CN108571320A - 一种智能化综采工作面的采煤机多级控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，当瓦斯浓度波动异常时可提前对未来危险进行预测，使报警时间前置，并通过危险的等级，适当调整采煤机牵引速度。包括：根据危险程度设定多个瓦斯浓度阈值，根据瓦斯浓度阈值设定多个预警级别，设定与预警级别一一对应的采煤机牵引速度；获取监测区域当前时刻的瓦斯浓度监测值，根据当前时刻的瓦斯浓度监测值、时间序列数据及基于ARMA模型的时间序列数据预测方法得到未来时刻的瓦斯浓度预测值；其中，未来时刻与当前时刻的时间间隔为3‑10分钟；根据未来时刻的瓦斯浓度预测值与瓦斯浓度阈值的关系判断当前预警级别；根据当前预警级别设定当前时刻的采煤机牵引速度。

Description

一种智能化综采工作面的采煤机多级控制方法

技术领域

本发明属于智能化综采面采煤机控制技术领域，涉及一种智能化综采工作面的采煤机多级控制方法。

背景技术

综采工作面是煤炭的重要生产场所，安全生产管理一直是一个核心问题。随着煤矿自动化技术的不断发展，以黄陵矿业为代表的部分矿区已实现综采工作面智能化生产，工作面通过增加单机设备的感知元件，实现了工作面单机设备之间的耦合，设备与工作面的瓦斯、顶板压力等环境参数的耦合，操作人员可以在监控中心通过工作面视频画面随时掌握工作面设备的运行情况，并可通过远程操作台对工作面设备进行远程控制。

采煤机作为综采工作面重要的大型生产设备之一，是煤矿生产机械化、自动化、现代化的重要体现，而无人工作面中采煤机的自主控制与监测系统又是实现煤矿自动化采煤的核心与关键。

对高瓦斯煤层，在开采过程中瓦斯涌出存在不均衡的特点，同时智能化综采工作面采煤机的牵引速度与工作面瓦斯涌出量直接相关。目前，智能化综采工作面的做法是采煤机以一定牵引速度工作，同时监测工作面上隅角和回风顺槽瓦斯为主的瓦斯浓度；当上隅角和回风顺槽瓦斯传感器报警时，停止运行采煤机，中断整个采煤工作。这种运行方式报警具有滞后性，对智能化综采工作面安全高效生产极为不利。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，建立瓦斯浓度与采煤机牵引速度之间的耦合关系，当瓦斯浓度波动异常时可提前对未来危险进行预测，使报警时间前置，并通过危险的等级，适当调整采煤机牵引速度，确保工作面能够安全高效生产。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，包括如下步骤，

步骤1，根据危险程度设定多个瓦斯浓度阈值，根据瓦斯浓度阈值设定多个预警级别，设定与预警级别一一对应的采煤机牵引速度，随着预警级别的升高，对应的采煤机牵引速度降低；

步骤2，获取监测区域当前时刻的瓦斯浓度监测值，根据当前时刻的瓦斯浓度监测值、时间序列数据及基于ARMA模型的时间序列数据预测方法得到未来时刻的瓦斯浓度预测值；其中，未来时刻与当前时刻的时间间隔为3-10分钟；

步骤3，根据未来时刻的瓦斯浓度预测值与瓦斯浓度阈值的关系判断当前预警级别；

步骤4，根据当前预警级别设定当前时刻的采煤机牵引速度。

优选的，瓦斯浓度阈值由低到高依次为A0、A1、A2、A3和A4，预警级别由低到高依次为绿色预警、蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警，采煤机牵引速度由高到低依次为4级、3级、2级、1级和0级。

进一步的，步骤3中判断预警级别的方法具体为：

当瓦斯浓度预测值小于等于A0时，判断为绿色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A0且小于等于A1时，判断为绿色预警或蓝色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A1且小于等于A2时，判断为绿色预警或蓝色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A2且小于等于A3时，判断为蓝色预警或黄色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A3且小于等于A4时，判断为橙色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A4时，判断为红色预警。

