矿山智能化理论与技术专题

• 超大采高工作面煤壁稳定性分析及片帮预测研究

  任怀伟;刘凯;李建;赵叔吉;韩存地;王龙;李济洋;

  目的 为了解决超大采高工作面煤壁片帮难题，方法 通过理论分析与现场实测研究煤壁片帮机理，采用数值模拟对不同采高条件下煤壁的破坏过程进行模拟，探讨采高和顶板压力与煤壁片帮之间的关系，并基于现场数据，利用机器学习方法进行片帮预测，比较并选择最优的预测模型。结果 研究发现，超大采高工作面煤壁片帮主要发生在煤壁的中上部，随着采高和支承压力的增加，片帮破坏程度呈加剧趋势。分析得到片帮稳定性系数计算公式，发现稳定性系数随顶板压力和采高的增加而增大。数值模拟结果表明，当采高从6 m增至10 m时，煤壁破碎程度和片帮深度显著增加，且片帮深度在顶板来压时达到峰值。数据分析结果表明，煤壁片帮是煤壁、液压支架和顶板相互作用的结果，合理的支护高度和良好的液压支架支撑力是降低片帮风险的关键。最后，采用机器学习方法对煤壁片帮进行预测，比较多种常见的机器学习算法，发现KNN方法的预测准确率最高，达77.46%。然而，现有机器学习方法在片帮预测上的准确性仍需进一步提高。结论 研究结果揭示了超大采高工作面煤壁片帮的发生机理，提出了片帮预测的新思路，即随着采高和顶板压力增加，煤壁片帮风险加大，采用机器学习方法可以有效预测片帮发生的可能性，这为超大采高工作面煤矿安全生产提供了理论支持和技术保障。

  2025年03期 v.44;No.224 1-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 1551K]
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• 金属非金属矿山作业链数智化技术体系研究

  王李管;刘永春;张炬;

  意义 矿产资源是现代工业与社会发展的重要物质基础。然而，我国矿山企业普遍面临资源品位低、矿区规模小且空间分布分散等突出问题，传统矿山作业模式难以满足新常态下对生产效率、安全保障、产品品质和精细化管理的更高要求。因此，构建以作业链为核心的矿山数字化技术体系，推动矿业产业向数字化、智能化全面转型升级，已成为矿业培育新质生产力、实现高质量可持续发展的关键路径。进展 在资源数字化领域，国内企业已成功研发出具有国际领先水平的数字化技术与产品体系，实现了矿产资源全生命周期的建模、评价、设计、优化与管理的全面数字化；在智能作业方面，井下装备的高精度定位、智能路径规划和自动驾驶技术已实现工程应用；在安全保障领域，研发了基于微震监测的自动事件拾取与智能预警软硬件系统，构建了集“认知-感知-管执”于一体的矿山数智化安全技术体系；在可视化管控层面，以多源异构数据融合为基础，通过数字孪生技术手段，实现了矿山多系统协同联动与多装备集群的高效调度管控。结论与展望 未来的矿山数智化作业链技术体系将通过多模态感知、工艺优化、全流程智能化、数据资源化、大模型智能体和云端开采的有机融合，构建一个高度智能化、协同化、安全化的矿山生产管理生态系统，实现数据到决策的闭环智能管控。

  2025年03期 v.44;No.224 12-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 1433K]
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• 特厚煤层采放协调智能群组放煤工艺模型及关键技术研究

  李东印;王祖洸;王伸;李化敏;彭维平;李红斌;张国澎;张旭和;

  目的 综放开采是特厚煤层安全高效的开采方法，放煤环境复杂多变、采放协调难度大、放煤工艺及参数受控因素多，导致智能化综放开采尤其是智能放煤控制技术发展较为缓慢。针对特厚煤层综放面群组放煤下的智能化放煤控制难题，方法 采用理论分析、实验室仿真试验、计算机控制软件研发、现场试验与示范等方法，以“智能群组放煤机理-采放协调控制理论及方法-放煤工艺决策模型-放煤软件现场应用”为主线展开深入研究。结果 结果表明：提出多放煤口群组协同放煤方法，以连续群组放煤为例，揭示了多放煤口群组协同放煤下的顶煤放出体和煤岩分界面的空间关系；深入剖析综放工作面的采放协调关系及群组放煤逻辑，提出特厚煤层综放面采放协调智能放煤控制理论，构建了综放面采放时间、空间和运能协调控制模型和基于强化学习及隐马尔科夫随机场模型的群组放煤协同控制决策方法，为智能化放煤决策与精准控制提供可靠理论基础；深度融合地质信息与采放工艺参数，建立了综放面多源信息数据库，为智能决策及数字孪生提供数据基础。结论 基于群组放煤条件下的采放协调特征，构建了智能放煤决策模型，自主研发智能放煤决策系统（软件），实现了智能放煤工作面年产1 500万t。

