一种基于GIS建模的综采工作面自动化采煤方法_潘涛.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY 2. State Energy Investment Group Co., Ltd, Beijing 100011, China Abstract In view of the various characteristics of coal occurrence conditions, an automated coal mining of fully-mechanized coal face based on Geographic Ination SystemGIS modeling technology was proposed, that is to get the geological drilling data from the area to be mined and establish the 3D GIS coal mining model. When tunneling in the face cross-heading, 3D GIS coal mining model is modified according to the change of roof and floor. The shearer could cut coal automatically based on the distribution of roof and floor fixed by the coal mining model. In cutting process, the model is revised by monitoring the data change in the roof and floor in real time through active power, vibration, torque, image, etc. This obtained the national invention patent in 2016. It provides an effective way to realize unmanned mining for fully-mechanized coal face in China. Keywords GIS; fully mechanized coal face; automatic coal mining; modeling 我国煤炭赋存条件多样，造成开采条件复杂， 从业人员多，事故多发，矿井效益差[1]。如何减少 井下从业人员，特别是减少工作面作业人员，是实 现煤炭安全、高效生产的关键，为此实现综采工作 面自动化、智能化开采势在必行。自 2000 年以来， 相关学者对我国的薄及中厚煤层的自动化开采技术 进行了相关研究[2-6]，特别是在神华神东榆家梁煤矿 443205 工作面实现了 1.52.0 m 煤层自动化开采[7-9]， 引领了全国薄及中厚偏薄煤层安全高效开采。 但是， 目前的方法多采用采煤机记忆割煤方式，即采煤 机司机操作采煤机先割一刀煤，采煤机控制系统记 住上下两个滚筒的运行轨迹，建立采煤机运行轨迹 曲线，在下一刀煤的时候，进入记忆割煤模式。如 果煤层条件发生大的变化，则采煤机司机进行手动 干预，并记忆调整后的运行轨迹。该方法不能够实 现全自动化割煤，对于煤层的地质条件要求高，对 于复杂煤层的适应性不高。 为此， 在总结神东公司多年记忆割煤远程控制 自动化采煤方法探索与实践的基础上，本文作者提 出了基于地理信息系统GIS建模的综采工作面自 动化采煤新方法[10]。 该方法的基本思路如图 1 所示， 即根据待开采区域的采掘工程平面图和地质钻孔数 ChaoXing 90煤田地质与勘探第 46 卷 据确定所述待开采区域的上工作面、下工作面、煤 层高度、煤层厚度、以及采煤设备布置情况；以及 采煤机根据所述待开采区域的上工作面、 下工作面、 煤层高度、煤层厚度进行自动采煤操作。 图 1基于 GIS 的综采工作面采煤方法基本思路 Fig.1Basic thinking of the coal mining based on GIS for fully mechanized mining 1采煤工作面模型建立 对待开采区域进行地质钻孔可以得到地质钻孔 数据，确定钻孔点煤层与底板岩层的分界点以及煤 层与顶板岩层的分界点。根据地质钻孔数据可以进 一步确定待开采区域的采掘工程平面图，根据采掘 工程平面图可以确定待采煤层高度，煤层厚度，采 煤设备例如支架、刮板等的布置，采煤的起始边 界和终止边界，即确定上工作面和下工作面。 我们对上述的过程通过 GIS 建模的方式来完 成。例如，可以根据待开采区域的采掘工程平面图 和地质钻孔数据建立用于采煤机控制的采煤模型， 该模型可以包含所述待开采区域的上工作面参数、 下工作面参数、煤层高度参数、煤层厚度参数、以 及采煤设备布置参数。如图 2 所示。 建立采煤模型后， 采煤机可以基于该采煤模型进 行自动采煤操作。 由于预先建立了采煤模型， 采煤机 可以根据该模型从沿着上下工作面开始进行割煤。 图 2采煤工作面 GIS 建模 Fig.2GIS modeling of coal face 2割截轨迹修正方法 在割煤的过程中，可以对采煤机截割滚筒的切 割轨迹进行修正，也即对采煤模型中的上下工作面 进行修正。 2.1修正方法一 a. 采煤机的一个截割滚筒沿着所述上工作面 进行切割，并记录采煤机截割滚筒的切割轨迹。每 割完一刀煤，判断所述切割轨迹上的多个感兴趣点 的位置状态，该位置状态包括煤层和岩石层。根据 判断结果用切割轨迹对所述上工作面进行修正，以 确定用于下一刀割煤操作的切割路径。在割下一刀 煤时，采煤机截割滚筒沿着所确定的用于下一刀割 煤操作的切割路径进行切割，并记录采煤机截割滚 筒的切割轨迹。 