CN106194177B

CN106194177B - 用于控制开采机的系统和方法、开采设备、存储介质

Info

Publication number: CN106194177B
Application number: CN201610366026.7A
Authority: CN
Inventors: 大卫·查尔斯·里德; 乔纳松·凯里·罗尔斯顿; 查德·欧文·哈格雷夫; M·T·杜恩; P·B·里德; J·P·汤普逊
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2036-05-27
Also published as: CN111663943B; AU2016200784B1; AU2016200783B1; CN111663943A; CN106194177A; AU2016200781B1

Abstract

用于控制开采机的系统和方法、开采设备、存储介质。改进的开采机和控制方法。一种用于控制开采机的系统，该系统包括坐标位置确定装置、至少一个坐标基准点以及处理器。该处理器被连接以接收与以下项相关的数据：由该位置确定装置确定的绝对坐标位置以及至少一个基准点。参照该至少一个基准点来校正与所确定的绝对坐标位置相关的数据。该处理器被连接以基于校正后的绝对坐标位置产生用于启动开采机致动器、轨道致动器和/或回采装置致动器的进一步信号，该处理器通过多个致动器中的至少一个致动器来操作使得回采装置将截割或尝试截割到预期截割曲线。

Description

用于控制开采机的系统和方法、开采设备、存储介质

技术领域

本发明涉及开采机(mining machine)和可以控制开采机跨含有待开采产品的矿层移动的方法。

背景技术

在煤的开采中，已经开发称为长壁开采的处理。在这些处理中，其它部件当中，可移动轨道被放置为跨越煤矿层。开采机设置有至少一个挖矿头(shearing head)，并且开采机被移动以从矿层的一侧到另一侧沿着轨道横切，并且向上向下操纵挖矿头，以从矿层的面挖煤。贯穿每次通过，在开采机的路径后面朝矿层向前移动轨道。然后，为了重复挖矿过程，使得开采机沿相反方向在矿层上横切。在该返回横切期间，若需要，则还可以向上向下操纵挖矿头，以从矿层进一步移除煤。重复该过程，直到完成所计划的回采盘区中的所有煤为止。

由此，通过在各次通过之后使轨道朝矿层向前前进适当距离，可以随着各次通过以近似相等的截割深度渐进地移动到矿层中。

在实践中，由于使轨道移动的机动顶部支撑件前进系统的滑移而随着各次随后通过而逐渐产生不准确性，这导致截割深度在矿层面上变化。这反过来导致产品产量降低以及对轨道和机动顶部支撑件前进系统的不必要的机械负荷和应力。这种误差在很大程度上可归于机动顶部支撑件前进系统使轨道在各次通过时向前移动设置的增加量。由此，由于机动顶部支撑件前进系统的滑移，在机器的多次通过之后积累不准确性。期望的是，希望轨道沿直线延伸，但是由于滑移，轨道被渐进地移动成导致轨道最后具有曲线或蛇形路径。这反过来在尝试使轨道复位以校正这些所积累的不准确性时导致停工时间。

US6857705通过使用2D坐标确定定位装置来随着开采机在煤矿层的面上横切移动而在多个位置处确定开采机的绝对位置来解决该问题。虽然该方法解决了由于机动顶部支撑件前进系统的滑移而产生的积累不准确性的问题，但在随着开采机在煤矿层上横切移动而控制开采机的对齐方面仍然存在进一步改进的余地。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供了一种用于贯穿挖矿循环控制开采机的系统，该系统包括：

A.开采机，该开采机包括：

(i)挖矿头，该挖矿头安装在可移动车架上，所述挖矿头用于随着所述可移动车架在穿过矿层从一侧到另一侧延伸的轨道上跨所述矿层的开采面从一侧到另一侧横切移动而从矿层开采产品；

(ii)轨道致动器，该轨道致动器用于使轨道朝所述矿层移动；

(iii)挖矿机机头(shearer head)致动器，该挖矿机机头致动器用于使挖矿机机头朝矿层边界移动；

(iv)至少2D坐标位置确定装置，该至少2D坐标位置确定装置用于在沿着轨道的多个位置中的每个位置处确定开采机和/或轨道的空间中的绝对坐标位置，所述位置确定装置从位置确定装置提供当前绝对坐标位置输出数据信号；

(v)处理器，该处理器被连接以接收输出数据信号并产生进一步信号，该进一步信号用于：

a.启动所述轨道致动器，以从而基于所确定的开采机或轨道的该部分与期望坐标位置不同的当前绝对坐标位置，朝所述矿层将所述轨道移位或尝试移位一段距离，以取得预期截割曲线的坐标位置；和/或

b.启动所述挖矿机机头致动器，以基于所确定的开采机或轨道装置与期望坐标位置不同的当前绝对坐标位置朝所述矿层边界将所述挖矿机机头移位或尝试移位一段距离，以取得预期截割曲线的坐标位置。

所述处理器在沿着轨道的长度的不同位置处通过致动器中的至少一个致动器来操作，所以所述挖矿头将截割或尝试截割到预期截割曲线。

B.至少一个坐标基准点，该至少一个坐标基准点各提供至少2D坐标位置，各基准点设置在主采区顺槽(gateroad)和/或尾采区顺槽处；

其中，处理器被连接以接收与至少一个坐标基准点相关的数据。

开采机或轨道致动器优选地朝所述矿层在大致水平面内将所述开采机或轨道移位或尝试移位一段距离。回采装置(例如，挖矿机机头)致动器优选地在大致竖直平面内将所述回采装置(例如，挖矿机机头)移位或尝试移位一段距离。

本发明使得开采机和回采装置能够被更准确地定位并关于它相对于待开采矿层的位置具有更大的确定性。

基准点中的至少一个优选地为绝对坐标基准点(或主基准点)。

本发明的系统能够减少位置确定装置中逐步形成的误差的积累，并使得能够通过提供更准确的预期截割曲线来建立更准确测量得的截割曲线。此外，可以在矿层模型中更好地对齐预期截割曲线，使得开采机可以基于回采装置(例如，挖矿机机头)对煤矿层以及周围环境的特征而言处于哪里的更好理解来优化操作设置。