  2025年03期 v.44;No.224 22-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 1471K]
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• 煤矿开采光纤智能感知关键技术体系

  冯豪天;方新秋;乔富康;陈宁宁;宋扬;贺德幸;梁敏富;吴刚;吴洋;

  煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的必由之路。目的 针对目前煤矿智能化建设中井下巷道与装备姿态感知不全面、精度待提升、多源数据融合弱等问题，方法 根据煤矿井下监测对象特征，采用理论分析与试验相结合研究光纤传感原理、光纤封装与传感器开发，并基于光纤传感器分别构建巷道状态与工作面装备姿态的感知技术体系，且在煤矿井下进行现场应用。结果 结果表明，提出的光纤光栅感知信息传递力学模型与光纤的3种封装方法，适用于煤矿井下环境；基于光纤传感器搭建的井下巷道状态与工作面装备姿态感知技术体系在煤矿井下成功应用，实现了对井下巷道状态与工作面装备姿态的实时监测。光纤传感技术可用于煤矿井下巷道状态与工作面装备姿态监测，精度与稳定性较好；结论 融合监测的布点式光纤传感器与三维激光扫描技术提出巷道空间立体的智能感知技术体系和融合光纤传感器与惯性导航仪器提出的三机装备姿态智能感知技术体系，为未来煤矿智能感知的发展提供了技术思路，为实现煤矿高效智能安全绿色的常态化运行打下了坚实的基础。

  2025年03期 v.44;No.224 34-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 1256K]
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• 基于全向激光雷达的液压支架护帮板与采煤机防撞监测预警系统研究

  王浥晨;王学文;马凯;李辉;倪强;谢嘉成;

  目的 针对采煤机运行过程中滚筒与液压支架护帮板易发生碰撞，而现有监测设备传感器数据融合处理复杂、精度受限且有滞后性等问题。方法 提出一种基于全向激光雷达的液压支架护帮板与采煤机空间相对位姿解算方法，对液压支架护帮板与采煤机防撞监测进行研究。该方法可分为3部分：（1）将二维激光雷达和精密旋转云台组成的三维激光扫描系统安装在液压支架顶梁下方，对目标物进行数据采集，建立护帮板与采煤机滚筒位姿解算模型；（2）结合SIFT算法提取特征点，对采煤机滚筒和液压支架护帮板的相对位姿进行实时解析，并建立行为数据库；（3）建立分级预警机制，通过Unity 3D可视化界面输出护帮板状态是否异常，并及时发出警报。结果 对实验室10组液压支架护帮板与采煤机滚筒位姿信息多次解算并判断是否发生碰撞，结果表明：护帮板伸缩位移平均误差1.5 cm，护帮板倾角平均误差1.7°时关键点坐标解算x轴相对误差为4.5%,y轴相对误差为3.6%,z轴相对误差为2.8%。5种工况下，x,y,z坐标轴方向绝对误差均值均<3.5 cm，通过位姿信息解算能够有效评估其截割干涉状态并确保评估结果与实际情况相符，满足应用需求。结论 该方法以较低成本获取护帮板和滚筒在三维空间中的相对位姿信息，且精度较高，实时监测碰撞状态，有利于提高井下设备的安全性和综采工作面的稳定性。

  2025年03期 v.44;No.224 44-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 1352K]
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• 基于EtherCAT的液压支架智能控制系统研究

  王磊;孙凯;袁瑞甫;齐俊艳;

