矿井定位技术现状和发展趋势.pdf

第 4 4卷 第 2期 2 0 1 8年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n V0 l _ 4 4 No ． 2 Fe b．2 0 1 8 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 8 0 2 0 0 5 1 - 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 1 7 3 0 9 矿井定位技术现状和发展趋势 霍振 龙 2 1 ． 中煤科工集团常州研究 院有限公 司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化股份有限公 司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 从定位方法、 无线通信技术等方面分析 了常用的矿 井定位技术 ， 阐述了矿 井定位技术在人 员定位 系统和设备近感检测 中的应用情况， 指 出未来矿 井定位 系统或装备将会综合利用无线超 高频测距、 惯性导 航 、 多源混合定位与多源信息融合等技 术， 组成一个面向服务 的定位服务 系统 ， 实现 井下人 员和设备的精确 定位 、 大 型移 动设备 人 员接近 检 测 、 采 掘装 备 与井 下搜救 人 员 机 器人 自主导航 与定位 等服 务 。 关键 词 矿 井定位技 术 ； 人 员定位 ； 设备 近 感检 测 ；定 位方 法 ；无 线通信 中图分类号 TD 6 5 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 8 一 O 卜 1 6 0 9 O 2 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 8 0 1 1 5 ． 0 8 1 0 ． 0 0 1 ． h t ml S t a t us a nd d e ve l o p me nt t r e n d o f mi ne p o s i t i o n i ng t e c h no l o g y H U O Zhe nl o ng 1 ． CCTEG Ch a n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a ； 2． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t Co mmon mi ne p os i t i on i ng t e c h no l og i e s we r e a na l y z e d f r o m a s p e c t s o f po s i t i o ni ng m e t ho ds a nd wi r e l e s s c o mm u ni c a t i o n t e c h no l og i e s ，a nd a ppl i c a t i o n o f t he m i n e po s i t i o ni n g t e c hn o l og i e s i n p e r s o nn e l po s i t i on i n g s y s t e m a nd e qu i p m e n t pr o xi mi t y d e t e c t i on we r e de s c r i b e d．I t wa s po i nt e d o ut t ha t f ut u r e mi ne po s i t i o ni n g s ys t e m o r e qu i pme n t wo ul d c o m p r e he n s i v e l y ut i l i z e t e c hn ol o gi e s s u c h a s wi r e l e s s u l t r a hi g h f r e q ue nc y r a ng i ng，i ne r t i a l na v i g a t i o n，mul t i s o ur c e hy br i d p o s i t i on i ng a nd m u l t i s o ur c e i nf or ma t i on f us i o n t o f o r m a p o s i t i o n i n g s e r v i c e s y s t e m o r i e n t e d s e r v i c e ，S O a s t o r e a l i z e a c c u r a t e p o s i t i o n i n g o