2025年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)(智能開(kāi)采自動(dòng)化)選拔試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在智能開(kāi)采自動(dòng)化系統(tǒng)中，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)截割部扭矩的傳感器類型通常為A.壓電式加速度傳感器B.磁致伸縮位移傳感器C.應(yīng)變片式扭矩傳感器D.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器答案：C解析：應(yīng)變片式扭矩傳感器通過(guò)測(cè)量傳動(dòng)軸表面剪切應(yīng)變反算扭矩，精度高、頻響快，可直接嵌入采煤機(jī)截割部傳動(dòng)鏈，是行業(yè)主流方案；其余選項(xiàng)或測(cè)量物理量不符，或安裝條件受限。2.根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（2022版），智能工作面實(shí)現(xiàn)“無(wú)人操作”的必備條件是回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛鹊陀贏.0.5%B.0.8%C.1.0%D.1.5%答案：A解析：規(guī)程第135條明確：實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架遠(yuǎn)程控制的工作面，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺仨毞€(wěn)定在0.5%以下，且持續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間不少于30min，方可進(jìn)入“無(wú)人操作”模式。3.在5G+UWB融合定位系統(tǒng)中，UWB基站時(shí)鐘同步誤差要求不超過(guò)A.0.1nsB.1nsC.10nsD.100ns答案：B解析：UWB采用TOA定位，1ns時(shí)鐘誤差約等于30cm距離誤差；智能開(kāi)采要求靜態(tài)定位精度≤10cm，故同步誤差需控制在1ns以內(nèi)，通常采用有線級(jí)聯(lián)+白兔協(xié)議實(shí)現(xiàn)。4.智能工作面“三機(jī)”協(xié)同控制時(shí)，刮板機(jī)鏈速與采煤機(jī)牽引速度的匹配系數(shù)K一般取A.0.8B.1.0C.1.2D.1.5答案：C解析：K=鏈速/牽引速度?？紤]到煤流沖擊、鏈條彈性伸長(zhǎng)及瞬時(shí)超載裕度，設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦K=1.1~1.3，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試常取1.2，確保煤流連續(xù)不堆煤。5.采用滾筒采煤機(jī)智能調(diào)高系統(tǒng)時(shí)，記憶截割曲線存儲(chǔ)于A.支架控制器B.采煤機(jī)PLCC.工作面交換機(jī)D.地面數(shù)據(jù)中心答案：B解析：記憶截割曲線數(shù)據(jù)量?。?lt;2MB），但對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高（周期≤50ms），故存儲(chǔ)于采煤機(jī)本安型PLC的掉電保持區(qū)，掉電后曲線仍可保存72h。6.智能液壓支架立柱下腔安全閥開(kāi)啟壓力與額定工作壓力之比應(yīng)滿足A.1.05B.1.1C.1.15D.1.2答案：C解析：MT/T4592020規(guī)定：安全閥開(kāi)啟壓力≥1.15倍額定壓力，防止立柱過(guò)載下縮；過(guò)高則影響支護(hù)強(qiáng)度，過(guò)低則頻繁溢流導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱。7.在數(shù)字孿生工作面中，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)同步”的關(guān)鍵技術(shù)是A.OPCUAB.MQTTC.DDSD.WebSocket答案：C解析：DDS（數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）支持微秒級(jí)發(fā)布/訂閱、QoS靈活配置，可滿足數(shù)字孿生對(duì)高帶寬、低延遲、強(qiáng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)同步需求；其余協(xié)議或延遲高，或QoS弱。