CN112377190A - 一种煤矿井下可视化采煤系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下可视化采煤系统及方法，包括：钻孔设备、工作面区域槽波获取设备和采煤机双震源干涉装置，所述钻孔设备在矿井内钻孔，放入采集设备采集三维地震勘测钻孔数据，通过工作面区域槽波获取设备获取工作面区域槽波数据，利用三维地震勘测钻孔数据和工作面区域槽波数据建立煤系地层的高精度三维模型，所述采煤机双震源干涉装置感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机提供实时自动调整与控制，通过与煤系地层的高精度三维模型实时对比校正，最终构建出能为采煤机提供最佳开采方案的可视化采煤系统。本发明解决了现有采煤过程中不能无人化、无法根据实际情况实时调整采煤状态的问题。
Description
技术领域
本发明涉及采煤技术领域，具体涉及一种煤矿井下可视化采煤系统及方法。
背景技术
煤炭是我国的基础能源之一，在我国能源生产和消费结构中，煤炭一直占据了70％以上的席位。随着信息化和工业化的融合，无人化工作面开采技术是未来煤炭行业发展的大趋势。但因对未采煤层区域内的煤系地层分布信息、地质构造、小型的潜伏灾害源等尚不清楚，又没有可以替代采煤机司机的人工智能对煤矿井下复杂的现场作业环境进行准确研判，致使目前还没有一种可靠技术可以彻底实现井下无人化采煤。
现有采用在两顺槽及工作面打钻确定煤层顶板，并将顶板的绝对坐标点引入工作面的方式来指导采煤机修正割煤轨迹，从而实现无人化采煤技术。具有的缺点为未能将物探、钻探等数据引入系统，仅通过预先确定的煤岩空间坐标构建了一种简单的地质模型，进行预置的采煤机导航，不涉及实时感知、处理和控制，非常受限于煤系地层的地质条件。因此，采煤机推进一段距离，就需要再对未标定煤岩位置的两顺槽及工作面进行打钻施工，工作量大且容易存在测量误差，造成导航模型的建立粗糙，引起采煤机导航失误。
发明内容
为此，本发明提供一种煤矿井下可视化采煤系统及方法，以解决现有采煤过程中不能无人化、无法根据实际情况实时调整采煤状态的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据本发明的第一方面，公开了一种煤矿井下可视化采煤系统，所述系统包括：钻孔设备、工作面区域槽波获取设备和采煤机双震源干涉装置，所述钻孔设备在矿井内钻孔，放入采集设备采集三维地震勘测钻孔数据，通过工作面区域槽波获取设备获取工作面区域槽波数据，利用三维地震勘测钻孔数据和工作面区域槽波数据建立煤系地层的高精度三维模型，所述采煤机双震源干涉装置感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制，通过与煤系地层的高精度三维模型实时对比校正，最终构建出能为采煤机提供最佳回采路径、回采速度，并及时正确调整摇臂、滚筒的姿态和割煤形态的可视化采煤系统。
进一步地，所述采煤机双震源干涉装置包括：采集主机和采集站，所述采集主机与采集站之间通过嵌入在采煤机动力电缆内的光纤或CAN通讯方式连接。
进一步地，所述采集主机设置在集中控制台内，通过采集主机接收采集站获取的采煤机左右摇臂倾角、左右滚筒高度、截割电流、牵引电路信息，并能够向采集站发送控制信息。
进一步地，所述采集站安装在采煤机机身内部，采集站内部通过电源线与采煤机内部的二路本安电源模块连接，所述采集站内设置有本安电池组、128G闪存与精密时钟，采集站具备与采煤机的可编程逻辑控制器PLC的CAN网连接。
进一步地，所述采集站在矿用本安型槽波地震电法仪采集站的基础上，改装成四个三分量速度型地震检波器和四个三分量微机电MEMS型加速度检波器，分别安装在采煤机的两侧滚筒和两侧滑靴上，采集站内的主控模块采用现场可编程门阵列FPGA芯片。
进一步地，所述采集站实时接收采煤机左右摇臂倾角、左右滚筒高度、截割电流、牵引电路等信息，同时可实时发出控制采煤机的指令。
根据本发明的第二方面，公开了一种煤矿井下可视化采煤方法，所述方法为：
通过利用三维地震勘测钻孔数据和工作面区域槽波数据建立煤系地层的高精度三维模型，并规划出井下采煤机的回采轨迹导航图；
通过采煤机双震源干涉装置，精确感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制；
