CN106437713A - 一种综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，在综采放顶煤生产过程中，能够辨识出顶煤下放过程中全煤下放阶段、0‑30％矸煤混放阶段、30‑50％矸煤混放阶段、50‑70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段以及堵煤、卡煤的放煤故障，从而实现放煤、停止放煤控制以及被卡煤块的破碎控制，实现自动放煤；所述综放工作面自动化放煤装置包括：摄像头、视频采集卡、声波传感器、振动传感器、压力传感器、数据采集卡、计算机、放煤板控制器、尾梁油缸控制器，实现了放煤过程的放煤阶段识别和堵煤、卡煤的放煤故障识别，进而放顶煤液压支架的放煤板或者尾梁，实现自动放煤及堵煤、卡煤故障下的自动破煤；所述放煤过程识别方法能够辨识出顶煤下放过程中全煤下放阶段、0‑30％矸煤混放阶段、30‑50％矸煤混放阶段、50‑70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段以及堵煤、卡煤的放煤故障。
Description
技术领域
本发明专利涉及放顶煤工作面开采，尤其是中、低位放顶煤工作面开采。
背景技术
在放顶煤开采的放煤过程中，自由下落的放顶煤一般分为三层，即煤层、煤矸混合层、矸石层。因此，放煤过程基本上可以分为三个阶段：第一阶段落煤阶段，第二阶段是煤矸石混合阶段，最后一个阶段是下放矸石阶段。由于煤矿井下工作面生产环境的复杂性以及当前还没有一种可靠的顶板煤层厚度的传感器及煤岩界面识别的传感器，使得煤岩识别一直以来成为煤层开采的技术难点。在当前的放煤控制中，整个放煤过程全部由手工操纵来完成，放煤时人工先将每间隔一个支架的放煤板或者放煤插板打开，然后依次打开剩余的放煤窗，实现“单轮间隔”放煤，或者根据生产需求，安排2名或者以上放煤工人，依次实现单号支架、双号支架的放煤控制，来完成工作面的放煤过程。
在放煤控制时往往采取“见矸关窗”的原则作为停止放煤的依据。井下放煤操作工通过耳听或者目测，依据经验判定放出煤和矸石的程度，当放出的煤逐渐减少，矸石逐渐增多对，人工控制操纵阀关闭放煤板。然而，这种放煤工艺损失的煤炭占综放开采煤炭总损失的64％，为了尽可能地多回收煤炭，提高顶煤的放出率，现场放煤时操作工人往往采取见矸时再持续一段放煤时间，通过增加含矸率来提高顶煤的放出率。这种情况虽然提高了顶煤放煤率，但增加了矸石的含量，降低了煤炭质量。通过人工操作，必然存在顶煤欠放或者过放的情况。欠放会丢失煤炭，造成回收率降低；过放会使顶煤上的矸石大量放出，造成煤质下降、运输及洗选成本增加。
所述综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法可以实现综采放顶煤放煤过程全煤阶段、煤矸混放阶段、全矸阶段等几个阶段以及放煤过程中堵煤、卡煤放煤故障的识别，实现放煤过程的全自动控制和堵煤、卡煤故障下的破碎大块煤炭控制，从而保证顺利放煤。
该专利实现了放煤过程的自动化、减轻了放煤生产的劳动强度，填补了在放煤过程全自动控制的空白。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，旨在解决目前综采放顶煤工作面放煤自动化问题，克服目前因没有先进的检测手段和计算机方法实现放煤过程的煤矸识别和堵煤、卡煤放煤故障识别，只能通过人工眼观和耳听等经验方法来手动控制放煤的缺点。
本发明实施例是这样实现的，一种综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，所述综放工作面自动化放煤装置包括：
摄像头，用于采集综放工作面放煤过程中下放顶煤的图像信息；
图像采集卡，安装在计算机的PCI插槽上，用于采集和处理顶煤下放过程的全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段以及堵煤、卡煤的放煤故障所述摄像头获取的顶煤的图像信息，并传送给计算机；
