv8n的煤矿带式输送异物检测研究

  李宗霖, 王广祥, 张立亚, 李明亮

  在煤矿带式输送物料过程中，异物的出现可能会引发输送带撕裂或堵塞等安全风险。针对输送带输送物料中异物多样、人工巡检效率低、硬件限制等问题，提出一种基于改进YOLOv8n的轻量化煤矿带式输送异物检测算法：采用GhostNetV2网络对原CSPDarkNet53主干网络进行轻量化改进，以减少模型的参数和计算量；整合全局平均池化和全局最大池化思想优化SPPF模块，关注煤矿恶劣环境影响下图像的底层信息；设计了headC2f_CA模块，融入通道注意力机制，以便能够更有效地捕捉不同尺度和位置的异物特征，强化特征信息表达；引入DIoU损失函数，精确反映锚框与预测框之间的相似度，提升模型检测精度。实验结果表明，改进后的模型平均精度均值达88.3%，相比于基线模型YOLOv8n，提升了0.8%，参数量减少了18.51%，计算量减小了20.73%，模型大小缩减了15.87%。该模型有效缓解了边缘设备的硬件限制，同时保障了煤矿安全监测的准确性。

• 水力喷射自钻进多孔喷嘴打击力特性研究

  刘延保, 雷真杰, 陈坤, 何立鹏, 申凯, 巴全斌

  为了探讨水射流自钻进喷嘴射流旋转打击力特性，确定了喷嘴结构参数，建立了水射流旋转打击力测试系统，开展了在不同喷嘴直径、射流角度、旋转速度、射流靶距和射流压力条件下打击力试验，分析了打击力随各影响因素的变化规律。试验结果表明：打击力随喷嘴直径增大而增大，随射流角度增大而减小；在不同射流压力下，存在最佳旋转速度200 r/min，此时射流打击力为最大值；6 mm靶距附近为射流充分发展阶段，该区间射流打击力值最高；打击力与射流压力之间呈正相关关系，当压力超过30 MPa时打击力增长趋势明显降低。最后讨论了射流打击力最大值组合参数，为水射流自钻进破岩工作参数优选提供参考。

• 煤层群上下保护层开采围岩应力及裂隙演化规律研究

  刘军

  为实现煤层群上下保护层开采过程中被保护层卸压瓦斯的高效抽采，采用数值模拟方法研究上下保护层开采后围岩应力、裂隙分布及演化规律，探明上下保护层开采的卸压瓦斯富集区。研究结果表明：下保护层开采后，被保护层工作面上侧覆岩卸压高度明显大于下侧覆岩卸压高度，次采上保护层后，增大了被保护层卸压范围。下保护层开采后被保护层走向卸压角为63°，倾斜上下边界卸压角为87°、72°。上保护层开采后被保护层走向卸压角为59°，倾斜上下边界卸压角为76°、79°。经过保护层卸压后，被保护层抽采卸压瓦斯纯流量相比卸压前呈现10余倍增大，卸压瓦斯抽采具有明显的时空效应。

• 基于孔-裂隙的煤层瓦斯抽采热-流-固耦合模型研究

  孙朋

  为研究温度因素对负压钻孔抽采瓦斯的影响，建立了基于孔-裂隙双重多孔介质的热-流-固耦合模型，运用数值模拟手段，对比了不考虑温度因素下基于气-固耦合模型的瓦斯抽采特点和抽采效果。模拟结果表明：考虑温度因素影响所得渗透率结果更小，抽采卸压效果相对较弱；初始煤层瓦斯压力越高，煤层温度降低越明显；考虑温度变化影响，针对不同有效抽采半径 R，进行了孔间距为 2 \sqrt3 R / 3、2 R、4 R、6 R的多钻孔布孔研究，得出有效抽采区域随抽采时间增加呈现由多个小圆柱状发展为一个大圆角三棱柱，最后趋向于一个规则的大圆柱状的变化规律。研究成果可为预抽煤层瓦斯前布孔设计工作及实际瓦斯灾害防控提供一定的参考。

• 保护层开采与卸压瓦斯协同抽采技术研究与应用

  张兆一

  针对深部低透突出煤层群下保护层开采后上覆被保护层卸压瓦斯及下保护层瓦斯协同抽采的难题，新景矿采用“地面井预抽+高(低)位抽采巷”实现了被保护层卸压瓦斯及上隅角瓦斯的协同抽采。综合应用机械造穴、地面井压裂等增透措施，提高了新景矿15号煤层抽采效率。增透前后支管抽采瓦斯纯流量提高了2.27倍，缩短了保护层工作面预抽瓦斯的达标时间；通过对比15号煤层开采前后3号、8号及9号被保护层的卸压瓦斯地面井抽采瓦斯纯流量提高了1.85倍，实现了保护层与被保护层瓦斯的协同抽采，开采突出煤层群做到安全可控，对阳泉矿区煤层群安全高效开采具有重要的参考意义。