8.智能開(kāi)采自動(dòng)化系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)中，對(duì)工頻磁場(chǎng)抗擾度測(cè)試的等級(jí)為A.10A/mB.30A/mC.100A/mD.300A/m答案：C解析：GB/T17626.82018規(guī)定：煤礦井下大功率變頻器、變壓器密集，工頻磁場(chǎng)等級(jí)取100A/m，持續(xù)1min，設(shè)備應(yīng)無(wú)誤動(dòng)作。9.煤巖界面識(shí)別中，天然γ射線探測(cè)法有效探測(cè)厚度一般不超過(guò)A.5cmB.10cmC.15cmD.20cm答案：B解析：煤對(duì)γ射線衰減系數(shù)小，巖層衰減大；當(dāng)厚度>10cm時(shí)，統(tǒng)計(jì)漲落導(dǎo)致信噪比低于3dB，識(shí)別準(zhǔn)確率降至80%以下，故現(xiàn)場(chǎng)常配合雷達(dá)多模融合。10.智能工作面邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署在A.地面調(diào)度室B.采區(qū)變電所C.支架電液控隔爆箱D.工作面巷道口5GBBU柜答案：D解析：巷道口BBU柜具備防爆、供電、散熱條件，距端頭支架<100m，光纖環(huán)網(wǎng)冗余，時(shí)延<5ms，滿足邊緣計(jì)算MEC部署規(guī)范；其余選項(xiàng)或空間不足，或環(huán)境惡劣。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列屬于智能開(kāi)采“感知層”設(shè)備的有A.礦用本安型紅外攝像機(jī)B.支架壓力傳感器C.井下5GCPED.采煤機(jī)慣性導(dǎo)航單元答案：A、B、D解析：感知層完成原始數(shù)據(jù)采集；5GCPE屬于傳輸層設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，故排除。12.影響滾筒采煤機(jī)記憶截割精度的主要因素包括A.慣性導(dǎo)航零偏漂移B.油缸位移傳感器溫漂C.煤巖硬度突變D.刮板機(jī)鏈速波動(dòng)答案：A、B、C解析：記憶截割依賴位姿與截割阻力反饋；鏈速波動(dòng)影響煤流而不直接改變截割軌跡，故排除D。13.智能工作面數(shù)字孿生模型需包含A.裝備幾何模型B.煤巖地質(zhì)模型C.通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型D.經(jīng)濟(jì)成本模型答案：A、B、C解析：數(shù)字孿生側(cè)重“物理—行為—規(guī)則”三維映射，經(jīng)濟(jì)成本屬于管理層，不在實(shí)時(shí)孿生范疇。14.關(guān)于礦用本安型電源，下列說(shuō)法正確的有A.最高輸出電壓≤12VB.最大輸出電容≤83μFC.需具備雙重化限流保護(hù)D.短路火花點(diǎn)燃試驗(yàn)氣體為8%甲烷答案：B、C、D解析：GB3836.42021規(guī)定：本安電源電容≤83μF（I類），需雙重限流，短路火花試驗(yàn)氣體8%CH?；最高輸出電壓允許≤18V，故A錯(cuò)誤。15.智能開(kāi)采自動(dòng)化系統(tǒng)等級(jí)劃分（CMMIstyle）包含A.可視化遠(yuǎn)程干預(yù)B.條件自動(dòng)化C.高度自動(dòng)化D.完全自動(dòng)化答案：A、B、C、D解析：中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)2023版《智能開(kāi)采成熟度模型》明確五級(jí)：可視化遠(yuǎn)程干預(yù)、條件自動(dòng)化、高度自動(dòng)化、完全自動(dòng)化、自學(xué)習(xí)優(yōu)化；題目問(wèn)“包含”，故全選。三、判斷改錯(cuò)題（每題2分，共10分，先判對(duì)錯(cuò)，再改正錯(cuò)誤部分）16.智能工作面UWB定位系統(tǒng)采用TDOA算法時(shí)，基站數(shù)量至少3個(gè)即可實(shí)現(xiàn)三維定位。答案：錯(cuò)改正：至少4個(gè)非共面基站才能實(shí)現(xiàn)三維TDOA定位；3個(gè)基站只能二維。17.