b. 修正上工作面切割轨迹的同时，对下工作面 切割轨迹进行修正。采煤机的一个截割滚筒沿着所 述下工作面进行切割，并记录采煤机截割滚筒的切 割轨迹。每割完一刀煤，判断所述切割轨迹上的多 个感兴趣点的位置状态，该位置状态包括煤层和岩 石层。根据判断结果用切割轨迹对所述下工作面进 行修正，以确定用于下一刀割煤操作的切割路径。 在割下一刀煤时，采煤机截割滚筒沿着所确定的用 于下一刀割煤操作的切割路径进行切割，并记录采 煤机截割滚筒的切割轨迹。 c. 修正可以采用曲线拟合方法。以修正上工作 面为例修正下工作面的方法与修正上工作面的方法 相似，针对切割轨迹上的任意感兴趣点，如果判断 该感兴趣点处于煤层中， 且该点位于上工作面中对应 点的下方， 则保留上工作面中的对应点， 忽略该感兴 趣点； 如果该感兴趣点处于煤层中， 且该点位于上工 作面中对应点的上方， 则保留该感兴趣点， 忽略对应 点； 如果判断该感兴趣点处于岩层中， 且该点位于上 工作面中对应点的下方，则保留该感兴趣点， 忽略该 对应点； 如果该感兴趣点处于岩层中， 且该点位于上 工作面中对应点的上方，则保留对应点， 忽略该感兴 趣点。 可以理解， 这里感兴趣点与对应点分别指的是 切割轨迹和上工作面与同一条竖直线相交的交点。 在 ChaoXing 增刊 1潘涛等 一种基于 GIS 建模的综采工作面自动化采煤方法91 经过上述处理后， 可以将保留的点用线连起来， 以得到修正后的上/下工作面。如图 3 所示。 图 3曲线拟合修正 Fig.3Correction of curve fitting 2.2修正方法二 a. 采煤机的一个截割滚筒沿着所述上工作面 进行切割，并记录采煤机截割滚筒的切割轨迹。每 割完一刀煤，判断所述切割轨迹上的多个感兴趣点 的位置状态，该位置状态包括煤层和岩石层。根据 判断结果确定是否需要对所述上工作面进行修正。 如果确定需要对所述上工作面进行修正，则根据所 述判断结果对所述上工作面进行修正。在割下一刀 煤时，采煤机截割滚筒根据修正后的上工作面进行 切割，并记录采煤机截割滚筒的切割轨迹。 b. 修正上工作面切割轨迹的同时，对下工作面 切割轨迹进行修正。采煤机的一个截割滚筒沿着所 述下工作面进行切割，并记录采煤机截割滚筒的切 割轨迹。每割完一刀煤，判断所述切割轨迹上的多 个感兴趣点的位置状态，该位置状态包括煤层和岩 石层。根据判断结果确定是否需要对所述下工作面 进行修正。 如果确定需要对所述下工作面进行修正， 则根据判断结果对所述下工作面进行修正。在割下 一刀煤时，采煤机截割滚筒根据修正后的下工作面 进行切割，并记录采煤机截割滚筒的切割轨迹。 c. 本修正方法可以是人工进行修正，也就是由 人根据判断结果手动修正下上/工作面或修改采煤 模型中与上/下工作面有关的参数。如图 4 所示。 图 4人工远程修正 Fig.4Artificial remote correction 2.3修正方法一和方法二兴趣点选取 在修正方法一和方法二中，判断感兴趣点处于 何种位置状态的方法，可以通过以下方法中的任意 一种或多种的组合来确定 a. 分析截割下来的煤岩比例这种方法可以 通过顺槽皮带在线煤质分析，例如测量顺槽皮带上 的煤有可能是岩或煤岩混合物的重量变化来判断 感兴趣点是位于煤层中还是岩层中这是基于煤与 岩石的密度不同。 b. 对采煤机的工作参数状态进行分析判断，确 定是否割到岩层采煤机的工作参数例如有电流、 电压、功率等。由于煤和岩石的密度或质地不同， 给采煤机带来的阻力会有差别， 因此采煤机切割煤和 切割岩石时电压、电流或消耗的功率可能会有不同。 因此可以根据电流、 电压、 功率等采煤机工作参数的 变化来判断感兴趣点是位于煤层中还是岩层中。 c. 通过人工监视采煤机行进轨迹上的煤岩分 界情况这种方式是最直接的方式，可以通过人肉 眼直接观察。 2.4修正方法三 本方法需采用煤岩识别装置。该煤岩识别装置 可以是现有的用于识别煤层和岩层的装置，其可以 采用图像技术、红外技术等。煤岩识别装置可以安 装在采煤机上，跟随采煤机一起运动。或者沿采煤 机的工作面布置。 采用本方法采煤时，采煤机的一个截割滚筒沿 着所述上工作面进行切割，同时煤岩识别装置对所 述上工作面附近的煤层和岩层进行识别。每割完一 刀煤，根据所述煤岩识别装置的识别结果确定用于 下一刀割煤操作的切割路径。在割下一刀煤时，采 煤机截割滚筒沿着所确定的用于下一刀割煤操作的 切割路径进行切割。 同时，采煤机的一个截割滚筒沿着所述下工作 面进行切割，同时煤岩识别装置对所述下工作面附 近的煤层和岩层进行识别。每割完一刀煤，根据所 述煤岩识别装置的识别结果确定用于下一刀割煤操 作的切割路径。在割下一刀煤时，采煤机截割滚筒 沿着所确定的用于下一刀割煤操作的切割路径进行 切割。 在采煤机截割滚筒进行割煤的过程中，滚筒每 割过一段，位于采煤机上或沿上工作面布置的煤岩 识别装置就可以识别出上工作面在这一段的煤岩分 界线。当采煤机割完一刀煤后，可以根据煤岩识别 装置的识别结果确定煤岩分界线，可以将其作为割 下一刀煤的切割路径例如处理装置。由于采煤机 ChaoXing 92煤田地质与勘探第 46 卷 一般是来回往复式割煤，每割完一刀，可以根据煤 岩识别装置的识别结果确定下一刀的切割路径。对 下工作面识别的与上工作面的情况相似， 不再赘述。 3结 语 本文提出的基于 GIS 建模的综采工作面自动化 采煤新方法已获得国家授权发明专利， 相关成果已被 神东煤炭集团锦界煤矿综采工作面自动化割煤采用， 减少了综采工作面操作人员， 采煤机司机只需要在远 程控制室进行必要的操作，真正实现了无人或少人 自动化采矿，践行了“无人则安”的安全理念。 参考文献 [1] 丁百川. 我国煤矿主要灾害事故特点及防治对策[J]. 煤炭科 学技术，2017，455109–114. 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