基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统

随着煤矿智能化逐步应用开来,透明地质技术成为智能化开采的重要技术支撑之一。针对当前透明地质技术成果在智能开采应用中与装备控制集成融合度不高的问题,研发了基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统。该系统以智能规划中心和开采控制中心为核心,智能规划中心以地质模型等数据为依据,生成截割模板和控制策略;开采控制中心负责协同控制综采装备,依据截割模板执行控制策略。阐述了系统的两项关键技术,截割模板规划技术和综采装备协同控制技术。截割模板规划技术包括滚筒高度规划和截割工艺段规划。滚筒高度规划采用基于趋势分解与机器学习的滚筒高度预测方法,生成规划高度模板;截割工艺段规划根据单个工艺段的特征,结合中部和端头的截割工艺,形成了工艺段规划表。综采装备协同控制技术包括采煤机支架协同控制和煤流负荷协同控制。采煤机支架协同控制提出了截割前工艺适配和截割中实时调整的控制策略,保证采煤机运行时,支架能够自动跟机作业;煤流负荷协同控制提出了基于线性规划的控制方法,推导出采煤机速度的线性规划函数,用以调整采煤机的速度实现煤流负荷平衡。现场应用和试验表明:采煤机按照规划截割工艺自动执行,试验过程中每刀人工干预次数最大值为25次,人工干预次数下降64.28%~68.75%,刮板输送机负荷平稳可控,没有空载或停机现象。研究成果为智能化开采进一步提升提供了一定的参考价值。

基于采高、卧底数据的采煤机规划截割

本文针对采煤机截割路径的规划问题,提出了基于采高、卧底数据的采煤机规划截割方法。借助矿井人员对现场数据的了解,通过快速地确定采高、卧底参数,直接使用软件生成的方法,快速、准确地实现采煤机的实时路径规划。文中引用的采煤机PLC及其程序为郑州煤机智能工作面科技有限公司所改造的738型采煤机电控系统。试验结果表明,基于采高、卧底数据的采煤机规划截割方法规划的路径是线性的、可靠的,有利于采煤机的自动控制。

基于三维地质模型的煤矿智能开采规划截割技术研究

目前,基于记忆截割的智能开采技术无法满足实际工程应用要求,由此提出一种基于地理信息的采煤机规划截割开采技术。该技术以空间坐标变换、三维动态模型修正、规划截割控制等技术为核心,对采煤机截割路径进行建模规划,使采煤机依据截割轨迹参数进行调高控制,实现自主割煤的目标。该项技术在大海则煤矿应用了一年多的时间,取得了良好的效果。

基于采高矢量修正技术的规划割煤工艺探索

随着机械化与信息化融合,智能化采煤工作面实现了采煤机记忆截割和支架自动跟机移架等基本智能化功能,但距离“无人化”还有一定差距。本文在智能化工作面的基础上进行了创新型试验,通过融合三维地质模型,创新性开发了采煤机采高矢量修正技术,解决不同设备厂家的协议接口问题,实现采煤工作面顶底板预截割曲线自动分析、优化、生成和下发等,使采煤机依据预截割曲线进行自动割煤,满足工作面规划开采需求,并在枣矿集团付村煤业3_(上)1006采煤工作面进行工业性试验。

基于改进BINN算法的煤矿巷道断面截割轨迹规划

在煤炭开采前,需要用掘进机对煤岩混合体进行开掘钻进,形成满足煤炭开采条件的巷道环境。巷道是在一次次的断面截割成型工作基础上形成的,在每一次断面截割成型工作开始之前,需要根据待截割断面情况预先规划好将采用何种截割轨迹对断面进行截割,传统的断面截割成型工作仅考虑采用类S型截割轨迹对巷道断面进行全覆盖无差别截割,掘进机截割头经常会截割到煤岩断面内的大块夹矸,造成一定的截齿损耗,由于需要经常更换截齿,导致整体截割效率并不高。为了解决这个问题,可以在对待截割巷道断面环境进行栅格法建模的前提下,采用改进BINN算法进行截割轨迹规划,使所规划截割轨迹避开断面内存在的大块夹矸,在此基础上实现截割轨迹对断面内煤层区域的全遍历覆盖。经仿真实验证明,该方法所规划的截割轨迹能够满足断面成型要求;采用所规划截割轨迹对断面进行截割能够提升截割效率、降低截割能耗。

