CN109856631B - 一种基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，属于综放工作面自动化开采技术领域。利用超宽带雷达和激光三维扫描技术实时监测顶煤厚度信息，根据顶煤厚度变化量自动调整放煤口开闭；包括如下步骤：(1)超宽带雷达发射装置根据雷达回波信号计算出顶煤厚度变化量；(2)激光三维扫描装置根据扫描的放煤口煤流几何特征、煤流速度和放煤时间计算出放煤量；(3)建立顶煤厚度变化量与放煤时间之间函数方程，计算出放煤口在不同放煤阶段中的最佳开闭时间；(4)通过放顶煤控制器向放煤口发出开启和关闭指令，实现综放工作面的智能化放煤。优点：整个放煤过程控制准确、适应性强无需人工干预，有效提高放煤效率、降低劳动强度。

Description

一种基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法
技术领域
本发明涉及一种综放工作面的放煤方法，尤其是一种基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，属于综放自动化开采技术领域。
背景技术
煤炭是我国的主体能源，厚煤层实现智能化综放开采将成为重要的发展趋势。
在综放开采过程中，亟待解决的难题之一是如何正确判断放煤口最佳开闭时间，是目前急待解决的与智能化综放开采相配套的技术问题。目前，对于放煤口的开闭时间主要有两种方法，其一是由放煤工人通过视觉和听觉，以及经验积累来确定放煤口的开闭，这样就会带来过放或者欠放情况发生，造成大量丢煤或矸石混入现象发生使得资源浪费和增加后期洗选成本，同时放煤过程会产生大量的粉尘和瓦斯，对放煤操作工人的生命健康造成巨大威胁。二是应用电液控制系统来实现放煤口的开闭，基本方法是在电液控制系统中嵌入预先设定好的放煤程序,按照预先设定好的放煤动作及放煤时间实现放煤口的开闭。但在工作面煤层厚度变化较大,无论是在相邻支架之间还是在走向长度方向都存在较大差异。因此预先按照工作面全部支架设定统一的放煤程序完成放煤口的开闭存在较大的缺陷,由于顶煤厚度随时变化导致放煤口开闭时间也随之变化,如若放煤口开闭时间一成不变,就必然导致放煤过程中出现过放或者欠放情况,使煤质下降或者资源遭受损失。因此，根据顶煤厚度变化量实时自动调整放煤口开闭时间而实现自适应放煤,是实现真正意义上智能化放煤的关键技术。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供了一种使用方便、能有效提高放顶煤效率、降低放煤工人劳动强度的基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，利用超宽带雷达装置和激光三维扫描装置实时监测顶煤厚度信息，根据顶煤厚度变化量自动调整放煤口开闭时间，具体步骤包括：
(1)把超宽带雷达装置安装在液压支架的顶梁靠近中后部位置，所述超宽带雷达装置包括发射装置、接收装置和控制机；所述液压支架包括：顶梁、立杆、掩护梁、尾梁、底座、液压支架控制器和电液伺服控制系统。其中，发射装置把超宽带雷达信号发射到顶煤煤层中，接收装置接收超宽带雷达信号经由煤岩分界面反射后的回波信号并进行去噪处理，根据控制机记录雷达信号从发射到接收所用的时间得到超宽带雷达信号在煤层中的传播时间；
(2)实时采集超宽带雷达信号在煤层中的传播时间，根据公式
Figure GDA0002022417430000011
计算出顶煤厚度，并采用时域有限差分方法来提高顶煤厚度的计算精度，
式中：L为顶煤厚度，C为在真空中的电磁波的传播速度，ΔT为信号在煤层中的传播时间，ε为相对介电常数；
(3)把激光三维扫描装置安装在液压支架上靠近尾梁并对准液压支架的放煤口，放煤开始后，通过激光三维扫描装置实时连续扫描放煤口放出的煤流信息，得到煤流表面三维几何特征和煤流速度；
(4)利用激光三维扫描采集的煤流表面三维几何特征和煤流速度，结合放煤时间计算出放煤口实际放煤量；
(5)根据步骤2计算的顶煤厚度和步骤4计算的放煤口实际放煤量结果，采用径向基神经网络建立顶煤厚度的变化量与放煤时间之间的对应关系方程；
(6)结合建立的对应关系方程和的顶煤厚度的变化量，计算出放煤口在各个放煤阶段中最佳开闭时间；
(7)将获得的放煤口最佳开闭时间传输给液压支架控制器，液压支架控制器通过电液伺服控制系统向放煤口发出开启和关闭指令，实现综放工作面的智能化放煤。
所述的步骤1中，对接收到的超宽带雷达信号进行去噪处理，具体为：小波去噪、反卷积自适应去噪和偏微分去噪。
3所述的步骤3中，对激光扫描的煤流表面三维几何特征进行数据处理，具体为基于多维树的点云去噪方法。