• 基于ReaxFF的不黏煤燃烧过程中自由基及主要燃烧产物生成规律研究

  王银辉

  为了探究不黏煤燃烧过程中自由基及主要燃烧产物生成规律，采用X射线光电子能谱(XPS) 和核磁共振谱( 13C NMR)实验方法，对不黏煤进行表征分析，构建了分子式为C 208H 199O 23N 3S的不黏煤分子模型。在不同O 2分子数与温度条件下，应用反应分子动力学(ReaxFF MD)方法进行不黏煤的燃烧分子动力学模拟，探究其燃烧过程中自由基与主要产物的生成与消耗规律。研究结果表明：消耗OH自由基主要反应的总次数为1 906次，消耗H自由基与O自由基的总次数分别为3 733、2 033次，提高温度和O 2分子数使得相对稳定的OH自由基产量峰值增幅更大，H自由基与O自由基的产量峰值增幅相对较小；消耗CO 2主要反应的总次数为1 781次，低于消耗CO与H 2O主要反应总次数，提高温度和O 2分子数使得相对稳定的CO 2产量峰值增幅更大。提高O 2分子数对H 2O的产量峰值影响呈现先促进再抑制的趋势；H自由基、O自由基及OH自由基主要由小分子化合物或其他自由基发生分解反应生成。自由基聚合或小分子化合物分解反应是CO、CO 2及H 2O生成的主要路径。

• 基于AHP-DEMATEL-ISM的煤矿安全投入结构研究

  姜福川, 王昊, 杨浩, 明银龙, 盛兵旺

  为改善煤矿安全投入结构状况，更好地为煤矿安全生产服务，研究了煤矿安全投入结构影响因素的相互关系。采用m-IHEL理论分析煤矿企业安全结构，将其划分为人—机—环境—信息4个子系统，构建煤矿安全投入结构评价指标体系，并使用AHP-DEMATEL-ISM模型进行分析评价。研究表明：安全教育培训、采掘安全设备、信息管理系统、安全监控系统是影响煤矿安全投入结构的关键因素，企业应该加强人员投入，重视环境和信息在煤矿系统的作用，以提高煤矿智能化水平。

• 2011—2022年煤矿热动力灾害事故特征及发生规律分析

  刘业娇, 崔梦圆, 段泽宇, 滕婷, 刘洋, 李焘

  基于2011—2022年全国煤矿热动力灾害事故的统计结果，采用数据统计法，按照煤矿企业性质、事故类型、事故等级和发生地区等4个方面进行综合分析，通过趋势图、柱状图及百分比图对煤矿热动力灾害事故的规律和特点进行总结，并对煤矿热动力灾害发生的原因进行深入分析。分析结果表明：近12年我国煤矿热动力灾害事故逐渐减少，以瓦斯爆炸类型为主，多以较大事故和重大事故的形式发生；乡镇煤矿企业和国有煤矿企业伤亡损失严重，情况严峻；西南地区和东北地区为事故多发地区。根据分析结果，从政策、经济、监管、企业及技术层面提出了相应的预防措施。

• 智能化矿井监控调度作业的认知作业分析及认知疲劳判定

  徐丽丽, 栗继祖, 徐新华

  智能化矿井单调的监控调度作业易造成作业人员认知疲劳，从而降低作业人员工作绩效，影响煤矿安全生产。阐述了监控调度作业任务中所涉及的信息感知、信息加工和信息输出3类主要认知过程，采用形式模型、进程追踪和非结构化访谈等认知作业分析方法对其进行解析。通过实验获取被试者的人体生理指标、主观评定参数和任务绩效参数来评估认知疲劳，采用SPSS 22.0统计软件对测试数据进行处理，探讨了被试者在不同时间段内认知疲劳程度的变化。通过计算机模拟智能矿井监控调度作业，采用双任务作业方式成功诱发了被试者的认知疲劳，KSS和SPC量表，以及任务绩效指标表明，智能化矿井作业人员在进行长时间的单调监控作业过程中会导致疲劳和嗜睡增加，工作绩效下降。反应时间和主观量表参数能够较好反映被试者认知疲劳状态的变化，而心率参数的表征效果并不明显。

