采煤机数字孪生导航截割运动规划理论与方法

为进一步提高采煤工作面的智能化水平,实现采煤机导航截割的自主推演、自主学习和自主优化,基于采煤机自主导航截割技术和数字孪生智采工作面的概念,提出了采煤机数字孪生导航截割运动规划的理论与方法,包括数字孪生理论及基于该理论的采煤机数字孪生导航截割运动规划系统的构建方法。围绕数字孪生理论,探索了智采工作面的物理场景、数字孪生模型的构建及数字孪生驱动、交互和演化机制。为满足不同应用需求,将数字孪生模型分为物理实体、孪生模型和孪生数据模型,详细分析了这3类模型的特点。介绍了由模型驱动、数据驱动和服务驱动组成的3种运行机制,这3种机制通过虚实交互逻辑实现了从感知智能到认知智能的转变。构建了采煤机数字孪生导航截割运动规划系统,该系统通过物理感知层、综合数据层、数据融合分析层及数字孪生服务层,支撑采煤机截割状态数字孪生、动态导航地图数字孪生、数字孪生强化学习环境和强化学习运动规划的服务功能;通过数字化手段将现实中的采煤机导航截割过程复制到数字孪生操作环境中,通过系统内各模块的调用实现数据的自适应融合、智能分析和最优规划。最后,在构建的数字孪生环境中比较深度Q网络−归一化优势函数(DQN−NAF)算法与深度确定性策略梯度(DDPG)算法在采煤机运动规划任务中的效果,结果表明DQN−NAF算法在解决采煤机数字孪生运动规划任务时展现出更优的效果和稳定性。

智能工作面采煤机与液压支架协同控制研究

为进一步提升智能工作面开采设备协同控制效果,在对采煤机与液压支架控制过程分析的基础上,对生产工序进行细化并重新匹配,达到提高协同控制效果的目的。同时给出协同控制工序控制逻辑,提高协同控制效果。将协同控制技术在30209工作面进行工程应用,结果表明,协同控制技术较人工干预控制耗时减少27 min,有助于提升煤炭生产效率及设备智能化控制程度。

黄陵矿智能生产系统改造设计

为了推动黄陵矿生产向智能化转变,在分析现有生产系统不足的基础上,提出黄陵矿智能生产系统改造方案。构建基于TGIS的智能开采管控平台、采煤机控制系统、煤岩智能探测系统、智能化工作面采煤工艺大数据统计与故障诊断平台。建立以高精度透明化工作面智能管控中心为大脑、采支运设备为躯干、煤岩识别及辅助巡检装置为眼睛、通信协议为神经网络的智能开采可视化管控平台。结果表明,改进后的系统实现“监控实时化、系统集成化、数据海量化、控制协同化和决策在线化”的智能开采管控一体化、可视化行业标准和软硬件系统体系架构。

大倾角工作面自动化拉架挡矸控制系统应用

为解决大倾角工作面在截煤过程中出现煤矸滚落造成人身伤害事故的问题,通过采取有效防范措施,在采煤机和液压支架上安装红外线传感器收发装置,实现采煤机与支架之间的相对位置准确定位,从而按照设定程序判断采煤机与支架的运行状态所处阶段,将采集信号回传给监测中心,自动控制液压千斤顶伸缩防护挡矸板,完成对操作人员的防护。经效果验证,有效减少了工伤事故,节省了工伤费用支出,取得了显著效果。

