摘要

綜采工作面煤層變化決定采煤機(jī)的截割規(guī)劃路徑，工作面傾向方向煤層起伏變化時(shí)，采煤機(jī)需及時(shí)調(diào)整上下滾筒高度，修正截割采高；工作面走向方向傾角變化時(shí)，需修正工作面底板的挖底量，以適應(yīng)變化的工作面煤層傾角。對于復(fù)雜多變的煤層工作面，路徑規(guī)劃時(shí)盡可能減少采煤機(jī)割頂?shù)装宓那闆r發(fā)生，通過提前規(guī)劃采煤機(jī)截割路徑，減少滾筒截齒磨損，提高煤炭生產(chǎn)效率。在此應(yīng)用環(huán)境下，研發(fā)了基于數(shù)字孿生的煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃系統(tǒng)，并在中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦（簡稱大海則煤礦）得到應(yīng)用驗(yàn)證。

文章來源：《智能礦山》2025年第5期“數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用專題”欄目

第一作者：李自雄，高級工程師，現(xiàn)任中煤陜西榆林能源化工有限公司總經(jīng)理，主要從事煤礦智能化管理工作。E-mail：lizixiong@chinacoal.com

作者單位：中煤陜西榆林能源化工有限公司；西安華創(chuàng)馬科智能控制系統(tǒng)有限公司

引用格式：李自雄，李沅澤，喬鵬舉，丁猛. 基于數(shù)字孿生的煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J]. 智能礦山，2025，6(4)：23-27.

點(diǎn)擊文末左下角閱讀原文，免費(fèi)下載閱讀pdf全文

煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃方案

目前，國內(nèi)外針對采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)姿態(tài)研究集中在理想的水平工作面上，未考慮復(fù)雜工作面工況下底板不平整的井下實(shí)際情況；對刮板輸送機(jī)的研究忽略了地形條件影響，主要集中在對單采煤機(jī)的姿態(tài)和位置研究，缺少采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)有效協(xié)同監(jiān)測的針對性研究；路徑規(guī)劃截割主要針對刮板輸送機(jī)水平面形態(tài)的調(diào)直，未監(jiān)測刮板輸送機(jī)三維空間形態(tài)，不能準(zhǔn)確指導(dǎo)采煤機(jī)滾筒截割路徑。

基于此，構(gòu)建綜合透明工作面地質(zhì)分布和采運(yùn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜采工作面煤層路徑截割規(guī)劃方法。采用鉆探、物探、槽波地震勘探、隨采地質(zhì)勘探等技術(shù)獲取煤層地質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建工作面三維煤層透明地質(zhì)模型，采集各煤層區(qū)域地質(zhì)起伏變化數(shù)據(jù)。通過數(shù)字孿生技術(shù)和采煤機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，得到當(dāng)前采運(yùn)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行姿態(tài)，基于前方三維地質(zhì)數(shù)據(jù)對采煤機(jī)的上下滾筒高度進(jìn)行截割規(guī)劃，同時(shí)考慮采煤機(jī)采高、割頂割底限制、刮板輸送機(jī)各刮板之間限位、推移挖底量等因素，實(shí)現(xiàn)工作面煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃。工作面煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃方案如圖1所示。

圖1 工作面煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃方案

基于數(shù)字孿生的透明工作面

基于數(shù)字孿生的透明工作面模型，主要通過巷道測量與寫實(shí)、瓦斯抽放鉆孔測井技術(shù)、孔中雷達(dá)探測技術(shù)、三維地震資料再解釋、槽波地震波勘探等獲取構(gòu)造、起伏等地質(zhì)信息，基于地質(zhì)數(shù)據(jù)得到煤層頂?shù)装甯叱讨惦x散數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用線性插值法對三維煤層頂?shù)装甯叱讨颠M(jìn)行擬合，得出工作面各區(qū)域煤厚信息，利用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)生成高精度數(shù)字化底板模型。滿足實(shí)時(shí)顯示采煤前方一定區(qū)域的地質(zhì)煤厚變化、空間起伏變化等，基于數(shù)字孿生的透明工作面界面如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生的透明工作面界面