声波传感器，用于采集放煤过程中下放顶煤时声音信息；
振动传感器，用于采集放煤过程中下放顶煤对液压支架尾梁的振动信息；
压力传感器，用于采集放煤过程中下放顶煤对液压支架尾梁的压力信息；
数据采集卡，安装在计算机的PCI插槽上，用于采集和处理所述声波传感器、振动传感器、压力传感器的信号，并传送给计算机；
计算机，当有放煤任务时，给放煤板控制器发送放煤信号进行放煤，在放煤过程中，用于处理和分析所获取的图像、声音、振动、压力信息、并计算这四种信息的特征属性值，利用多类分类支持向量机对所计算的特征属性值进行顶煤下放过程的全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段以及堵煤、卡煤的放煤故障状态识别与分类，所述计算机根据所需要的放煤回收率，在相应的放煤阶段控制放煤板控制器停止放煤，对堵煤、卡煤的放煤故障状态，控制尾梁油缸控制器实现液压支架尾梁往复摆动，完成被卡住的大块煤炭的破碎控制，实现顺利放煤；
放煤板控制器，在接收到所述计算机开始放煤或者停止放煤的控制信号后，控制液压支架尾梁底部的放煤板收回或者展出，进而实现开始放煤或者停止放煤。
尾梁油缸控制器，在接收到所述计算机发出的对大块煤炭的破碎控制时，控制液压支架尾梁往复上下运动，实现大块煤炭的破碎，从而保障顺利放煤。
在利用所述综放工作面自动化放煤装置进行放煤过程识别时，其方法为：在综采放顶煤工作面现场事先准备足够量的全煤、含矸30％的矸煤混合物、含矸50％的矸煤混合物、含矸70％的矸煤混合物，这几种混合物的试验材料，在不低于放顶煤平均煤层厚度的放煤高度下分别将这几种试验材料从放顶煤液压支架上方下落，利用所述摄像头、所述声波传感器、所述振动传感器、所述压力传感器采集这几种下放试验材料的图像、声音、振动和压力信息，并经过所述图像采集卡、所述数据采集卡、所述计算机进行信号采集和信息处理，计算所述摄像头获取的这几种下放试验材料的颜色特征属性值F1、纹理特征属性值F2，计算所述声波传感器获取的这几种下放试验材料声音信号的谱质心特征属性值F3、Mel倒谱系数特征属性值F4、广义维数特征属性值F5，计算所述振动传感器获取的这几种下放试验材料对放顶煤液压支架产生的振动信号的谱质心特征属性值F6、Mel倒谱系数特征属性值F7、广义维数特征属性值F8。
在没有任何下落的试验材料或者人为设置大块煤炭堵住液压支架放煤板的故障下，计算和分析所述压力传感器的信号的谱质心特征属性值F9和幅值属性值F10，当F10为大于零的数值，F1至F9为0时，此时发生了堵煤或卡煤故障，从而为尾梁破碎顶煤提供判决条件。
利用多类分类支持向量机对上述这几种下放试验材料的F1至F10所组成的具备10个特征属性的多类样本数据进行分类识别训练，进而获得训练好的能够对上述几种下放试验材料和堵煤、卡煤故障状态进行多类分类的支持向量机。
对生产中综采放顶煤工作面的放煤过程，每隔1秒钟采集一次下放顶煤的图像、声音、振动和压力信息，计算上述F1至F10这10个特征属性值，获得该时刻的放煤特征样本信息，对该样本信息，利用上述训练好的多类分类支持向量机进行分类，识别出该样本归属上述几种试验材料哪一类或者是堵煤、卡煤故障状态，便识别出了当前该过程为放煤过程的哪个阶段或者堵煤、卡煤故障状态。按照这种方法，在整个放煤过程中，能够识别出全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段，这5种放煤阶段以及堵煤、卡煤故障状态。
进一步，所述综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，能够实现全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段的过程识别，从而为停止放煤提供判决条件，自动控制所述放煤板控制器停止放煤。