基于数组的刮板输送机运载模型及煤量计算算法研究

目前针对煤量检测的研究大多侧重于煤矿井下带式输送机的煤量检测和识别,对综采(放)工作面刮板输送机的煤量检测仅停留在转载机处安装红外扫描装置,检测技术单一,且由于转载机位于刮板输送机卸煤处,红外扫描装置检测的是转载机的载煤量,不能直接反映刮板输送机上的实时载煤量,存在较大滞后性。针对上述问题,提出一种基于数组的刮板输送机运载模型及煤量计算算法。该算法将刮板输送机设定为连续装煤的载体,通过连续数组建立刮板输送机运载模型,并表征单位长度的装煤量,结合综采(放)工作面采煤机运行速度、滚筒高度、截割深度、位置及刮板输送机运行速度与装煤系数等参数,通过多参数数学建模的方法,实现对刮板输送机单位煤量的实时模拟,进而直观反映煤矿井下采煤工艺并准确计算出刮板输送机的实时载煤量。井下工业性试验结果表明,该算法连续可靠,可以精确计算出刮板输送机实时载煤量,载煤量分布接近于理想状态,具有较高的收敛性和鲁棒性。

长壁综采工作面采煤机定位定姿技术研究

分析了现有的采煤机支架传感定位技术、轨道里程计定位技术、自主定位技术的研究现状及其存在的问题;提出了以采区绝对坐标为参考坐标,采煤机在开采煤层内绝对定位的研究内容;探讨了采煤机定位技术在长壁综采工作面自动化中的作用。

采煤机智能化控制系统研究与设计

研究设计了具有自主控制以及监测功能的采煤机智能化控制系统,运用滚筒采煤机新型的煤岩识别技术,现代化截割技术等先进手段来实现智能化采煤机的自主控制、手动控制、远程控制等工作模式,为系统监测工作及时提供科学准确的参考数据。

工作面倾角对采煤机滚筒装煤效果影响研究

综采工作面上滚筒采煤机的工作状况十分复杂,影响滚筒装煤效果的因素众多。为了更准确地了解滚筒的装煤规律,选取工作面倾角为研究对象,定义了滚筒出煤口的方向,建立采煤机滚筒工作的三维模型,通过离散元仿真的方法,探究滚筒装煤效果与工作面倾角之间的关系,并将该规律定量化。该结果为处理综采工作面倾角与滚筒装煤效果之间的关系提供了依据,同时为滚筒的研究提供新的思路。

综采工作面“三机”空间布置研究与应用

依据矿井安全、高效的生产原则,采用归纳总结与理论分析相结合的方法,对综采工作面"三机"空间总体布置进行了研究,根据拜凯姆斯卡亚煤矿1001综采工作面成套设备选型结果,进行了"三机"空间总体布置,该研究对今后综采工作面"三机"空间总体布置提供了一定的参考价值。

提高实际装煤性能的螺旋滚筒设计方法研究

采掘岩体的力学性能复杂,不易于实现滚筒的精确建模,以现有模型建立的滚筒设计方法无法有效保证滚筒实际装煤性能,导致采煤机螺旋滚筒实际平均装煤性能不足60%,所以基于工作面现场数据对滚筒的设计方法进行研究具有重要意义。本次选取工作面现场装煤性能80%以上的500套滚筒参数作为研究依据,首次提出以叶片螺距S和γ(叶片外径与筒体外径之比)建立双参数设计法,采用曲线拟合法获得叶片螺距S的最佳取值范围和γ的计算公式,建立了采煤机螺旋滚筒双参数设计方法。以两种方法分别设计了神东补连塔煤矿4500滚筒的左、右滚筒,在工作面现场进行了对比试验,测得采用双参数设计法的滚筒装煤性能约为85%,现有设计方法装煤性能约为70%。结果表明:以工作面现场数据为基础建立的双参数设计方法能更有效保证滚筒实际装煤性能。

薄煤层采煤机工作面高工作阻力液压支架设计

分析了目前我国煤矿对薄煤层开采的态度、所采用的配套设备等现状,提出了一种应用于薄煤层采煤机工作面的高工作阻力液压支架,并对该支架的技术特征、结构特点、系统配置及创新点等进行了说明。

