CN107905786A - 一种基于透明工作面的采煤方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于透明工作面的采煤方法，通过煤层震波CT检测、巷探、钻探等技术手段，构建工作面智能化开采模型；在采煤机机身安装高精度惯性导航系统获得采煤机的三维空间绝对定位和行进轨迹，结合工作面光纤微震信号和采煤机微震信息，拟合修正三维信息系统；实现采煤机滚筒基于截割模板的智能化控制和液压支架的智能化直线度控制；通过三维虚拟现实系统将工作面的情况实时反映到地面调度指挥中心，实现工作面少人或无人化开采，提高煤矿的智能化开采水平。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭采掘领域，具体而言，涉及一种大型综合工作面的自动采煤方法和系统。
背景技术
煤矿采掘工作面是矿井生产的重要场所，发生在该处的煤矿重特大事故占2/3左右，解决好该处的安全问题对保障煤矿安全生产、提高煤矿生产效率、降低工人劳动强度、改善工人劳动环境都具有重要的意义。国家十三五规划提出“加快推进煤炭无人开采技术研发和应用”，国家安全监管总局开展了“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动，为提高煤炭企业安全生产科技保障能力指明了方向。
目前国内煤矿行业在地质条件较为简单的煤层采用基于采煤机记忆截割、液压支架跟机自动化、人工远程干预、综采设备集中控制的基础上的自动化开采模式已取得了一定的进展，如黄陵一矿、宁煤金凤矿、枣矿滨湖矿等煤矿实现了基于远程可视化的自动化开采并持续应用至工作面回采结束，但在实际应用过程中发现还存在以下问题：
(1)工作面直线度问题，液压支架跟机自动化应用两至三刀煤以后，需人工进行工作面的直线度调整工作；
(2)采煤机滚筒调高问题，虽然采用采煤机记忆截割可以实现部分自动化开采，但是工作面条件变化以后，采煤机滚筒经常需要人工远程控制方式进行调整；
(3)在地质条件复杂的工作面，整体推进过程中无法获得工作面的地质信息，包括已采区域和未采区域，对已采区域的工程质量评价、未采区域的预测调整都处于空白状态，自动化系统缺乏鲁棒性。
随着煤矿地理信息系统(GIS)的不断完善，很多大型煤矿都建立了矿井甚至整个矿区的地理信息系统，实现煤矿企业的生产自动化管理。但在综采工作面的地理信息处理方面还是空白。建立基于地理信息系统的透明工作面的智能化开采模型，不仅可以对工作面生产进行更加有效的管理，还能与惯性导航系统相结合，为工作面实现智能化开采奠定基础。
现有的综采工作面自动化开采方案是基于采煤机记忆截割(如中国专利申请CN201210265864.7中的方案)、液压支架跟机自动化、人工远程干预、综采设备集中控制的基础上的。
煤矿生产人员通过钻探、巷探，结合巷道实际掘进情况预判工作面推进过程中可能遇到的地质构造变化。少数煤矿通过震波CT对工作面的断层、水、瓦斯等进行提前探测，从而指导人工实际开采。同时，现有综采工作面的控制系统还存在如下缺陷：
1、传统的综采工作面控制系统只能适应地质条件比较简单的综采工作面开采，要求工作面推进过程中变化不大。尤其采煤机滚筒的记忆控制，由于大多数煤矿地质条件不会一直不变，导致采煤机自动化开采推广应用较少，需要人工就地遥控控制开采。
2、工作面地质条件的变化目前基本由人工进行探测和预测，同时工作面开采遇到地质条件变化时也需要人工进行开采调整，是阻碍煤矿智能化、少人化开采的最关键因素。
发明内容
本发明正是基于上述技术问题至少之一，提出了一种新的采煤方法，以及适用于该采煤方法的工作面综采系统，通过综合利用煤层震波CT检测、巷探、钻探等技术手段，获取工作面的地质数据，并生成工作面三维模型，从而根据更详细精确地工作面地质三维模型对采煤机的运行进行自动规划和控制，并根据采煤机工作时的各种数据反馈修正地质三维模型和采煤机运行。