  目的 液压支架是煤矿开采的关键设备之一，为了解决液压支架通信网络通信速率低与同步性差的问题，方法 以支撑掩护式液压支架为对象，设计一套完整的智能控制系统，深入探讨液压支架的数据传输与控制问题。EtherCAT通信基于标准的以太网数据帧，优化了协议栈的应用层和数据链路层。将EtherCAT总线应用于整个液压支架通信网络，完成液压支架智能控制系统的软硬件设计。将液压支架的单架控制、邻架控制和成组控制等命令结合EtherCAT报文嵌入以太网数据帧中，实现直达I/O的以太网控制。基于建立的液压支架运动模型，利用EtherCAT总线的高精度分布式时钟（DC）同步机制，实现对采煤机位姿及液压支架升降、推进、移动等动作的精确控制。结果 采用EtherCAT总线替代传统的CAN总线后，通信速率从1 MB/s提升至100 MB/s，显著增强了数据传输的速度和效率。同时，网络拓扑结构从单一的总线型扩展为更加灵活的混合拓扑结构，适应范围更广。主站对液压支架的统一管理和控制，有效简化了网络管理的复杂性。利用EtherCAT的分布时钟（DC）同步机制，实现了微秒级的运动控制更新周期，确保了液压支架从站与主站之间的快速数据交换。结论 通过引入EtherCAT总线技术，显著提升了液压支架的控制效率和通信速率。研究结果不仅完善了智能无人采煤开采技术体系，为后续研究及现场应用提供了重要参考，还对促进煤矿工作面的安全高效生产具有重要意义。

  2025年03期 v.44;No.224 53-63页 [查看摘要][在线阅读][下载 1772K]
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• 一种基于多源监测信息融合的煤仓监测管理系统

  王学记;马趁想;范俊锴;

  目的 大型煤仓缺少有效的监测管理方法是导致煤仓散煤堵塞的一个重要原因，通过多种监测手段并结合管理软件系统，对大型煤仓内的散煤储藏状态进行监测和管控，为煤仓的高效利用提供技术支持。方法 基于多源信息融合，提出一种大型煤仓监测管理系统。硬件方面，通过单点式雷达料位计、3D雷达料位计、原煤在线灰水仪等对入仓散煤的储存状态进行监测。软件方面，通过开发料位管理平台、中控系统、边缘设备系统等对煤仓监测数据进行管理和在线显示。结果 工程测试结果表明，采用单点式雷达料位计和3D雷达料位计相结合的方法，可准确获得煤仓内散煤的储存容量状态，实现煤仓内散煤料位的实时监测。通过在煤仓入料口布置在线灰水仪可实现入仓散煤含水量和灰分含量的实时监测。煤仓监测管理系统软件，可对煤仓监测数据进行系统化管理，并与煤仓卸料装车的磅单数据对接，实现煤仓储存状态系统化管理。将煤仓管理系统的散煤储存数据与散煤流动性智能化算法相结合，可有效控制煤仓清堵装备技术参数，实现煤仓的自动清堵。结论 煤仓监测管理系统实现了对煤仓的实时监控和智能管理，煤质分层实时跟踪，为煤矿智能装车提供有效准确数据，极大提高了煤仓管理的精确性和响应速度。

  2025年03期 v.44;No.224 64-70+88页 [查看摘要][在线阅读][下载 1271K]
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• 煤矿井下三维透明地质环境建设探索

  文广超;王一博;冯雅杰;周彦斌;张一帆;赵梦余;

  目的 为推进智慧矿山建设，保障掘进条件可视、可预、可控，实现煤炭安全精准回采，方法 基于矿井钻探、物探、测绘、观测等相关数据，以地质学和地统计学为基础，考虑煤矿井下地质要素特征，综合运用数据标准化、三维建模、可视化表达、统计分析等技术手段，从煤矿井下地质要素三维建模与可视化、断层识别与可视化、井巷工程可视化3个方面开展研究。建立矿井地质大数据中心，制定煤矿井下透明地质环境动态可视化建设方案；构建三维地质动态模型，实现关键地质体及工作面透明化；提出基于钻孔、地形、剖面、井巷等数据的隐伏小断层识别方法，建立小断层识别模型，实现小断层自动识别及可视化；自主研发矿井地质环境三维可视化平台，并对以上成果进行案例验证，结果 结果表明，地质要素三维可视化结果与实际揭露情况吻合较好，可以反映岩层、煤层、断层的空间展布特征，实现了煤矿井下地质环境的实时动态更新，能够较为准确地识别3 m以下小断层。结论 研究结果可为煤矿安全生产提供技术支撑。