进一步，所述综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，能够实现堵煤、卡煤的放煤故障状态的识别，从而为尾梁破碎顶煤提供判决条件，自动控制所述尾梁油缸控制器实现尾梁的上下往复摆动，实现被卡煤块的破碎控制，保证顺利放煤。
本发明实现了综放工作面放煤过程自动化的自动化控制，极大地降低了综采放顶煤工作面工人的劳动强度，科研成果将极大地带动科技进步和社会、经济的发展。
附图说明
图1是本发明实施例提供的综放工作面自动化放煤装置总体组成结构框图。
图2是本发明实施例提供的综放工作面自动化放煤装置位置关系示意图。
图中，1.摄像头；2.图像采集卡；3.声波传感器；4.振动传感器；5.压力传感器；6.数据采集卡；7.计算机；8.放煤板控制器；9.尾梁油缸控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明提供的综放工作面自动化放煤装置总体组成结构框图。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。
本发明的综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，该综放工作面自动化放煤装置包括：摄像头1、图像采集卡2、声波传感器3、振动传感器4、压力传感器5、数据采集卡6、计算机7、放煤板控制器8、尾梁油缸控制器9。
所述摄像头1连接所述图像采集卡2，所述图像采集卡2连接所述计算机7，由所述摄像头1获取的放煤过程的图像信息经所述图像采集卡2转化处理，传送至所述计算机7分析计算，获取的放煤中的图像信息的F1和F2特征属性值供所述计算机7进行放煤过程识别使用。
所述声波传感器3连接所述数据采集卡6，所述数据采集卡6连接所述计算机7，由所述声波传感器3获取的放煤过程的声音信息经所述数据采集卡6转化处理，传送至所述计算机7分析计算，获取的放煤中的声音信息的F3、F4和F5特征属性值供所述计算机7进行放煤过程识别使用。
所述振动传感器4连接所述数据采集卡6，由所述振动传感器4获取的放煤过程对放煤尾梁的振动信息经所述数据采集卡6转化处理，传送至所述计算机7分析计算，获取的放煤中的振动信息的F6、F7和F8特征属性值供所述计算机7进行放煤过程识别使用。
所述压力传感器5连接所述数据采集卡6，由所述压力传感器5获取的放煤过程对放煤尾梁的压力信息经所述数据采集卡6转化处理，传送至所述计算机7分析计算，获取的放煤中的压力信息的F9和F10特征属性值供所述计算机7进行放煤过程是否堵煤、卡煤的放煤故障识别使用。
所述放煤板控制器8连接所述计算机7的控制输出端子，用于控制放顶煤液压支架的放煤板的打开和关闭实现开始放煤和停止放煤。
所述尾梁油缸控制器9连接所述计算机7的控制另一个输出端子，用于控制放顶煤液压支架的尾梁往复摆动，实现尾梁对大块煤炭的破碎。
所述计算机7利用所述放煤过程识别方法获取放煤过程中F1-F10这10个特征属性后，利用多类分类支持向量机进行分类，获取放煤中全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段和堵煤、卡煤故障状态，控制所述放煤板控制器8实现打开和关闭放煤板开始放煤和停止放煤，或者控制所述尾梁油缸控制器9实现顶煤液压支架的尾梁往复摆动，破碎大块煤炭的破碎，保障顺利放煤。
下面结合附图2及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图2所示，本发明实施例的综放工作面自动化放煤装置位置关系示意图。图中，所述摄像头1安装在液压支架的下方能够对放煤混合物拍照的位置；所述声波传感器3和所述振动传感器4安装在液压支架尾梁的下侧，保障了所述声波传感器3和所述振动传感器4不被落煤或矸石砸坏，同时也保障了所述振动传感器4能检测到落煤或矸石对尾梁产生的振动；所述压力传感器5安装在尾梁油缸上，保障了所述压力传感器5能检测到落煤或矸石对尾梁产生的压力；所述图像采集卡2和所述数据采集卡6安装在所述计算机7的PCI插槽内，完成对视频和声波、振动、压力信号的采集与处理；所述放煤板控制器8和液压支架的放煤板的电液控制阀相连，用于控制液压支架的放煤板；所述尾梁油缸控制器9和液压支架的尾梁油缸的电液控制阀相连，用于控制尾梁油缸对尾梁的往复摆动。