有鉴于此，本发明的第一方面，提出了一种基于透明工作面的采煤方法，包括：获取工作面地理信息数据，根据所述地理信息数据构建工作面地质结构的工作面三维模型；
获取采煤机位置数据，根据所述采煤机位置数据确定采煤机在所述工作面三维模型中的精确位置；
根据所述工作面三维模型和所述采煤机在所述工作面三维模型中的精确位置，规划所述采煤机的预定运行轨迹，并生成当前工作位置的采煤机控制指令；
所述采煤机根据所述控制指令执行当前位置的采煤动作，获取所述采煤机的真实运动轨迹，并获取采煤机工作期间的震动数据；
根据所述真实运动轨迹和所述震动数据修正所述工作面三维模型。
其中，根据所述采煤机的真实运动轨迹和所述震动数据，通过电液控制系统进行工作面直线度的控制。
值得特别指出的是，可以根据所述工作面三维模型和所述采煤机位置数据，建立虚拟现实显示系统，将工作面地质情况、煤层数据、采煤机位置和运行等都通过虚拟现实的方式显示在显示器上，方便工作人员远程实时监控和控制采煤系统的正确运行。
在上述任一项技术方案中，优选地，获取工作面地理信息数据的方式可以包括：地质勘探、三维地震波检测、井下钻探、图像摄影地质测绘、激光扫描、电磁波探测、槽波探测和微震检测等探测方式中的任意一项或多项。
在该技术方案中，还可以根据安装在所述采煤机上的高精度陀螺仪和里程计的数据，使用惯性导航算法获取所述采煤机的真实运动轨迹。
其中，微震检测或者采煤机的振动数据通过光纤微震检测装置检测。
另一方面，本发明提出了一种全新的工作面综采系统，其包括：
地理信息数据采集装置，所述地理数据采集装置用于获取工作面地理信息数据；
采煤机，所述采煤机具有位置传感器、高精度陀螺仪和里程计；
光纤微震检测系统，用于获取所述采煤机的振动数据；
液压支架，所述液压支架具有电液控制系统；
中央控制服务器，所述中央控制服务器根据所述工作面地理信息数据生成工作面三维模型，根据所述位置传感器、高精度陀螺仪和里程计的数据获取所述采煤机的位置信息和真实运动轨迹，并根据所述工作面三维模型和所述采煤机的位置信息生成所述采煤机的控制指令。
特别的，工作面综采系统还包括：
虚拟现实显示系统，用于将所述工作面三维模型和所述采煤机使用虚拟现实的方式显示在屏幕上。
对于上述工作面综采系统，其中的地理信息采集装置可以包括：
地震波CT检测装置、基于图像的地质测绘装置、激光扫描装置、电磁波探测装置、槽波探测装置、微震检测装置中的任意一种或多种。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的采煤方法的示意框图；
图2示出了根据本发明的煤层震波CT原理图；
图3示出了根据本发明的实施例的综采工作面开采模型控制采煤机开采；
图4示出了根据本发明的一个实施例的采煤机滚筒震动源与光纤微震传感器接收；
图5示出了根据本发明的另一个实施例的采煤方法的示意框图；
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用第三方不同于在此描述的第三方方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
图1示出了根据本发明的一个实施例的采煤方法的示意框图。
图3示出了根据本发明的实施例的采煤方法中对于采煤机滚筒的控制示意图。
如图1和图3所示，根据本发明的一个实施例的基于透明工作面的采煤方法，包括：
S1：获取工作面地理信息数据，根据所述地理信息数据构建工作面地质结构的工作面三维模型；
S2：获取采煤机位置数据，根据所述采煤机位置数据确定采煤机在所述工作面三维模型中的精确位置；
S3：根据所述工作面三维模型和所述采煤机在所述工作面三维模型中的精确位置，规划所述采煤机的预定运行轨迹，并生成当前工作位置的采煤机控制指令；
S4：所述采煤机根据所述控制指令执行当前位置的采煤动作，获取所述采煤机的真实运动轨迹，并获取采煤机工作期间的震动数据；