  2025年03期 v.44;No.224 71-80页 [查看摘要][在线阅读][下载 1568K]
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• 基于YOLOv5的瓦斯抽采钻杆智能计数研究

  赵伟;张文康;刘德成;王涛;王登科;夏代林;周礼赞;李志飞;

  目的 随着煤矿开采逐渐深入，瓦斯抽采作业的安全风险不断增加，钻杆计数的准确性对保障瓦斯抽采的安全和效率至关重要。传统的钻杆计数方法效率低、易出错，且难以适应复杂环境。方法 本文基于YOLOv5深度学习模型，提出了一种结合时空信息融合的钻杆智能计数方法，通过实时处理煤矿井下的视频数据，实现钻杆的自动检测与计数。实验数据包括7组28段模拟退钻场景和10组真实退钻场景。为了增强模型的鲁棒性，采用过亮、过暗、烟尘噪声和镜像等数据增强技术。此外，对YOLOv5的不同版本（YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l、YOLOv5x）进行比较，选择最优模型进行钻杆计数。计数过程中，结合钻杆面积跳变、IOU跳变等前置更新条件，进一步优化钻杆数量更新的准确性。结果 结果表明，4种YOLOv5模型在当前数据中均达到了99.5%的准确率和100%的召回率，因此采用YOLOv5s作为后续计数检测模型。结论 本文方法在模拟和真实退钻场景下均实现了100%的正确计数，展现出较高的准确性和鲁棒性。通过减少人工干预，显著提高了钻杆计数的自动化水平，具有广泛的应用前景，尤其在煤矿安全生产及其他工业自动化监控领域具有重要意义。

  2025年03期 v.44;No.224 81-88页 [查看摘要][在线阅读][下载 1343K]
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• 三维激光扫描技术在地下矿山中的应用综述与展望

  任助理;朱红洋;袁瑞甫;王伸;

  意义 为了解三维激光扫描技术在地下矿山领域中的研究进展，探讨其在实时监测、安全管理和精准采矿等方面的应用，并分析移动式激光扫描（MLS）与地面式激光扫描（TLS）技术在不同矿山环境中的优势，以便能够更好地服务地下矿山开采。通过检索中外文数据库，综述了学者们近年来在三维激光点云技术及其在矿山领域中的应用研究成果，探讨了该技术的研究现状和未来发展方向。进展 结果表明，三维激光扫描技术在地下矿山的多个领域发挥了关键作用，特别是在快速三维建模、岩体结构面识别、巷道监测、支护质量评价、采空区探测、定位导航和数字矿山建设等方面。结论与展望 尽管三维激光扫描技术展现了强大的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，三维激光扫描获取的数据量庞大，如何高效处理和分析数据，尤其是在实时动态监测和大规模数据处理方面，仍是技术发展的难点。其次，矿山环境复杂多变，恶劣的工作条件对激光扫描设备的性能和稳定性提出了更高要求，如何保证设备在地下矿山环境中的适应性和耐用性是技术发展的瓶颈之一。最后，如何实现多传感器融合技术，进一步提高数据采集的精度和全面性，也是当前研究的重点。

  2025年03期 v.44;No.224 89-100页 [查看摘要][在线阅读][下载 1219K]
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地质·测绘·环境

• 西山煤田屯兰区块煤层气低产井的增产改造措施及效果分析

  王昱;宋晓夏;胡咤咤;刘彦飞;杜立强;祁炜;阎纪伟;郭浩;陈伟东;