为了提高预期截割曲线的准确性，可以校正位置确定装置的输入或输出。在一个实施方式中，来自所述位置确定装置的绝对坐标位置输出信号参照一个或更多个主基准点来校正。在另选实施方式中，所述确定装置的绝对坐标位置参照至少一个绝对坐标主基准点来校正。

至少2D坐标位置确定装置可以位于允许确定开采机、可移动车架和/或轨道位置的任意适当的位置中。至少2D坐标位置确定装置优选地由开采机、可移动车架和/或轨道来承载。至少2D坐标位置确定装置优选地为3D坐标位置确定装置。

优选的是，使用至少一个绝对坐标主基准点来对照一个或更多个基准点校正预期截割曲线。基准点优选地为优选地沿着主采区顺槽和/或尾采区顺槽延伸的多个当前绝对坐标位置。

至少一个回采装置/挖矿头优选地包括旋转截割装置。

开采机

开采机可以包括长壁采矿机(miner)(包括所关联的轨道、顶部支撑件、驱动器、输送机、分段装载机以及破碎机)、连续采矿机、掘进机、梭车、柔性输送机列车(flexibleconveyor train)、刨矿机或具有从矿层移除材料的回采装置的任意其他机器设备。

预期截割曲线

预期截割曲线包括可以分别以(x,y)和(x,z)平面内的3D笛卡尔坐标表示的水平平面和竖直平面。优选的是，水平平面内的预期截割曲线为直线，这使得能够实现采煤增加(例如，对于长壁开采，可移动车架沿主采区顺槽与尾采区顺槽之间的直线行进)。然而，将理解，在一些实施方式中，根据矿层构造而优选非线性预期截割曲线。因为开采机或轨道致动器可能无法在单个循环内将实际曲线有效地校正为直线曲线，所以预期截割曲线可以为实际截割曲线与直线之间的中间物。在竖直平面内，预期截割曲线可以是直的，或者可以跟随煤矿层的顶部和/或底部边界。标识矿层边界的传感器输出优选地输入到矿层模型中，以使得处理器能够产生用于挖矿头致动器在所标识的矿层边界内控制挖矿头的信号。这确保在回采装置(例如，挖矿头)不越过目标煤矿层外部的情况下提高采煤效率。预期截割曲线还可以参照由连续采矿机和掘进机进行的巷道开拓来使用。

内插和外推

优选的是，至少一个基准点用于在目标矿层的一端或两端处(即，在目标矿层的主采区顺槽端或尾采区顺槽端处)校正预期截割曲线。预期截割曲线的中间位置优选地借助内插或外推来确定。更优选的是，使用一个或更多个绝对坐标主基准点来在目标矿层的各端处直接校正预期截割曲线，并且借助外推来间接校正预期截割曲线的中间位置。

可以使用线性内插或外推，或者可以如本领域技术人员所知的采用较复杂的分析技术。

辅基准点

系统优选地包括一个或更多个辅基准点。辅基准点为通过参照主基准点而产生的基准点。辅基准点可以包括由开采机、轨道或顶部支撑件系统上的一个或更多个传感器检测的截割矿层面的标识特征。例如，与位置确定装置组合的红外检测器提供到处理器中的输入，以产生形成矿层模型的一部分的特征热图像。然后，借助拖曳挖矿机机头产生的热图像符合下一截割循环中借助引导挖矿机机头产生的热图像。两个热图像之间的任意空间匹配误差以及它们的绝对坐标位置可以在轨道移动控制和/或回采装置(例如，挖矿机机头)移动控制中用作到校正算法中的输入。

辅基准点可以在主采区顺槽和/或尾采区顺槽和/或矿截割面处(即，沿着所测量的截割曲线)产生。

预期截割曲线的校正优选地引起对轨道移动致动器和/或回采装置(例如，挖矿机机头)致动器的调整。

在一个实施方式中，一个或更多个绝对坐标主基准点的校正包括反馈和前馈校正这两者。反馈校正优选地从一个或更多个基准点(主和/或辅)导出，并且前馈校正优选地从多个截割循环期间校正的趋势导出。前馈校正为依赖于时间的因素(诸如位置确定装置中的蠕变或系统误差漂移)提供校正补偿。前馈校正的使用克服仅依赖内插或外推技术校正截割曲线内的中间点(intermediate point)时的缺陷。

校正还可以包括从所测量的沿着采区顺槽探测距离的主基准点之间的距离变化导出的输入。任一个截割循环中所测量的初始探测值的变化或一系列循环期间的所述变化的趋势可以分别用作到反馈和前馈校正中的输入。

与至少一个基准点相关的数据优选地为已知的基准点的绝对空间坐标(即，主基准点)或从主基准点导出的空间坐标(例如，辅基准点)。通过确定开采机与一个或更多个基准点的相对位置，处理器能够比较通过使用至少一个基准点确定的开采机空间位置并比较由位置确定装置确定的空间位置。

在优选实施方式中，使用激光测距传感器来确定开采机与一个或更多个基准点的相对位置。但本领域技术人员将理解，其他适当的装置也可以用于从主基准点中的一个或更多个收集数据，以输入到处理器中。在另选实施方式中，基准点与开采机的相对位置的确定借助截割模型的了解(例如，每一回采循环所估计的轨道前进)来估算。基准点可以经由至少2D坐标位置确定装置来确定，或者可以独立地探测基准点。源于不同方法的两个空间位置之间的差异性可以用于校正开采机的预期截割曲线。这通常在开采机完成跨开采矿层横切移动时(即，在主采区顺槽或尾采区顺槽处)执行。此时，处理装置在沿着校正后的路径跨开采面返回之前计算预期截割曲线(长壁开采实施方式)。优选地在各循环期间(即，在同一采区顺槽处)或半循环期间(即，在各相对采区顺槽处)重复该方法。