采煤機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)每班首次開(kāi)機(jī)需進(jìn)行10min靜態(tài)對(duì)準(zhǔn)，目的是辨識(shí)陀螺零偏。答案：對(duì)解析：靜態(tài)對(duì)準(zhǔn)利用地球自轉(zhuǎn)角速度估算初始姿態(tài)與零偏，10min可提高航向精度至0.5°以內(nèi)。18.數(shù)字孿生工作面更新頻率越高越好，因此應(yīng)無(wú)條件提高模型刷新率至1000Hz。答案：錯(cuò)改正：盲目提高刷新率將造成網(wǎng)絡(luò)擁塞與算力浪費(fèi)；需根據(jù)物理過(guò)程動(dòng)態(tài)特性合理匹配，一般支架動(dòng)作模型50Hz、地質(zhì)模型1Hz即可。19.智能液壓支架電液控系統(tǒng)采用CAN總線時(shí)，最大支線長(zhǎng)度可達(dá)40m。答案：錯(cuò)改正：CAN總線在40kbps時(shí)最大支線長(zhǎng)度僅10m；如需40m需采用CANFD+中繼或光纖轉(zhuǎn)換。20.智能開(kāi)采自動(dòng)化系統(tǒng)信息安全等級(jí)保護(hù)要求為第三級(jí)，需每年至少一次漏洞掃描。答案：對(duì)解析：根據(jù)《煤炭工業(yè)信息安全等級(jí)保護(hù)實(shí)施指南》，智能開(kāi)采集控系統(tǒng)定為三級(jí)，年度漏洞掃描是強(qiáng)制要求。四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）21.簡(jiǎn)述智能工作面“三機(jī)”協(xié)同控制中，刮板機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)的工作原理及故障診斷邏輯。答案：工作原理：系統(tǒng)由防爆電機(jī)、減速器、張力傳感器、位移傳感器、PLC組成。PLC實(shí)時(shí)采集鏈條張力F與油缸位移S，采用PID算法調(diào)節(jié)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使張力保持在設(shè)定區(qū)間[Fmin,Fmax]；當(dāng)F<Fmin時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)張緊；當(dāng)F>Fmax或S>Smax時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)放松。故障診斷邏輯：（1）張力超限：若F持續(xù)>1.3Fmax且S<Smax，判定為卡鏈，停三機(jī)并報(bào)警；（2）張力丟失：傳感器斷線或信號(hào)<0.2mA，切換至定時(shí)張緊模式，并上報(bào)傳感器故障；（3）位移超限：S>Smax且F<Fmin，判定為鏈條過(guò)度伸長(zhǎng)，提示“換鏈預(yù)警”；（4）電機(jī)過(guò)載：電流>1.5Ie持續(xù)3s，停止張緊并觸發(fā)短路保護(hù)。解析：自動(dòng)張緊是保障鏈傳動(dòng)的關(guān)鍵，需兼顧動(dòng)態(tài)響應(yīng)與可靠性；故障診斷采用多傳感器融合，避免誤停。22.說(shuō)明基于5G+AI的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)架構(gòu)，并給出邊緣AI模型的輕量化策略。答案：系統(tǒng)架構(gòu)：（1）感知層：本安型高清攝像頭+礦用補(bǔ)光燈，采集截割部煤巖圖像；（2）傳輸層：5GuRLLC切片，上行帶寬≥100Mbps，時(shí)延≤20ms；（3）邊緣層：部署在巷道口MEC的JetsonAGXOrin工業(yè)機(jī)，運(yùn)行YOLOv5煤巖分割模型；（4）應(yīng)用層：實(shí)時(shí)輸出煤巖分界線像素坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為滾筒調(diào)高量，通過(guò)EtherCAT下發(fā)至采煤機(jī)PLC。輕量化策略：①知識(shí)蒸餾：用大型Teacher網(wǎng)絡(luò)（YOLOv5x）訓(xùn)練小型Student網(wǎng)絡(luò)（YOLOv5n），mAP由91%降至88%，參數(shù)量減少87%；②通道剪枝：基于BN層γ系數(shù)排序，剪除60%冗余通道，再微調(diào)恢復(fù)精度；③INT8量化：采用TensorRTPTQ，模型體積由32MB壓縮至8MB，推理延遲由25ms降至7ms；④幀間差分：僅對(duì)截割變化區(qū)域進(jìn)行推理，GPU利用率降低40%。