  西山煤田屯兰区块煤层气开发已具一定规模，但部分煤层气井产气效果未达到预期，亟待开展针对性的增产改造措施，以期提高气井产量。目的 为了探究屯兰区块煤层气井的初次压裂改造特征与低产井的增产改造效果，方法 以屯兰区块煤层气井的地质和工程资料为基础，气井产量为依据，102口直井和7口水平井为研究对象，压裂曲线类型、破裂压力特征与产能特征为切入点，分析研究区内煤层气井的初次压裂改造特征，采用生产动态分析方法探讨加密煤层气井井网技术对低产井的增产效果。结果 结果表明，屯兰区块煤层气井初次压裂改造时压裂曲线类型可划分为稳定型、下降型、上升型、波动型4种，其中，下降型和稳定型压裂曲线更有利于煤层气抽采；研究区中波动型和上升型曲线类型占比偏高，反映了煤层破裂难度较大、非均质性较强；通过在先导试验区进行加密煤层气井井网增产改造，在直井间加密布设7口水平井，其附近9口低产直井的平均日产气量显著提高，由150～800 m~3/d提升至330～6 000 m~3/d，验证了该技术的有效性；研究区内煤层气井产气量低的主要原因是煤储层原始渗透率低、初次压裂改造不充分，加密煤层气井井网技术是一种行之有效的低产井增产改造措施。结论 研究结果可为本区或类似地区煤层气低产井增产改造提供指导与借鉴。

  2025年03期 v.44;No.224 101-111页 [查看摘要][在线阅读][下载 1440K]
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• 基于时空融合模型和TVDI的土壤水分监测方法研究

  赵军;刘坚;胡飞鹏;托瑞;孙紫云;

  目的 针对以往利用温度植被干旱指数（temperature vegetation dryness index,TVDI）监测土壤水分时多采用MODIS或Landsat TIRS/TIRS-2等单一遥感数据，导致在时空分辨率方面存在数据缺陷问题，方法 提出一种基于多源遥感数据时空融合模型（spatiotemporal image-fusion model,STI-FM）和TVDI的土壤水分监测方法，探究该方法的土壤水分监测效果和STI-FM融合多源遥感地表温度在试验区的适用性。结果结果表明：（1）STI-FM融合MODIS或Landsat TIRS/TIRS-2的地表温度数据质量较好；运用STI-FM推测的地表温度数据与遥感监测的地表温度数据具有较强的相关性，得到R~2为0.89，均方根误差（root mean squared error,RMSE）为2.85 K，即STI-FM适用于本文试验区。（2）与传统TVDI相比，利用STI-FM改进地表温度数据并结合优选植被指数的TVDI对试验区土壤水分监测精度提高效果更显著，与原始NDVI-LST特征空间计算的TVDI相比，6,7月份TVDI与土壤水分的相关系数分别提高了0.07和0.14。（3）与再分析土壤水分资料ERA5-Land的土壤水分数据相比，改进后的TVDI土壤水分监测结果精度更高，6,7月份TVDI与土壤水分的相关系数分别提高了0.1和0.44。结论 综上所述，基于STIFM的TVDI可以提高土壤水分监测效果，在提高监测精度的同时，监测土壤水分数据较其他土壤水分监测方法具有更高的空间分辨率，为TVDI土壤水分监测提供了一种新思路。

  2025年03期 v.44;No.224 112-118页 [查看摘要][在线阅读][下载 1147K]
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• 基于熵权可拓物元模型的矿区生态修复区域划分研究——以活鸡兔井为例

  迟国铭;陈苏社;王巍;王世东;朱志勇;焦轶恒;陈志超;

  正确评估与划分生态修复区是进行生态系统恢复与重建的重要前提和依据，对提升生态环境质量具有重要意义。目的 针对矿区生态修复区域划分研究较为匮乏问题，方法 以大柳塔煤矿活鸡兔井为研究区，选取土壤养分、植被覆盖度、土地损毁程度和地形位指数构建评价指标体系，利用熵权可拓物元模型进行矿区生态修复区域划分。结果 结果表明：（1）熵权可拓物元模型避免了主观因素的影响，能够将多个指标融合，进行统一的定量分级，为矿区生态修复区域划分提供了重要的方法支撑。（2）研究区露天矿扰动区、井工矿扰动区和城镇扰动区面积分别为10.81,33.05,5.96 km~2，共占研究区总面积的44.47%。从扰动区内部结构看，扰动区划分结果包括人工重度干预修复区、人工辅助干预修复区和自然恢复区3种类型，其中，人工重度干预修复区面积为25.58 km~2，占研究区总面积的22.83%；人工辅助干预修复区面积为17.78 km~2，占研究区总面积的15.87%；自然恢复区面积为6.46 km~2，占研究区总面积的5.77%。（3）针对研究区不同扰动区的不同生态修复区域类型，提出不同的修复方案。自然恢复区采用自然复绿手段；井工矿内的人工辅助干预修复区采用引进优势种、土壤精确施肥等手段；人工重度干预修复区采用调整采矿布局、削坡填平、改良土壤等手段。结论 研究结果可为矿区生态修复项目提供参考。