所述的步骤5中，采用径向基神经网络建立以顶煤厚度、煤流几何特征、煤流速度、放煤口放煤量作为输入，以顶煤流动时间参数为输出的神经网络模型。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明根据顶煤厚度变化量实时自动调整放煤口开闭时间来实现自适应放煤,有效的消除了由于顶煤厚度随时变化、放出规律性差、控制变量复杂等因素造成的放煤过程中出现的过放或者欠放情况，因此，本发明适应性强，并能够有效控制放煤口开闭时间；
(2)本发明提供的基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，超宽带雷达技术能实时获取顶煤厚度信息，激光三维扫描技术能实时监测放煤口的放煤量；并据此建立了顶煤厚度的变化量与放煤时间之间的非线性函数方程，计算出每个放煤口在各个放煤阶段中最佳开闭时间，因此，本发明能够较为客观、准确的确定放煤口最佳开闭时间，对整个放煤过程控制比较准确，效果显著；
(3)本发明提供的基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，由于在获得放煤口在各个放煤阶段中最佳开闭时间后经由放顶煤控制器向液压支架电液控制系统发出指令，由电液控制系统实现对放煤口的关闭和开启，因此，本发明能够实现在整个放煤开闭过程无需人工干预，有效提高了放煤效率、降低了放煤工人劳动强度。
附图说明
图1是本发明的基于顶煤厚度变化量实时监测的放煤口开闭流程图。
图2是本发明的径向基神经网络拓扑结构图。
图3是本发明的超宽带雷达装置和激光三维扫描装置在液压支架上布置示意图。
图中：1-顶梁；2-立杆；3-掩护梁；4-超宽带雷达装置；5-尾梁；6-激光三维扫描装置；7-底座。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明的基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，利用超宽带雷达装置4和激光三维扫描装置6实时监测顶煤厚度信息，根据顶煤厚度变化量自动调整放煤口开闭时间，具体步骤包括：
(1)把超宽带雷达装置安装在液压支架的顶梁1靠近中后部位置，所述超宽带雷达装置4包括依次连接的发射装置、接收装置和控制机；所述的液压支架包括顶梁1、立杆2、掩护梁3、尾梁5、底座7、控制器和电液伺服控制系统，顶梁1设在立杆2上，立杆2设在底座7上，掩护梁3设在顶梁1与底座7之间，尾梁5连接在顶梁1后部，控制器和电液伺服控制系统根据液压支架产品型号的不同其安装位置也不同。通过发射装置将大于0.25的超宽带雷达信号发射到顶煤煤层中，接收装置接收超宽带雷达信号经由煤岩分界面反射后的回波信号并进行去噪处理，根据控制机记录雷达信号从发射到接收所用的时间得到超宽带雷达信号在煤层中的传播时间；所述对接收到的超宽带雷达信号进行去噪处理，具体为：小波去噪、反卷积自适应去噪和偏微分去噪。
(2)实时采集超宽带雷达信号在煤层中的传播时间，根据公式
Figure GDA0002022417430000031
计算出顶煤厚度，并采用时域有限差分方法来提高顶煤厚度的计算精度，
公式中：L为顶煤厚度，C为在真空中的电磁波的传播速度，ΔT为信号在煤层中的传播时间，ε为相对介电常数；
(3)在液压支架靠近尾梁并对准液压支架的放煤口处安装激光三维扫描装置6，放煤开始后，通过激光三维扫描装置6实时连续扫描放煤口放出的煤流信息，得到煤流表面三维几何特征和煤流速度；对激光扫描的煤流表面三维几何特征所得到的点云数据进行数据处理，具体为基于多维(K-Demension，KD)树的点云去噪方法。
对激光扫描的煤流表面三维点云数据进行数据处理，具体为基于KD树的点云去噪方法，其主要是利用统计原理，通过计算点与邻域各点距离的均值和标准差，设置最佳阈值区间，如果邻域中某点的距离不在此区间，则认为该点为噪声点。
具体的过程是：对激光三维扫描的放煤口煤流点云P建立KD树，遍历点云P，通过KD树查找其
Figure GDA0002022417430000041
k值可根据点云模型的大小来决定；计算
Figure GDA0002022417430000042
内每个点到当前点P的欧氏距离D＝{d1,d2,…,dk}；计算距离D的均值μ和标准差σ；最后判断如果某个点的距离di不在区间μ±ασ中，则将其对应的点去除；α的取值根据邻域的大小来决定。其中P为激光扫描点云集，N为KD树点云模型，k为点云模型大小，α为标准差系数，D为点云之间的距离，μ是均值和σ是标准差；
(4)利用步骤3中激光三维扫描装置6采集的煤流表面三维几何特征和煤流速度，结合放煤时间计算出放煤口实际的放煤量；
(5)根据步骤2中计算出的顶煤厚度和步骤4中计算出放煤口实际的放煤量结果，采用径向基神经网络建立顶煤厚度的变化量与放煤时间之间的对应关系方程；如图2所示，建立以顶煤厚度、煤流几何特征、煤流速度、放煤口放煤量等因素作为输入，以顶煤流动时间参数为输出的径向基神经网络模型，其输入输出关系式为：
