李旭， 吳雪菲， 田野， 董博， 黨恩輝

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安重工裝備制造集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；4.西安合智宇信息科技有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

我國(guó)智能化開(kāi)采尚處于初級(jí)階段[1]。目前，煤巖識(shí)別難題仍未突破，將現(xiàn)階段“記憶截割+人工遠(yuǎn)程干預(yù)”的自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用于煤層起伏變化較大的復(fù)雜地質(zhì)條件中，難以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制[2-3]。基于透明地質(zhì)建立綜采工作面三維數(shù)字煤層模型，并結(jié)合三維數(shù)字煤層模型動(dòng)態(tài)規(guī)劃采煤機(jī)截割路徑，是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制的有效途徑[4]。因此，亟需研發(fā)基于數(shù)字煤層的綜采工作面精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)，為綜采工作面智能開(kāi)采奠定基礎(chǔ)。

數(shù)字煤層是指通過(guò)煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)和測(cè)量手段構(gòu)建的綜采工作面三維煤層模型，是間接解決煤巖識(shí)別難題的有效途徑。綜采工作面精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，需要三維數(shù)字煤層模型、綜采設(shè)備動(dòng)態(tài)感知、綜采設(shè)備自動(dòng)控制等技術(shù)的支持，是實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)采的關(guān)鍵。目前，一些學(xué)者對(duì)綜采工作面精準(zhǔn)開(kāi)采做了初步研究。董書寧等[5]論述了面向煤炭智能開(kāi)采的地質(zhì)保障技術(shù)體系，指出了三維數(shù)字煤層建模對(duì)智能開(kāi)采的重要意義。王國(guó)法等[6]指出工作面智能開(kāi)采必須建立在煤層地質(zhì)情況全面詳細(xì)了解的基礎(chǔ)之上，需要在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)及信息動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)上進(jìn)一步攻關(guān)。Fan Qigao等[7]提出了利用組合慣導(dǎo)技術(shù)檢測(cè)采煤機(jī)精確位姿的方法，可控制液壓支架調(diào)直，綜采工作面直線度精度可以達(dá)到50 cm，為精準(zhǔn)開(kāi)采中液壓支架自動(dòng)調(diào)直提供了良好的參考，但該方法無(wú)法精確檢測(cè)工作面頂板的起伏變化，采煤機(jī)無(wú)法根據(jù)煤層厚度變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)高控制。鄧濤等[8]以山東棗莊礦業(yè)集團(tuán)濱湖煤礦12210工作面為研究背景，提出了薄煤層綜采遠(yuǎn)程可視化無(wú)人工作面開(kāi)采技術(shù)。王志剛[9]通過(guò)地質(zhì)測(cè)量獲得的煤層數(shù)據(jù)建立了煤層三維模型，通過(guò)采煤機(jī)模型在煤層模型中的運(yùn)動(dòng)、界面碰撞檢查實(shí)時(shí)調(diào)整采煤機(jī)搖臂高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人開(kāi)采。馬宏偉等[10]提出了一種基于地質(zhì)數(shù)據(jù)的智能化工作面煤巖界面識(shí)別方法，根據(jù)實(shí)測(cè)地質(zhì)數(shù)據(jù)建立三維煤層模型間接對(duì)煤巖界面進(jìn)行識(shí)別，從而指導(dǎo)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制。

綜上可知，目前以記憶截割為核心技術(shù)的自動(dòng)化采煤技術(shù)存在無(wú)法自主感知工作面地質(zhì)條件變化，采煤機(jī)難以實(shí)現(xiàn)根據(jù)煤層厚度變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)高控制的問(wèn)題。而對(duì)于精準(zhǔn)開(kāi)采方面也只是進(jìn)行了初步探索，僅提出了研究思路。在目前綜采自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)建三維數(shù)字煤層模型是實(shí)現(xiàn)綜采工作面精準(zhǔn)開(kāi)采的有效途徑。鑒此，本文研發(fā)了一種基于數(shù)字煤層的綜采工作面精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)建了三維數(shù)字煤層模型，通過(guò)綜采設(shè)備動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)對(duì)三維數(shù)字煤層模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正來(lái)提高模型的建模精度，從而間接解決綜采工作面煤巖識(shí)別難題，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割軌跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃。通過(guò)將規(guī)劃的采煤機(jī)截割軌跡曲線下發(fā)給采煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制。根據(jù)組合慣導(dǎo)檢測(cè)刮板輸送機(jī)的直線度，并通過(guò)綜采工作面直線度檢測(cè)曲線和液壓支架行程信息綜合分析計(jì)算下一刀每臺(tái)液壓支架推移的偏差量，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)調(diào)直。通過(guò)綜采設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控。該精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)煤礦安全、高效、智能開(kāi)采具有一定的參考意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于數(shù)字煤層的綜采工作面精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括三維數(shù)字煤層建模、綜采設(shè)備動(dòng)態(tài)感知、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控和綜采設(shè)備控制4個(gè)部分。