f u n d e r g r o u n d pe r s on ne l a n d e q ui p m e nt ， p r ox i mi t y d e t e c t i on o f l a r g e m o bi l e d e v i c e a n d pe r s on ne l ， a nd a u t on o m o us n a v i g a t i o n a n d p o s i t i o n i n g o f mi n i n g e q u i p me n t a n d u n d e r g r o u n d r e s c u e p e r s o n n e l r o b o t ． Ke y wo r ds mi ne po s i t i o ni n g t e c hno l o gy； pe r s o nne l p os i t i o ni n g； e qu i pme n t p r oxi m i t y de t e c t i o n； po s i t i on i n g me t ho d；wi r e l e s s c o mm un i c a t i o n 0 引言 矿井定位技术的研究始于 2 0世纪 9 0年代 ， 当 时主要 采 用单 一功 能 的集 成 电路 和分 立 元 件 ， 实现 简单 区域 定位 和替 代打 卡功 能 ， 性 能不 够 稳定 ， 没 能 得到批量应用 。随着射频 身份设别技术 的不断成 熟 ， 2 0 0 2年 ， 山西潞安矿业 集 团 有限责任公 司漳 村煤 矿安 装使 用 了 中国第一 套 矿井人 员 监测 与管 理 系统 ， 定位 技术 由此开始 在矿井得 到了广泛应用 。 矿井 定位 技术 的发 展 经历 了初 级 的 R F I D 区域 定 位 到 目前较高精度 的精确 定位 阶段 。本文从定 位方 法 、 通信技术等方面分析 了常用的矿井定位技术及 其应用情况 ， 提出了矿井定位技术 的新需求和发展 趋势 。 收稿 日期 2 0 1 8 0 1 0 5 ； 修回 日期 2 0 1 8 - 0 1 0 8 ； 责任编辑 盛男。 作者简 介 霍 振龙 1 9 6 5 一 ， 男 ， 江苏 常熟人 ， 研究 员 ， 硕士 ， 长期 从事 煤矿 通信 、 矿井 人员 定位 管理等 技 术 的研发 工作 ， E ma i l h z l c a r i ． com．cn 。 引用格 式 霍振龙 ． 矿井定位技术现状和发展趋势 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 2 5 1 5 5 ． HUO Z h e n l o n g ． S t a t u s a n d d e v e l o p me n t t r e n d o f mi n e p o s i t i o n in g t e c h n o l o g y [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n， 2 0 1 8 ， 4 4 2 5 1 5 5 ． 5 2 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 1 矿 井定位 技术 现状 根 据 国内外 对定 位 方 法 的研究 和应 用分 析 ， 定 位方法 可分 为邻 近信 息 法 、 场 景 分析 法 和 几何 特 征 法 3种 。其 中 ， 几 何 特 征法 是 采 用 几何 原 理 的定 位 广泛 。几 何特征 法 又 可分 为 三 边定 位 法 、 三 角定 位 法和双曲线定位法 ， 其 中三边定位法和双 曲线定位 法尤 为常 用Ⅲ 。无论 何 种 定 位方 法 ， 都 离 不 开无 线 通信技术的支撑。用于矿井定位的无线通信技术主 要 有 Wi F i ， R F I D， UWB， Z i g B e e等 ， 不 同 的无 线 通 方法 ， 通过 已知的几个点进行定位计算 ， 目前应用最 信技术适应不 同的定位方法 ， 见表 1 。 表 1矿井定位技术性能对 比 Ta bl e 1 Pe r f o r ma n c e c ompa r i s o n o f mi ne p os i t i on i n g t e c hno l og i e s 矿井定位系统通常 由地面中心站、 定位分站 、 天 线 、 标志卡等部分组成。要确定被测 目标的位置 ， 首 先 需要 测定被 测 目标与 3个或 3个 以上定 位分站 之 问的距 离或 与不 同定 位分 站之 间 的距 离差 。 