Figure GDA0002022417430000043
Figure GDA0002022417430000044
式中：t是隐含层的节点中心，σ是隐含层中基函数的标准差；
径向基神经网络中隐含层中基函数的标准差σ和网络权值ω的确定方法如下：
Figure GDA0002022417430000045
式中：dmax是所选取的中心之间的最大距离，n是隐含节点的个数，G是隐含层输出，d是输出层的期望输出；
采用径向基神经网络建立以顶煤厚度、煤流几何特征、煤流速度、放煤口放煤量作为输入，以顶煤流动时间参数为输出的神经网络模型；
xM代表第M组的放煤参数(顶煤厚度、煤流几何特征、煤流速度、放煤口放煤量)，yj表示j时刻第M组对应的顶煤流动时间。
Figure GDA0002022417430000046
是隐含层基函数，ω是网络权值。
(6)结合步骤5中建立的非线性函数方程和步骤1中监测的顶煤厚度的变化量，准确计算出放煤口在矸石阶段、煤矸混放阶段和放煤三个阶段中最佳开闭时间；
(7)将步骤6中获得的放煤口最佳开闭时间传输给液压支架控制器，液压支架控制器通过电液伺服控制系统向放煤口发出开启和关闭指令，实现综放工作面的智能化放煤。
图3是超宽带雷达装置4和激光三维扫描装置6在液压支架上布置示意图；超宽带雷达装置4安装在液压支架顶梁上靠近中后部，通过发射装置把超宽带雷达信号发射到顶煤煤层中，接收装置接收超宽带雷达信号经由煤岩分界面反射后的回波信号；激光三维扫描装置6安装在液压支架底座上，靠近尾梁并对准液压支架的放煤口，放煤开始后，激光三维扫描装置6实时连续扫描放煤口放出的煤流信息。

Claims (4)

1.一种基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，其特征在于，利用超宽带雷达装置和激光三维扫描装置实时监测顶煤厚度信息，根据顶煤厚度变化量自动调整放煤口开闭时间，具体步骤包括：
（1）把超宽带雷达装置安装在液压支架的顶梁靠近中后部位置，所述的超宽带雷达装置包括发射装置、接收装置和控制机；所述液压支架包括：顶梁、立杆、掩护梁、尾梁、底座、液压支架控制器和电液伺服控制系统，其中，发射装置把超宽带雷达信号发射到顶煤煤层中，接收装置接收超宽带雷达信号经由煤岩分界面反射后的回波信号并进行去噪处理，根据控制机记录雷达信号从发射到接收所用的时间得到超宽带雷达信号在煤层中的传播时间；
（2）实时采集超宽带雷达信号在煤层中的传播时间，根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
计算出顶煤厚度，并采用时域有限差分方法来提高顶煤厚度的计算精度，
式中：L为顶煤厚度，C为在真空中的电磁波的传播速度，ΔT为信号在煤层中的传播时间，ε为相对介电常数；
（3）把激光三维扫描装置安装在液压支架上靠近尾梁并对准液压支架的放煤口，放煤开始后，通过激光三维扫描装置实时连续扫描放煤口放出的煤流信息，得到煤流表面三维几何特征和煤流速度；
（4）利用激光三维扫描采集的煤流表面三维几何特征和煤流速度，结合放煤时间计算出放煤口实际放煤量；
（5）根据步骤2计算的顶煤厚度和步骤4计算的放煤口实际放煤量结果，采用径向基神经网络建立顶煤厚度的变化量与放煤时间之间的对应关系方程；
（6）结合建立的对应关系方程和顶煤厚度的变化量，计算出放煤口在各个放煤阶段中最佳开闭时间；
（7）将获得的放煤口最佳开闭时间传输给液压支架控制器，液压支架控制器通过电液伺服控制系统向放煤口发出开启和关闭指令，实现综放工作面的智能化放煤。
2.根据权利要求1所述的基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，其特征在于：所述的步骤1中，对接收到的超宽带雷达信号进行去噪处理，具体为：小波去噪、反卷积自适应去噪和偏微分去噪。
3.根据权利要求1所述的基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，其特征在于：所述的步骤3中，对激光扫描的煤流表面三维几何特征进行数据处理，具体为基于多维K-Dimension，KD树的点云去噪方法。
4.根据权利要求1所述的基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，其特征在于：所述的步骤5中，采用径向基神经网络建立以顶煤厚度、煤流几何特征、煤流速度、放煤口放煤量作为输入，以顶煤流动时间参数为输出的神经网络模型。
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