圖1 基于數(shù)字煤層的綜采工作面精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于數(shù)字煤層的綜采工作面精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)工作原理：首先利用煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)、工作面切眼數(shù)據(jù)和工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷地質(zhì)寫實(shí)數(shù)據(jù)及三次樣條插值方法建立初始三維數(shù)字煤層模型。然后通過(guò)綜采設(shè)備慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、里程計(jì)、雷達(dá)、角度傳感器等動(dòng)態(tài)感知采煤機(jī)實(shí)際行走軌跡和截割軌跡，對(duì)建立的三維數(shù)字煤層模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，生成刮板輸送機(jī)直線度檢測(cè)曲線。最后綜采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)修正后的三維數(shù)字煤層模型動(dòng)態(tài)規(guī)劃采煤機(jī)截割軌跡曲線，并下發(fā)給采煤機(jī)控制系統(tǒng)，指導(dǎo)采煤機(jī)根據(jù)煤層厚度變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)高控制；將檢測(cè)到的刮板輸送機(jī)直線度曲線下發(fā)給綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)調(diào)直。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于三維數(shù)字煤層模型的截割軌跡規(guī)劃技術(shù)

綜采工作面三維數(shù)字煤層模型是間接解決煤巖識(shí)別難題的有效途徑。通過(guò)三維數(shù)字煤層模型規(guī)劃采煤機(jī)截割軌跡是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)根據(jù)煤層厚度變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)高控制的關(guān)鍵。綜采工作面三維數(shù)字煤層模型建立及采煤機(jī)截割軌跡規(guī)劃如圖2所示。利用鉆探或三維地震法等獲得的煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)和通過(guò)三維激光雷達(dá)掃描等獲得的工作面切眼數(shù)據(jù)、工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷地質(zhì)寫實(shí)數(shù)據(jù)和模型邊界等信息，在統(tǒng)一零點(diǎn)與坐標(biāo)系的條件下利用三次樣條插值方法建立綜采工作面初始三維數(shù)字煤層模型。隨著工作面開(kāi)采的進(jìn)行，通過(guò)綜采設(shè)備感知或三維激光雷達(dá)掃描等采集采煤機(jī)實(shí)際截割軌跡，并將采煤機(jī)實(shí)際截割軌跡數(shù)據(jù)融入初始三維數(shù)字煤層模型中進(jìn)行更新，從而獲得動(dòng)態(tài)三維數(shù)字煤層模型，并對(duì)三維數(shù)字煤層模型進(jìn)行網(wǎng)格化。對(duì)動(dòng)態(tài)更新的網(wǎng)格化三維數(shù)字煤層模型按照采煤機(jī)截深進(jìn)行CT切片，可以獲取采煤機(jī)規(guī)劃刀的截割軌跡，通過(guò)三維建模軟件對(duì)網(wǎng)格化三維數(shù)字煤層模型進(jìn)行三維可視化顯示。

圖2 綜采工作面三維數(shù)字煤層建模及截割軌跡規(guī)劃

2.2 采煤機(jī)調(diào)高軌跡自動(dòng)跟蹤控制技術(shù)

采煤機(jī)調(diào)高軌跡自動(dòng)跟蹤控制技術(shù)是采煤機(jī)根據(jù)煤層厚度變化自適應(yīng)調(diào)高的關(guān)鍵技術(shù)?；谌S數(shù)字煤層模型的采煤機(jī)調(diào)高軌跡跟蹤控制原理如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)調(diào)高軌跡自動(dòng)跟蹤控制原理

