2025年中国矿业大学采矿工程专业(智能开采自动化)选拔试题及答案

2025年中国矿业大学采矿工程专业(智能开采自动化)选拔试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在智能开采自动化系统中，用于实时监测采煤机截割部扭矩的传感器类型通常为A.压电式加速度传感器B.磁致伸缩位移传感器C.应变片式扭矩传感器D.霍尔式转速传感器答案：C解析：应变片式扭矩传感器通过测量传动轴表面剪切应变反算扭矩，精度高、频响快，可直接嵌入采煤机截割部传动链，是行业主流方案；其余选项或测量物理量不符，或安装条件受限。2.根据《煤矿安全规程》（2022版），智能工作面实现“无人操作”的必备条件是回风巷瓦斯浓度低于A.0.5%B.0.8%C.1.0%D.1.5%答案：A解析：规程第135条明确：实现采煤机、液压支架远程控制的工作面，回风巷瓦斯浓度必须稳定在0.5%以下，且持续监测时间不少于30min，方可进入“无人操作”模式。3.在5G+UWB融合定位系统中，UWB基站时钟同步误差要求不超过A.0.1nsB.1nsC.10nsD.100ns答案：B解析：UWB采用TOA定位，1ns时钟误差约等于30cm距离误差；智能开采要求静态定位精度≤10cm，故同步误差需控制在1ns以内，通常采用有线级联+白兔协议实现。4.智能工作面“三机”协同控制时，刮板机链速与采煤机牵引速度的匹配系数K一般取A.0.8B.1.0C.1.2D.1.5答案：C解析：K=链速/牵引速度。考虑到煤流冲击、链条弹性伸长及瞬时超载裕度，设计手册推荐K=1.1~1.3，现场调试常取1.2，确保煤流连续不堆煤。5.采用滚筒采煤机智能调高系统时，记忆截割曲线存储于A.支架控制器B.采煤机PLCC.工作面交换机D.地面数据中心答案：B解析：记忆截割曲线数据量小（<2MB），但对实时性要求极高（周期≤50ms），故存储于采煤机本安型PLC的掉电保持区，掉电后曲线仍可保存72h。6.智能液压支架立柱下腔安全阀开启压力与额定工作压力之比应满足A.1.05B.1.1C.1.15D.1.2答案：C解析：MT/T4592020规定：安全阀开启压力≥1.15倍额定压力，防止立柱过载下缩；过高则影响支护强度，过低则频繁溢流导致系统发热。7.在数字孪生工作面中，实现“虚实同步”的关键技术是A.OPCUAB.MQTTC.DDSD.WebSocket答案：C解析：DDS（数据分发服务）支持微秒级发布/订阅、QoS灵活配置，可满足数字孪生对高带宽、低延迟、强实时的数据同步需求；其余协议或延迟高，或QoS弱。8.智能开采自动化系统电磁兼容试验中，对工频磁场抗扰度测试的等级为A.10A/mB.30A/mC.100A/mD.300A/m答案：C解析：GB/T17626.82018规定：煤矿井下大功率变频器、变压器密集，工频磁场等级取100A/m，持续1min，设备应无误动作。9.煤岩界面识别中，天然γ射线探测法有效探测厚度一般不超过A.5cmB.10cmC.15cmD.20cm答案：B解析：煤对γ射线衰减系数小，岩层衰减大；当厚度>10cm时，统计涨落导致信噪比低于3dB，识别准确率降至80%以下，故现场常配合雷达多模融合。10.智能工作面边缘计算节点部署在A.地面调度室B.采区变电所C.支架电液控隔爆箱D.工作面巷道口5GBBU柜答案：D解析：巷道口BBU柜具备防爆、供电、散热条件，距端头支架<100m，光纤环网冗余，时延<5ms，满足边缘计算MEC部署规范；其余选项或空间不足，或环境恶劣。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列属于智能开采“感知层”设备的有A.矿用本安型红外摄像机B.支架压力传感器C.井下5GCPED.采煤机惯性导航单元答案：A、B、D解析：感知层完成原始数据采集；5GCPE属于传输层设备，负责数据转发，故排除。