李 偉 王 甲 孫新磊

（臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以人為本觀念的深入，綠色智能化開采成為了目前煤炭行業(yè)的主流趨勢(shì)［1-3］。智能開采主要面臨采煤機(jī)定位與煤巖層識(shí)別不精確、采煤機(jī)割煤路徑難控制等問題［4-6］。目前，約束采煤機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行路徑的方法主要以記憶割煤為主，通過記住上一刀的采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)約束當(dāng)前刀的采煤機(jī)運(yùn)行，若當(dāng)前刀的煤層空間形態(tài)與上一刀相比發(fā)生變化時(shí)，需要人工手動(dòng)調(diào)整進(jìn)行更新記憶路徑，或參考當(dāng)前回采工作面的煤層頂?shù)装寰€進(jìn)行割煤設(shè)計(jì)與規(guī)劃，缺乏對(duì)于未來(lái)截割路徑的預(yù)測(cè)能力。為此，提出了利用工作面高精度透明化三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型，獲取工作面前方煤層的頂?shù)装鍞?shù)據(jù)的建模方法，以此為基礎(chǔ)計(jì)算規(guī)劃采煤機(jī)的截割路徑，來(lái)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自適應(yīng)煤層截割路徑算法的智能預(yù)測(cè)。

1 高精度三維地質(zhì)模型

1.1 三維建模

在智能開采實(shí)用化上要實(shí)現(xiàn)未來(lái)N刀割煤的自適應(yīng)截割，必須將未來(lái)N刀的煤層空間起伏形態(tài)透明化，以統(tǒng)一坐標(biāo)系下的回采工作面高精度透明化三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，獲取當(dāng)前回采位置未來(lái)N刀的煤層空間高精度三維地質(zhì)模型。

三維地質(zhì)模型的構(gòu)建主要是通過對(duì)原始數(shù)據(jù)及各類制圖中相關(guān)實(shí)體數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)型、屬性、邊界形態(tài)等進(jìn)行分析整理，建立原始點(diǎn)、線、面間的各種拓?fù)潢P(guān)系；通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析推斷，劃分為較小或很小基本地質(zhì)單元，組成可以反映對(duì)象的空間分布細(xì)節(jié)的地質(zhì)模型，并且可以對(duì)地質(zhì)環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行操作和分析。

三維模型的構(gòu)建與修正如圖1所示，可以分為原始地質(zhì)資料收集與整理、基礎(chǔ)三維模型構(gòu)建、高精度三維模型的構(gòu)建與動(dòng)態(tài)修正三部分。

首先采集工作面地質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理融合，剔除異常和冗余數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式；之后分別以頂?shù)装鍞?shù)據(jù)作為三角網(wǎng)頂點(diǎn)構(gòu)建頂?shù)装迦蔷W(wǎng)模型，將頂?shù)装迩蟛⒓?，以似直三棱柱算法?gòu)建地質(zhì)體，同時(shí)可以利用插值算法、平滑過渡算法等，對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行加密、平滑處理；最后通過不斷添加新的測(cè)量數(shù)據(jù)和工作面素描數(shù)據(jù)，采用局部重構(gòu)的方法，實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)更新，提高模型局部精度。

1.2 原始數(shù)據(jù)的整理

通過對(duì)目標(biāo)區(qū)域及周圍區(qū)域的地質(zhì)資料的調(diào)研、整理，盡量獲取所有能影響煤層和構(gòu)造三維形態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如地面勘探鉆孔、井下鉆孔、巷道素描圖、切眼素描圖、勘探線和預(yù)想剖面圖三維地震、地質(zhì)雷達(dá)以及通過鉆探或物探手段獲取的煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)、煤層厚度數(shù)據(jù)和構(gòu)造數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)收集分析過程中，盡量集中采集煤層控制參數(shù)和煤層特征參數(shù)（如拐點(diǎn)）數(shù)據(jù)，以提高綜采工作面煤層三維地質(zhì)模型的精確度。煤層控制參數(shù)指可以控制煤層起伏形態(tài)和煤層厚度特征的參數(shù)；煤層特征參數(shù)指能夠控制煤層形態(tài)的特殊參數(shù)，如起伏最大和最小數(shù)據(jù)，若以剖面線表達(dá)煤層起伏狀態(tài)，可將剖面線的拐點(diǎn)稱為特征參數(shù)，如巷道素描圖中以1 m 或2 m 為間隔距離提取煤層底板數(shù)據(jù)和煤層厚度數(shù)據(jù)。