数据优选地为主基准点的2D或3D空间位置。主基准点还可以包括使得能够附着其他信息的标识件(诸如射频标识(RFID)标签)。另选地，主基准点可以为可以与激光测距传感器组合使用的反光标识件(例如，附着到采区顺槽壁的反光盘或反光板)。在使用反光标识件的实施方式中，所探测的坐标优选地在所探测的坐标内的开采活动开始之前(例如，在完成探测之后且在开始开采活动之前)输入到处理器中。

常规激光测距传感器具有与防止常规激光测距传感器有效用于地下煤矿的安全要求有关的缺点。优选的是，本发明中所用的激光测距传感器遵循国际标准IEC 60079-0、IEC 60079-1、美国标准：ANSI/UL 1203:2006、英国标准BS EN 60079-1:2007以及澳大利亚标准AS60079.1:2007中的一个或更多个。

优选的是，系统还包括全部由可移动车架和轨道装置中的一个承载的、收集馈送到矿层模型中的矿层数据的一个或更多个传感器。

将理解，根据本发明的其他方面的用于控制开采机的系统的可选特征在适当情况下对于根据第一方面的系统也是可选的。

在本发明的第二方面中，提供了一种用于控制如之前所定义的开采机的方法，该方法包括以下步骤：

A.穿过矿层的开采面横切移动开采机；

B.根据至少一个坐标基准点向处理器提供至少2D坐标位置，各基准点设置在主采区顺槽和/或尾采区顺槽处；以及

C.参照至少一个坐标基准点校正来自所述位置确定装置的当前绝对坐标位置输出信号；或者参照至少一个坐标基准点校正当前绝对坐标位置。

优选的是，在开采机完成穿过矿层的开采面的横切移动时，处理器根据至少一个坐标基准点被提供至少2D坐标位置。

在本发明的第三方面中，提供了一种用于控制开采机的系统，该系统包括：

(i)至少2D坐标位置确定装置，该至少2D坐标位置确定装置用于确定在以下项的空间中的绝对坐标位置：

所述开采机；和/或

轨道，所述开采机的回采装置沿着该轨道穿过矿层的开采面从一侧到另一侧横切移动，

所述绝对坐标位置沿着矿层的开采面在所述开采机和/或所述轨道的多个位置中的每个位置处确定；

(ii)至少一个坐标基准点，该至少一个坐标基准点各提供至少2D坐标位置；以及

(iii)处理器，该处理器被连接以接收与以下各项相关的数据：所确定的所述开采机和/或轨道的绝对坐标位置；以及所述至少一个坐标基准点，

其中，参照所述至少一个坐标基准点来校正与所确定的所述开采机和/或所述轨道的所述绝对坐标位置相关的数据，并且其中，所述处理器被连接以产生进一步信号，该进一步信号用于：

a.启动开采机或轨道致动器，该开采机或轨道致动器用于使所述开采机或轨道朝所述矿层移动，以从而基于所述校正后的所述开采机或轨道的绝对坐标位置朝所述矿层将所述开采机或轨道移位或尝试移位一段距离，以取得预期截割曲线的坐标位置；和/或

b.启动回采装置致动器，该回采装置致动器用于使所述回采装置朝矿层边界移动，以基于所述校正后的所述开采机或轨道的绝对坐标位置朝所述矿层边界将所述回采装置移位或尝试移位一段距离，以取得预期截割曲线的坐标位置，

所述处理器通过致动器中的至少一个致动器来操作，因而所述回采装置将截割或尝试截割到所述预期截割曲线。

优选的是，各基准点设置在主采区顺槽和/或尾采区顺槽处。

优选的是，绝对坐标位置在沿着轨道(即，沿着矿层的开采面)的多个位置中的每个位置处确定。

在一个实施方式中，所述至少一个基准点包括一个或更多个主基准点。另外地或另选地，至少一个基准点包括一个或更多个辅基准点。

优选的是，所述至少一个坐标基准点用于校正所述预期截割曲线。

优选的是，至少一个基准点用于在目标矿层的一端或两端处(即，在目标矿层的主尾采区顺槽端处或尾采区顺槽端处)校正预期截割曲线。预期截割曲线的中间位置优选地借助内插和外推来确定。更优选的是，一个或更多个绝对坐标基准点用于在目标矿层的各端处直接校正预期截割曲线，并且借助外推来间接地校正预期截割曲线的中间位置。

可以使用线性内插和外推，或者可以如本领域技术人员所知的采用较复杂的分析技术。

优选的是，所确定的所述开采机和/或所述轨道的所述绝对坐标位置参照至少两个坐标基准点来校正。

在一些实施方式中，所确定的所述开采机和/或所述轨道的所述绝对坐标位置可以参照沿着所述主采区顺槽定位的至少一个坐标基准点和沿着所述尾采区顺槽定位的至少一个坐标基准点来校正。优选的是，所确定的所述开采机和/或所述轨道的所述绝对坐标位置可以参照沿着主采区顺槽定位的至少两个坐标基准点和沿着尾采区顺槽定位的至少两个坐标基准点来校正。

在一个实施方式中，所确定的所述开采机和/或所述轨道的所述绝对坐标位置的校正包括反馈和前馈控制机制这两者。反馈校正优选地从一个或更多个基准点(主和/或辅)导出，并且前馈校正优选地从多个截割循环期间校正的趋势导出。前馈控制机制可以从至少一个当前坐标位置与多个截割循环期间参照所述至少一个坐标基准点而进行的当前坐标位置的校正之间的比较。前馈校正为依赖于时间的因素(诸如位置确定装置中的蠕变或系统误差漂移)提供校正补偿。前馈校正的使用克服仅依赖内插或外推技术校正截割曲线内的中间点时的缺陷。