通過(guò)構(gòu)建的動(dòng)態(tài)三維數(shù)字煤層模型規(guī)劃采煤機(jī)截割軌跡曲線，并通過(guò)離散化獲得每個(gè)點(diǎn)的采煤機(jī)位置與滾筒高度信息，這些信息作為采煤機(jī)調(diào)高控制的規(guī)劃值。通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、里程計(jì)和搖臂角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)采煤機(jī)位置和滾筒高度信息，這些信息作為滾筒調(diào)高控制的檢測(cè)值。通過(guò)比較同一位置規(guī)劃的采煤機(jī)滾筒高度信息與實(shí)際檢測(cè)到的滾筒高度信息獲得采煤機(jī)調(diào)高補(bǔ)償量，并通過(guò)采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)按照調(diào)高補(bǔ)償量控制采煤機(jī)搖臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行滾筒調(diào)高控制，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒調(diào)高自動(dòng)跟蹤采煤機(jī)規(guī)劃的截割軌跡。

2.3 綜采工作面液壓支架自動(dòng)調(diào)直技術(shù)

綜采工作面液壓支架自動(dòng)調(diào)直技術(shù)是保證綜采工作面三平一直的關(guān)鍵，液壓支架自動(dòng)調(diào)直控制原理如圖4所示。

圖4 液壓支架自動(dòng)調(diào)直控制原理

采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、里程計(jì)和激光雷達(dá)傳感器對(duì)綜采工作面直線度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)激光雷達(dá)探測(cè)運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷幫部定點(diǎn)布置的標(biāo)志物來(lái)修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與里程計(jì)融合定位累積誤差，并給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供初始絕對(duì)坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面刮板輸送機(jī)直線度的精確檢測(cè)。根據(jù)刮板輸送機(jī)直線度檢測(cè)結(jié)果和液壓支架行程信息計(jì)算出下一刀每臺(tái)液壓支架推移的偏差量，計(jì)算原理如圖5所示。圖中只畫出了20架支架，y為支架的推移距離，Δy為推移距離修正值。綜采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)采煤機(jī)截深和下一刀每臺(tái)液壓支架的推移偏差量，下發(fā)規(guī)劃的下一刀每臺(tái)液壓支架推移行程信息給液壓支架控制器，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)調(diào)直。

圖5 液壓支架推移偏差計(jì)算原理

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證基于數(shù)字煤層的綜采工作面精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在陜煤集團(tuán)黃陵煤礦綜采工作面開(kāi)展了基于三維數(shù)字煤層模型的截割軌跡規(guī)劃試驗(yàn)、采煤機(jī)調(diào)高軌跡自動(dòng)跟蹤試驗(yàn)和液壓支架自動(dòng)調(diào)直試驗(yàn)，井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用

3.1 截割軌跡規(guī)劃試驗(yàn)

基于三維數(shù)字煤層模型的截割軌跡規(guī)劃如圖7所示，顯示了三維數(shù)字煤層模型以采煤機(jī)截深為步距的CT切片信息、采煤機(jī)在三維數(shù)字煤層模型CT切片中的導(dǎo)航信息、切片動(dòng)態(tài)更新信息、截割規(guī)劃信息、當(dāng)前規(guī)劃的截割軌跡曲線和采煤機(jī)位姿信息等。通過(guò)三維數(shù)字煤層模型的CT切片可以獲取采煤機(jī)規(guī)劃刀的截割軌跡，并且可以將規(guī)劃刀的截割軌跡下發(fā)給采煤機(jī)控制器。

圖7 基于三維數(shù)字煤層模型的截割軌跡規(guī)劃

基于三維數(shù)字煤層模型規(guī)劃的采煤機(jī)截割曲線與通過(guò)全站儀測(cè)量獲得的實(shí)測(cè)煤巖分界曲線結(jié)果對(duì)比如圖8所示。從圖8可看出，規(guī)劃的采煤機(jī)截割曲線與通過(guò)全站儀測(cè)量獲得的實(shí)測(cè)煤巖分界曲線基本一致，最大誤差小于0.2 m，通過(guò)三維數(shù)字煤層模型規(guī)劃的截割軌跡具有較高的精度，為采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)高控制奠定了良好基礎(chǔ)。

圖8 實(shí)測(cè)煤巖分界曲線與規(guī)劃截割曲線對(duì)比

3.2 采煤機(jī)調(diào)高軌跡自動(dòng)跟蹤試驗(yàn)