1.3 綜采工作面初始三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN）是地質(zhì)模型的基礎(chǔ)。TIN 方法將無(wú)重復(fù)點(diǎn)的散亂數(shù)據(jù)集合按某種規(guī)則（如Delaunay規(guī)則）進(jìn)行三角剖分，使這些離散數(shù)據(jù)形成連續(xù)但不重疊的不規(guī)則三角面片網(wǎng)，并以此來(lái)描述構(gòu)建3D 物體的表面。在煤層三維建模過程中，可以將煤層頂?shù)装蹇刂泣c(diǎn)和特征點(diǎn)作為三角網(wǎng)頂點(diǎn)，構(gòu)建煤層頂?shù)装灞砻婺Ｐ汀：瑥?fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的TIN算法只是解決了地層表面建模問題，還需要借助似直三棱柱（Analogical Right Triangular Prism，ARTP）理論對(duì)TIN 的生成算法進(jìn)行擴(kuò)展，生成上下表面，構(gòu)建層狀地質(zhì)體，并對(duì)其中的地層進(jìn)行屬性填充，如圖2所示。

1.4 高精度透明化三維地質(zhì)模型的構(gòu)建與動(dòng)態(tài)修正

綜采工作面的回采作業(yè)是不斷變化的動(dòng)態(tài)過程，而且隨著回采的進(jìn)行，煤層地質(zhì)信息也是逐漸掌握的動(dòng)態(tài)過程。因此，綜采工作面初始三維地質(zhì)模型的適用性有限，不能支撐整個(gè)綜采工作面的回采作業(yè)，需要根據(jù)新揭露的工作面煤層信息，不斷動(dòng)態(tài)更新修正三維地質(zhì)模型，提高模型的準(zhǔn)確性。其中采集煤層地質(zhì)信息是離散的，需要利用膨脹搜索算法、樣條曲面插值算法、平滑過渡算法等對(duì)煤層數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)、加密后，再生成地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)煤層地質(zhì)體模型連續(xù)、平滑、準(zhǔn)確。

2 自適應(yīng)截割路徑規(guī)劃方法與動(dòng)態(tài)修正

基于慣導(dǎo)定位技術(shù)與采煤機(jī)姿態(tài)可以計(jì)算出采煤機(jī)上一刀實(shí)際割煤頂?shù)装寰€的空間坐標(biāo)，再結(jié)合采煤機(jī)前后滾筒調(diào)整數(shù)據(jù)、采煤機(jī)滾筒截深、刮板運(yùn)輸機(jī)垂直彎曲角度、工作面最大采高和最小采高等機(jī)械設(shè)備和采煤工藝的約束條件，對(duì)比綜采工作面未來(lái)N刀的煤層空間高精度三維地質(zhì)模型，自動(dòng)計(jì)算出未來(lái)N刀的截割面對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)前后滾筒調(diào)整量。將每刀的采煤機(jī)前后滾筒調(diào)整量派發(fā)給采煤機(jī)，約束采煤機(jī)在割煤過程中動(dòng)態(tài)地修正采煤機(jī)前后滾筒調(diào)整量，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自適應(yīng)割煤。采煤機(jī)自適應(yīng)截割路徑的主要生成方法如下：

（1）由綜采工作面生產(chǎn)管控系統(tǒng)獲取采煤機(jī)上一刀頂?shù)装甯蠲簩?shí)際截割線，并將其轉(zhuǎn)換為與基于統(tǒng)一坐標(biāo)系相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其中高精度地質(zhì)模型為基于統(tǒng)一坐標(biāo)系的，加入最新生產(chǎn)信息并完成動(dòng)態(tài)修正的回采工作面煤層高精度透明化三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型（簡(jiǎn)稱高精度三維地質(zhì)模型）。

（2）獲取基于統(tǒng)一坐標(biāo)系的綜采工作面煤層高精度透明化三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型，加入最新生產(chǎn)信息，完成動(dòng)態(tài)修正，并以上一刀割煤成果斷面為基準(zhǔn)面，生成未來(lái)N刀的煤層頂?shù)装錘×（M+1）格網(wǎng)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)模型（M為工作面支架數(shù)）。

（3）根據(jù)采煤機(jī)前后滾筒各自的運(yùn)行調(diào)整范圍和N×（M+1）格網(wǎng)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)模型，基于上一刀頂?shù)装甯蠲簩?shí)際截割線，優(yōu)化計(jì)算出采煤機(jī)前后滾筒未來(lái)一刀的高度調(diào)整值和頂?shù)装孱A(yù)測(cè)截割線；并根據(jù)下一刀頂?shù)装孱A(yù)測(cè)截割線，繼續(xù)依次逐刀計(jì)算出后續(xù)N-1 刀的前后滾筒高度預(yù)測(cè)調(diào)整值和頂?shù)装孱A(yù)測(cè)截割線。