S5：根据所述真实运动轨迹和所述震动数据修正所述工作面三维模型。
其中，在获取工作面地理信息数据的步骤S1中，可以综合使用多种地质探测手段获取工作面煤层、顶底板的多种信息数据，例如，现有技术中可以通过传感器获取煤岩自然伽玛射线辐射特性NGR(Natural Gamma Radiation)数据，从而根据该数据重建工作面煤层和顶底板三维模型，该方法在理论层面比较成熟且已有几种成型的产品在国外某些矿井使用。根据顶板岩石中的γ射线在穿透煤层后的衰减规律，通过测量经过衰减后的γ射线强度来确定煤层厚度，由此来确定煤岩界面。要求顶板岩石必须含有放射性元素。因此该方法对于页岩顶板(含有放射性元素)有较好的适应性，而对于砂岩顶板(放射性元素含量较少)则无法应用。该方法在英国有50％的矿井可以使用，在美国有90％的矿井可以使用；而在我国仅有18％左右的矿井可以应用，因而难以在我国大范围推广使用。
此外，还可以使用红外温度检测法获取工作面地理信息数据。红外温度检测法一度被认为是有前途的界面识别方法，该方法利用高灵敏度的红外线测温仪监测开采过程中滚筒截齿附近地质体的表面温度。由于不同地质结构层(例如煤层与岩石层)通常存在显著的机械强度反差，截割不同层面所产生的热量不同，导致滚筒截齿附近地质体的表面温度的升高程度不同，可以据此来判断是否截割到煤岩界面，从而获取不同地质结构层的分界面数据，用于对工作面三维结构进行重建。
还可以通过雷达获取工作面地理信息数据，雷达探测法受到厚煤层引起的信号衰减问题，煤质特性的弥散性影响严重，信号难以检测，该技术在煤矿井下的使用范围有限。
另外，当前井下工作面综采系统中常用的煤层检测方法还包括射流法，获得射流被所述岩石层反射的反射流对喷嘴的作用力值，并实时传送给控制装置，根据该作用力的大小测算滚筒是否已接近煤岩界面，如已接近煤岩界面，则控制采煤机摇臂下降；所述射流的介质可以是水；或以水为主体，并含有诸如聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯加尔树脂等添加剂。射流法的探测数据同样可以作为本发明的工作面地理信息数据。
在井下作业时通过钻孔等方式获取的地质数据，同样可以作为工作面地理信息数据，地质勘探过程中使用的各种方式和手段，都可以为工作面地理信息数据提供有用信息。
而在本发明的一个优选实施方式中，使用地震波CT检测装置获取工作面地理信息数据。如图2所示，在工作面的一条巷道以一定间距施工多个激发炮孔，在工作面的另一条巷道以一定间距布置多个地震波信号的检波器，形成检波序列，在探测时，按照预定顺序和时间间隔逐个激发多个激发炮孔中的炸药，形成多个地震波序列，通过另一个巷道的检波序列检测并接收地震波序列，由于地震波在不同地质结构中传播速度不同，因此根据多个检波器组成的检波序列接收到的地震波数据，利用重建算法可以重建出工作面的精确地质结构。本实施方式中，检波序列接收到的地震波数据即所述工作面地理信息数据，利用重建算法重建出的工作面的精确地质结构即工作面地质结构的工作面三维模型。
在另一个优选的实施方式中，所述工作面地理信息数据包括以上至少一种探测方法获取的数据，并对多种数据进行空间配准和融合。不同模式数据的空间配准方法在现有技术中有多种，本发明对此不做具体限定，任何可以实现多种不同模式数据配准的方法均可用于本发明。而对于不同探测方法的数据进行融合的方式，可以使用不同探测方式的数据来表征工作面介质的不同属性的参数，例如弹性模量、声速、硬度等属性的参数，而在虚拟显示时使用不同的色彩空间来显示这些不同参数。从而能够以直观的方式实时观测工作面的不同地质参数，真正实现“透明工作面”的展示。
在获取采煤机位置数据的步骤S2中，可以使用现有技术中的任何空间定位技术，例如通过高精度陀螺仪和里程计的惯性导航定位方式；或者使用多个摄像头，通过视频或图像对采煤机滚筒上的标志点进行识别，从而完成基于图像的空间定位，又或者，在采煤机滚筒上安装基于电磁波或超声波的定位传感器。