采運(yùn)設(shè)備實(shí)時(shí)姿態(tài)檢測

通過在采煤機(jī)上安裝慣性導(dǎo)航測量單元，實(shí)現(xiàn)井下采煤機(jī)姿態(tài)實(shí)時(shí)精確監(jiān)測。慣性導(dǎo)航為系統(tǒng)核心，由加速度計(jì)和陀螺儀組成。加速度計(jì)測量采煤機(jī)各方向加速度，陀螺儀測量采煤機(jī)的角速度。姿態(tài)解算系統(tǒng)由IMU等慣性傳感器組成，根據(jù)姿態(tài)和位置解算公式實(shí)時(shí)解算采煤機(jī)的姿態(tài)信息和定位信息，包括俯仰角、橫滾角、航向角和采煤機(jī)所在位置，慣性測量單元安裝示意如圖3所示。

圖3 慣性測量單元安裝示意

采煤機(jī)運(yùn)行過程中，采煤機(jī)支撐滑靴和行走輪與刮板輸送機(jī)接觸運(yùn)行，刮板輸送機(jī)形態(tài)由采煤機(jī)支撐滑靴和行走輪的運(yùn)行軌跡直接反映。在采煤機(jī)運(yùn)行軌跡的基礎(chǔ)上，結(jié)合采煤機(jī)支撐滑靴及行走輪與刮板輸送機(jī)之間的配套關(guān)系，建立采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)角度間關(guān)系耦合模型，實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)角度反演解算，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算刮板輸送機(jī)的相對高度，為采煤機(jī)滾筒自主調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)調(diào)直提供數(shù)據(jù)保障，刮板輸送機(jī)位姿軌跡界面如圖4所示。

圖4 刮板輸送機(jī)路徑軌跡界面

自適應(yīng)截割規(guī)劃控制

透明工作面與刮板輸送機(jī)軌跡相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高和行走軌跡動(dòng)態(tài)調(diào)直。在垂直面上，基于刮板輸送機(jī)位姿調(diào)節(jié)滾筒高度，保障采煤機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)；在水平面上，通過實(shí)時(shí)采集刮板輸送機(jī)水平面形態(tài)，為液壓支架推移機(jī)構(gòu)的推移距離提供依據(jù)，保證綜采工作面的截割軌跡直線度，截割規(guī)劃控制界面如圖5所示。

圖5 截割規(guī)劃控制界面

（1）截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高

刮板輸送機(jī)與工作面底板耦合，兩者形態(tài)相似，采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上直接運(yùn)動(dòng)，刮板輸送機(jī)變化形態(tài)直接影響采煤機(jī)姿態(tài)，進(jìn)而影響采煤機(jī)滾筒截割路線。因此，基于反演解算的刮板輸送機(jī)在豎直面形態(tài)對采煤機(jī)后滾筒進(jìn)行截割規(guī)劃，通過控制后滾筒截割高度，實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)在豎直面的形態(tài)控制。

結(jié)合透明工作面模型中前方地質(zhì)信息，控制刮板輸送機(jī)垂直面姿態(tài)。利用透明工作面得到前方地質(zhì)的煤層傾角，得到下1刀采煤機(jī)后滾筒截割調(diào)整量，提供給控制器作為下次截割規(guī)劃滾筒調(diào)高控制參數(shù)。截割滾筒調(diào)高示意如圖6所示（圖中：為采煤機(jī)機(jī)身高度，為刮板輸送機(jī)的俯仰角，為機(jī)搖臂長度，為搖臂與水平面的夾角，為采煤機(jī)滾筒半徑，為解算得到采煤機(jī)后滾筒的截割深度）。