所述综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，其放煤过程识别方法为：
在综采放顶煤工作面现场事先准备足够量的全煤、含矸30％的矸煤混合物、含矸50％的矸煤混合物、含矸70％的矸煤混合物，这几种混合物的试验材料，在不低于放顶煤平均煤层厚度的放煤高度下分别将这几种试验材料从放顶煤液压支架上方下落，利用所述摄像头1、所述声波传感器3、所述振动传感器4、所述压力传感器5采集这几种下放试验材料的图像、声音、振动和压力信息，并经过所述图像采集卡2、所述数据采集卡6、所述计算机7进行信号采集和信息处理，计算所述摄像头1获取的这几种下放试验材料的颜色特征属性值F1、纹理特征属性值F2，计算所述声波传感器3获取的这几种下放试验材料声音信号的谱质心特征属性值F3、Mel倒谱系数特征属性值F4、广义维数特征属性值F5，计算所述振动传感器4获取的这几种下放试验材料对放顶煤液压支架产生的振动信号的谱质心特征属性值F6、Mel倒谱系数特征属性值F7、广义维数特征属性值F8。
在没有任何下落的试验材料或者人为设置大块煤炭堵住液压支架放煤板的故障下，计算和分析所述压力传感器5的信号的谱质心特征属性值F9和幅值属性值F10，当F10为大于零的数值，F1至F9为0时，此时发生了堵煤或卡煤故障，从而为尾梁破碎顶煤提供判决条件。
利用多类分类支持向量机对上述这几种下放试验材料的F1至F10所组成的具备10个特征属性的多类样本数据进行分类识别训练，进而获得训练好的能够对上述几种下放试验材料和堵煤、卡煤故障状态进行多类分类的支持向量机。
对生产中综采放顶煤工作面的放煤过程，每隔1秒钟采集一次下放顶煤的图像、声音、振动和压力信息，计算上述F1至F10这10个特征属性值，获得该时刻的放煤特征样本信息，对该样本信息，利用上述训练好的多类分类支持向量机进行分类，识别出该样本归属上述几种试验材料哪一类或者是堵煤、卡煤故障状态，便识别出了当前该过程为放煤过程的哪个阶段或者堵煤、卡煤故障状态。按照这种方法，在整个放煤过程中，能够识别出全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段，这5种放煤阶段以及堵煤、卡煤故障状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，其特征在于：在综采放顶煤生产过程中，能够辨识出顶煤下放过程中全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段以及堵煤、卡煤的放煤故障，从而实现放煤、停止放煤控制以及被卡煤块的破碎控制，实现自动放煤；所述综放工作面自动化放煤装置包括：
摄像头，用于采集综放工作面放煤过程中下放顶煤的图像信息；
图像采集卡，安装在计算机的PCI插槽上，用于采集和处理顶煤下放过程的全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段以及堵煤、卡煤的放煤故障所述摄像头获取的顶煤的图像信息，并传送给计算机；
声波传感器，用于采集放煤过程中下放顶煤时声音信息；
振动传感器，用于采集放煤过程中下放顶煤对液压支架尾梁的振动信息；
压力传感器，用于采集放煤过程中下放顶煤对液压支架尾梁的压力信息；
数据采集卡，安装在计算机的PCI插槽上，用于采集和处理所述声波传感器、振动传感器、压力传感器的信号，并传送给计算机；