优选的是，在开采机完成穿过矿层的开采面的横切移动时，与由位置确定装置确定的绝对坐标位置相关的数据被校正。

在实施方式中，使用激光测距传感器来确定开采机、回采装置、可移动车架和/或轨道与至少一个基准点的相对位置。但本领域技术人员将理解，其他适当的装置也可以用于从至少一个基准点中的一个或更多个收集数据，以输入到处理器中。

至少一个坐标基准点可以包括使得能够附着其他信息的标识件(诸如射频标识(RFID)标签)。另选地，基准点可以为可以与激光测距传感器组合使用的反光标识件(例如，附着到采区顺槽壁的反光盘或反光板)。在使用反光标识件的实施方式中，所探测的坐标优选地在所探测的坐标内的开采活动开始之前(例如，在完成探测之后且在开始开采活动之前)输入到处理器中。

优选的是，所述至少一个基准点为3D坐标位置。

该开采机或该轨道致动器优选地朝所述矿层在大致水平面内将所述开采机或轨道移位或尝试移位一段距离。回采装置致动器优选地在大致竖直平面内将所述回采装置移位或尝试移位一段距离。

系统还可以包括用于收集馈送到矿层模型中的矿层数据的一个或更多个传感器。一个或更多个传感器可用于产生辅基准点。辅基准点可以借助从一个或更多个传感器以及至少2D坐标位置确定装置检测的标识特征来产生。所述一个或更多个传感器可以从由红外光谱仪、探地雷达、伽马射线发射检测器以及测距传感器组成的组选择。

至少一个坐标基准点还可以用于对齐截割模型与矿层模型。

所述开采机优选地为长壁采矿机、连续采矿机或巷道掘进机。所述回采装置优选地为挖矿机机头或截割滚筒。

所述处理器优选地在沿着所述轨道或开采面的不同位置处通过致动器中的至少一个致动器来操作。

将理解，根据本发明的其他方面的用于控制开采机的系统的可选特征在适当情况下对于根据第三方面的系统也是可选的。

在本发明的第四方面中，提供了一种用于使用根据第三方面的系统来控制开采机的处理，该处理包括以下步骤：

A.使所述开采机穿过矿层的开采面横切移动；

B.向所述处理器提供与至少一个坐标基准点相关的数据，该至少一个坐标基准点各提供至少2D坐标位置；以及

C.参照所述至少一个坐标基准点来校正与由位置确定装置确定的绝对坐标位置相关的数据。

优选的是，各基准点设置在主采区顺槽和/或尾采区顺槽处。

在本发明的第五方面中，提供了一种用于控制开采机的系统，该系统包括：

所述开采机；和/或

所述绝对坐标位置在所述开采机和/或所述轨道沿着矿层的开采面的多个位置中的每个位置处确定；

(ii)至少一个坐标基准点，该至少一个坐标基准点各提供至少2D坐标位置；

(iii)一个或更多个传感器，该一个或更多个传感器用于收集矿层数据，其中，至少一个辅基准点借助从与至少2D坐标位置确定装置组合的一个或更多个传感器检测的标识特征并参照至少一个坐标基准点来产生；以及

(iv)处理器，该处理器被连接以接收与以下项相关的数据：所确定的所述开采机和/或轨道的绝对坐标位置、至少一个坐标基准点以及至少一个辅基准点，

其中，与所确定的所述开采机和/或轨道的所述绝对坐标位置相关的数据参照所述至少一个辅基准点来校正，并且其中，所述处理器被连接以产生进一步信号，该进一步信号用于：

所述处理器通过致动器中的至少一个致动器来操作，因此所述回采装置将截割或尝试截割到所述预期截割曲线。

处理器优选地在沿着所述轨道或开采面的不同位置处通过致动器中的至少一个致动器来操作。

辅基准点借助矿层内的标识特征的产生为开采机校准更多频率提供可能性，由此，减小来自没有校准的作业延长期的空间定位误差。

优选的是，各基准点设置在主采区顺槽和/或尾采区顺槽处。

在一个实施方式中，随着开采机(诸如轨道上的长壁采矿机)沿着矿层横切移动，贯穿挖矿/截割循环控制开采机。在另选实施方式中，在开拓巷道(包括主采区顺槽和/或尾采区顺槽的建设)时控制开采机。

回采装置可以为从矿层回采材料的任意适当装置，包括挖矿机机头或截割滚筒。

标识特征优选地为标志带的一部分。该标志带为可以产生区别地质组成或结构(诸如不同的煤素质)的区别材料层。

另选地，标识特征可以为地质断层。这可以借助矿层中的不连续性来标识。

标识特征优选地包括几何上隔开的多个几何或地质标识特征。几何上隔开的几何标识特征的示例可以包括开采面与采区顺槽的交叉。几何上隔开的地质标识特征的示例可以包括标志带，该标志带包括不同于相邻层的组成的材料层。

通常，几何或地质标识特征的数量越大，一个或更多个传感器错误标识该标识特征的可能性就越低。

标识特征可以位于矿层的开采面上或下方，或者位于巷道(例如，尾采区顺槽或主采区顺槽)的壁或顶部上或下方。

虽然标识特征优选地为自然发生的矿层特征，但在一些实施方式中，标识特征为人为构造的矿层特征(诸如，借助与回采装置的相互作用而产生的矿层的几何构造)。

在其他实施方式中，标识特征可以包括开采过程期间引入的人工标识特征。

开采机优选地为长壁采矿机、连续采矿机或巷道掘进机。回采装置优选地为挖矿机机头或截割滚筒。

一个或更多个传感器优选地从由IR传感器、视觉照相机、激光测距仪、密度计以及探地探针组成的组选择。

将理解，根据本发明的其他方面的用于控制开采机的系统的可选特征在适当情况下对于根据第五方面的系统也是可选的。

在本发明的第六方面中，提供了一种用于使用根据第五方面的系统来控制开采机的方法，该方法包括以下步骤：

A.使所述开采机穿过矿层的开采面横切移动；

B.向所述处理器提供与至少一个辅坐标基准点相关的数据，至少一个辅基准点借助从与至少2D坐标位置确定装置组合的一个或更多个传感器检测的标识特征并参照至少一个坐标基准点来产生；以及