12.影响滚筒采煤机记忆截割精度的主要因素包括A.惯性导航零偏漂移B.油缸位移传感器温漂C.煤岩硬度突变D.刮板机链速波动答案：A、B、C解析：记忆截割依赖位姿与截割阻力反馈；链速波动影响煤流而不直接改变截割轨迹，故排除D。13.智能工作面数字孪生模型需包含A.装备几何模型B.煤岩地质模型C.通风网络模型D.经济成本模型答案：A、B、C解析：数字孪生侧重“物理—行为—规则”三维映射，经济成本属于管理层，不在实时孪生范畴。14.关于矿用本安型电源，下列说法正确的有A.最高输出电压≤12VB.最大输出电容≤83μFC.需具备双重化限流保护D.短路火花点燃试验气体为8%甲烷答案：B、C、D解析：GB3836.42021规定：本安电源电容≤83μF（I类），需双重限流，短路火花试验气体8%CH₄；最高输出电压允许≤18V，故A错误。15.智能开采自动化系统等级划分（CMMIstyle）包含A.可视化远程干预B.条件自动化C.高度自动化D.完全自动化答案：A、B、C、D解析：中国煤炭学会2023版《智能开采成熟度模型》明确五级：可视化远程干预、条件自动化、高度自动化、完全自动化、自学习优化；题目问“包含”，故全选。三、判断改错题（每题2分，共10分，先判对错，再改正错误部分）16.智能工作面UWB定位系统采用TDOA算法时，基站数量至少3个即可实现三维定位。答案：错改正：至少4个非共面基站才能实现三维TDOA定位；3个基站只能二维。17.采煤机惯性导航系统每班首次开机需进行10min静态对准，目的是辨识陀螺零偏。答案：对解析：静态对准利用地球自转角速度估算初始姿态与零偏，10min可提高航向精度至0.5°以内。18.数字孪生工作面更新频率越高越好，因此应无条件提高模型刷新率至1000Hz。答案：错改正：盲目提高刷新率将造成网络拥塞与算力浪费；需根据物理过程动态特性合理匹配，一般支架动作模型50Hz、地质模型1Hz即可。19.智能液压支架电液控系统采用CAN总线时，最大支线长度可达40m。答案：错改正：CAN总线在40kbps时最大支线长度仅10m；如需40m需采用CANFD+中继或光纤转换。20.智能开采自动化系统信息安全等级保护要求为第三级，需每年至少一次漏洞扫描。答案：对解析：根据《煤炭工业信息安全等级保护实施指南》，智能开采集控系统定为三级，年度漏洞扫描是强制要求。四、简答题（每题8分，共24分）21.简述智能工作面“三机”协同控制中，刮板机自动张紧系统的工作原理及故障诊断逻辑。答案：工作原理：系统由防爆电机、减速器、张力传感器、位移传感器、PLC组成。PLC实时采集链条张力F与油缸位移S，采用PID算法调节电机正反转，使张力保持在设定区间[Fmin,Fmax]；当F<Fmin时，电机正转张紧；当F>Fmax或S>Smax时，电机反转放松。故障诊断逻辑：（1）张力超限：若F持续>1.3Fmax且S<Smax，判定为卡链，停三机并报警；（2）张力丢失：传感器断线或信号<0.2mA，切换至定时张紧模式，并上报传感器故障；（3）位移超限：S>Smax且F<Fmin，判定为链条过度伸长，提示“换链预警”；（4）电机过载：电流>1.5Ie持续3s，停止张紧并触发短路保护。解析：自动张紧是保障链传动的关键，需兼顾动态响应与可靠性；故障诊断采用多传感器融合，避免误停。22.说明基于5G+AI的煤岩界面识别系统架构，并给出边缘AI模型的轻量化策略。答案：系统架构：（1）感知层：本安型高清摄像头+矿用补光灯，采集截割部煤岩图像；（2）传输层：5GuRLLC切片，上行带宽≥100Mbps，时延≤20ms；（3）边缘层：部署在巷道口MEC的JetsonAGXOrin工业机，运行YOLOv5煤岩分割模型；（4）应用层：实时输出煤岩分界线像素坐标，转换为滚筒调高量，通过EtherCAT下发至采煤机PLC。