采煤機(jī)每一刀的規(guī)劃信息和實(shí)時(shí)截割軌跡的信息可以通過(guò)采煤機(jī)規(guī)劃軟件界面進(jìn)行詳細(xì)顯示，圖9顯示了采煤機(jī)規(guī)劃的截割軌跡曲線、采煤機(jī)實(shí)際截割軌跡測(cè)量曲線、采煤機(jī)位姿檢測(cè)曲線、截割過(guò)程中是否進(jìn)行了人工干預(yù)等信息。采煤機(jī)實(shí)際截割曲線與基于三維數(shù)字煤層模型規(guī)劃的截割軌跡曲線對(duì)比如圖10所示。從圖10可看出：該精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)截割軌跡的實(shí)時(shí)檢測(cè)，采煤機(jī)規(guī)劃的截割軌跡曲線與采煤機(jī)實(shí)際截割曲線基本一致，具有良好的自動(dòng)跟蹤效果。

圖9 采煤機(jī)規(guī)劃軟件界面

圖10 采煤機(jī)截割規(guī)劃曲線與實(shí)際截割曲線對(duì)比

通過(guò)多刀截割訓(xùn)練后，采煤機(jī)按照基于三維數(shù)字煤層規(guī)劃的截割曲線在250 m長(zhǎng)的工作面(含三角煤)進(jìn)行自動(dòng)截割，自動(dòng)截割執(zhí)行結(jié)果如圖11所示。從圖11可看出，采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)了整刀的自動(dòng)化截割，截割時(shí)間為16：03—17：05，即整刀規(guī)劃截割耗時(shí)大約1 h；16：03—16：32和17：05—17：36兩個(gè)時(shí)間段為割三角煤時(shí)間段，表明自動(dòng)割三角煤的時(shí)間大約為30 min。

圖11 根據(jù)規(guī)劃曲線自動(dòng)截割執(zhí)行結(jié)果

3.3 液壓支架自動(dòng)調(diào)直試驗(yàn)

該精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)下發(fā)規(guī)劃的每臺(tái)液壓支架推移行程信息給液壓支架控制器，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)調(diào)直。液壓支架自動(dòng)調(diào)直的監(jiān)測(cè)軟件界面如圖12所示，顯示了采煤機(jī)的位置信息、姿態(tài)信息、當(dāng)前刀調(diào)直后的檢測(cè)曲線和當(dāng)前刀前面5刀調(diào)直后的直線度檢測(cè)曲線。從圖12可看出：該精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了綜采工作面液壓支架自動(dòng)調(diào)直控制，當(dāng)前刀前面5刀調(diào)直后的曲線基本接近直線，說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)綜采工作面液壓支架具有良好的自動(dòng)調(diào)直效果。

圖12 液壓支架自動(dòng)調(diào)直的監(jiān)測(cè)軟件界面

4 結(jié)論

(1)利用煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)、工作面切眼數(shù)據(jù)和工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷地質(zhì)寫實(shí)數(shù)據(jù)及三次樣條插值方法建立了初始三維數(shù)字煤層模型。通過(guò)綜采設(shè)備慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、里程計(jì)、雷達(dá)、角度傳感器等動(dòng)態(tài)感知采煤機(jī)實(shí)際行走軌跡和截割軌跡，對(duì)建立的三維數(shù)字煤層模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正和生成刮板輸送機(jī)直線度檢測(cè)曲線。根據(jù)三維數(shù)字煤層模型動(dòng)態(tài)規(guī)劃采煤機(jī)截割軌跡曲線，指導(dǎo)采煤機(jī)根據(jù)煤層厚度變化自動(dòng)調(diào)高控制；將規(guī)劃的下一刀每臺(tái)液壓支架推移行程信息傳送給綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)調(diào)直。

(2)該精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)通過(guò)三維數(shù)字煤層模型的CT切片可以獲取采煤機(jī)規(guī)劃刀的截割軌跡，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割軌跡的動(dòng)態(tài)規(guī)劃，規(guī)劃的截割軌跡誤差小于0.2 m。

(3)該精準(zhǔn)開(kāi)采系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)截割軌跡的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)規(guī)劃的采煤機(jī)截割軌跡具有良好的自動(dòng)跟蹤效果，在無(wú)人工干預(yù)情況下，對(duì)于250 m長(zhǎng)的工作面，自動(dòng)化割煤時(shí)間大約為1 h，自動(dòng)割三角煤時(shí)間大約為30 min。