C.参照所述至少一个辅基准点校正与由位置确定装置确定的完全坐标位置相关的数据。

优选的是，各基准点设置在主采区顺槽和/或尾采区顺槽处。

在本发明的第七方面中，提供了一种用于控制开采机的系统，该系统包括：

所述开采机；和/或

(iii)待截割矿层的矿层模型

(iv)已截割矿层的截割模型；以及

(v)处理器，该处理器被连接以接收与所确定的所述开采机和/或轨道的绝对坐标位置、至少一个坐标基准点、矿层模型以及截割模型相关的数据，

其中，与所确定的所述开采机和/或轨道的所述绝对坐标位置相关的数据参照所述至少一个坐标基准点来校正，并且矿层模型和截割模型参照校正后的绝对坐标位置来对齐，并且其中，所述处理器被连接以产生进一步信号，该进一步信号用于：

所述处理器通过致动器中的至少一个致动器来操作，因此所述回采装置将截割或尝试截割到所述预期截割曲线

优选的是，各基准点设置在主采区顺槽和/或尾采区顺槽处。

处理器优选地在沿着所述轨道或开采面的不同位置处通过上述致动器中的至少一个致动器来操作。

优选的是，绝对坐标位置确定装置的校正在开采面与主采区顺槽或尾采区顺槽交叉的地点发生。

优选的是，绝对坐标位置确定装置的校正在沿着主采区顺槽或尾采区顺槽的一个或更多个点处发生。

通过参照校正后的开采机或轨道的绝对坐标位置对齐截割模型与矿层模型，知道截割模型相对于矿层模型的空间定位，由此可见，可以凭借更大的确定度来知道开采机的空间位置。

矿层模型和截割模型的对齐优选地在一个采区顺槽处实现，并且更优选地在两个采区顺槽(即，主采区顺槽和尾采区顺槽)处实现。

因为截割模型为从矿层回采材料之后的矿层模型的表示，所以截割模型与矿层模型之间的对齐使得开采机能够基于开采机之前与矿层的相互作用来定向并调整它将来的路径。

当预期截割曲线与所测量的截割曲线和共同的空间或地质基准点一致时，与所确定的所述开采机和/或轨道的所述绝对坐标位置确定装置相关的数据优选地参照至少一个坐标基准点来校正。

对于使用共同空间对齐的实施方式，截割模型与矿层模型的对齐优选地发生在开采机的位置可以参照优选地被定位于沿着采区顺槽的主基准点(诸如探测标志)来校正的主采区顺槽或尾采区顺槽处或与该主采区顺槽或尾采区顺槽相邻处。此时，刚刚完成的所测量的截割曲线(开采机针对预期截割曲线的实际截割曲线)与预期截割曲线共享共同边界，开采机将沿着该边界前进。

对于长壁开采实施方式，绝对坐标位置确定装置的该校正优选地发生在沿着预期截割曲线回采材料的循环完成时(例如，在开采面与主采区顺槽或尾采区顺槽交叉的地点)发生。对于连续采矿机和巷道掘进机实施方式，校正优选地在开采机在沿着主采区顺槽或尾采区顺槽的一个或更多个基准点处后退时发生。基准点可以为主基准点或辅基准点，并且可以表示开采机之前行进到的且校正了开采机的位置的空间位置。

优选的是，截割曲线被更新以校正所测量的截割曲线的位置。然后，校正后的所测量的截割曲线可以与它基于的预期截割曲线进行比较。

预期截割曲线与产生的所测量的截割曲线之间的偏差优选地用作到更新后的预期截割曲线和/或矿层模型中的输入。两个曲线之间的偏差可以引起预期截割曲线被更新以在随后的截割循环期间预先降低曲线之间的偏差。

借助沿着开采面矿层的顺序截割，截割模型包括可以用于确定预期截割曲线的增加的信息基础，使得可以改善回采效率。

优选的是，截割模型包括至少一个所测量的截割曲线，优选地包括至少两个所测量的截割曲线，并且更优选地包括至少五个所测量的截割曲线。表示跨开采面横切移动的所测量的截割曲线越多，可以用于借助外推或其他数据处理技术更新矿层模型的信息源就越大。

优选的是，截割模型包括标记到空间坐标或从空间坐标偏移的表征矿层数据和/或开采机性能数据。

在一个实施方式中，截割模型包括开采面的标志带的空间位置，并且其中，截割模型中的标志带的特征(即，地质基准点)用于对齐截割模型与矿层模型。这样做时，可以针对正在被截割矿层中的标志带特征以及截割模型的标志带特征参照沿着预期截割曲线的开采机的空间位置。优选的是，在跨开采面的等效点处参照矿层和截割模型中的标志带。具体地，正在被截割矿层的标志带的竖直高度可以与之前跨开采面横切移动时等效位置处的标志带的竖直高度比较。

标志带特征可以包括沿着矿层面的标志带的路径，开采机上的这种传感器可以能够登记开采机针对将要开采的矿层的定位(例如，从截割模型/矿层模型接口开始)并登记标志带针对预期截割曲线上的开采机位置的相对位置。区别特征(诸如标志带不连续性或拐点或地质变化)可以从截割模型用到矿层模型上，使得可以更新预期截割曲线。