综采工作面自适应截割路径规划算法研究

目前综采工作面采煤机开采控制模式仍然以人工跟机操作或记忆截割为主,对煤层起伏变化适应能力差,无法满足智能化综采工作面建设需求。通过分析当前主流采煤机控制技术的不足和综采工作面高精度透明化三维动态地质模型的构建方法,提出利用综采工作面三维地质模型规划采煤机未来连续截割路径的方法。将地质模型与回采工作面时空位置耦合,从模型剖面获取未来回采工作面煤层顶底板线,进而规划采煤机截割路径,实现采煤机自适应煤层截割。通过理论分析、数据模拟对比和实际工程验证,采煤机采用自适应截割不仅可以更好适应煤层起伏,而且比记忆截割平均每刀提高生产效率3.63%。

纵轴式掘进机截割轨迹规划及边界控制方法研究

为实现无人化掘进装备自主作业、完成既定任务,开展了截割轨迹规划及边界控制方法研究。通过分析煤岩硬度与截割臂摆速、截割电动机转速之间的数学关系模型,提出了基于多传感器参数判断的煤岩硬度环境信息描述方法;采用栅格法对环境模型进行建模,构建了栅格地图;针对截割的扫底、自动截割及自动扩帮3个过程,分别规划了截割轨迹;并提出边界控制方法,对规划后的轨迹进行精准自动控制。研究结果表明:提出的截割轨迹规划方法,可使截割头从任意起点躲避夹矸所在位置截割完整个断面,经过试验验证,设计的边界控制方法控制精度较高,可保证巷道边界成形质量,为实现整条巷道的自主定向掘进提供了重要技术基础。

基于混合IWO-PSO算法的掘进机截割轨迹规划方法

针对掘进机截割轨迹规划方法准确度低、对掘进设备损耗大的问题,提出了一种基于混合IWO(杂草优化)-PSO(粒子群优化)算法的掘进机截割轨迹规划方法。将截割断面环境分为单夹矸、双夹矸和多夹矸3种,对相应断面进行栅格化并建立栅格地图,采用二值膨胀法对不规则夹矸进行膨胀化处理,并采用混合IWO-PSO算法在3种断面环境中进行轨迹规划。混合IWO-PSO算法以IWO算法中的种子扩散方式为基础,对初始群体进行扩散,在竞争排斥前允许所有个体自由繁殖,使寻优空间的多样化得到有效保障;同时采用PSO算法中的位置迭代更新方式对繁殖的种子位置进行迭代更新,利用群体经验和个体经验对粒子位置进行及时调整,有效提高了算法寻优深度和速度。仿真结果表明,基于混合IWO-PSO算法得到的掘进机截割轨迹长度、二次挖掘栅格数和截割能耗均小于标准PSO算法,对障碍夹矸的规避能力优于标准PSO算法。通过EBZ135型掘进机进行断面截割试验,结果表明,巷道断面成形左侧、右侧、两侧边界误差最大值分别为30,20,50 mm,相对误差分别在2%,1.4%,1.7%内,可满足不同巷道断面环境下的有效避障和成形要求。

国产采煤机自动截割技术现状及展望

作为综采工作面的核心设备,采煤机实现自动化是煤矿无人化开采的必然要求。阐述了采煤机自动截割技术,重点阐述了采煤机记忆截割、地质模型修正截割和地质模型规划截割技术,分析了采煤机自动化开采技术的发展方向。

悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统研究

针对目前煤矿井下掘进过程自动化程度低、掘进效率低、巷道成型质量差等问题,提出了一种悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统。该系统结合巷道尺寸和截割工艺要求,基于三次多项式光滑函数的悬臂式掘进机器人关节空间轨迹规划方法,通过建立的悬臂式掘进机器人坐标系统及悬臂式掘进机器人运动学正问题与逆问题求解,确定轨迹规划光滑函数参数;规划好截割轨迹后,以视觉定位方法获得的悬臂式掘进机器人截割头位姿数据作为反馈量,基于反馈线性化积分滑模控制器的截割轨迹控制算法实时计算控制量,以规划轨迹点和视觉测量位姿点构建反馈控制系统,实现对悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的动态控制。实验结果表明,该系统能够实现悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的智能控制,定位精度高,稳定性好,轨迹跟踪误差小于25.61mm,可满足巷道成形质量需求。

基于PCC的纵轴式掘进机自主截割控制系统研究

以典型的纵轴式掘进机为研究对象,详细的介绍了系统的控制原理,并采用了PCC+智能工控面板的控制模式对系统进行了搭建。对三项关键技术之一的截割轨迹规划进行了重点研究:分析了煤岩硬度与截割臂摆速、截割电机转速之间的关系,并以此为依据对影响截割的环境因素进行建模;采用栅格法建立了巷道断面栅格地图,基于该地图规划躲避夹矸位置的截割轨迹;依照截割工序,按照煤层软硬程度不同,分别规划了相应的截割轨迹及自动控制流程;分析了掘进机机身位姿偏差对截割轨迹的影响。研究结果表明:掘进机自主截割控制系统已初步搭建,有待开展另外两项关键技术的研究及井下工业性试验。

数字孪生驱动掘进机远程自动截割控制技术

目前掘进机远程截割控制方法大多基于视频监控与平面信息,巷道断面成形质量取决于人工操作经验,可靠性较低。针对该问题,研究了数字孪生驱动掘进机远程自动截割控制技术,从数据感知、数据驱动、数据传输、远程自动截割控制等方面介绍了数字孪生驱动掘进机自动截割的实现过程。采用视觉测量技术获取掘进机位姿数据、气体传感器等获取掘进环境数据,构成数字孪生驱动的数据来源;建立掘进机虚拟模型和虚拟场景并完成虚拟模型动作编程及虚拟模型与虚拟场景的耦合,通过求解掘进机运动学正逆解,实现掘进机与虚拟模型交互;基于三次多项式方法进行巷道断面“S”形截割轨迹规划,设计反馈线性积分滑模控制器实现截割轨迹跟踪控制;采用MySQL数据库作为数据交互媒介,通过井下工业以太环网及矿用5G技术实现数据远程传输。实验结果表明,掘进机截割头能稳定跟随规划轨迹,且同一时刻虚拟界面显示的掘进机截割头位姿与实际位姿一致。

基于GIS系统的采煤机导航自适应截割技术研究

本文介绍了自动化、智能化煤矿开采技术研究现状,提出利用震波CT煤层地质探测技术进行煤层地质初探,同时采用巷探、钻探等地质实测技术反演煤层及顶底板岩层地质条件,从而构建精细化三维GIS煤层地理信息系统,基于GIS煤层地理信息系统,开发了采煤机自适应截割技术,实现了采煤机自动调高和截割路径自动规划,解决了工作面推进方向的采煤机调高难题,规划了采煤机过断层是截割路径。