目前 常 用的测 距方法 有 2种 一 种 是 基 于检 测 接 收信 号 强 度 指示 Re c e i v e d S i g n a l S t r e n g t h I n d i c a t i o n， RS S I 的测距 模式 ， 该 模 式 以 R F I D， Z i g B e e ， Wi F i 等 无 线 通 信技 术 为 支 撑 ； 另一 种 是 基 于 传输 到达 时 间 Ti me o f Ar r i v a l ，TOA和 到 达 时 间 差 Ti me Di f f e r e n c e o f Ar r i v a l ， TD OA 的测 距 模 式 ， 该 模 式 以线 性 调 频 扩 频 C h i r p S p r e a d S p e c t r u m， C S S 及 UWB等无 线通 信技术 为支 撑 。 1 ． 1矿 井 定 位 方 法 1 ． 1 ． 1 区域 定位 早 期 的矿 井定 位系 统均采 用 区域 定位 方法 。该 方 法依 据定位 范 围 的大 小 ， 在 井 口、 井下 叉 道 口、 巷 道 等位 置设置 定位分 站 ， 以定位 分站 的位置 为界 ， 组 成 不 同的 区域 ， 定 位分 站 越 多 ， 区域 面积 越 小 ， 定 位 相 对越 准 。系统 只需知道 定位 分站有 无 收到标 志卡 的信号 ， 以及什么时间收到的信号 ， 而无需知道标志 卡与定位分站 的具体距离 ， 定位方法相对简单。 1 ． 1 ． 2 精确定 位 随着 矿井 定 位 系统 的 广泛 应用 ， 煤 矿 企业 对 矿 井 工作 面人员 的位 置 监 测 、 特殊 工 种 人 员 的轨 迹 再 现及大型设备 的接近检测提 出了更高的需求， 其 中 最关键的是对定位精度和定位实时性的要求 。随着 测 距精 度 的不 断 提 高 ， 定 位 系 统 性 能 逐 步 稳 定 、 可 靠 ， 精确定位成为可能。 基于 TO A 的测距 方法 得 到 的是 定位 分 站 和被 测 目标之 间 的直 线 距 离 ， 每 一 个 TO A 的测 距 结 果 对应 一个 圆方程 ； 基 于 TD OA 的测 距方 法得 到 的是 2个 定 位分 站 与被 测 目标 之 间 的距 离 差 ， 每 一个 距 离差 的结 果对应 一个 双 曲线 方程 。无论 是 圆方程还 是 双 曲线 方程 ， 定 位 测 距 的最 终 目的就 是 通 过 求解 距离方程估计 出被测 目标 的位置 坐标[ 2 I 。与基 于 T OA， TD OA 的测距方 法对 应 的定 位方 法分 别 为三 边定 位法 和双 曲线定 位法 。 1 三 边定 位 法 。在 二 维 平 面 坐标 系下 ， 设 被 测 目标 的位置坐标 为 P x， ， 3个 已知 位置 的定位 分站 坐标 分别 为 ． ， 口 ， b ， J 口 。 ， b 。 ， J 。 口 。 ， b 。 ， 定位 分站 ， 厂 。 ， 。到 被 测 目标 的距 离分 别 为 d ， d 。 ， d 。 ， 则被 测 目标 的位 置坐 标可通 过下 列方程 组进 行求 解 f z a 4 - 一 6 1 z ～ 口 2 4- 一 6 一d ； 1 l x--a a z 4- 一b a z ； 2 双曲线定位法[ 3 ] 。在二维平面坐标 系下 ， 设被 测 目标 的位 置坐标 为 P x， ， 3个 已知 位 置 的 定位 分站 坐标分别 为 J n ， b ， J n ， b ， J 。 。 。 ， b 。 ， 被测 目标 到 定位 分 站 J 。的距 离 和被 测 目标 到 定位 分站 - 厂 的距 离 之差 为 D ， 被 测 目标 到 定位 分 站 - 厂 的距 离和被 测 目标到定 位分 站 ， 。 的距 离之差 为 D ， 被 测 目标 到 定 位分 站 ， 。的距 离 和 被测 目标 到定 位分 站 J 的距 离 之 差 为 D。 ， 则 被测 目标 的位 置 坐标可 通过下 列方 程组进 行求解 2 0 1 8年 第 2期 霍振 龙 矿 井定位 技 术现 状和发 展 趋 势 5 3 [ za 1 b 1 ] 一 E xa 2 b 2 ] 一 Dl z-- [ a 2 一 2 - 9 。 y -- 毒 -- b 3 2一]a b 一 D 2 [ 一 3 一 2 F xa 3 。 -9 ．y b 3 ] 一 E xa 1 -9 b 1 。 ] 一 D3 在实 际应 用 中 ， 受 环境 和测 量精 度 的影 响 ， 被 测 目标 和定 位分 站之 间 的距 离或 被测 目标 和 2个定 位 分站 之 间的距 离差 无法 准确 测量 ， 存 在误 差 。因此 ， 不管 采用 三边 定位 法 还 是 双 曲线 定 位法 ， 均需 要 采 用数学逼近的算法进行位置计算 ， 其 中最小二乘法 为最 常用 的方 法 之 一 。