基于GIS系統(tǒng)的采煤機導航自適應截割技術(shù)研究

邱呈祥

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

0 引言

長期以來，煤炭一直是支撐我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展的主體能源[1-2]。我國煤礦以井工地下采煤為主，在井工開采中，采煤和掘進是煤炭生產(chǎn)中的一線環(huán)節(jié)，掘進為采煤提供基礎運輸、通風巷道，而采煤則完成煤礦生產(chǎn)的主要任務，這2個一線工作面一直是井工開采最為危險的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，有關(guān)資料顯示，我國70%的煤礦事故來源于采煤和掘進工作[3-4]。隨著煤礦開采深度逐漸增加、開采條件愈加惡劣，一線煤礦工人的安全收到嚴重威脅。為此，國家和各大企業(yè)都十分推崇“無人工作面”、“無人采掘”等先進的采礦理念與技術(shù)，國家安全監(jiān)管總局曾明確指出要推進煤礦等行業(yè)領(lǐng)域開展“機械化換人、自動化減人”的專項行動[5-7]。

目前，我國大量煤礦均已形成以綜采為主的機械化采煤工藝，綜采工作面有采煤機、液壓支架、刮板輸送機等裝備組成，采煤機破煤，刮板輸送機運煤并帶動采煤機和液壓支架運動，液壓支架有效支護頂板，三大設備共同構(gòu)成了綜采工藝系統(tǒng)。在綜采技術(shù)與工藝的基礎上，國內(nèi)外專家學者以實現(xiàn)少人、無人為目的進行了綜采自動化技術(shù)研究，同時，國內(nèi)大型煤企也積極探索自動化、智能化工作面，比如國家能源集團、冀中能源、陜煤集團等也開展了相關(guān)研究與試驗[8-10]。目前，已形成了采煤機自主定位導航和煤巖識別技術(shù)、液壓支架電液控技術(shù)、刮板輸送機智能推移技術(shù)以及自動集中監(jiān)控技術(shù)等先進技術(shù)[11-12]。其中，如何實現(xiàn)采煤機自主定位導航和煤巖識別是實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵所在。

1 GIS煤層地理信息系統(tǒng)構(gòu)建

工作面煤層及頂?shù)装遒x存是控制采煤機截割的主要參數(shù)，雖然，煤層地質(zhì)勘探是采煤工作的前提條件，但是其所描述的地質(zhì)資料不能準確為采煤機導航提供基礎。GIS煤層地理信息系統(tǒng)是震波CT煤層地質(zhì)探測技術(shù)進行煤層地質(zhì)條件初探，結(jié)合巷探、鉆探等地質(zhì)實測技術(shù)反演煤層及頂?shù)装鍘r層地質(zhì)條件，從而構(gòu)建的精細化工作面煤層三維地理信息系統(tǒng)。

震波CT探測技術(shù)是采用地震波在地下不同巖層內(nèi)傳播速度的差異性，利用地震波探測接收裝置采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工作面三維成像。震波CT煤層地質(zhì)探測技術(shù)是利用工作面順槽和切眼布置布置若干震波激發(fā)源和震波接收器，根據(jù)大量震波接收器采集的波速、頻率等信息參數(shù)，基于波速在不同介質(zhì)內(nèi)傳播速度的差異性建立波速與煤厚的數(shù)學模型，準確預測煤層地質(zhì)條件，圖1給出了震波CT煤層地質(zhì)探測技術(shù)現(xiàn)場測試原理，圖2給出了震波CT煤層地質(zhì)探測技術(shù)處理流程，處理流程主要包括震波數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)拼接匯總、文頭編輯、頻波分析、數(shù)字濾波、初至拾取、到時校正、網(wǎng)格參數(shù)、CT慢初值、控制參數(shù)、BRT法、ART法、SIRT法、CT模型等。

圖1 震波CT煤層地質(zhì)探測技術(shù)現(xiàn)場測試原理

圖2 震波CT煤層地質(zhì)探測技術(shù)處理流程

采用巷探、鉆探等地質(zhì)實測技術(shù)，同時收集試驗工作面地質(zhì)資料，進行CT模型反演分析，以TIN三角網(wǎng)格模型為基礎劃分底板巖層并轉(zhuǎn)化為DEM高程網(wǎng)格模型，基于該模型和反演后的CT模型中的煤層厚度，建立頂板巖層DEM高程網(wǎng)格模型，從而構(gòu)建了精細化GIS工作面煤層三維地理信息系統(tǒng)，如圖3所示，給出了GIS煤層地理信息系統(tǒng)。

