【摘要】：煤礦機(jī)器人已成為煤礦安全基礎(chǔ)設(shè)施的一部分。然而,煤礦井下氣體環(huán)境中的有毒有害氣體的狀況是未知的,所采集的井下氣體環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)程度和影響關(guān)系都沒有表現(xiàn)出來,難以判斷煤礦井下氣體環(huán)境的安全狀況。為滿足煤礦機(jī)器人的動力需求,絕大多數(shù)煤礦機(jī)器人采用隔爆驅(qū)動,為了防止煤礦機(jī)器人出現(xiàn)故障或翻滾碰撞的情況下引起瓦斯煤塵爆炸,煤礦機(jī)器人不能進(jìn)入高濃度瓦斯區(qū)域(稱為危險氣體區(qū)域),尤其是在0區(qū)環(huán)境(即連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境)。因此,研究煤礦井下氣體環(huán)境檢測、安全評估和自主避險是煤礦機(jī)器人順利進(jìn)入礦井執(zhí)行探測和救援任務(wù)的前提,具有重要的理論意義和實踐意義。本文針對井下氣體環(huán)境檢測、安全評估和機(jī)器人自主避險進(jìn)行展開研究,主要內(nèi)容如下:(1)對煤礦井下氣體環(huán)境進(jìn)行了分析。研究井下氣體特性,尤其是瓦斯?fàn)顟B(tài),瓦斯來源,及運(yùn)動形式。以實際煤礦為依據(jù)建立了直巷道、彎曲巷道、交叉巷道、傾斜巷道等多種巷道幾何模型,用數(shù)值分析的方法模擬瓦斯和CO等多組分氣體在不同涌出情況、不同巷道類型、不同風(fēng)速等條件下的分布規(guī)律,并通過實測煤礦巷道中各個位置的瓦斯數(shù)據(jù)和模擬的情況對比,驗證了井下氣體環(huán)境數(shù)值模擬的可靠性。為下氣體環(huán)境的檢測系統(tǒng)的設(shè)計,布置在煤礦機(jī)器人上的瓦斯氣體傳感器位置及數(shù)量,煤礦機(jī)器人的巡檢路徑和運(yùn)動決策等提供了依據(jù)和指導(dǎo)方向。(2)研究了井下氣體環(huán)境的檢測和數(shù)據(jù)處理。從硬件和軟件兩個方面設(shè)計了井下氣體環(huán)境的檢測系統(tǒng),并對主要功能進(jìn)行了效果測試。為提高傳感器原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,用時間序列融合算法降低單個傳感器的噪聲干擾和測量誤差造成的檢測數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性;用模糊推理數(shù)據(jù)融合算法對多個瓦斯傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合獲得機(jī)器人當(dāng)前位置精確的瓦斯信息。仿真和試驗結(jié)果均表明,多瓦斯傳感器的模糊推理數(shù)據(jù)融合方法能對機(jī)器人當(dāng)前位置的瓦斯?fàn)顟B(tài)做出相應(yīng)的判斷,這為煤礦機(jī)器人的自主避險提供了依據(jù)。(3)提出了基于FCE-ANP的煤礦井下氣體環(huán)境的安全評估方法。結(jié)合三角模糊數(shù),將ANP融入到FCE用于煤礦井下氣體環(huán)境的安全評估。建立了煤礦氣體環(huán)境安全評估指標(biāo)體系,對安全評估的指標(biāo)進(jìn)行合理的量化,并給出指標(biāo)因素之間的關(guān)聯(lián)性。構(gòu)建煤礦井下氣體環(huán)境的安全評估模型,確定因素集、評語集,計算評估指標(biāo)的隸屬度、FCE-ANP的權(quán)重等。用從實際煤礦所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行井下氣體環(huán)境的安全評估實例驗證,結(jié)果表明所提出的煤礦井下氣體環(huán)境的安全評估方法和構(gòu)建的安全評估模型是合理有效的,這對煤礦機(jī)器人的行進(jìn)方向和路徑規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)意義。(4)提出了基于速度分解法的機(jī)器人主動避險算法。為使得機(jī)器人自主避險時具有良好的運(yùn)動響應(yīng),設(shè)計了機(jī)器人的SOA-PID速度控制器。將自主避險算法融入路徑規(guī)劃算法,調(diào)整機(jī)器人的局部路徑。仿真實驗結(jié)果表明,采用避險算法結(jié)合Dijkstra算法得到的機(jī)器人路徑不僅能自主避險,還比用Dijkstra算法得到路徑的總長要短11.66m,節(jié)約大量煤礦機(jī)器人的時間;當(dāng)路徑中出現(xiàn)環(huán)境信息突變時,通過調(diào)整機(jī)器人的局部路徑,使得機(jī)器人能夠可以快速完成當(dāng)前路徑的調(diào)整。(5)實驗和應(yīng)用。分別在實驗室氣體環(huán)境和相對封閉的模擬巷道氣體環(huán)境進(jìn)行機(jī)器人自主避險試驗。通過機(jī)器人兩側(cè)氣體傳感器的輸出電壓隨時間變化的曲線,了解和分析自主避險過程中危險氣體的分布及濃度變化,氣體傳感器連續(xù)兩次輸出的信號變化范圍很小,證實了SOA-PID速度控制方法的有效性。然后將氣體環(huán)境檢測、安全評估及自主避險應(yīng)用到煤礦機(jī)器人上,在瓦斯煤塵爆炸試驗場地進(jìn)行煤礦探測機(jī)器人自主避險試驗。結(jié)果表明,煤礦機(jī)器人能夠?qū)崟r檢測當(dāng)前位置的氣體環(huán)境并給出數(shù)據(jù)融合結(jié)果和安全評估結(jié)果;煤礦探測機(jī)器人能夠躲避障礙和危險氣體區(qū)域,且當(dāng)危險氣體區(qū)域的變化時,所提出的自主避險算法能夠?qū)崿F(xiàn)局部路徑調(diào)整并自主避險。本文的研究成果,將提高煤礦機(jī)器人的智能化,提高機(jī)器人的工作效率和安全性,可有效避免災(zāi)害事故的發(fā)生。
【圖文】：