在 此 基 础 上 ， 为 达 到更 好 的 定位精度 ， 对计算结果还要作进一步优化 ， 最常用的 优化 算法 有 Ka l ma n滤 波法 和粒 子滤 波法 。 1 ． 2矿 井 定 位 测 距 方 法 1 ． 2 ． 1 场 强分 析法 R S S I 定位 测 距方 法 的基 本 思 想 是 在 已知 发 射 节点信 号 功率 的情 况下 ， 测得 接 收节点 的接收 功率 ， 通过测量接收到的信号强度来推算接收节点到发射 节点的距离。接收信号强度是发射功率和传输距离 的函数 ] ， 其理论值为 S R S S I 一一E 1 O n l g d ／ m -9 A] 3 式中 ， z 为信号传播常数 ； d为发射节点与接收节点 之 间的距 离 ] ， I n； A 为距 离发 射节 点 1 r n处 的接 收 信号强度 ， d B i n 。 由式 3 可 得 1 0 一 斛 R S S I ／ 。 4 1 ． 2 ． 2 时 间 时差 分 析法 电磁波在空中的传播速度恒定 ， 利用该定律 ， 只 要知道信号在空中的传播时 间， 就能计算 出相应的 传播距离 D c t 5 式 中 c 为 电磁 波传播 速 度 ， c 一3 1 0 m／ s ； t 为 电磁 波在空中的传播时间 ， S 。 时 间 时 差 分 析 法 最 典 型 的应 用 为 TOA 和 T DOA 2种定位测距方法 。其中， TOA定位测距方 法 直接 利用 信号 到达 时 间推算 被测 目标 和定 位分 站 之 间 的距 离 ， T DO A 定 位 测距 方 法 通 过 多个 定 位 分 站接收到信号的时间差推算被测 目标和多个不同定 位分站之间的距离差 ， 从而确定被测 目标位置。 另外 ， 和时间分析法相关联 的还有相位分析法。 该方法根据无线电信号传播 中的相位变化与传播时 间呈正 比的原理 ， 通过测量 2个连续信号 的相位差 求取时间或时间差 ， 再依据时间信 号推算 出相应 的 距 离或距 离 差 。 1 ． 3矿 井定 位 常用通 信技 术 越 来越多 的通信技术被 用于动 目标 的位置 检 测 ，目前 常 用 的 有 红 外 、 超 声 波、 激 光、R F I D、 Z i g B e e 、 Wi F i 、 UWB等 通 信 技 术 。但 受 井 下潮 湿 与 煤 尘影 响 ， 红外 、 超 声 波 、 激 光 等 通 信 技 术 实 际应 用 效果无法满足矿井应用需求 ， 目前矿井在用主流通 信技术主要是 RF I D， Z i g B e e ， Wi F i ， UWB等 。 l _ 3 ． 1 RF I D通信 技术 RF I D是 一种 非 接 触 式 的 自动 识 别 技 术 ， 通 过 射频信号 自动识别 目标对象并获取相关数据。一个 简 单 的 RF I D系统 由电子标 签 、 阅读 器 、 天 线 等部 分 组成。根据 电子标签供 电方式的不 同， 电子标签可 分 为有 源 电子 标 签 和 无 源 电 子标 签 。 ] 。考 虑 矿 井 煤 尘 、 空气 潮湿 的影 响及 本质 安全 的要 求 ， 一般采 用 有 源 电子标 签 。每个 电子 标签 具有 唯一 的 I D号 ， 阅 读器与其进行无接触的信息交换 ， 从而获得被测 目 标 的身份 码 ， 再加 上 时 间信 息 和 阅读器 的位 置信 息 ， 形成一个完整的信息包并传 至地面 中心站 ， 经分析 处 理 ， 即可 实现 简单 的定 位功 能和 考勤 统计 、 轨迹 再 现等辅助功能。R F I D通信技术应用于早期开发 的 人 员定 位系 统 中 。 1 ． 3 ． 2 Z i g B e e 通信技术 Z i g B e e 是 一组 基 于 I E E E 8 0 2 ． I 5 ． 4无 线 标 准 研 制开 发 的 ， 有关 组 网 、 安 全 和应 用软件 方 面 的技术 标 准 ， 是 基 于 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4标 准 的低 功 耗局 域 网 协议 。完整的 Z i g B e e协议套件 由高层应用规范、 应 用 会聚 层 、 网络层 、 数 据链 路层 和 物理层 组 成 。网络 层 以上 协议 由 Z i g B e e 联盟 制 定 ， I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4负 责物理层和链路层标准 。采用 Z i g B e e通信技术 的 定 位 系统大 多基 于 场 强 分 析 的测 距 方 案 ， 适 用 于定 位 精度 要求 不 高 的场合 。 1 ． 3 ． 3 Wi F i 通 信技 术 Wi F i 是 I E E E定义 的一 个无线 网络通 信 的工 业 标 准 I E E E 8 0 2 ． 