智能采煤机器人关键技术

采煤机是综采工作面的核心装备,研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状,提出研发智能采煤机器人必须破解的“智能感知、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制、位-姿-速协同控制”五大关键技术,并给出解决方案。针对智能感知问题,提出了构建智能感知系统思路,给出了智能采煤机器人智能感知系统的架构,实现对运行状态、位姿、环境等全面感知,为智能采煤机器人安全、可靠运行提供保障;针对位姿控制问题,提出了智能PID位姿控制思路,给出了改进遗传算法的PID位姿控制方法,实现了智能采煤机器人位姿精准控制;针对速度控制问题,提出了融合“力-电”异构数据的截割载荷测量思路,给出了基于神经网络算法的截割载荷测量方法,实现了截割载荷的精准测量;提出牵引与截割速度自适应控制思路,给出了人工智能算法牵引与截割速度决策方法和滑模自抗扰控制的牵引与截割速度控制方法,实现了智能采煤机器人速度精准自适应控制;针对截割轨迹规划与跟踪控制问题,提出了截割轨迹精准规划思路,给出了融合地质数据和历史截割数据的截割轨迹规划模型,实现了截割轨迹的精准规划;提出了截割轨迹精准跟踪控制思路,给出了智能插补算法的截割轨迹跟踪控制方法,实现了智能采煤机器人截割轨迹高精度规划与精准跟踪控制;针对“位-姿-速”协同控制问题,提出了“位-姿-速”协同控制参数智能优化思路,给出了基于多系统互约束的改进粒子群“位-姿-速”协同控制参数优化方法,实现了智能采煤机器人智能高效作业。深入研究五大关键技术破解思路,有利于加快推动研发高性能、高效率、高可靠的智能采煤机器人。

薄煤层综采工作面智能化关键技术与应用

针对薄煤层工作面开采长期面临的装备配套性能低、智能化程度低、经济效益低、劳动强度高的“三低一高”问题,构建了工作面生产时地面工艺调度决策,井下设备依据决策自动执行的“地面规划采煤、装备自动执行、面内无人作业”的智能无人开采新模式。建立了以地面控制中心为核心,以井上下万兆网络通讯平台、采煤机规划截割、液压支架主从调度、机载音视频装置、巡检机器人、电缆拖拽、三岗合一为辅的成套化薄煤层智能化开采关键技术。通过工业实践表明,该模式可实现生产时将工作面内作业人员由原来3人减为无人,达到无人则安;生产效率由原来的每天12刀提升到14刀,最高达到16刀,平均提升17%以上。

基于煤层分布预测的采煤机截割路径规划

针对采煤机截割路径的规划问题,提出了一种基于煤层分布预测的采煤机截割路径规划方法.建立了多输入、单输出的最小二乘支持向量机(LS-SVM)滚动预测模型,并将混沌粒子群算法用于LS-SVM参数的优化,以提高LS-SVM的预测性能.采用一种3次B样条对煤层分布的LS-SVM预测值进行拟合优化,从而得到足够平滑的曲线作为采煤机截割路径.结果表明:LS-SVM预测结果的最大相对误差为4.52%,平均误差为2.36%,满足工程要求;以3次B样条优化后的煤层分布曲线作为截割路径,可以及时调节滚筒高度,其截割电流最大为76.27A,比人工控制方法降低了10.27%,且持续时间较短.通过在中平能化集团十三矿11070工作面的试验验证,提出的方法能够用于采煤机截割路径的规划,对促进综采工作面自动化生产具有十分重要的意义.

悬臂式掘进机空间位姿的运动学模型与仿真

为实现掘进断面自动截割成形控制,达到无人采掘装备自主巡航目标,研究了悬臂式掘进机空间位姿运动学模型并进行了仿真。将悬臂式掘进机的机械机构简化为一系列平移或旋转关节串联而成的运动链,建立了掘进机空间位姿坐标体系;利用齐次坐标变换和机器人运动学相关理论建立了掘进机机身位姿和截割头相对于大地坐标系的空间位姿矩阵。采用D-H法求解了正向运动学问题即截割头空间位姿精确定位;采用代数法分析研究了逆向运动学问题即截割头轨迹规划及控制的数学模型。以EBZ200机型为例,实验仿真了类S形自下而上矩形截割断面工艺路径,并进行了现场多组试验。试验结果表明:设定巷道断面4 500 mm×4 000 mm,两帮综合最大误差为65mm,相对控制最大误差为1.4%,达到煤巷断面质量精度要求,且重复精度高、无累计偏差。