通过采煤机双震源干涉装置获取的采煤机割煤时的顶底板煤岩界面与煤系地层的高精度三维模型实时对比校正，最终构建出能为采煤机提供最佳回采路径、回采速度，并及时正确调整摇臂、滚筒的姿态和割煤形态的可视化采煤方法。
进一步地，所述煤系地层的高精度三维模型构建方法为：
利用测井、钻井资料和地质规律为约束进行反演处理，应用STRATA地震反演系统，获得波阻抗反演数据体，控制面积12平方公里，在分析已有资料后，由钻孔测井资料和人工合成记录求取的反射系数、子波来匹配地震道，进行基于模型反演获得波阻抗数据体，再将波阻抗数据体加载到解释系统后输入煤层对应的顶底层位数据，并使之网格化，利用网格化的层位差值与全区钻孔对应点的煤厚比较得到标定系数，用网格化到全区的标定系数与对应点煤层顶底层位差值相乘，即可得到相应煤层的厚度，从而构建出矿区各煤层高精度三维模型。
进一步地，所述采煤机双震源干涉装置采集站内的三分量速度型地震检波器和三分量MEMS型加速度检波器的性能特性进行比对，并通过模拟与现场试验确认检波器，进行检波器的防护装置与采煤机截割部、行走部的安装研究。
进一步地，所述采集站内的主控模块采用现场可编程门阵列FPGA芯片，采用Verilog HDL硬件编程语言进行实时动态采集与处理，实时进行动力谱与双源干涉时频谱的计算，现场界定双震源干涉波相位与煤岩界面距离的修正系数，进行煤岩识别建模，自学习后，能够精细实时判别煤岩界面。
本发明具有如下优点：
本发明公开了一种煤矿井下可视化采煤系统及方法，根据煤层及其顶底板岩层在地下空间的分布情况，绘制智能化开采的导航地图。建立采区范围三维地质模型，实现地层信息、煤层信息及构造信息等地质地测信息精细化模型，将相关数据整合，实现数据集成化，便于地质信息的综合分析。
再通过实时探测、实时处理和实时分析的技术手段，精确感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制。对断层、煤层顶底板构造及岩性、陷落柱、破碎带、煤层厚度、煤层夹矸厚度、进行精准预测；在连续动态的探测煤层及顶底板内可能的断层、富水层等地质体和灾害源情况的同时，实时调整采煤机的姿态及回采速度，部署最佳回采方案，实时调整割煤机滚筒的抬升、下探；准确分析出回采工作面的不同地质构造，并控制采煤机做出合理动作，对特殊构造进行回避或增减负载，从而实现地质可控、工作面无人状态下的安全生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的一种煤矿井下可视化采煤系统流程图；
图2为本发明实施例提供的一种煤矿井下可视化采煤方法的三维地震单炮记录图；
图3为本发明实施例提供的一种煤矿井下可视化采煤方法的三维地震去噪后地质图像；
图4为本发明实施例提供的一种煤矿井下可视化采煤系统的煤系地层高精度三维模型建设流程图；
图5为本发明实施例提供的一种煤矿井下可视化采煤系统的煤系地层的高精度三维模型图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明公开了一种煤矿井下可视化采煤系统，包括两个阶段：第一个阶段为建立煤系地层的高精度三维模型，第二阶段为通过实时探测、实时处理和实时分析的技术手段，精确感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制。
所述系统包括：钻孔设备、工作面区域槽波获取设备和采煤机双震源干涉装置，所述钻孔设备在矿井内钻孔，放入采集设备采集三维地震勘测钻孔数据，通过工作面区域槽波获取设备获取工作面区域槽波数据，利用三维地震勘测钻孔数据和工作面区域槽波数据建立煤系地层的高精度三维模型，所述采煤机双震源干涉装置感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制，通过与煤系地层的高精度三维模型实时对比校正，最终构建出能为采煤机提供最佳回采路径、回采速度，并及时正确调整摇臂、滚筒的姿态和割煤形态的可视化采煤系统。
利用矿井勘探采集的三维地震勘探钻孔数据和工作面区域槽波数据，开展基于MCMC原理(马尔科夫链蒙特卡洛方法Markov Chain Monte Carlo，简称MCMC)的地质统计学反演分析，在综合地质、测井、地震等资料的基础上，利用贝叶斯判别、马尔科夫链采样、蒙特卡罗模拟等理论，达到符合矿井采煤导航的井田或采区范围的高分辨率岩性反演识别标准，构建出综采工作面所对应采区的三维数据体模型，并规划出井下采煤机的回采轨迹导航图。