再进一步的，当瓦斯浓度预测值大于A0且小于等于A1时；若瓦斯浓度预测值小于等于前一预定时间段内的瓦斯浓度最大值，则当前预警级别为绿色预警；若瓦斯浓度预测值大于前一预定时间段内的瓦斯浓度最大值，则当前预警级别为蓝色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A1且小于等于A2时；若瓦斯浓度预测值小于等于前一预定时间段的98％-99％置信区间上限，则当前预警级别为绿色预警；若瓦斯浓度预测值大于前一预定时间段98％-99％置信区间上限，则当前预警级别为蓝色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A2且小于等于A3时；若瓦斯浓度预测值小于等于前一预定时间段的98％-99％置信区间上限，则当前预警级别为蓝色预警；若瓦斯浓度预测值大于前一预定时间段的98％-99％置信区间上限，则当前预警级别为黄色预警；

其中，预定时间段为半个月至一年。

再进一步的，预定时间段为1个月，置信区间的置信水平为99％。

进一步的，瓦斯浓度阈值A0、A1、A2、A3和A4分别为0.2％-0.3％、0.40％-0.43％、0.52％-0.55％、0.62％-0.65％、0.72％-0.75％、0.8％；采煤机牵引速度级别4级、3级、2级、1级和0级对应的采煤机牵引速度与设定的正常采煤机牵引速度比例分别为100％、80％-85％、55％-65％、25％-35％和0％。

再进一步的，瓦斯浓度阈值A0、A1、A2、A3和A4分别为0.3％、0.40％、0.55％、0.65％、0.75％、0.8％；采煤机牵引速度4级、3级、2级、1级和0级对应的采煤机牵引速度与设定的正常采煤机牵引速度比例分别为100％、80％、60％、30％和0％。

优选的，步骤2中，未来时刻与当前时刻的时间间隔为5分钟。

优选的，以上隅角作为监测区域，通过步骤2和步骤3得到一预警级别，再以回风顺槽作为监测区域，重复步骤2和步骤3得到另一预警级别；然后进行步骤4，根据两个预警级别中较高的预警级别设定采煤机牵引速度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明设定多个瓦斯浓度阈值和多个预警级别，并设定与预警级别一一对应的采煤机牵引速度，从而建立智能化工作面采煤机牵引速度与监测区域瓦斯浓度的耦合关联关系。将瓦斯报警设定为多个预警级别，在最高报警级别响应前，根据瓦斯浓度值进行不同级别的预警，随着监测区域瓦斯浓度的升高，预警级别升高，从而工作人员能够根据预警级别判断危险程度，适当降低采煤机牵引速度，采煤机牵引速度降低后，瓦斯涌出速度也随之降低，从而监测区域瓦斯浓度可以得到控制，避免瓦斯浓度进一步升高发生爆炸危险。本发明并不是根据监测的当前瓦斯浓度监测值进行预警，而是根据当前瓦斯浓度监测值进行预测得到未来某个时刻的瓦斯浓度预测值，根据这个瓦斯浓度预测值进行预警并做出相应的处理，这种方法能够使危险预警前置，提前做出相应的处理，能够更好的实现工作面生产环境的本质安全。

进一步的，在根据瓦斯浓度阈值判断预警级别的基础上，再将前一预定时间段的置信区间及最大值作为判断预警级别的条件，从而不是将瓦斯浓度阈值作为判断预警级别的绝对值，还将瓦斯浓度与前一预定时间段的瓦斯浓度的关系考虑在内，从而更加精准的判定预警级别。

进一步的，建立了上隅角瓦斯浓度和回风顺槽瓦斯浓度为统一指标的预警模式，相较于单测点预警值，预警更加客观高效。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述的智能化综采工作面采煤机多级控制方法，分析建立上隅角和回风顺槽瓦斯浓度与采煤机牵引速度之间的耦合关系式；将上隅角与回风顺槽瓦斯统一为一个评价对象，命名为“联动控制瓦斯浓度”；将联动控制瓦斯浓度的预警值由高至低分为红、橙、黄、蓝、绿5个等级，其中红色为报警状态，绿色为安全状态，其他3个等级为预警状态；将采煤机牵引速度由高到低分4、3、2、1、0五个等级，其中4级为采煤机最大牵引速度，0级为采煤机停止状态，其他3个等级为牵引速度中间值；将预警值和采煤机牵引速度进行关联，实现“联动控制瓦斯浓度”与采煤机牵引速度联动控制。