  2025年03期 v.44;No.224 119-129页 [查看摘要][在线阅读][下载 1546K]
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机电·智能化

• 电力设备红外援例诊断方法研究及其实现

  程宏波;王林;吴浩;谢子宁;李昊岭;

  目的 为发挥红外诊断专家的经验知识，为电气设备故障的诊断及处理提供依据和参考，方法 提出一种电力设备红外图像援例诊断方法，收集并整理电气设备的典型故障案例，建立电气设备典型故障的红外案例库；通过优化网络全连接层数量，利用全局平均池化代替最大池化对VGG-16深度学习网络进行改进，减少红外图像处理时中间特征的数量，降低图像匹配的计算工作量；利用改进的VGG-16网络提取红外图像的典型特征，计算待测图像与典型案例图像特征之间的余弦距离，利用余弦距离衡量待测图像与标准图像之间的相似程度，筛选最接近的相似案例，以相似案例为依据提供故障原因分析和处理措施建议。收集7种设备43类故障的典型案例200个，开发了电力设备红外援例诊断程序。结果 实验结果表明，采用改进后的深度学习网络，单张红外图像匹配平均仅需要0.255 s，比SURF方法用时缩短85.5%，比SIFT方法用时缩短91.9%，提取特征进行匹配后诊断正确率可达94.74%。结论 所提方法可提高红外图像处理的效率，具有较高的诊断准确率，可为电力设备红外诊断提供一种新的方法，诊断结果可整合既有的专家经验知识为现场故障处理提供指导，具有较好的应用潜力。

  2025年03期 v.44;No.224 130-137页 [查看摘要][在线阅读][下载 1422K]
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• 永磁直线同步电机力角特性偏移研究

  徐耀晖;朱福文;高彩霞;赵宝森;王翰;缪庆彬;

  目的力角特性是永磁直线同步电机（permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM）运行稳定性的重要特性，是评价电机性能和控制电机的依据。但在低频工况下，PMLSM的力角特性因电枢电阻的影响而存在偏移现象，进而导致利用现有忽略电枢电阻的力角特性分析计算电机低速运行特性会存在较大的偏差。为此，对PMLSM低频低速下的力角特性偏移原因及其影响规律展开深入研究，并确定力角特性偏移的临界条件。方法 首先，建立考虑电枢电阻的PMLSM力角特性的解析模型，分析力角特性产生偏移的原因；其次，基于建立的解析模型，通过峰值推力及其对应的功角研究不同因素对推力特性的影响规律，并建立有限元模型对分析结果进行验证。然后，利用解析法确定PMLSM力角特性产生偏移的临界条件，即当力角偏移系数k(k=Xt/Ra)≥11.43可以近似认为峰值推力对应的功角等于90°，可以忽略力角偏移现象；最后，搭建PMLSM样机测试平台，将有限元结果、实验结果与理论分析进行比较，验证推力特性曲线产生偏移的原因和临界条件。结果 研究发现，与常用的忽略电枢电阻的力角特性相比，PMLSM力角特性向左偏移。力角特性偏移现象会导致两方面的影响，一是导致推力和电枢电流的关系不单调，出现小负载的电流比大负载的还要大的现象，二是低频运行时峰值推力减小，因此低频时不能保持恒推力运行。结论 研究结果对PMLSM的设计和精确控制具有重要的参考价值。

  2025年03期 v.44;No.224 138-146页 [查看摘要][在线阅读][下载 1215K]
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• 一种三级放大柔顺压电微夹钳的设计与测试

  王海涛;陈国强;王耿;