1 1 x ， 是 以 太 网 的 一 种 无 线 扩 展 。目前 ， Wi F i 包括 I E E E 8 0 2 ． 1 l a ／ b ／ g ／ n ， 主要 目 的是提 供 WL AN 接入 ， 也 是 目前 WL AN 的 主要 技 术 标 准 。W i F i 是 目前 在 矿 井 中应 用 较 广 泛 的无 线 通 信技 术 之一 ， 其 在人 员 定 位 方 面 主 要 用 于 实 现 区 域 定 位和基 于场强 分 析 的精 确 定 位 ， 定 位 精 度 相 对 较低 ， 一般为 1 O ～3 0 1T I ， 若辅 以信 号特征法 指 纹 法 ， 精 度 可达 2 ～1 0 m。 1 ． 3 ． 4 UWB通信 技术 UWB通 信技 术 采 用 无 载 波 的 通 信 方 式 ， 利 用 纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据 。通过在 较宽的频率范 围上传送极低功率的无线通信信号 ， 5 4 工矿 自动化 2 0 1 8年第 4 4卷 uWB通信技术具有抗干扰性能强、 传输速率高、 系 统 容量 大 、 电量消耗 低 、 发送 功率 小等 优势跚 。基 于 UWB通信技术的定位 系统是 目前矿井定位精度最 高 的无 线定位 系统 ， 采用基 于 T DOA 的测 距 方法 时 定 位精 度可 达 0 ． 1 5 1T I 嘲 。 2矿 井定位 技术应 用 当前 ， 矿 井定 位 技 术 主要应 用 于 矿井 人 员定 位 设备 管理 系统 和大 型移动 设 备近 感 检测 装 置[ ] ， 大多采 用基 于 R S S I ， T OA 和 TD OA 测距 的 定位 方 法。基于 TO A和 T DO A 的定位方法简单， 易于实 现 ， 且 精度 较高 ， 但对 时 间准 确性 要 求 严格 ， 对硬 件 要求较高 ； 基于 RS S I的定位方法无需额外 的传感 器设 备 ， 成 本较 低 ， 但 受环 境 影 响较 大 ， 定 位 精 度相 对 较低 。 2 ． 1 矿 井人 员定位 系统 矿井 人员 定位 系统 可实 现 以下功 能 ① 标 志卡 管 理功 能 。在 标志卡 内写入 井 下人员 姓名 、 工 号 、 年 龄、 班组等信息， 在地面中心站数据库中录入标志卡 编码及员工、 设备的对应信息 ， 确保井下人员、 设备 具有唯一的标志码， 便于统一管理。② 定位信息应 用 功能 。可提供 井 下 人员 和 设备 的轨 迹 、 人 员 考 勤 等信息 ， 其结果可以图形和报表 的形式存档 。③ 定 位显示功能。通过定位方法确定并实时显示井下人 员 和设备 的位 置 ， 跟 踪 目标 路 径 。④ 救 援 辅助 决 策 功能 。可依据定位 数据 和来 自其 他监 测 系统 的环 境 数据进行 分析决策 ， 为遇 险者提 供最佳撤离路线【 1 。 2 ． 2 大型移 动设备 近感检 测装 置 近年 来 ， 矿 井定 位技术 逐步 应用于 人员 、 车辆 的 接 近检测 ， 以防止 意 外 碰撞 事 故 的 发生 。中 国 已研 制推出了首套实现井下人员接近双向报警和设备 自 动 停机 的矿用 近感探 测装 置 。该 装置 将设备 附近设 置为安全区、 操作 区、 告警区和危险区。安全区是远 离设备的区域， 当人员处于安全区时， 设备正常运行； 操作 区为驾驶人 员所 在 区域 ， 当人 员处 于操 作 区时 ， 设备 正常运行 ； 告 警 区离设 备相 对较 近 ， 当人 员进 入 告警区时， 发出双向预警； 危险区离设备最近， 当人员 进入危险区时， 设备 自动停机， 以保障人身安全[ 1 。 该装置可应用于矿井各类作业装备 ， 如连续采煤机、 梭车、 锚杆机、 掘进机、 支架搬运车等大型移动设备。 3矿 井定位 技术发 展趋 势 煤矿 企业 要实现 “ 机 械化 换 人 、 自动 化减 人 ” 的 目标， 关键是要减少人员对设备的操控和干预， 使相 关设备 自动作业 ， 因此 ， 设备的自主导航显得尤为关 键 ， 相 应地对 矿井 定 位 系统 的定 位精 度 、 适 用 场合 、 服务方式提出了更高的要求 ① 高性能 。更高的精 度 、 更 快 的 反 应 速 度 ， 多 维 度 、 大 容 量 、 广 覆 盖 。 ② 新方 式 。信 息 利 用 由集 中式 到 分 布 式 和集 中式 共存 ； 信息方式由一维到二维 、 三维 ； 多环境无缝衔 接 ； 服务平 台开放 、 共享 。 单一的定位技术将无法满足井下复杂应用的需 求 。未来的矿井定位系统或装备将会综合利用无线 超高频测距、 惯性导航 、 多源混合定位与多源信息融 合 等技术 ， 组成 一个 面 向服 务 的定 位服务 系统 ， 实现 井下 人 员和设 备 的精 确定 位 、 大 型 移动 设 备 人 员接 近检测 、 采掘装 备 与井 下搜 救 人 员 机 器 人 自主 导 航与定位等服务。 