瓦斯预警基本定义：

1、瓦斯浓度阈值分为A0、A1、A2、A3、A4和A5，若矿方实际执行的瓦斯报警及停产标准为0.8％，作如下字符代换规定：A0、A1、A2、A3和A4分别为0.2％-0.3％、0.40％-0.43％、0.52％-0.55％、0.62％-0.65％、0.72％-0.75％和0.8％；本实例中，A0、A1、A2、A3、A4和A5分别优选为0.3％、0.40％、0.55％、0.65％、0.75％和0.8％。

2，预警级别为：红色预警、橙色预警、黄色预警、蓝色预警和绿色预警5个等级。

3，采煤机牵引速度为：4级、3级、2级、1级和0级5个等级，其对应的采煤机牵引速度与设定的正常采煤机牵引速度比例分别为100％、80％-85％、55％-65％、25％-35％和0％，优选分别为100％、80％、60％、30％和0％。

4、单点的瓦斯浓度监测值，是通过煤矿监控主机获取的某监测区域当前时刻的瓦斯浓度值。

5、瓦斯浓度预测值，时间序列数据，以前1个月的统计特征为对照，叠加预测范围。可以以3-10分钟为预测范围，本实例优选以5分钟为预测范围，依据当前时刻的瓦斯浓度监测值、数据库历史数据，并采用基于ARMA模型的时间序列数据预测方法对瓦斯数据进行预测，得到与当前时间间隔5分钟的未来时刻的瓦斯浓度预测值。

本发明所述的采煤机多级控制流程为：

步骤1，通过煤矿监控主机获取上隅角和回风顺槽在当前时刻的各自的瓦斯浓度监测值；

步骤2，以上隅角1-12月的实时监测值为分析依据，并根据上隅角当前时刻的瓦斯浓度监测值，采用基于ARMA模型的时间序列数据预测方法得到上隅角未来时刻的瓦斯浓度预测值；

步骤3，计算上一个月上隅角的99％置信区间，根据上隅角未来时刻的瓦斯浓度预测值与瓦斯浓度阈值和置信区间的关系判断预警级别；

步骤4，以回风顺槽1-12月的实时监测值为分析依据，并根据回风顺槽当前时刻的瓦斯浓度监测值，采用基于ARMA模型的时间序列数据预测方法得到回风顺槽未来时刻的瓦斯浓度预测值；

步骤5，计算上一个月回风顺槽的99％置信区间，根据回风顺槽未来时刻的瓦斯浓度预测值与瓦斯浓度阈值和置信区间的关系判断预警级别；

步骤6，根据步骤3和步骤5得到的预警级别中较高的预警级别设定当前时刻的采煤机牵引速度。

上述置信区间的置信水平还可以是98％，也可以达到相同的预警效果。

预警级别判断的具体规则如下：

主条件1：当瓦斯浓度预测值≤0.3％时：

若瓦斯浓度预测值≤前1个月99％置信区间上限，本指标当前状态为绿色；若瓦斯浓度预测值＞前1个月99％置信区间上限，但小于0.3％。本指标当前状态为绿色。

主条件2：当0.3％＜瓦斯浓度预测值≤A1时：

若瓦斯浓度预测值≤前1个月99％置信区间上限，本指标当前状态为绿色；若前1个月99％置信区间上限＜瓦斯浓度预测值≤前1个月最大值，本指标当前状态为绿色；

若瓦斯浓度预测值＞前1个月最大值，已高于前1个月的最大值X_max％，瓦斯浓度水平本身尚在A1以下，本指标当前状态为蓝色预警，应予以适当关注。

主条件3：当A1＜瓦斯浓度预测值≤A2时：

若瓦斯浓度预测值≤前1个月99％置信区间上限，表明瓦斯浓度的整体水平经常维持在较高水平，本指标当前状态为绿色，但应予以适当关注；

若前1个月99％置信区间上限＜瓦斯浓度预测值≤前1个月最大值，瓦斯浓度预测值为X％，已在正常变化范围的上部边缘，虽未超过前1个月的最大值X_max％，仍应予以适当关注，本指标当前状态为蓝色预警；