轻量化策略：①知识蒸馏：用大型Teacher网络（YOLOv5x）训练小型Student网络（YOLOv5n），mAP由91%降至88%，参数量减少87%；②通道剪枝：基于BN层γ系数排序，剪除60%冗余通道，再微调恢复精度；③INT8量化：采用TensorRTPTQ，模型体积由32MB压缩至8MB，推理延迟由25ms降至7ms；④帧间差分：仅对截割变化区域进行推理，GPU利用率降低40%。解析：边缘AI需兼顾实时性与防爆散热，轻量化后单帧功耗<8W，满足井下+65℃环温运行。23.阐述数字孪生工作面与物理工作面“双向映射”中的数据同步冲突及解决机制。答案：冲突场景：（1）时延冲突：物理端液压支架已动作，孪生端因网络抖动未更新，导致虚拟支架滞后；（2）精度冲突：地质模型预测煤层厚度2.5m，实际揭露2.8m，误差>10%；（3）控制冲突：地面远程下发“降架300mm”指令，因传感器漂移孪生端显示仅降200mm，操作员重复下发，造成支架冲击。解决机制：①时间戳+缓冲区：所有数据包附带64位UTC时间戳，孪生端设置100ms滑动缓冲区，采用线性插值补偿丢包；②置信度加权：地质模型输出附置信概率P，若P<0.8则触发“模型重训练”标志，自动上传新数据至云端；③指令幂等性：远程指令含UUID与目标状态哈希，支架控制器对重复UUID自动去重，确保同一指令只执行一次；④双向校验：物理端执行完毕后回传“实际位移+校验码”，孪生端比对差异>5mm则报警，提示人工复核。解析：双向映射的核心是“数据一致性”，通过时间同步、置信评估、幂等控制、闭环校验四重机制，可将同步误差控制在±1cm以内。五、计算题（每题10分，共20分）24.某智能工作面长度300m，布置液压支架200架，支架中心距1.5m，每架支护强度要求1.1MPa，立柱缸径φ280mm，安全阀开启压力41.5MPa，系统额定压力35MPa。试计算：（1）单架立柱理论支护力；（2）若三机配套后刮板机最大槽载煤量Q=1500t/h，煤容重γ=1.35t/m³，求刮板机链速v（m/s）；（3）若采煤机牵引速度u=8m/min，截割高度H=3.5m，求工作面理论小时产量P（t/h），并判断与刮板机能力是否匹配。答案：（1）立柱无杆腔面积A=π/4×(0.28m)²=0.0616m²理论支护力F=A×P=0.0616m²×35×10⁶Pa=2.15MN（2）刮板机槽截面积假设S=0.8m×0.6m=0.48m²Q=1500t/h=1500/3600=0.4167t/s体积流量q=Q/γ=0.4167/1.35=0.3086m³/sv=q/S=0.3086/0.48=0.643m/s（3）截割断面面积A=H×中心距=3.5×1.5=5.25m²每分钟截割体积V=u×A=8×5.25=42m³/min小时体积=42×60=2520m³/h理论产量P=2520×1.35=3402t/h判断：3402t/h>1500t/h，刮板机能力严重不足，需提速或加大槽宽。解析：支护力计算需用额定压力而非安全阀压力；产量匹配是“三机”选型核心，设计裕度一般取1.2，此处仅0.44，必须重新选型。25.某矿采用5G+UWB融合定位，UWB测距标准差σ=10cm，5GRTK标准差σ=3cm，求融合后东向定位误差（cm），并给出卡尔曼滤波状态方程。答案：设UWB观测值z1，方差R1=100cm²；5GRTK观测值z2，方差R2=9cm²融合方差Rf=(R1⁻¹+R2⁻¹)⁻¹=(0.01+0.111)⁻¹=8.26cm²融合标准差σf=√8.26=2.87cm状态方程：Xk=[x,vx]ᵀFk=[[1,T],[0,1]]Hk=[[1,0]]Qk=[[T³/3,T²/2],[T²/2,T]]×q，q=0.01m²/s³Rk=Rf=8.26cm²解析：UWB+RTK融合可突破单一技术瓶颈，2.87cm精度满足支架调直±5cm要求；状态方程采用恒定速度模型，T=0.1s。六、综合分析题（11分）26.某矿智能工作面在回采至断层构造带时