（4）根據(jù)下一刀的前后滾筒高度調(diào)整值和頂?shù)装孱A(yù)測(cè)截割線，約束采煤機(jī)完成一刀自主割煤后，由管控系統(tǒng)獲取其實(shí)際截割軌跡，并與下一刀的頂?shù)装孱A(yù)測(cè)截割線進(jìn)行對(duì)比，修正其前后滾筒高度調(diào)整值，以約束采煤機(jī)完成新的截割循環(huán)；之后重復(fù)步驟（4）至第n刀（n≤N）。

（5）當(dāng)綜采工作面高精度透明化三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)更新后，或者連續(xù)自主截割達(dá)到規(guī)定上限（n刀）時(shí)，重復(fù)上述所有工作。

得到未來(lái)N刀截割面采煤機(jī)前后滾筒的調(diào)整量，一方面，在各截割面上將采煤機(jī)前后滾筒調(diào)整量與上一刀的頂?shù)装甯蠲壕€做加減計(jì)算，可以得到對(duì)應(yīng)截割面的預(yù)測(cè)截割線；另一方面，將未來(lái)N刀預(yù)測(cè)截割線所對(duì)應(yīng)截割點(diǎn)沿推進(jìn)方向相連，即得到未來(lái)N刀的俯仰采基線。

3 工程試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 預(yù)測(cè)切割線與數(shù)據(jù)提取

在郭屯煤礦進(jìn)行了工程試驗(yàn)，利用鉆探、地震、生產(chǎn)、煤巖層探測(cè)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建綜采工作面高精度透明化三維地質(zhì)模型，并利用最新數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高精度三維地質(zhì)模型局部動(dòng)態(tài)更新，提高綜采工作面地質(zhì)模型的精確度，為智能化綜采工作面的建設(shè)提供全面實(shí)時(shí)的地理信息透明平臺(tái)支撐，同時(shí)提取該模型未來(lái)N刀頂?shù)装甯窬W(wǎng)數(shù)據(jù)，生成預(yù)測(cè)截割線。

3.2 記憶截割技術(shù)與缺陷

基于綜采工作面高精度透明化三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型提取了綜采工作面未來(lái)70刀煤層空間高精度頂?shù)装迥Ｐ停⒎謩e模擬了以記憶割煤技術(shù)和自適應(yīng)截割技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)的截割效果。以記憶割煤技術(shù)截割未來(lái)70 刀的煤體效果如圖3 所示?？梢钥闯?，以記憶截割方式截割未來(lái)70 刀煤體時(shí)，隨著煤層地質(zhì)形態(tài)的高低起伏變化，截割推進(jìn)過程中截割軌跡將大幅偏離煤體。

3.3 自適應(yīng)截割技術(shù)與優(yōu)勢(shì)

自適應(yīng)截割技術(shù)截割未來(lái)70刀的煤體效果如圖4 所示?？梢钥闯?，自適應(yīng)截割方式會(huì)約束采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)整前后滾筒調(diào)整量，適應(yīng)煤層地質(zhì)形態(tài)的高低起伏變化，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)截割。

3.4 記憶截割技術(shù)對(duì)自適應(yīng)截割技術(shù)對(duì)比

如圖5 所示，從未來(lái)70 刀的記憶截割軌跡、自適應(yīng)截割軌跡和煤層實(shí)際頂?shù)装迥Ｐ蛿?shù)據(jù)的三維對(duì)比展示效果可以看出，基于回采工作面高精度透明化三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型的自適應(yīng)截割技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能開采的基礎(chǔ)和必經(jīng)之路。

4 結(jié) 論

以郭屯煤礦綜采工作面高精度透明化三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型為例，通過實(shí)現(xiàn)高精度三維地質(zhì)建模與自適應(yīng)截割的路徑的修正方法，解決了綜采工作面采煤機(jī)自適應(yīng)截割的難題。

（1）提出三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)建模方法。收集工作面地質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理融合轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，以三角網(wǎng)頂點(diǎn)構(gòu)建頂?shù)装迦蔷W(wǎng)模型，并以似直三棱柱算法構(gòu)建地質(zhì)體，通過精確建模與動(dòng)態(tài)更新實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)更新，提高模型局部精度。

（2）分析自適應(yīng)截割路徑規(guī)劃方法與動(dòng)態(tài)修正技術(shù)?；诰C采工作面高精度透明化三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型獲取工作面前方頂?shù)装甯窬W(wǎng)數(shù)據(jù)，規(guī)劃未來(lái)N刀的預(yù)測(cè)截割線，并結(jié)合每刀的實(shí)際截割路徑，對(duì)采煤機(jī)前后滾筒調(diào)整量進(jìn)行修正。

（3）以郭屯煤礦為例，通過對(duì)比記憶截割技術(shù)的截割軌跡，驗(yàn)證了自適應(yīng)截割技術(shù)會(huì)約束采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)整前后滾筒調(diào)整量，適應(yīng)煤層地質(zhì)形態(tài)的高低起伏變化，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)截割。