计算机，当有放煤任务时，给放煤板控制器发送放煤信号进行放煤，在放煤过程中，用于处理和分析所获取的图像、声音、振动、压力信息、并计算这四种信息的特征属性值，利用多类分类支持向量机对所计算的特征属性值进行顶煤下放过程的全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段以及堵煤、卡煤的放煤故障状态识别与分类，所述计算机根据所需要的放煤回收率，在相应的放煤阶段控制放煤板控制器停止放煤，对堵煤、卡煤的放煤故障状态，控制尾梁油缸控制器实现液压支架尾梁往复摆动，完成被卡住的大块煤炭的破碎控制，实现顺利放煤；
放煤板控制器，在接收到所述计算机开始放煤或者停止放煤的控制信号后，控制液压支架尾梁底部的放煤板收回或者展出，进而实现开始放煤或者停止放煤。
尾梁油缸控制器，在接收到所述计算机发出的对大块煤炭的破碎控制时，控制液压支架尾梁往复上下运动，实现大块煤炭的破碎，从而保障顺利放煤；
在利用所述综放工作面自动化放煤装置进行放煤阶段识别时，其放煤过程识别方法为：在利用所述综放工作面自动化放煤装置进行放煤过程识别时，其方法为：在综采放顶煤工作面现场事先准备足够量的全煤、含矸30％的矸煤混合物、含矸50％的矸煤混合物、含矸70％的矸煤混合物，这几种混合物的试验材料，在不低于放顶煤平均煤层厚度的放煤高度下分别将这几种试验材料从放顶煤液压支架上方下落，利用所述摄像头、所述声波传感器、所述振动传感器、所述压力传感器采集这几种下放试验材料的图像、声音、振动和压力信息，并经过所述图像采集卡、所述数据采集卡、所述计算机进行信号采集和信息处理，计算所述摄像头获取的这几种下放试验材料的颜色特征属性值F1、纹理特征属性值F2，计算所述声波传感器获取的这几种下放试验材料声音信号的谱质心特征属性值F3、Me1倒谱系数特征属性值F4、广义维数特征属性值F5，计算所述振动传感器获取的这几种下放试验材料对放顶煤液压支架产生的振动信号的谱质心特征属性值F6、Me1倒谱系数特征属性值F7、广义维数特征属性值F8。
在没有任何下落的试验材料或者人为设置大块煤炭堵住液压支架放煤板的故障下，计算和分析所述压力传感器的信号的谱质心特征属性值F9和幅值属性值F10，当F10为大于零的数值，F1至F9为0时，此时发生了堵煤或卡煤故障，从而为尾梁破碎顶煤提供判决条件。
利用多类分类支持向量机对上述这几种下放试验材料的F1至F10所组成的具备10个特征属性的多类样本数据进行分类识别训练，进而获得训练好的能够对上述几种下放试验材料和堵煤、卡煤故障状态进行多类分类的支持向量机。
对生产中综采放顶煤工作面的放煤过程，每隔1秒钟采集一次下放顶煤的图像、声音、振动和压力信息，计算上述F1至F10这10个特征属性值，获得该时刻的放煤特征样本信息，对该样本信息，利用上述训练好的多类分类支持向量机进行分类，识别出该样本归属上述几种试验材料哪一类或者是堵煤、卡煤故障状态，便识别出了当前该过程为放煤过程的哪个阶段或者堵煤、卡煤故障状态。按照这种方法，在整个放煤过程中，能够识别出全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段，这5种放煤阶段以及堵煤、卡煤故障状态。
2.如权利要求1所述的综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，其特征在于：能够实现全煤下放阶段、0-30％矸煤混放阶段、30-50％矸煤混放阶段、50-70％矸煤混放阶段、全矸下放阶段的过程识别，从而为停止放煤提供判决条件，自动控制所述放煤板控制器停止放煤。
3.如权利要求1所述的综放工作面自动化放煤装置及放煤过程识别方法，其特征在于：能够实现堵煤、卡煤的放煤故障状态的识别，从而为尾梁破碎顶煤提供判决条件，自动控制所述尾梁油缸控制器实现尾梁的上下往复摆动，实现被卡煤块的破碎控制，保证顺利放煤。
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