基于高精度三维动态地质模型的采煤机自适应智能截割技术研究

采煤机使用“记忆截割”技术割煤时,需要进行人工领刀,且对煤层赋存条件要求较高,当煤层起伏较大时需要频繁示教领刀。“记忆截割”技术仅针对下一刀煤层顶板截割路径进行优化,在采煤机推进方向无法根据煤层的赋存形态对采煤机俯仰采路线进行精确规划与控制。本文基于采煤机自适应智能截割理念,设计了综采工作面采煤机智能截割系统运行模式,利用煤层精细化物探数据构建工作面高精度三维地质模型,而后利用地质模型对采煤机的未来截割路径进行规划,并在开采过程中根据工作面揭露的最新地质资料动态修正高精度三维地质模型。将高精度三维动态地质模型与采煤机开采规划算法耦合,提出可自适应煤层变化的采煤机开采控制基线规划算法,实现对采煤机推进方向的俯仰采控制与牵引方向的截割控制,以及地质模型更新、开采基线规划与采煤机滚筒调整之间的高效协作。设计了智能截割系统内滚筒调整参量的计算服务接口,以及智能截割系统与采煤机控制系统间的通讯协议,实现了采煤机滚筒基于规划截割路径的精准控制。实践表明,采煤机智能截割系统适用于底板倾角各种变化程度的煤层,采煤机截割线更好地贴合煤层顶、底板线,节约资源,提高生产效率。

采煤机工作位置对工作面噪声的影响

利用所建立的数学模型,以国产某型滚筒式采煤机为例,采用计算机模拟的方法,得到了采煤机工作位置与工作面噪声之间关系的曲线,确定了采煤机工作位置对工作面噪声的影响,为预测采煤机工作对工作面噪声的影响、完善采煤机工作性能的评价体系、改进机器设计、保障采煤工人的身体健康奠定理论基础。

基于IMU/UWB的井下采煤工作面端头采煤机定位试验研究

采煤机自主定位装置的长期精度是采煤工作面智能开采的重要研究内容。针对当前采煤机定位精度难以满足自动开采的需求,建立了基于惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)/超宽带(Ultra-Wideband,UWB)融合定位的模型,提出了采煤工作面端头自主修正补偿惯性导航定位装置的漂移误差,利用IMU/UWB的融合结果对惯性导航定位装置的位置和姿态进行自主纠偏,能实时补偿IMU的偏差,实现采煤机长期高精度自主循环截割。为减小不确定的测量噪声对定位结果的影响,提出了利用变分无迹卡尔曼滤波(Variational Bayesian unscented Kalman filter,VB-UKF)技术对定位结果进行平滑处理,进一步提升融合定位精度,在太原重型机械有限公司开展了地面采煤机融合定位试验和山东能源集团济三工作面端头开展井下采煤机机载试验,验证采煤工作面端头的定位精度。试验结果表明,IMU/UWB融合定位精度高于单纯的UWB解算的精度;经过VB-UKF算法平滑后,井下试验的IMU/UWB融合定位的x轴和z轴方向的平均误差分别从0.102 m和0.194 m降低为0.082 m和0.158 m,平均精度对应的提升了19.6%和18.6%;3个姿态角的误差小于2°,在融合定位模型中利用误差扩展卡尔曼滤波实时补偿修正IMU的偏差,能有效的抑制IMU姿态角的漂移,井下现场试验证明了采煤工作面端头定位方法的有效性,为井下IMU/UWB融合定位的应用提供较好的参考和经验。

基于惯性导航的工作面直线度测控与定位技术

为了解决综采工作面在自动化生产模式下推进数刀后逐渐不直,继而影响连续推进的问题,通过分析问题产生的原因及其对自动化开采的影响,提出采用惯性导航技术测量刮板输送机平直度来定量描述工作面直线度的方法,将惯性导航装置捷联于采煤机,实时测量采煤机割煤行走时形成的三维空间轨迹。介绍基于该方法的惯性导航LASC技术的技术原理、算法框架、关键公式、控制流程等,并基于该技术开发了工作面自动找直控制系统。地面联调和井下工业试验的结果表明,此系统对工作面直线度的检测误差小于100 mm,全工作面直线度控制误差小于300 mm,满足了自动化开采模式下综采工作面自动连续推进的要求。