将理解，根据本发明的其他方面的用于控制开采机的系统的可选特征在适当情况下对于根据第七方面的系统也是可选的。

在第八方面中，提供了一种用于使用根据第七方面的系统来控制开采机的方法，该方法包括以下步骤：

A.使所述开采机穿过矿层的开采面横切移动；

B.向所述处理器提供与至少一个坐标基准点相关的数据，该至少一个坐标基准点各提供至少2D坐标位置；

C.参照所述至少一个坐标基准点校正与由位置确定装置确定的绝对坐标位置相关的数据；以及

D.基于校正后的绝对坐标位置对齐待截割矿层的矿层模型与已截割的矿层的截割模型。

优选的是，各基准点设置在主采区顺槽和/或尾采区顺槽处。

在本发明的第九方面中，提供了一种软件，该软件在由计算机执行时使所述计算机执行根据第二方面、第四方面、第六方面或第八方面的方法。

在本发明的第十方面中，提供了一种设备，该设备包括：

(i)根据第一方面、第三方面、第五方面或第七方面的系统；和

(ii)开采机。

开采机可以包括回采装置，该回采装置安装在可移动车架上；所述挖矿头，该挖矿头用于随着所述可移动车架穿过矿层从一侧到另一侧横切移动而从矿层开采产品。

开采机还可以包括轨道致动器、开采机致动器和/或回采装置致动器。开采机或轨道致动器优选地朝所述矿层在大致水平面内将所述开采机或轨道移位或尝试移位一段距离。回采装置致动器优选地在大致竖直平面内将所述回采装置移位或尝试移位一段距离。

开采机可以为长壁采矿机、连续采矿机或巷道掘进机。回采装置可以为挖矿机机头或截割滚筒。

定义

为了本发明的目的，对单个特征的参照还涵盖多个。例如，开采机包括挖矿头还涵盖开采机包括两个挖矿头的实施方式。

预期截割曲线基于位置确定装置(例如，INS)的输入的、沿着或跨当前开采面的回采装置(例如，挖矿机)的预定路径。预期截割曲线优选地从矿层模型导出。预期截割曲线优选地对于长壁开采应用延伸达开采面的长度并且延伸至少10米，并且更优选地在其他应用(例如，巷道开拓)中延伸至少50米。

所测量的截割曲线回采装置(例如，挖矿机)跨开采面前进或横切移动后所测量的回采装置(例如，挖矿机)的路径。

截割模型已开采的开采矿层的空间坐标的至少2D(优选地为3D)模型或图。模型还可以包括标记到空间坐标(空间地登记矿层表征数据)或从空间坐标偏移的表征矿层数据和/或开采机特征/性能数据。

该截割模型优选地表示所回采的材料(即，开采机的历史路径)的至少50％，更优选地至少80％，并且最优选地100％。优选的是，截割模型表示机器后面(即，不是在回采的方向上)至少2米所回采的材料，更优选地表示机器后面至少5米所回采的材料，并且甚至更优选地表示机器后面至少50米所回采的材料。

矿层模型：有待开采的开采矿层的至少2D(优选地为3D)模型或图。该模型优选地根据勘测数据来最初建立，并且可以经由随着从截割模型到尚未截割的矿层中的开采的信息的外推来完善。矿层数据可以包括源于基于将至少2D坐标位置确定装置用于准确地定位地震源的绝对位置的地震信号而产生的勘测数据(诸如岩体缺陷和断层结构、组成、硬度、塌方的倾向、表面和矿层内钻孔数据、地球物理测井数据和2D和3D地震数据以及开采之前的矿层的地形数据)的表征矿层数据。矿层特征可以为表面特征，或者可以为可以表示开采机的一个或更多个回采循环的厚度的、矿层内的层的特征。模型可以包括标记到空间坐标或与空间坐标偏离的表征矿层数据和/或机器表征/性能数据。模型还可以包括与邻近于待开采矿层的材料(例如，下伏层、中间覆盖层和/或上方覆盖层)有关的空间表征数据。表征数据优选地与确定随着矿层被开采机开采而产生的矿层边界和/或稳定性有关。

优选的是，矿层模型表示开采机前面(即，在回采的方向上)至少2米的矿层，更优选地表示开采机前面至少5米的矿层，并且甚至更优选地表示开采机前面至少50米的矿层。

要理解，贯穿本公开，除非另外叙述，预期截割曲线、所测量的截割曲线、截割模型、矿层模型等是指物理地存储在数据存储器上或由处理器处理的数据结构。

外推为了本发明的目的，指的是使用在截割面的主采区顺槽和尾采区顺槽这两者处的校正后的空间位置经由预测来确定沿着截割/矿层模型的中间空间位置。

内插为了本发明的目的，指的是使用在截割面的主采区顺槽端或者尾采区顺槽端处的校正后的空间位置经由预测来确定沿着截割/矿层模型的中间空间位置。

主基准点是绝对坐标位置的标识点。坐标位置优选地为1D，更优选地为2D，并且最优选地为3D。基准点可以通过使用传感器来标识。为此，基准点可以包括可以由开采机或轨道移动装置的机载传感器检测的反光面、RFID标签或空间位置独特组成、物理或热特征。

辅基准点是通过参照主基准点或位置确定装置而确定的标识点。优选的是，辅基准点参照主基准点来确定。

参照基准点为了本发明的目的，指的是使用基准点的空间坐标，优选地在由处理器执行的算法中使用。

附图说明

图1是根据自上而下视角的、截割主采区顺槽与尾采区顺槽之间的煤矿层的长壁采矿机的示意图。

图2是针对挖矿机机头和轨道的控制输入的示意图。

图3a和图3b是朝主采区顺槽前进(图3a)和朝尾采区顺槽后退(图3b)的挖矿头的示意图，其中机载传感器映射独特煤矿层特征的空间坐标。

图4是将矿层内的标志带(实线)连同之前截割循环期间的标志带(虚线)的空间位置一起示出的示意图。

图5是从煤矿层开始截割主采区顺槽的连续采矿机的示意图。

具体实施方式

参照图1，存在包括主采区顺槽10和尾采区顺槽15的地下煤矿床5。采区顺槽限定要开采的目标煤矿层20。采区顺槽包括可以为反光标志/标识件形式的若干基准点或标识件25。基准点的3D坐标可以通过在从目标矿层开始回采煤之前探测采区顺槽来确定。探测通常从参照或零平面30开始执行。