• 基于遗传算法优化最小二乘支持向量机的矿工疲劳程度识别模型

  田水承, 任治鹏, 毛俊睿

  为精准识别矿工疲劳程度，减少因疲劳引发的煤矿人因事故，提出了一种基于遗传算法(GA) 优化最小二乘支持向量机(LSSVM)的矿工疲劳程度识别模型。首先，通过疲劳诱发试验采集矿工心电数据，利用Friedman检验优选矿工疲劳程度的特征指标；然后，采用主成分分析法对选取的特征指标进行降维处理，建立表征矿工疲劳程度的特征集；在此基础上，利用遗传算法优化最小二乘支持向量机的关键参数，构建矿工疲劳程度识别模型。结果表明：选取的矿工疲劳程度特征指标能够有效反映矿工的疲劳程度；相较GA-SVM和LSSVM模型，融合GA-LSSVM模型可显著提高矿工疲劳程度的识别准确率(平均识别准确率为96.87%)。构建的矿工疲劳程度识别模型可较为高效地识别矿工的疲劳程度，对煤矿人因事故的防控具有一定的现实指导意义。

• 充填体破坏特征的聚类分析及数值模拟

  陈兵, 刘忠平, 高亮, 张哲鹏, 翟迪

  充填体破坏是影响矿山安全稳定的重要因素之一。为研究充填体的破坏特征，采用室内实验、机器学习层次聚类分析及数值模拟等方法，对矸石胶结充填体(GCPB)裂纹演化的全状态进行了研究。结果表明：当GCPB试样PC-5、PC-10、PC-15、PC-20的特征键平均键长能量分别大于35、50、60、150 ms·mV时，出现宏观主裂纹面，且主裂纹破坏面随水泥掺量的增加由张拉破坏面向剪切破坏面转变；破坏过程中特征键子集尺度 Ω与损伤变量 D之间呈负线性相关关系， Ω可表征充填体损伤演化程度；在应力达到峰值应力和破坏后残余强度前键长值特征空间相关长度 ξ表现为明显增长，为充填体宏观损伤的开始及第1次破坏结束的前兆特征；通过颗粒流程序(PFC)数值模拟，可以有效观测到裂纹的类型和变化规律，数值模拟结果与聚类分析结果一致。

• 以煤层倾向为参考方向的锐角优化垂线法煤柱设计方法

  蔡音飞, 刘健松, 冀哲, 李晓静

  垂线法广泛应用于我国矿区地表建(构)筑物的保护煤柱的设计，但其原理中存在走向方向不明确导致计算时需人工干预和小角值拐角处保护煤柱过估等问题。针对村庄尺度的建筑物群，提出应按位置给出不同的开采参数和松散层参数；用煤层倾向作为垂线法的参考方向，代替指向不明确的走向，实现垂线计算公式选择、垂线长度计算的自动化；提出锐角优化算法，解决煤柱角点角值较小时出现的煤柱留设尺寸过大问题。基于上述优化，通过MATLAB编程实现煤柱自动化计算，并一定程度上减小了煤柱的尺寸。优化后的垂线法能够更好地应用于矿山保护煤柱设计。

• 不同加载速率下煤岩组合体力学响应与破坏特征

  白利文

  制备高度比为1∶1的砂岩—煤组合体，分别进行4种速率单轴加载试验，得出不同加载速率下煤岩组合体的力学行为及破坏特征。实时监测加载过程中声发射信号，计算碎屑平均粒径及远场碎屑质量占比，以定量评价破坏程度，分析煤岩组合体力学性质及破坏特征的应变率效应。研究结果表明：煤岩组合体单轴抗压强度、弹性模量、煤样破碎程度及脆性特征与加载速率均成正相关；在高加载速率条件下，非均质性对煤岩组合体力学行为的影响减弱。声发射振铃计数峰值随加载速率提高而增大，表明单次声发射强度增大，内部单次微破裂加剧。在较高加载速率条件下，煤岩组合体强度高，煤样破碎程度及脆性特征增强。

• “三软”巷道长短锚索联合支护控制变形研究

  孟国胜

  针对“三软”特厚煤层巷道围岩变形严重、控制难度大、掘进效率低、采掘接替困难的难题，提出了一种锚网索支护控制技术。采用现场超声波探测及钻孔窥视揭露方法，测定围岩松动圈塑性范围为2.4~3.0 m；采用数值模拟得到锚索不同间距下的支护效果，确定顶板采用锚网索、两帮采用锚杆的支护方案，设计合理的支护间距，并成功进行了工程应用。结果表明，长、短锚索联合支护可有效控制复合软岩巷道的变形。两帮和顶底板的移近量不大于30 mm；掘进期间顶锚索应力为60~170 kN，受力较为稳定。可见长短锚索联合控制技术可有效提高巷道围岩控制效果，而且生产实践表明，采用长短锚索联合控制技术后平均月进度突破143 m(架棚支护平均月进度60 m)，掘进效率实现成倍增长，有效解决了采掘接替困难问题，经济社会效益显著。