采煤机双震源干涉装置包括：采集主机和采集站，所述采集主机与采集站之间通过嵌入在采煤机动力电缆内的光纤或CAN通讯方式连接；采集主机设置在集中控制台内，通过采集主机接收采集站获取的采煤机左右摇臂倾角、左右滚筒高度、截割电流、牵引电路信息，并能够向采集站发送控制信息。采集站安装在采煤机机身内部，以便于采集站的防护。采集站内部通过电源线与采煤机内部的二路本安电源模块连接，对采集站进行供电。并且采集站内设置有本安电池组、128G闪存与精密时钟，采集站具备与采煤机的可编程逻辑控制器PLC的CAN网连接。
采集站在矿用本安型槽波地震电法仪采集站的基础上，改装成四个三分量速度型地震检波器和四个三分量微机电MEMS型加速度检波器，分别安装在采煤机的两侧滚筒和两侧滑靴上，用来接受不同频带的地震波与动力波，共计24通道的并行震波场采集系统。采集站内的主控模块采用现场可编程门阵列FPGA芯片，FPGA融合了高速采集与DSP的双重功能，做到采集、处理、控制的并发。采集站实时接收采煤机左右摇臂倾角、左右滚筒高度、截割电流、牵引电路等信息，同时可实时发出控制采煤机的指令。
本实施例公开的一种煤矿井下可视化采煤系统，根据煤层及其顶底板岩层在地下空间的分布情况，绘制智能化开采的导航地图。再通过实时探测、实时处理和实时分析的技术手段，精确感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制。在连续动态的探测煤层及顶底板内可能的断层、富水层等地质体和灾害源情况的同时，实时调整采煤机的姿态及回采速度，部署最佳回采方案，对特殊构造进行回避或增减负载，从而实现地质可控、工作面无人状态下安全采煤。
实施例2
本实施例公开了一种煤矿井下可视化采煤方法，所述方法为：
通过利用三维地震勘测钻孔数据和工作面区域槽波数据建立煤系地层的高精度三维模型，并规划出井下采煤机的回采轨迹导航图；
通过采煤机双震源干涉装置，精确感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制；
通过采煤机双震源干涉装置获取的采煤机割煤时的顶底板煤岩界面与煤系地层的高精度三维模型实时对比校正，最终构建出能为采煤机提供最佳回采路径、回采速度，并及时正确调整摇臂、滚筒的姿态和割煤形态的可视化采煤方法。
煤系地层的高精度三维模型构建方法为：利用测井、钻井资料和地质规律为约束进行反演处理，应用STRATA地震反演系统，获得波阻抗反演数据体，控制面积12平方公里，在分析已有资料后，由钻孔测井资料和人工合成记录求取的反射系数、子波来匹配地震道，进行基于模型反演获得波阻抗数据体，再将波阻抗数据体加载到解释系统后输入煤层对应的顶底层位数据，并使之网格化，利用网格化的层位差值与全区钻孔对应点的煤厚比较得到标定系数，用网格化到全区的标定系数与对应点煤层顶底层位差值相乘，即可得到相应煤层的厚度，从而构建出矿区各煤层高精度三维模型。
采煤机双震源干涉装置采集站内的三分量速度型地震检波器和三分量MEMS型加速度检波器的性能特性进行比对，并通过模拟与现场试验确认检波器，进行检波器的防护装置与采煤机截割部、行走部的安装研究。采集站内的主控模块采用现场可编程门阵列FPGA芯片，采用Verilog HDL硬件编程语言进行实时动态采集与处理，实时进行动力谱与双源干涉时频谱的计算，现场界定双震源干涉波相位与煤岩界面距离的修正系数，进行煤岩识别建模，自学习后，能够精细实时判别煤岩界面。
通过采煤机双震源干涉装置获取的采煤机割煤时的顶底板煤岩界面与煤系地层的高精度三维模型实时对比校正，验证是否相符合，确定存在的误差。根据实际获取的顶底板煤岩界面信息，最终构建出能为采煤机提供最佳回采路径、回采速度，并及时正确调整摇臂、滚筒的姿态和割煤形态的可视化采煤方法。实现采煤过程的可视化，真正意义上的采煤现场无人。
本实施例公开的一种煤矿井下可视化采煤方法，根据煤层及其顶底板岩层在地下空间的分布情况，绘制智能化开采的导航地图。建立采区范围三维地质模型，实现地层信息、煤层信息及构造信息等地质地测信息精细化模型，将相关数据整合，实现数据集成化，便于地质信息的综合分析。再通过实时探测、实时处理和实时分析的技术手段，精确感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制。