圖 2-1 顧橋煤礦 1124（3）區(qū)段的示意圖Figure 2-1 Sketch map of 1124 (3) section of Gu Qiao coal mine文以巷道的模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，假設(shè)條件為：1）有前文的分析假定井下的氣體為不可壓縮氣體，井下的風(fēng)流為湍流狀2）假定風(fēng)流在巷道較低速度流動時，由于氣體粘性導(dǎo)致的做功，損失的略不計。3）巷道內(nèi)的氣體運(yùn)動及擴(kuò)散過程忽略傳熱過程，巷道的壁面的溫度及氣生變化。4） 風(fēng)流和井下氣體（瓦斯）的混合而成的氣體看作理想氣體，且它們在運(yùn)動中不發(fā)生化學(xué)作用。5）環(huán)境溫度設(shè)為常溫，不和外界進(jìn)行熱量交換。用三維軟件 Creo 進(jìn)行巷道的三維建模，完成幾何模型的構(gòu)建后，即要把為有限個微小網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞不僅影響到數(shù)值模擬的計算收斂，，還的精度有著直接的影響。本文采用和 FLUENT 配套的前處理軟件 Gambi進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)各個巷道模型的特點采用正六面體網(wǎng)格單元（Hex）、

(e) 上傾斜巷道 (f) 下傾斜巷道圖 2-2 巷道的幾何模型Figure 2-2 Geometrical model of roadway2.3.3 模擬的過程及參數(shù)設(shè)置上一小節(jié)提到巷道模型的網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量將對數(shù)值模擬的效率和結(jié)果有不量的影響，此外，在 FLUENT 軟件中，選擇合適的求解器、選取合適的計算模確定和設(shè)置初始條件和邊界條件等都將決定性的影響著模擬結(jié)果。故采用 FLU模擬前提是要有相應(yīng)的氣體動力學(xué)理論，還要結(jié)合一些實驗研究，這樣得到的模果才相對理想一些。本文應(yīng)用最新版的 ANSYS 系統(tǒng)中的 FLUENT 軟件進(jìn)行巷體分布進(jìn)行模擬和計算。（1）選擇求解器求解器 Solver 的選擇，一種是基于壓力的 Pressure-Based Solver，另一個是密度的求解器 Density-Based Solver，這兩種 Solver 的對象是一樣的，均對各類流題的求解適用，求解的控制方程也相同，但各有側(cè)重，選擇合適的 Solver 還是有的，Density-Based Solver 側(cè)重于高速可壓流體，強(qiáng)耦合的流體運(yùn)動，尤其是用比
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP242


本文編號：2653317