唐家会煤矿复杂地质条件下智能化建设探索与实践

为了应对复杂的水文地质条件,唐家会煤矿紧跟地质保障技术发展方向,采用智能钻探、钻孔物探、微震监测、随掘随探、随采随探等尖端技术,获取海量的地质信息,基于“GEO+BIM”技术进行精细化数字建模,建设了包括透明防治水、透明掘进、透明回采在内的数字化应用场景;以精准动态地质模型为依托,在61304综放工作面研发了独具特色的特厚煤层自主规划开采与数字孪生技术,开创了大埋深综放工作面透明开采应用新场景,打造了全新的“数据驱动、智能开采”新模式;通过建设智慧一体化管控平台,构建矿山感知、互联、分析、预测、决策为一体的智能管控系统,从而为矿井开拓、采掘、运通、选煤、安全保障、生产管理等全过程智能化运行提供保障,真正做到信息融合、共享与联动。

基于数字煤层的综采工作面精准开采系统

针对目前以记忆截割为核心技术的自动化采煤技术无法自主感知工作面地质条件变化,采煤机难以实现根据煤层厚度变化自动进行调高控制,而对于精准开采方面也只是初步探索的问题,研发了一种基于数字煤层的综采工作面精准开采系统。该系统首先利用煤矿地质数据、工作面切眼数据和工作面运输巷与回风巷地质写实数据和三次样条插值方法建立初始三维数字煤层模型。然后通过综采设备惯性导航系统、里程计、雷达、角度传感器等动态感知采煤机实际行走轨迹和截割轨迹,对建立的初始三维数字煤层模型进行动态修正,生成刮板输送机直线度检测曲线。最后根据修正后的三维数字煤层模型动态规划采煤机截割轨迹曲线,并下发给采煤机控制系统,指导采煤机根据煤层厚度变化自动进行调高控制;通过刮板输送机直线度检测曲线和液压支架行程信息综合分析计算下一刀每台液压支架推移的偏差量,并将下一刀每台液压支架推移的偏差量下发给综采工作面液压支架控制系统,实现液压支架自动调直。试验结果表明:该系统实现了采煤机截割轨迹动态规划、调高轨迹自动跟踪控制和液压支架自动调直;通过三维数字煤层模型的CT切片可以获取采煤机规划刀的截割轨迹,规划的截割轨迹误差小于0.2 m;在无人工干预情况下,对于250 m长的工作面自动化割煤时间大约为1 h,自动割三角煤时间大约为30 min。

综采工作面透明化开采模式及关键技术

针对目前基于自适应工作面地质条件的智能开采技术无法满足实际工程应用要求的问题,提出了包括模型构建、待开采空间定位、截割控制决策与执行3个阶段的综采工作面透明化开采模式,即以煤层赋存勘探为基础,以工作面三维数字化模型为对象,通过剖切三维数字化模型、提取待开采煤层顶底板轨迹坐标,制定采煤机调高控制策略,最终采煤机依据截割轨迹参数进行调高控制,达到自主割煤目标;阐述了三维数字化模型建立、三维激光点云模型建立、模型剖切与截割规划、采煤机调高控制等综采工作面透明化开采关键技术。在国家能源集团神东煤炭集团公司榆家梁煤矿43102综采工作面开展了透明化开采模式及关键技术工程应用:构建工作面初始三维地质模型,沿煤层顶底板分界线完成钻孔勘测,实现对工作面煤层赋存情况的探测;获取的数据导入初始三维地质模型后,得到工作面三维数字化模型;在工作面回采过程中每天进行地质测绘,通过测绘数据实现三维数字化模型误差纠偏;构建采场实时三维激光点云模型,提取三维激光点云模型中煤壁、顶板交接处三维坐标数据集形成剖切线,利用剖切线对三维数字化模型进行剖切,获得下一割煤循环的顶底板轮廓曲线;通过分析煤层赋存变化情况制定截割规划,指导采煤机后续割煤循环过程中滚筒自主调高控制。应用结果表明,三维数字化模型误差小于±0.2 m,初步实现了采煤机依据工作面煤层赋存条件进行自主割煤。