  目的 为了研制一种可实现大行程、高固有频率、力/位移同时精确可控的高性能压电微夹钳，方法 基于三级柔顺放大原理，提出一种新颖的压电微夹钳设计和研制方案。首先，分析压电微夹钳三级柔顺机构位移放大倍数的计算方法、静力学特性和动力学特性的理论结果；其次，通过有限元仿真对压电微夹钳静力学特性和动力学进行检验；最后，在对该微夹钳原型实验装置标定的基础上，对其进行放大比测试和谐振频率测试，并对夹持力和钳指位移进行开闭环精确跟踪实验。结果 基于开环跟踪实验可得，微夹钳的实际放大倍数为18.41倍，在频率为0.1 Hz、幅值为100 V正弦电压驱动下，微夹钳的最大输出位移为112.3μm，最大夹持力为130.1 mN；基于闭环跟踪实验可知，微夹钳的动态性能良好，钳指位移的均方根误差为0.61μm，夹持力跟踪的均方根误差为0.88 mN。结论 上述结果表明，所设计的微夹钳不仅具有较高的行程放大能力、高固有频率，而且可以对钳指位移和夹持力进行有效地精密跟踪。与开环相比，设计的微夹钳在闭环跟踪条件下能有效抑制系统的低频操作非线性特性，使力和位移跟踪误差显著减小，但是适用于高频跟踪的先进控制方法仍是未来需要继续研究的方向。

  2025年03期 v.44;No.224 147-155页 [查看摘要][在线阅读][下载 1226K]
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• 用于黄疸检测仪的LED可控爆闪电路设计与发光特性研究

  张中卫;杨海坤;林树杰;刘泽宇;

  目的 黄疸检测仪是一种用于新生儿黄疸症状测量的精密光电检测仪器，光源发光信号强度大小是决定黄疸检测仪光电检测信号信噪比与测量精度的关键前提因素。为满足利用LED光源研制具有高信噪比、高测量精度微型黄疸检测仪的需要，以设计开发具有可控、高发光信号强度的LED光源驱动电路为目的，对用于黄疸检测仪的LED可控爆闪驱动电路与发光特性进行相关技术研究。方法 首先，基于传统雪崩三极管脉冲电路原理可设计实现的LED光源脉冲频闪电路，引入可控硅、P型MOS开关管等电路控制器件，结合MCU芯片控制，设计用于LED可控爆闪发光的应用电路和电路时序驱动程序；其次，通过改变爆闪电路中的放电电容、驱动电压等技术特性参数，对LED光源在不同放电电容容值、驱动电压条件下的发光特性进行参数优化实验研究。结果 结果表明，在爆闪电路雪崩三极管放电电容为100μF,LED发光驱动放电电容为330μF、电路驱动电压18 V条件下，LED光源发光信号强度峰值可达12 V，为正常恒压驱动条件下的12倍以上。结论 设计的LED光源可控爆闪驱动电路可使LED的瞬时发光信号强度得到极大提升，这将为研制开发具有高光电信号强度、高信噪比的黄疸检测仪提供有力技术支撑。

  2025年03期 v.44;No.224 156-163页 [查看摘要][在线阅读][下载 1301K]
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力学·土木·材料

• 微波热诱导沥青混合料内部升温机理研究

  吴文亮;彭俊霖;李智;

  目的 微波热诱导技术只能依据结构表面温度对诱导效果进行测量与评价，微波对结构内部诱导作用机理尚不明确。方法 为探讨此机理，首先采用COMSOL有限元数值模拟方法，通过各项材料的电磁参数计算沥青混合料整体的电磁参数，进行电磁热耦合有限元数值分析，分析微波在正方体试件内部的电场强度分布规律，推断微波对沥青路面结构内部温度变化的诱导机理；然后，结合微波热诱导环境中正方体沥青混合料试件表面温度变化受诱导时间影响的变化情况加以验证，阐明不同级配的沥青混合料结构内部在微波热诱导环境下的升温规律和温度分布均匀性。结果 结果表明，不同矿料的吸波性能可以通过其耗散能量的能力进行评价，辉绿岩在微波热诱导作用下比其他石料的吸波性能更优异。经过有限元数值模拟，各级配辉绿岩沥青混合料结构内部在动态微波热诱导环境下加热200 s，结构整体平均温度达到80℃以上，满足混合料内部细小裂缝的愈合温度需求。结论 以辉绿岩为骨架的沥青混合料在微波热诱导200 s以内即可升温至80℃，满足内部结构裂缝的愈合要求，能够更高效利用微波热诱导愈合技术，防止沥青混合料中的裂缝发展成坑槽、松散等功能性病害。