对断层、煤层顶底板构造及岩性、陷落柱、破碎带、煤层厚度、煤层夹矸厚度、进行精准预测；在连续动态的探测煤层及顶底板内可能的断层、富水层等地质体和灾害源情况的同时，实时调整采煤机的姿态及回采速度，部署最佳回采方案，实时调整割煤机滚筒的抬升、下探；准确分析出回采工作面的不同地质构造，并控制采煤机做出合理动作，对特殊构造进行回避或增减负载，从而实现地质可控、工作面无人状态下的安全生产。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种煤矿井下可视化采煤系统，其特征在于，所述系统包括：钻孔设备、工作面区域槽波获取设备和采煤机双震源干涉装置，所述钻孔设备在矿井内钻孔，放入采集设备采集三维地震勘测钻孔数据，通过工作面区域槽波获取设备获取工作面区域槽波数据，利用三维地震勘测钻孔数据和工作面区域槽波数据建立煤系地层的高精度三维模型，所述采煤机双震源干涉装置感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制，通过与煤系地层的高精度三维模型实时对比校正，最终构建出能为采煤机提供最佳回采路径、回采速度，并及时正确调整摇臂、滚筒的姿态和割煤形态的可视化采煤系统。
2.如权利要求1所述的一种煤矿井下可视化采煤系统，其特征在于，所述采煤机双震源干涉装置包括：采集主机和采集站，所述采集主机与采集站之间通过嵌入在采煤机动力电缆内的光纤或CAN通讯方式连接。
3.如权利要求2所述的一种煤矿井下可视化采煤系统，其特征在于，所述采集主机设置在集中控制台内，通过采集主机接收采集站获取的采煤机左右摇臂倾角、左右滚筒高度、截割电流、牵引电路信息，并能够向采集站发送控制信息。
4.如权利要求2所述的一种煤矿井下可视化采煤系统，其特征在于，所述采集站安装在采煤机机身内部，采集站内部通过电源线与采煤机内部的二路本安电源模块连接，所述采集站内设置有本安电池组、128G闪存与精密时钟，采集站具备与采煤机的可编程逻辑控制器PLC的CAN网连接。
5.如权利要求4所述的一种煤矿井下可视化采煤系统，其特征在于，所述采集站在矿用本安型槽波地震电法仪采集站的基础上，改装成四个三分量速度型地震检波器和四个三分量微机电MEMS型加速度检波器，分别安装在采煤机的两侧滚筒和两侧滑靴上，采集站内的主控模块采用现场可编程门阵列FPGA芯片。
6.如权利要求4所述的一种煤矿井下可视化采煤系统，其特征在于，所述采集站实时接收采煤机左右摇臂倾角、左右滚筒高度、截割电流、牵引电路等信息，同时可实时发出控制采煤机的指令。
7.一种煤矿井下可视化采煤方法，其特征在于，所述方法为：
通过利用三维地震勘测钻孔数据和工作面区域槽波数据建立煤系地层的高精度三维模型，并规划出井下采煤机的回采轨迹导航图；
通过采煤机双震源干涉装置，精确感知采煤机割煤时的顶底板煤岩界面，为采煤机回采路径、回采速度，摇臂、滚筒的姿态和割煤形态进行实时自动调整与控制；
通过采煤机双震源干涉装置获取的采煤机割煤时的顶底板煤岩界面与煤系地层的高精度三维模型实时对比校正，最终构建出能为采煤机提供最佳回采路径、回采速度，并及时正确调整摇臂、滚筒的姿态和割煤形态的可视化采煤方法。
8.如权利要求7所述的一种煤矿井下可视化采煤方法，其特征在于，所述煤系地层的高精度三维模型构建方法为：
利用测井、钻井资料和地质规律为约束进行反演处理，应用STRATA地震反演系统，获得波阻抗反演数据体，控制面积12平方公里，在分析已有资料后，由钻孔测井资料和人工合成记录求取的反射系数、子波来匹配地震道，进行基于模型反演获得波阻抗数据体，再将波阻抗数据体加载到解释系统后输入煤层对应的顶底层位数据，并使之网格化，利用网格化的层位差值与全区钻孔对应点的煤厚比较得到标定系数，用网格化到全区的标定系数与对应点煤层顶底层位差值相乘，即可得到相应煤层的厚度，从而构建出矿区各煤层高精度三维模型。
9.如权利要求7所述的一种煤矿井下可视化采煤方法，其特征在于，所述采煤机双震源干涉装置采集站内的三分量速度型地震检波器和三分量MEMS型加速度检波器的性能特性进行比对，并通过模拟与现场试验确认检波器，进行检波器的防护装置与采煤机截割部、行走部的安装研究。
10.如权利要求9所述的一种煤矿井下可视化采煤方法，其特征在于，所述采集站内的主控模块采用现场可编程门阵列FPGA芯片，采用Verilog HDL硬件编程语言进行实时动态采集与处理，实时进行动力谱与双源干涉时频谱的计算，现场界定双震源干涉波相位与煤岩界面距离的修正系数，进行煤岩识别建模，自学习后，能够精细实时判别煤岩界面。
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