基于UWB系统的采煤工作面端头采煤机自主定位方法研究

采煤机自主定位装置的长期定位精度是煤矿智能开采的关键。针对当前采煤机定位精度难以满足自动开采的需求,提出了采煤工作面端头自动校准惯性导航定位系统的方法,构建了基于UWB系统的井下局部定位系统,对采煤机位置进行修正纠偏,能实现采煤机长期循环自主定位的策略。考虑UWB系统在非视距(NLOS)环境下的定位精度较低,提出了基于不等式约束的平方根无迹卡尔曼滤波(CSRUKF)定位算法;为了进一步消减NLOS误差的干扰,提出了基于考虑运动速度的抗差泰勒级数(VRTS)算法对定位结果进行优化,提升最终的定位精度。以UWB定位系统和移动平台为基础,开展了模拟端头定位的实验。实验结果表明,CSRUKF-VRTS方法能够减小定位误差,提高NLOS环境下的定位精度,x轴、y轴和z轴的平均误差分别由0.332、0.404和0.306 m降低到0.266、0.212和0.159 m,对应的平均精度分别提升了17.4%、47.5%和48.1%。所提的采煤工作面端头循环定位策略为采煤机实现长期自主定位提供新的思路,为非视距环境下的定位提供参考。

新型采煤机电控系统的研究

采用了高性能嵌入式计算机;无线通信与采煤机建立双向数据通信,可将采煤机数据上传至顺槽控制台及调度室,同时能够远控采煤机;研究了UHF波段电磁波在巷道中传播规律,拟合出信号强度与距离之间的函数关系,据此设计了通信协议,实现了基站无缝切换,提高了通信可靠性;将无线通信与工作面通信/闭锁系统整合,不仅能够实现采煤机与顺槽控制台之间数据交互,还可以利用扩播电话将语音预警信息广播到整个工作面,提高了安全性。工业性试验结果验证了系统的先进性、可靠性、稳定性。

基于多传感器的少人、无人工作面采煤机记忆截割的实现

根据采煤机记忆截割的基本工作原理,解析了采煤机采高控制中各参数之间的数学几何关系。通过测量各个主要参数的传感器的应用,可以实现用采煤机摇臂摆角参数替代多变的工作面倾角参数的少人、无人工作面采煤机的记忆截割功能。

采煤机噪声与振动特性研究

为研究复杂煤层赋存条件下采煤机噪声与振动特性,对采煤机振动与噪声源进行了分析,发现采煤机工作时的噪声是由不同性质的噪声形式相互耦合形成的,截齿在截割过程中受到的非线性瞬时冲击载荷造成的振动是采煤机产生噪声的主要根源,改善采煤机工作过程中的设备振动可有效降低工作面的噪声级。利用协同仿真技术建立了采煤机截割部的虚拟样机并对其进行了动力学仿真分析,得到了关键零部件的振动及其变形状况:壳体伸出端与调高耳部振动较为剧烈,严重影响了传动系统和调高系统的稳定性;行星架存在着严重的扭曲变形及剧烈的振动,降低了支撑轴承的寿命。为降低采煤机工作过程中的振动,根据仿真结果对壳体结构进行了局部优化设计,优化后的壳体振动明显减弱,力学性能得到了显著提高,可有效改善采煤机的振动特性,降低工作面的噪声级,使采煤机有效平稳运行。

无人工作面智能采煤机电控系统研究

基于综采无人或少人工作面需求,设计研究了智能采煤机电控系统的数据采集系统单元硬件和软件,为实现智能采煤机的记忆截割和煤岩识别功能提供了基础参考数据。