  2025年03期 v.44;No.224 164-171页 [查看摘要][在线阅读][下载 1471K]
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• 冲击荷载下含孔洞花岗岩动态力学特性研究

  戴俊;刘博源;

  目的 施工过程中，隧道开挖、矿山深部巷道开挖等受冲击荷载扰动区域内的含孔洞缺陷围岩会发生破坏，本文开展含孔洞花岗岩在冲击荷载下的动力学特性和破坏过程研究。方法 利用水刀切割机制备含不同孔径孔洞的花岗岩试样，使用杆径为50 mm的分离式霍普金森压杆装置进行冲击试验，通过超动态应变仪记录实验数据，采用高速摄影机记录试样破坏过程，分析冲击荷载作用时孔洞尺寸对花岗岩动态力学性能和破坏过程的影响。结果 结果表明：随着孔径增大，试样动态抗压强度降低、峰值应变增大；孔洞大小与试样的单位吸收能、单位反射能正相关，与透射能力负相关；在试样破坏过程中，直径越大的孔洞对主要裂缝的诱导能力越强，对水平裂缝的先促进后抑制作用越明显，应力波在试样中传播时被吸收的能量越多，试样内部裂隙的开展速度越快，破坏时产生的碎屑越多。对于小孔径试样，增大孔径对应变的影响小于对强度的影响；对于大孔径试样，增大孔径对应变的影响大于对强度的影响；小孔径试样的破坏过程与孔径关系较小，孔径越大，对主要裂缝的诱导能力越明显，对水平裂缝的先促进后抑制作用越明显。虽然破坏前小孔径试样可承受更大的压力，但破坏前的预兆更少，更接近脆性破坏，大孔径试样更接近延性破坏。结论 本研究揭示了不同孔径尺寸对含孔洞花岗岩动态抗压强度变化规律、能量耗散机制及破坏模式影响，为深部工程冲击扰动区围岩稳定性评估与防爆支护设计提供了理论参考。

  2025年03期 v.44;No.224 172-180页 [查看摘要][在线阅读][下载 1282K]
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• 基于湿法碳化电石渣的碳酸钙制备及其性能调控研究

  张赛赛;张欣雨;沈园园;朱建平;刘松辉;管学茂;

  目的 为充分利用生产乙炔气体过程中产生的电石渣（carbide slag,CS），解决电石渣堆存污染问题的同时实现CO_2的封存，本文开展了湿法碳化方法调控电石渣合成不同晶型碳酸钙的可行性研究。方法 首先，在室温条件下，考察不同CO_2通气速率对电石渣湿法碳化过程的影响，合成方解石型碳酸钙；然后在80℃条件下，利用氯化镁作为晶型调控剂，合成文石型碳酸钙；最后，采用X射线衍射（XRD）、热重分析（TG）、扫描电子显微镜（SEM）等手段表征不同条件下电石渣碳化产物的组成和形貌，从晶体结构角度分析电石渣碳化反应的过程及合成不同晶型碳酸钙的机理。结果 结果表明，室温条件下，电石渣主要碳化生成方解石，不同通气速率仅影响反应前期，实验得到的最优通气速率为4 L/min。80℃条件下，产物转变为文石型碳酸钙晶须。与文石型碳酸钙结构相比，方解石型碳酸钙结构更稳定，室温下易生成；而文石属亚稳态，需氯化镁调控和高温条件。晶体结构与空间群等的差异是导致方解石和文石在不同反应条件下碳化产生的本质原因。结论 室温下电石渣碳化吸收CO_2同时生成方解石型碳酸钙；在改变反应温度和使用晶型调控剂的情况下可调控碳化产物为文石型碳酸钙。研究结果对实现电石渣的高附加值资源化利用、减少环境污染和CO_2的固化封存有指导作用。

  2025年03期 v.44;No.224 181-188页 [查看摘要][在线阅读][下载 1247K]
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