4 结 语 目前 ， 矿 井定位 技术 和室 内定位技 术基 本 同步 ， 基本满足矿井人员定位和设备近感检测的需求 。受 井下环 境条 件 的影 响 ， 地 面 相 对成 熟 的基 于 图像 分 析、 磁场分析 、 压力感应及光跟踪等的定位技术在煤 矿井下 的应 用还 没有展 开 ， 需 要进 一步研究 ； 行 为感 知、 目标识别及即时定位与地图构建等新功能也将 逐步研 究并 实现 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] RAHMAN R M， B AR KE R K， A L HAJ J R ． R e p l i c a pl a c e me nt i n d a t a g r i d c on s i de r i n g ut i l i t y a nd r i s k [ c ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e on I nf or ma t i on Te c hn ol o gyCo di n g a n d Co mput i n g， La s Ve ga s， 2 00 5 35 4 35 9． [2 ] 陈方晓． 基于异步 T OA估计 的超 宽带室 内定位 系统 的研 究 与 实 现 [ D] ．深 圳 哈 尔 滨 工 业 大 学 深 圳 ， 2 0 1 2 ． [3 ] 殷桂 华 ， 王小辉 ， 雷毅谈 ． 基 于 T DO A 的室 内运动 目 标 双 曲线 R F I D定 位方 法 [ J ] ． 计 算 机 应 用 ， 2 0 1 4 ， 3 4 增 刊 2 5 2 5 4 ． YI N Gui hu a， W ANG Xi a ohu i ， LEI Yi t a n． RFI D h ype r b ol i c po s i t i on i n g u s i ng TDOA me t h od f or i nd oo r mo v i n g t a r g e t E J ] ． J o u r n a l o f C o mp u t e r A p p l i c a t i o n s ， 2 O 1 4 ， 3 4 S 2 5 2 5 4 ． [ 4] 王同泉 ， 崔建民． 基于 Z i g b e e的井 下人员定 位监测 系 统 的设计与研究E J ] ． 电气技术 ， 2 0 1 2 4 1 7 2 0 ． W ANG To n g q u a n，CUI J i a n mi n ． De s i g n i n g a n d r e s e a r c h o f un de r mi ne pe r s on ne l p os i t i o ni ng a nd mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n Z i g b e e [ J ] ．E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g， 2 0 1 2 4 1 7 2 O ． [5 ] 刘洋 ， 杨 洁明． 基 于 C C 2 4 3 1的井下 人员 定位方 法研 究[ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 1 0 ， 3 1 6 4 9 5 l _ 第 4 4卷 第 2 期 2 0 1 8年 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t omat i o n V0 L 4 4 NO ． 2 Fe b ． 2 O1 8 ◆ ’ ◆ ◆ ’ ◆ i实验研究 - ．◆ ◆ ． ． 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 2 0 0 5 5 0 8 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 1 0 0 0 4 6 夹矸对煤层瓦斯抽采影响的数值模拟研究 刘泉霖 ， 王恩元 。 ， 李忠辉 。 ， 孔祥国 1 ． 中 国矿 业大 学 煤矿 瓦斯 与火 灾 防治 教育 部重 点实 验 室 ，江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 中 国矿 业 大学 安 全工 程学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 为解决含 夹矸 煤层 瓦斯抽采钻 孔的合 理布 置 问题 ， 通 过建 立 瓦斯抽 采 的煤岩 体 变形控 制 方程 、 瓦斯 运移控 制方程 和孔 隙率 与渗 透 率 演化 方程 ， 结合 瓦斯抽 采 的初 始及 边界 条件 ， 推 导 出 了瓦斯抽 采 固气耦 合 模 型 。