获取采煤机或采煤机截割滚筒的精确空间位置后，需要对其空间位置进行坐标转换，得到其在工作面三维模型坐标系下的精确位置。具体的坐标变换方法不再赘述，空间坐标转换的方法和算法均为成熟的现有技术。
在上述步骤S1和S2完成后，基于S1和S2的结果，我们已经能够获取工作面的精确三维模型以及采煤机的截割滚筒在工作面的精确位置，根据所述工作面三维模型和所述采煤机在所述工作面三维模型中的精确位置，可以通过程序计算规划出采煤机截割滚筒的预定运行轨迹，并生成当前工作位置的采煤机控制指令；即所述步骤S3完成的工作。截割滚筒预定运行轨迹的规划，可以根据工作面煤层和顶底板之间的界面确定截割滚筒在不同位置的工作高度，得到最终运行轨迹和相应控制指令。
在步骤S4中，所述采煤机根据所述控制指令执行当前位置的采煤动作，获取所述采煤机的真实运动轨迹，并获取采煤机工作期间的振动数据；采煤机振动数据由设置在采煤机自身的振动传感器获取，优选的，由光纤微震检测系统检测获取，根据振动传感器数据或光纤微震检测系统的振动数据，得到振幅、频率、波形等数据。
在步骤S5中，根据振动数据修正工作面三位模型，首先可以根据振动数据和采煤机运动轨迹反推或重建出相应切割位置的地质数据。典型的反推算法包括：通过在采煤过程中记录振动数据和进行地质测量获取相应的煤层地质数据，并建立对应列表和关系，从而采用当前振动数据与已记录的数据进行匹配，从而反查出相应地质数据；或者，在记录一定数据的振动数据和相应煤层地质数据后，建立机器学习模型，如卷积神经网络、循环神经网络等，使用历史振动数据和对应煤层地质数据训练机器学习模型，从而使用机器学习模型根据振动数据计算煤层地质数据，再根据煤层地质数据对相应位置的工作面三维模型进行修正。修正算法可以使用插值、平均化等多种公知算法。
实施例二
本发明另一个方面的实施方式为一种无人值守的工作面自动综采系统，包括：地理信息数据采集装置，所述地理数据采集装置用于获取工作面地理信息数据；
采煤机，所述采煤机具有位置传感器、高精度陀螺仪和里程计；
光纤微震检测系统，用于获取所述采煤机的振动数据；
液压支架，所述液压支架具有电液控制系统；
中央控制服务器，所述中央控制服务器根据所述工作面地理信息数据生成工作面三维模型，根据所述位置传感器、高精度陀螺仪和里程计的数据获取所述采煤机的位置信息和真实运动轨迹，并根据所述工作面三维模型和所述采煤机的位置信息生成所述采煤机的控制指令。
其中，地理信息数据采集装置包括但不限于：地震波CT检测装置、基于图像的地质测绘装置、激光扫描装置、电磁波探测装置、槽波探测装置、微震检测装置、红外线传感器、射流探测装置、γ射线传感器。地理信息传感器可以安装在采煤机上，或者单独安装在工作面、巷道、煤层、顶底板等适于获取地质数据的位置，并通过可靠的通信总线连接到采煤机或中央控制服务器，通信方式可以使用以太网、光纤、无线wifi等多种方式，以将各种数据采集装置采集的地理信息数据传输到中央控制服务器。
所述为现有技术中的长臂工作面综采系统使用的采煤机，采煤机上安装有位置传感器、高精度陀螺仪、里程计等用于确定采煤机位置和姿态的传感器，所述传感器获取的数据同样通过通信总线传输至中央控制服务器，中央控制服务器根据数据确定采煤机位置及姿态。
光纤微震检测系统同样可以安装在采煤机上或者单独安装在工作面、巷道、煤层、顶底板等适于采集采煤机工作数据的位置，并将检测到的微震数据通过通信总线发送给中央控制服务器。
中央控制服务器根据获取的各种信息，在空间中重建出工作面的三维模型，并且能够根据采煤机的位置和姿态，将采煤机精确定位到工作面三维模型中，从而合理规划开采路径，生成采煤机控制指令。
液压支架系统为长臂工作面综采系统中使用的液压支架，液压支架由电液控制系统进行控制，电液控制系统与中央控制服务器连接，中央控制服务器通过电液控制系统实现液压支架的调直、前进等操作。中央控制服务器对液压支架的调直控制根据多种数据实现。