圖6 截割滾筒調(diào)高示意

由于工作面在俯斜開采或仰斜開采過程中底板需不斷修正挖底、抬底。采煤機(jī)上下滾筒截割高度在以煤層上下邊界為限的同時(shí)，需滿足工作面上下坡程度及支架挖底、抬底極限。將采煤機(jī)上下滾筒截割線與煤層上下分界線偏離最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立以采高、滾筒高度、挖底、抬底量限制等為約束條件的工作面開采截割路徑優(yōu)化模型。

（2）行走軌跡自動(dòng)調(diào)直控制

刮板輸送機(jī)因中部槽通過啞鈴銷連接彎曲度靈活，在液壓支架推移機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下，刮板輸送機(jī)會產(chǎn)生彎曲，如長時(shí)間推移不到位，影響刮板輸送機(jī)與煤壁的平行性，不利于采煤機(jī)正常行走和截割工作。為提高刮板輸送機(jī)水平面直線度，基于位姿反演模型得到刮板輸送機(jī)在水平面的彎曲形態(tài)。根據(jù)刮板輸送機(jī)彎曲段的形成過程，計(jì)算出每節(jié)中部槽的推移距離，為液壓支架推移機(jī)構(gòu)的推移距離提供依據(jù)，保障刮板輸送機(jī)水平面的直線度，行走軌跡自動(dòng)調(diào)直示意如圖7所示。

圖7 行走軌跡自動(dòng)調(diào)直示意

應(yīng)用案例

大海則煤礦基于數(shù)字孿生的煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃系統(tǒng)界面如圖8所示?；跀?shù)字孿生的煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃系統(tǒng)在大海則煤礦20202工作面進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，通過數(shù)字孿生技術(shù)生成數(shù)字化底板三維模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自適應(yīng)截割規(guī)劃控制，滿足工作面截割精度，實(shí)現(xiàn)了工作面智能、少人、安全的常態(tài)化生產(chǎn)。

圖8 大海則煤礦基于數(shù)字孿生的煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃系統(tǒng)界面

結(jié) 語

針對工作面煤層信息特征不全和綜采工作面采煤機(jī)截割路徑規(guī)劃精度低等問題，提出了基于數(shù)字孿生的煤層自適應(yīng)開采截割路徑規(guī)劃系統(tǒng)。構(gòu)建了透明工作面模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測采運(yùn)設(shè)備姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)化煤層截割導(dǎo)航地圖、采煤機(jī)截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高和行走軌跡動(dòng)態(tài)調(diào)直等關(guān)鍵技術(shù)。在大海則煤礦工作面現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，對整個(gè)工作面構(gòu)建三維數(shù)字透明化模型的同時(shí)，滿足采煤機(jī)自動(dòng)化截割規(guī)劃精度需求。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

往期薦讀

• 征稿┃《智能礦山》面向廣大讀者征稿，歡迎投稿

• 歡迎訂閱┃《智能礦山》雜志2025年訂閱開始了！

• 行業(yè)聚焦┃2024年煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會成功召開

• 《智能礦山》創(chuàng)刊4周年回顧

• 王國法院士煤礦智能化觀點(diǎn)集錦

• 新書訂閱 ┃《中國煤礦智能化發(fā)展報(bào)告（2024年）》（王國法，劉峰 主編）

往期特刊

中國煤科特刊

陜煤集團(tuán)特刊

神東專欄

重大進(jìn)展特刊

露天礦特刊

理事單位特刊

紅柳林煤礦特刊

創(chuàng)新技術(shù)特刊

創(chuàng)刊號

版權(quán)聲明

本刊對已出版文章持有電子版、網(wǎng)絡(luò)版及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)交流和與各網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫合作的權(quán)利，稿酬一次性付清，版權(quán)歸本刊與作者共同所有，如不同意，請?jiān)谕陡鍟r(shí)聲明。

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。