• 大宗煤基固废膏体充填材料少水化配比优化研究

  陈登红, 秦海月, 李超, 陈冉

  为解决西部采煤区固废多、处理难的问题，以宁东矿区的脱硫石膏、粉煤灰、水泥为主要原料，对原料的微观形态及少水配比的煤基固废膏体充填材料的成分进行分析，以初期流动性、脱模后7 d和28 d的抗压强度为指标进行充填材料配比优化。设计了3因素3水平17组配比方案，建立响应面回归模型，分析单因素及多因素交互作用对少水充填材料强度和流动性的影响。研究结果表明，粉煤灰与水泥质量比是影响少水充填材料强度的重要因素，料浆质量分数是影响少水充填材料流动性的重要因素。少水配比的煤基固废膏体充填材料的最优配合比：脱硫石膏质量分数53%，粉煤灰与水泥质量比2∶1，料浆质量分数74%。波速与强度的响应关系表明，可以利用充填体的波速来预测其强度。

• 深部条带老采空区覆岩破坏多参量监测研究

  李学良, 李宏艳, 白国良, 李大猛, 余洋

  针对深部条带老采空区覆岩移动变形问题，确定了裂隙发育、拉压应变、岩层物性等主要参量指标，采用钻孔电视法、分布式光纤感测法、井间电法CT、微震法构建了采空区覆岩“点-线-面-体”多参量监测模式；运用该监测模式对工程实例进行实测分析，获取了采空区覆岩全方位、多层次的移动破坏特征，得出覆岩裂隙多集中在465 m以下，少量空洞位于垮落带及煤柱上方靠近采空区侧，煤柱塑性区范围约8 m的结论，综合判定采空区覆岩结构可在长时间内保持相对稳定。结果表明：“点-线-面-体”多参量监测模式在内容上能够有效涵盖条带采空区覆岩移动变形的各参量指标，时空上可实现点(静态)、线(动态)、面(静态)、体(动态)相互结合的全过程监测，监测结果间能相互验证，可满足深部条带采空区覆岩移动变形监测要求。

• 基于UWB技术的矿井低功耗无线传感器网络研究

  王飞

  针对煤矿井下各类参数有线监测系统的布线复杂、维护困难、扩展性差等问题，基于UWB技术研究了矿井低功耗无线传感器网络，采用STM32L151微处理器和DW1000芯片设计了具有自动组网、数据多跳传输和测量距离等功能的传感器节点。详细介绍了矿井低功耗无线传感器网络的组网机制、传感器数据多跳传输技术和低功耗休眠算法等关键技术。试验结果表明，传感器节点入网时间与网络深度成正比，网络深度每增加1级，入网时间就增加1个数据传输周期；传感器数据传输时延不超过1 s，通信距离可达100 m，未入网时的平均工作电流为230 μA，已入网时的平均工作电流为680 μA。该无线传感器网络为煤矿安全监测系统提供了一种低功耗、低成本且高可靠性的数据传输通道和平台。

• 融合透明地质与灾害预警的煤矿综合管控平台研究

  樊子恒

  透明地质、灾害预警和管控平台是智能化矿山建设的重要组成部分，是决定矿山智能化水平的重要标志。针对煤矿现有数据规范与交互协议覆盖子系统范围过小、相互转换困难、三维模型不能共用、信息系统缺乏界面标准规范、集成展示效果差、功能重复开发现象普遍、资金浪费严重等突出问题，在感知接入规范和融合共享规范基础上，提出了数据六级分类编码结构，制订了涵盖基础类、安全类、生产类和管理类数据融合交互规范与交互协议，制订了煤矿信息系统统一UI界面设计规范和统一身份认证服务机制，实现了三维模型、通用业务功能模块和二三维GIS服务平台的一次构建多端复用，减少了煤矿企业及承建厂家人力资源与资金的投入，提高了透明地质、灾害预警与管控平台数据及操作的一致性，提升了平台的可视化展现能力和展示效果，为煤矿安全生产和灾害应急处置提供了有力支撑。

• 柔性管路对密闭容器爆炸压力的影响

  李梅香, 徐强强

  为有效控制与管路连接的密闭容器的爆炸风险，降低制造、维护投入成本，通过数值计算分析与实际爆炸试验验证，研究了柔性管路对其连接的密闭容器爆炸压力的影响。以隔爆型外壳为研究对象，选取数值计算数学模型、确定边界条件，比较了阀门关闭及打开，以及连接不同直径柔性管路时，外壳内部爆炸压力的差异，分析爆炸时管路接口处气体流动及压力分布情况；在爆炸槽中对柔性管路连接隔爆外壳进行试验，对比分析试验与数值计算结果。研究结果表明，柔性管路具有泄爆效果，且管路直径越大，内部爆炸压力越小。