解析：邊緣AI需兼顧實(shí)時(shí)性與防爆散熱，輕量化后單幀功耗<8W，滿足井下+65℃環(huán)溫運(yùn)行。23.闡述數(shù)字孿生工作面與物理工作面“雙向映射”中的數(shù)據(jù)同步?jīng)_突及解決機(jī)制。答案：沖突場(chǎng)景：（1）時(shí)延沖突：物理端液壓支架已動(dòng)作，孿生端因網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)未更新，導(dǎo)致虛擬支架滯后；（2）精度沖突：地質(zhì)模型預(yù)測(cè)煤層厚度2.5m，實(shí)際揭露2.8m，誤差>10%；（3）控制沖突：地面遠(yuǎn)程下發(fā)“降架300mm”指令，因傳感器漂移孿生端顯示僅降200mm，操作員重復(fù)下發(fā)，造成支架沖擊。解決機(jī)制：①時(shí)間戳+緩沖區(qū)：所有數(shù)據(jù)包附帶64位UTC時(shí)間戳，孿生端設(shè)置100ms滑動(dòng)緩沖區(qū)，采用線性插值補(bǔ)償丟包；②置信度加權(quán)：地質(zhì)模型輸出附置信概率P，若P<0.8則觸發(fā)“模型重訓(xùn)練”標(biāo)志，自動(dòng)上傳新數(shù)據(jù)至云端；③指令冪等性：遠(yuǎn)程指令含UUID與目標(biāo)狀態(tài)哈希，支架控制器對(duì)重復(fù)UUID自動(dòng)去重，確保同一指令只執(zhí)行一次；④雙向校驗(yàn)：物理端執(zhí)行完畢后回傳“實(shí)際位移+校驗(yàn)碼”，孿生端比對(duì)差異>5mm則報(bào)警，提示人工復(fù)核。解析：雙向映射的核心是“數(shù)據(jù)一致性”，通過(guò)時(shí)間同步、置信評(píng)估、冪等控制、閉環(huán)校驗(yàn)四重機(jī)制，可將同步誤差控制在±1cm以內(nèi)。五、計(jì)算題（每題10分，共20分）24.某智能工作面長(zhǎng)度300m，布置液壓支架200架，支架中心距1.5m，每架支護(hù)強(qiáng)度要求1.1MPa，立柱缸徑φ280mm，安全閥開(kāi)啟壓力41.5MPa，系統(tǒng)額定壓力35MPa。試計(jì)算：（1）單架立柱理論支護(hù)力；（2）若三機(jī)配套后刮板機(jī)最大槽載煤量Q=1500t/h，煤容重γ=1.35t/m3，求刮板機(jī)鏈速v（m/s）；（3）若采煤機(jī)牽引速度u=8m/min，截割高度H=3.5m，求工作面理論小時(shí)產(chǎn)量P（t/h），并判斷與刮板機(jī)能力是否匹配。答案：（1）立柱無(wú)桿腔面積A=π/4×(0.28m)2=0.0616m2理論支護(hù)力F=A×P=0.0616m2×35×10?Pa=2.15MN（2）刮板機(jī)槽截面積假設(shè)S=0.8m×0.6m=0.48m2Q=1500t/h=1500/3600=0.4167t/s體積流量q=Q/γ=0.4167/1.35=0.3086m3/sv=q/S=0.3086/0.48=0.643m/s（3）截割斷面面積A=H×中心距=3.5×1.5=5.25m2每分鐘截割體積V=u×A=8×5.25=42m3/min小時(shí)體積=42×60=2520m3/h理論產(chǎn)量P=2520×1.35=3402t/h判斷：3402t/h>1500t/h，刮板機(jī)能力嚴(yán)重不足，需提速或加大槽寬。解析：支護(hù)力計(jì)算需用額定壓力而非安全閥壓力；產(chǎn)量匹配是“三機(jī)”選型核心，設(shè)計(jì)裕度一般取1.2，此處僅0.44，必須重新選型。25.某礦采用5G+UWB融合定位，UWB測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)差σ=10cm，5GRTK標(biāo)準(zhǔn)差σ=3cm，求融合后東向定位誤差（cm），并給出卡爾曼濾波狀態(tài)方程。答案：設(shè)UWB觀測(cè)值z(mì)1，方差R1=100cm2；5GRTK觀測(cè)值z(mì)2，方差R2=9cm2融合方差Rf=(R1?1+R2?1)?1=(0.01+0.111)?1=8.26cm2融合標(biāo)準(zhǔn)差σf=√8.26=2.87cm狀態(tài)方程：Xk=[x,vx]?Fk=[[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融合可突破單一技術(shù)瓶頸，2.87cm精度滿足支架調(diào)直±5cm要求；狀態(tài)方程采用恒定速度模型，T=0.1s。六、綜合分析題（11分）26.某礦智能工作面在回采至斷層構(gòu)造帶時(shí)