若瓦斯浓度预测值＞前1个月最大值，瓦斯浓度预测值为X％，高于前1个月的最大值X_max％，已超出前1个月的变化范围，表现出了一定程度的异常，应予以关注，本指标当前状态为蓝色预警。

主条件4：A2＜瓦斯浓度预测值≤A3：

若瓦斯浓度预测值≤前1个月99％置信区间上限，瓦斯浓度预测值为X％，小于前1个月的99％置信区间上限X_max％，表明该区域的整体瓦斯浓度经常维持在很高的水平，必须予以重点关注，本指标当前状态为蓝色预警；

若前1个月99％置信区间上限＜瓦斯浓度预测值≤前1个月最大值，瓦斯浓度预测值为X％，已处于前1个月变化范围的上部边缘，尚未超过最大值X_max％，表明该区域的整体瓦斯浓度经常维持在很高的水平，必须予以重点关注，本指标当前状态为黄色预警；

若瓦斯浓度预测值＞前1个月最大值，瓦斯浓度预测值为X％，高于前1个月的最大值X_max％，已明显超出前1个月的变化范围，表现异常，且当前瓦斯浓度很高，必须予以特别的重点关注，本指标当前状态为黄色预警。

主条件5：A3＜瓦斯浓度预测值≤A4：

若瓦斯浓度预测值≤前1个月99％置信区间上限，当前瓦瓦斯浓度预测值为X％，处于前1个月的合理波动范围之内，但已高于A3，并接近规程规定的需立即采取行动的限定值，表明该区域瓦斯浓度水平经常维持在很高水平上，必须予以不间断的重点关注，本指标当前状态为橙色预警；

若前1个月99％置信区间上限＜瓦斯浓度预测值≤前1个月最大值，瓦斯浓度预测值为X％，虽未超过前1个月的最大值X_max％，但已高于A3，接近规程规定的需立即采取行动的限定值，已表现出一定程度的异常，必须立即予以不间断的重点关注，本指标当前状态为橙色预警；

若瓦斯浓度预测值＞前1个月最大值，瓦斯浓度预测值为X％，高于前1个月的最大值X_max％，明显超出该测点的正常波动范围，且高于A3，接近规程规定的需立即采取行动的限定值，表现出了显著异常，必须立即予以特别的重点关注，并准备启动应急预案，本指标当前状态为橙色预警。

主条件6：A4＜瓦斯浓度预测值：

若A4＜瓦斯浓度预测值≤A5，瓦斯浓度预测值为X％，高于A4，十分接近规程规定的需立即采取行动的限定值A5，必须立即予以不间断的重点关注，并准备启动应急预案，本指标当前状态为红色预警；

若A5＜瓦斯浓度预测值，瓦斯浓度预测值为X％，高于规程规定的需立即采取行动的限定值A5，必须立即启动预案加以处理，本指标当前状态为红色报警。

多级控制规则具体为：

红色预警，采煤机牵引速度为0级，采煤机停止；

橙色预警，采煤机牵引速度为1级，采煤机牵引速度与设定的正常采煤机牵引速度比例30％；

黄色预警，采煤机牵引速度为2级，采煤机牵引速度与设定的正常采煤机牵引速度比例60％；

蓝色预警，采煤机牵引速度为3级，采煤机牵引速度与设定的正常采煤机牵引速度比例80％；

绿色预警，采煤机牵引速度为4级，采煤机牵引速度与设定的正常采煤机牵引速度比例100％。

瓦斯浓度预测值的周期与实时数据巡检的周期一致，一般实时数据巡检的周期为9-15秒，即每间隔9-15秒得到一个瓦斯浓度监测值，那么每间隔9-15秒就得到一个瓦斯浓度预测值。从而实现了瓦斯实时预警。

本发明所述的采煤机智能生产多级控制方法，建立“上隅角+回风顺槽瓦斯”传感器参数与采煤机牵引速度之间的耦合关系，依据瓦斯实时测值获取未来5分钟的预测值，然后依据置信区间和阈值范围对瓦斯进行预警；当瓦斯传感器数据波动异常时可提前对未来危险进行预测，使报警时间前置，并通过危险的等级，适当调整采煤机牵引速度，确保工作面能够安全高效生产，从而真正实现高瓦斯无人工作面安全高效生产。