圖3 GIS煤層地理信息系統(tǒng)

2 采煤機自適應截割技術(shù)

采煤機自適應截割技術(shù)是以綜采技術(shù)工藝為基礎，利用各種形式的環(huán)境和設備狀態(tài)感知技術(shù)，實現(xiàn)采煤機連續(xù)可靠截割煤體、刮板輸送機協(xié)調(diào)煤流輸送以及液壓支架維護工作面空間。地下煤層賦存條件復雜，在煤層厚度變化較大或斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域采煤機截割高度、行走角度需進行必要調(diào)整，目前，煤巖識別和記憶截割技術(shù)均不能準確實現(xiàn)采煤機自動調(diào)整。本文基于建立的GIS煤層地理信息系統(tǒng)，開發(fā)相應的采煤機自適應截割技術(shù)，實現(xiàn)采煤機自動調(diào)高和截割路徑自動規(guī)劃。

2.1 采煤機自動調(diào)高技術(shù)

采煤機自動調(diào)高是在實現(xiàn)工作面有效支護的情況下，控制采煤機滾筒始終在煤層內(nèi)截割，同時應盡可能沿頂?shù)装鍘r層截割，保障煤炭回收率和含矸率。采煤機自動調(diào)高主要包括采煤機行走方向和工作面推進方向的采煤機調(diào)高，采煤機行走方向的采煤機調(diào)高主要采用煤巖識別和記憶截割技術(shù)，目前該技術(shù)已較為成熟，而實現(xiàn)工作面推進方向的采煤機調(diào)高主要受工作面推進方向傾角影響，如何實現(xiàn)采煤機姿態(tài)使其橫滾角與推進方向傾角一致是關(guān)鍵所在，本文提出利用GIS煤層地理信息系統(tǒng)結(jié)合采煤機實時姿態(tài)共同實現(xiàn)的工作面推進方向采煤機自動調(diào)高。

圖4 給出了基于GIS煤層地理信息系統(tǒng)采煤機自動調(diào)高技術(shù)流程圖，如圖所示，基于GIS煤層地理信息系統(tǒng)，識別煤層傾角并結(jié)合記憶截割路線修正下一刀截割路線，識別下一刀頂?shù)装鍘r層曲線并結(jié)合采煤機姿態(tài)定位調(diào)整臥底量，基于此，調(diào)節(jié)滾筒高度和搖臂高度，之后往復循環(huán)，實現(xiàn)采煤機自動調(diào)高。

圖4 采煤機自動調(diào)高技術(shù)流程圖

2.2 采煤機截割路徑自動規(guī)劃

地下煤層賦存條件復雜，當采煤機截割遇到斷層等復雜地質(zhì)構(gòu)造時，采煤機將截割煤層頂板或底板，導致含矸率大幅度增加，在采煤機過斷層時，將遇到漏采煤層和截割巖層2個相互影響的問題，采煤機主要用于截割硬度較小的煤層，根據(jù)其實際工況特點，應盡量避免長時截割硬度較大的巖層，寧愿損失煤炭，也應減少截割巖層的時間，避免造成采煤機截齒、傳動系統(tǒng)負載過大，降低采煤作業(yè)安全隱患。

基于GIS煤層地理信息系統(tǒng)，分段線性劃分煤層底板，自動規(guī)劃采煤機截割路徑，若煤層中存在斷層構(gòu)造，可提前智能識別斷層構(gòu)造，規(guī)劃合理的采煤機截割路徑，當采煤機過斷層時，自動規(guī)劃路線1（見圖5）調(diào)整采煤機行走角度和速度，避免采煤機長時截割硬度較大的巖層，增加采煤作業(yè)的安全隱患，圖5給出了基于GIS煤層地理信息系統(tǒng)采煤機自動規(guī)劃路徑及過斷層路線。

圖5 采煤機自動規(guī)劃路徑及過斷層路線

3 結(jié)論

自動化、智能化是采礦技術(shù)的發(fā)展方向，針對目前采煤機自動截割遇到的難題，利用震波CT煤層地質(zhì)探測技術(shù)進行煤層地質(zhì)條件初探，結(jié)合巷探、鉆探等地質(zhì)實測技術(shù)反演，從而構(gòu)建精細化三維GIS煤層地理信息系統(tǒng)，基于此，開發(fā)相應的采煤機自適應截割技術(shù)，實現(xiàn)采煤機自動調(diào)高和截割路徑自動規(guī)劃，為推進煤礦智能化開采添磚加瓦。