开采机35在顶部支撑件45渐进地向前移动以支撑新露出的矿层顶的情况下在截割面40上渐进地横切移动。开采机的路径由形成包括待回采矿层的3D空间模型的矿层模型的一部分的预期截割曲线来控制。在开采机完成跨截割面的横切移动时，开采机上所安装的封闭式测距激光器通过确定开采机与一个或更多个基准点之间的距离来确定开采机的3D坐标空间位置(3D位置)。优选的是，开采机的3D位置通过使用两个基准点来确定。优选地使用三角测量和/或三边测量法来计算该3D位置。所测量的3D位置对照由也安装在开采机35上的位置确定装置确定的当前3D位置进行比较(图2)。

位置确定装置优选地为包括陀螺仪和加速计在内的惯性导航装置(INS)。

所测量的3D位置与当前的3D位置之间的差异(Δ₁)被输入到在处理器内操作的校正算法中。校正算法的输出被输入到挖矿头和/或轨道移动控制中，并且因此确定致动器移动，该致动器移动用于控制轨道或开采机(包括其部件在内)的空间坐标(例如，挖矿机机头位置)。

随着开采机完成截割面40的各横切移动或各循环，包括已回采的矿层的3D空间模型在内的截割模型被更新。该截割模型能够存储多个截割循环期间的空间和矿层表征数据，使得趋势可以被分析以用于校正矿层模型。在一个实施方式中，所测量的3D位置与当前的3D位置之间的误差的趋势(Δ₁、Δ₂、Δ₃、Δ₄……)被用作到校正算法中的输入。依赖于时间的空间误差的趋势的检测可以用于减小由于INS中的蠕变和/或漂移而产生的误差。例如，如果在采区顺槽处所测量的开采机的空间误差渐进地增大，则该观察可以用于预先地校正该误差。这可以借助学习算法来执行。

虽然开采机的3D位置可以在截割面与尾采区顺槽和/或主采区顺槽的交叉处来校正，但优选地在沿着截割面的长度的多个位置处实现开采机位置的校正。这优选地通过使用采区顺槽校正与内插或外推技术相结合来实现。截割模型和矿层模型也优选地在校正了开采机位置的相同点处来更新。使用这些技术，产生更新后的预期截割曲线，其包含计算出的对单独由INS确定的当前开采机位置的校正。

当开采机在尾采区顺槽或主采区顺槽处完成预期截割曲线时，顶部支撑件45执行顺序操纵(称为“蛇行(snaking)”)，其中，依赖于更新后的预期截割曲线，将顶部支撑件向前推动完整腹板距离的一部分。顶部支撑件向前移动的距离用于确定截割模型(循环结束时的开采面)与矿层模型(开始预期截割曲线之后的开采面)之间的相对距离。通过建立截割模型与矿层模型的相对空间位置，截割模型可以用于更新矿层模型，并且预先调整预期截割曲线。例如，跨开采面的预期截割曲线与所测量的截割曲线之间的比较可以确认一个或更多个顶部支撑件反复地偏离它们期望的腹板推动距离。截割模型可以能够检测这种系统性的或依赖于时间的偏差，并且作为对算法的输入，更新矿层模型，使得将来的预期截割曲线将这些顶部支撑件异常考虑在内。

另选地，或者附加地，沿着截割矿层面的中间点可以通过使用辅基准点来确定。如图3a所例示，开采机50朝主采区顺槽55横切移动。随着机器朝主采区顺槽前进，与INS 65组合的传感器60将拖曳截割煤矿层70的特征标出到矿层模型上。矿层模型可以包括矿层边界，使得预期截割曲线可以包括路径，使得处理器用信号通知挖矿机机头移动致动器在矿层边界内移动挖矿机机头。

循环结束时，参照一个或更多个主基准点80来对照封闭式激光测距仪75确定的所测量的3D空间位置比较由INS确定的当前3D空间位置。由机载处理单元(未示出)确定任意校正调整。随着开采机朝尾采区顺槽横切移动(图3b)，与INS 65组合的传感器60在地图上标出引导面上(即，在挖矿机的引导头前面)的煤矿层特征。来自传感器的数据被提供给矿层模型，特征标识件70的空间定位的差异被用作对处理单元内的校正算法的输入，作为结果，在需要的情况下对开采机的预期截割曲线进行调整。

辅基准点的使用还可以用于主基准点之间的中间位置(intermediatepositions)处。

用于确定煤矿层特征的优选传感器60是IR传感器或热传感器。可以使用一个或更多个传感器。该传感器的位置可以变化，以确保可以在拖曳和引导位置这两者中的煤矿层映射期间从矿层获得足够质量的数据。

US8622479中描述了一种适当的IR或热传感器，此处以引证的方式并入。在另选实施方式中，并且在环境许可的情况下，使用即时定位与地图构建(SLAM)来将所定位的煤矿层的物理特征用作所参照的点/标识件。

图4例示了表示煤矿层模型(待回采煤)与截割模型(已回采煤)之间的界面的煤矿层面中的标志带195。该标志带包括地质特征220。通过对齐截割模型与矿层模型，可以使用之前截割循环期间的地质特征的变化位置来更新矿层模型，使得可以在矿层模型中预测地质特征的位置。为了在矿层模型中准确地预测地质特征，应在各截割循环期间校正地质特征的空间位置。

图5例示了形成巷道(诸如主采区顺槽10)时回采材料的连续采矿机200。采区顺槽可以形成长壁开采作业的一部分，或者可以形成柱式开采系统的一部分。连续采矿机的预期截割曲线根据包括来自矿层内钻孔数据的、矿层详情的矿层模型来确定。连续采矿机包括通过参照提供绝对3D空间位置的探测标志25而校正了的INS。