本发明的采煤机多级控制方法不但适用于高瓦斯智能化综采面采煤机控制，同时，也可以应用于低瓦斯瓦斯矿井智能化工作面及瓦斯矿井一般综采面的采煤机控制。

Claims (9)

1.一种智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，根据危险程度设定多个瓦斯浓度阈值，根据瓦斯浓度阈值设定多个预警级别，设定与预警级别一一对应的采煤机牵引速度，随着预警级别的升高，对应的采煤机牵引速度降低；

步骤2，获取监测区域当前时刻的瓦斯浓度监测值，根据当前时刻瓦斯浓度监测值、时间序列数据及基于ARMA模型的时间序列数据预测方法得到未来时刻的瓦斯浓度预测值；其中，未来时刻与当前时刻的时间间隔为3-10分钟；

步骤3，根据未来时刻的瓦斯浓度预测值与瓦斯浓度阈值的关系判断当前预警级别；

步骤4，根据当前预警级别设定当前时刻的采煤机牵引速度。

2.根据权利要求1所述的智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，其特征在于，瓦斯浓度阈值由低到高依次为A0、A1、A2、A3和A4，预警级别由低到高依次为绿色预警、蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警，采煤机牵引速度由高到低依次为4级、3级、2级、1级和0级。

3.根据权利要求2所述的智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，其特征在于，步骤3中判断预警级别的方法具体为：

当瓦斯浓度预测值小于等于A0时，判断为绿色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A0且小于等于A1时，判断为绿色预警或蓝色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A1且小于等于A2时，判断为绿色预警或蓝色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A2且小于等于A3时，判断为蓝色预警或黄色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A3且小于等于A4时，判断为橙色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A4时，判断为红色预警。

4.根据权利要求3所述的智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，其特征在于，当瓦斯浓度预测值大于A0且小于等于A1时；若瓦斯浓度预测值小于等于前一预定时间段内的瓦斯浓度最大值，则当前预警级别为绿色预警；若瓦斯浓度预测值大于前一预定时间段内的瓦斯浓度最大值，则当前预警级别为蓝色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A1且小于等于A2时；若瓦斯浓度预测值小于等于前一预定时间段的98％-99％置信区间上限，则当前预警级别为绿色预警；若瓦斯浓度预测值大于前一预定时间段98％-99％置信区间上限，则当前预警级别为蓝色预警；

当瓦斯浓度预测值大于A2且小于等于A3时；若瓦斯浓度预测值小于等于前一预定时间段的98％-99％置信区间上限，则当前预警级别为蓝色预警；若瓦斯浓度预测值大于前一预定时间段的98％-99％置信区间上限，则当前预警级别为黄色预警；

其中，预定时间段为半个月至一年。

5.根据权利要求4所述的智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，其特征在于，预定时间段为1个月，置信区间的置信水平为99％。

6.根据权利要求2所述的智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，其特征在于，瓦斯浓度阈值A0、A1、A2、A3和A4分别为0.2％-0.3％、0.40％-0.43％、0.52％-0.55％、0.62％-0.65％和0.72％-0.75％；采煤机牵引速度级别4级、3级、2级、1级和0级对应的采煤机牵引速度与设定的正常采煤机牵引速度比例分别为100％、80％-85％、55％-65％、25％-35％和0％。

7.根据权利要求6所述的智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，其特征在于，瓦斯浓度阈值A0、A1、A2、A3和A4分别为0.3％、0.40％、0.55％、0.65％和0.75％；采煤机牵引速度4级、3级、2级、1级和0级对应的采煤机牵引速度与设定的正常采煤机牵引速度比例分别为100％、80％、60％、30％和0％。

8.根据权利要求1所述的智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，其特征在于，步骤2中，未来时刻与当前时刻的时间间隔为5分钟。

9.根据权利要求1所述的智能化综采工作面的采煤机多级控制方法，其特征在于，以上隅角作为监测区域，通过步骤2和步骤3得到一预警级别，再以回风顺槽作为监测区域，重复步骤2和步骤3得到另一预警级别；然后进行步骤4，根据两个预警级别中较高的预警级别设定采煤机牵引速度。