利 用 多物 理场分析软件 C O MS OL Mu l t i p h y s i c s ， 并结合 某矿 I vl 。 煤 层 的实 际地 质条 件 ， 对 煤层 单一抽 采 钻 孔周围煤体的瓦斯压力、 渗透率、 位移的分布规律进行 了数值模拟与分析， 确定 了含夹矸煤层瓦斯抽采钻孔的 孔 间距 ， 从 而为含 夹矸煤层抽 采钻孔 的优 化 布置提 供 了依 据 。研 究 结果表 明 ， 在 瓦斯 抽 采过程 中， 随 着煤体 距 钻孔距 离的减小， 煤层不合夹矸时钻孔周 围煤体瓦斯压力下降幅度、 渗透率上升幅度最小， 钻孔周 围煤体位移 量最大； 钻孔未穿过夹矸时钻孔周围煤体瓦斯压力下降幅度、 渗透率上升幅度最大， 钻孔周围煤体位移量最小。 关键 词 煤炭 开采 ；含 夹矸 煤 层 ；瓦斯抽 采 ；固气耦 合模 型 ；抽采 钻 孔 ；孔 间距 中图分类号 T D7 1 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 8 0 1 1 8 1 6 0 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 8 0 1 1 8 ． 1 4 0 3 ． 0 0 1 ． h t r n l 收稿 日期 2 0 1 7 1 0 2 2 ； 修 回日期 2 0 1 7 1 2 2 9 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 5 7 4 2 3 1 。 作者简介 刘泉霖 1 9 9 3 一 ， 男 ， 江苏东海人 ， 硕士研究生 ， 主要研究 方向为煤岩瓦斯动力灾害及 多场耦合 ， E ma i l L i u q l s e c u r i t r } 1 2 6 ． c o rn。 引用格式 刘泉霖 ， 王恩元 ， 李忠辉， 等． 夹矸对煤层 瓦斯 抽采影 响的数 值模拟研究 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 2 5 5 6 2 ． L I U Qu a n l i n ， WANG E n y u a n ， L I Z h o n g h u i ， e t a 1 ．Nu me r i c a l s i mu l a t i o n s t u d y o n i n f l u e n c e o f g a n g u e o n c o a l s e a m g a s d r a i n a g e [ J ] I nd u s t r y a n d Mi ne Au t o ma t i o n， 2 01 8， 4 4 2 55 6 2 [6] [7] [8] [ 9] LI U Ya n g，YANG J i e mi n g ．S t u d y o n p o s i t i o n i n g me t h o d f o r u n d e r p i t o p e r a t o r s b a s e d o n C C 2 4 3 1 [ J ] ． Co a l Mi n e Ma c h i n e r y， 2 0 1 0 ， 3 1 6 4 9 5 1 ． 朱煜钰 ， 王增胜． 基 于物 联 网 R F I D的人员 定位 研 究 [ J ] ． 科技资讯 ， 2 0 1 0 2 2 1 9 2 0 ． 顾 煊． 基 于 R F I D 的定 位跟 踪 管理 技 术研 究 与 开 发 [ D ] ． 上海 上 海交通大学 ， 2 0 0 7 ． 祖军 ， 郝润科 ， 杨光． UWB技术在 消 防员位置 定位 系 统研 究 与 应 用 [ J ] ． 计 算 机 系 统 应 用 ， 2 0 1 2 ， 2 1 8 1 56 15 9 ． Z U J u n， HAO Ru n k e ， YANG Gu a n g ． S y s t e m r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n b a s e d o n UW B t e c h n o l o g y i n f i r e l o c a t i o n[ J ] ．C o mp u t e r S y s t e ms 8 L Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 1 2， 2 1 8 1 5 6 1 5 9 ． 肖竹 ， 王勇超 ， 田斌 ， 等． 超宽带定位研究 与应 用 回顾