优选的，综采系统还可以包括虚拟显示系统，用于远程实时显示工作面三维模型以及采煤机位置和运行状态。
除上述结构外，综采系统还应包括现有技术综采系统中应当具备的各种结构，如刮板输送机等。
本发明实施例方法中的步骤可根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
本发明实施例终端中的单元可根据实际需要进行合并、划分和删减。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read-only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、一次可编程只读存储器(One-time Programmable Read-Only Memory，OTPROM)、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。
以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于透明工作面的采煤方法，其特征在于，包括：
获取工作面地理信息数据，根据所述地理信息数据构建工作面地质结构的工作面三维模型；
获取采煤机位置数据，根据所述采煤机位置数据确定采煤机在所述工作面三维模型中的精确位置；
根据所述工作面三维模型和所述采煤机在所述工作面三维模型中的精确位置，规划所述采煤机的预定运行轨迹，并生成当前工作位置的采煤机控制指令；
所述采煤机根据所述控制指令执行当前位置的采煤动作，获取所述采煤机的真实运动轨迹，并获取采煤机工作期间的震动数据；
根据所述真实运动轨迹和所述震动数据修正所述工作面三维模型。
2.根据权利要求1所述的采煤方法，其特征在于，还包括：
根据所述采煤机的真实运动轨迹和所述震动数据，通过电液控制系统进行工作面直线度的控制。
3.根据权利要求1所述的采煤方法，其特征在于，还包括：
根据所述工作面三维模型和所述采煤机位置数据，建立虚拟现实显示系统。
4.根据权利要求1-3之一所述的采煤方法，其特征在于，所述获取工作面地理信息数据包括：地质勘探、三维地震波检测、井下钻探、图像摄影地质测绘、激光扫描、电磁波探测、槽波探测和微震检测中的至少一项。
5.根据权利要求4所述的采煤方法，其特征在于，获取所述采煤机的真实运动轨迹还包括：根据安装在所述采煤机上的高精度陀螺仪和里程计的数据，使用惯性导航算法获取所述采煤机的真实运动轨迹。
6.根据权利要求5所述的采煤方法，其特征在于，
所述震动数据通过光纤微震检测系统获取。
7.一种执行权利要求1-6之一所述采煤方法的工作面综采系统，其特征在于，包括：
地理信息数据采集装置，所述地理数据采集装置用于获取工作面地理信息数据；
采煤机，所述采煤机具有位置传感器、高精度陀螺仪和里程计；
光纤微震检测系统，用于获取所述采煤机的振动数据；
液压支架，所述液压支架具有电液控制系统；
中央控制服务器，所述中央控制服务器根据所述工作面地理信息数据生成工作面三维模型，根据所述位置传感器、高精度陀螺仪和里程计的数据获取所述采煤机的位置信息和真实运动轨迹，并根据所述工作面三维模型和所述采煤机的位置信息生成所述采煤机的控制指令。
8.根据权利要求7所述的工作面综采系统，其特征在于，还包括：
虚拟现实显示系统，用于将所述工作面三维模型和所述采煤机使用虚拟现实的方式显示在屏幕上。
9.根据权利要求8所述的工作面综采系统，其特征在于，所述地理信息采集装置包括：
地震波CT检测装置、基于图像的地质测绘装置、激光扫描装置、电磁波探测装置、槽波探测装置、微震检测装置中的一种或多种。
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