为了形成主采区顺槽，连续采矿机从采区顺槽渐进地回采材料。连续采矿机的INS可以参照探测标志来被定期地校正。在校正了开采机的空间位置之后，包括预期截割曲线的矿层模型被更新。包括已回采的材料的所测量曲线的截割模型也被更新。

处理器向致动器提供输出信号，以用信号通知截割滚筒朝矿层边界向上移动。处理器通过计算截割滚筒在矿层模型内的相对位置来参照来自矿层模型的虚拟矿层边界位置。

定期地，连续采矿机可以沿着采区顺槽后退并将自身定位在探测标志附近，以将从INS导出的和从探测标志导出的开采机的空间位置进行比较，并相应地校正INS。因为开采机将它的路径折回到截割模型内在到达矿层面之前已回采的曲线上方，其充当作为截割模型与矿层模型之间的界面的基准点，所以更新后的预期截割曲线优选地与所测量的截割曲线部分交叠。

在相同或不同的实施方式中，在沿着采区顺槽后退之前，连续采矿机优选地对照探测标志(例如，通过使用测距传感器)来校正，使得在返回到与矿层面相邻的同一位置时，可以将INS读取结果与之前校正时已知的INS的位置进行比较。所比较出的空间位置的偏差的重复测量可以用于测量INS的准确度与精密度，使得对取样率的校准或调整可以用于改善INS性能。

类似于关于图3a和图3b中所例示的长壁采矿机而使用的方法，连续采矿机可以包括标志带检测传感器(诸如IR传感器)，使得连续采矿机可以标识矿层中的特征，该特征可以用作校正INS空间位置所比照的辅标志。

Claims

1.一种用于控制开采机的系统，该系统包括：

（i）至少2D坐标位置确定装置，该至少2D坐标位置确定装置用于确定以下项中的至少一项在空间中的绝对坐标位置：

所述开采机；和

轨道，所述开采机的回采装置沿着该轨道从一侧到另一侧横切穿过矿层的开采面，

所述绝对坐标位置沿着矿层的开采面在所述开采机和所述轨道中的至少一项的多个位置中的每个位置处确定；

（ii）至少一个坐标基准点，该至少一个坐标基准点各提供至少2D坐标位置，其中，各基准点设置在主采区顺槽和尾采区顺槽中的至少一项处；以及

（iii）处理器，该处理器被连接以接收与以下项相关的数据：所确定的所述开采机和所述轨道中的至少一项的绝对坐标位置；以及所述至少一个坐标基准点，

其中，参照所述至少一个坐标基准点来校正与所确定的所述开采机和所述轨道中的至少一项的所述绝对坐标位置相关的数据，并且其中，所述处理器被连接以产生进一步信号，该进一步信号用于实现以下中的至少一项：

a. 启动开采机致动器或轨道致动器以使所述开采机或轨道朝所述矿层移动，从而基于所述开采机或所述轨道的校正后的绝对坐标位置朝所述矿层将所述开采机或轨道移位或尝试移位一段距离，以取得预期截割曲线的坐标位置；和

b. 启动回采装置致动器以使所述回采装置朝矿层边界移动，以基于所述开采机或所述轨道的校正后的绝对坐标位置朝所述矿层边界将所述回采装置移位或尝试移位一段距离，以取得预期截割曲线的坐标位置，

所述处理器通过所述开采机致动器或所述轨道致动器和所述回采装置致动器中的至少一个致动器来操作，因而所述回采装置将截割或尝试截割到所述预期截割曲线，

其中，所确定的所述开采机和所述轨道中的至少一项的所述绝对坐标位置使用反馈和前馈控制机制来校正，所述前馈控制机制从至少一个当前坐标位置与多个截割循环期间参照所述至少一个坐标基准点而进行的对所述至少一个当前坐标位置的校正之间的比较导出。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个坐标基准点包括以下中的至少一项：一个或更多个主基准点和一个或更多个辅基准点。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个坐标基准点用于校正所述预期截割曲线。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个坐标基准点用于在所述矿层的一端或两端处直接校正所述预期截割曲线，并且借助内插或外推来间接校正所述预期截割曲线的中间位置。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所确定的所述开采机和所述轨道的所述绝对坐标位置中的至少一项参照至少两个坐标基准点来校正。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所确定的所述开采机和所述轨道中的至少一项的所述绝对坐标位置参照沿着所述主采区顺槽定位的至少一个坐标基准点和沿着所述尾采区顺槽定位的至少一个坐标基准点来校正。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开采机、回采装置、可移动车架和/或所述轨道与所述至少一个坐标基准点的相对位置通过使用激光测距传感器来确定。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个坐标基准点为3D坐标位置。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括用于收集馈送到矿层模型中的矿层数据的一个或更多个传感器。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述一个或更多个传感器从由红外光谱仪、探地雷达、伽马射线发射检测器以及测距传感器组成的组选择。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开采机为长壁采矿机。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开采机为连续采矿机或巷道掘进机。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述回采装置为挖矿头。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述回采装置为截割滚筒。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器在沿着所述轨道或开采面的不同位置处通过所述开采机致动器或所述轨道致动器、和所述回采装置致动器中的至少一个致动器来操作。

16.一种用于使用根据前述权利要求中任一项所述的系统来控制开采机的方法，该方法包括以下步骤：

A. 使所述开采机横切穿过矿层的开采面；

B. 向所述处理器提供与至少一个坐标基准点相关的数据，该至少一个坐标基准点各提供至少2D坐标位置，其中，各基准点设置在所述主采区顺槽和所述尾采区顺槽中的至少一项处；以及

C. 参照所述至少一个坐标基准点来校正与由位置确定装置确定的绝对坐标位置相关的数据。

17.一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序在计算机上执行时执行根据权利要求16所述的方法。

18.一种开采设备，该开采设备包括：

（i）根据权利要求1至15中任一项所述的系统；和

（ii）开采机。