CN113341422B - 一种基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，包括以下步骤：使用超声测距传感器和超声成像模块对巷道断面进行粗略重建，得到巷道断面超声成像图像；超前支护系统、第一顶锚杆机根据所述超声成像图像进行初步支护；使用激光雷达和激光点云成像模块对巷道断面进行精准重建，得到巷道断面激光点云成像图像；第二支护系统、第二顶锚杆机和帮锚杆机根据所述激光点云成像图像进行加固支护。本发明把整个支护过程分成两个阶段，在进行超声成像、初步支护的同时，对巷道断面进行精准重建后再进行加固支护，打锚杆基本不会产生位置偏差，可达到建好的支护效果。第二个阶段和第一个阶段可并行进行，节约完成支护的时间，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及矿山开采技术领域，具体涉及一种基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法。
背景技术
掘锚机是将掘进机和锚杆机综合一起的一体机，能够实现两者的并行作业，效率高，目前被广泛应用于矿山开采中。掘锚机在地下巷道进行掘进开采的过程中，需要实施监控地下巷道的断面情况，然后根据断面的不同情况，控制锚杆机调整位置打锚杆进行支护。
现有技术中，CN101819036B提供了一种掘进机的空间位姿自动测量方法，针对掘进机在煤矿井下狭小空间掘进作业的实际情况，在掘进机的后部设置工业摄像机、工控计算机、激光指向仪、图像采集卡，对掘进机煤岩断面的位姿进行测量、计算，确认机身最合理的位姿，然后指令进行采掘作业，使作业人员远离危险地段，减少突发事故，提高采掘的安全性，使掘进机处于最佳、最合理的作业位置和状态，最大覆盖角度为±60°，位移检测偏差＜10mm，偏转角检测精度为±12′，俯仰角检测精度为±6′，横滚角检测精度为±6′，以提高采掘质量和效率。
但是上述技术方案，仅仅是针对掘进机对掘进机煤岩断面的位姿进行测量，没有对锚杆机的空间位姿进行同步测量，不能在掘锚机的掘进开采过程中较为真实的重建巷道断面情况，锚杆机根据不完全真实的断面情况打锚杆进行支护，就可能产生位置偏差、对支护效果产生影响。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，以解决现有技术中存在的锚杆机根据不完全真实的断面情况打锚杆进行支护，可能产生位置偏差、对支护效果产生影响的技术问题。
本发明采用的技术方案是，一种基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，在第一种可实现方式中，包括以下步骤：
使用超声测距传感器和超声成像模块对巷道断面进行粗略重建，得到巷道断面超声成像图像；
超前支护系统、第一顶锚杆机根据所述超声成像图像进行初步支护；
使用激光雷达和激光点云成像模块对巷道断面进行精准重建，得到巷道断面激光点云成像图像；
第二支护系统、第二顶锚杆机和帮锚杆机根据所述激光点云成像图像进行加固支护。
由第一种可实现方式的技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：先通过超声成像对巷道断面进行粗略重建，超前支护系统、第一顶锚杆机根据超声成像图像进行初步支护，完成初步支护的速度快；然后通过激光点云成像对巷道断面进行精准重建，第二支护系统、第二顶锚杆机和帮锚杆机根据激光点云成像图像进行加固支护，打锚杆基本不会产生位置偏差，达到建好的支护效果。把整个支护过程分成两个阶段，在进行超声成像、初步支护的同时，对巷道断面进行精准重建再进行加固支护，第二个阶段和第一个阶段可并行进行，节约完成支护的时间，提高效率。
结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，位置感知系统包括超声测距传感器、超声成像模块、激光雷达和激光点云成像模块；超声测距传感器和超声成像模块信号连接，激光雷达和激光点云成像模块信号连接。
结合第二种可实现方式，在第三种可实现方式中，超声测距传感器为多个，沿掘锚机的侧面和顶部均匀设置。
结合第三种可实现方式，在第四种可实现方式中，超声测距传感器为9个，分别以粘接方式安装于掘锚机的左前、左中、左后、右前、右中、右后、顶部前、顶部中、顶部后9个位置。
结合第二种可实现方式，在第五种可实现方式中，激光雷达为多个，沿掘锚机的侧面和顶部均匀设置。
结合第五种可实现方式，在第六种可实现方式中，激光雷达为9个，分别以粘接方式安装于掘锚机的左前、左中、左后、右前、右中、右后、顶部前、顶部中、顶部后9个位置。
结合第二、五、六种可实现方式，在第七种可实现方式中，激光雷达为半导体激光雷达。
结合第一种可实现方式，在第八种可实现方式中，位置感知系统还包括井下定位通信模块，井下定位通信模块分别与超声成像模块、激光点云成像模块和井上远程控制平台信号连接，把掘锚机井下所在位置、超声成像图像和激光点云成像图像传输给井上远程控制平台；
井上远程控制平台根据掘锚机井下所在位置，找出开采方案中该位置的土壤、岩体环境情况，结合超声成像图像和激光点云成像图像，选择锚杆机的打锚杆点位，再把打锚杆点位传输给掘锚机。
由第八种可实现方式的技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：在掘锚机在掘进开采过程中进行支护时，可以根据掘锚机所在的井下位置，结合开采方案中该位置巷道断面的土壤、岩体环境，找出更合适的打锚杆点位，获得更好的支护效果。
结合第八种可实现方式，在第九种可实现方式中，井下定位通信模块采用超宽带无线载波通信技术进行定位及通信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例1的掘进支护方法流程图；
图2为本发明实施例2的位置感知系统框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
掘锚机的位置感知系统包括超声测距传感器、超声成像模块、激光雷达和激光点云成像模块，可以构建巷道的断面情况。
超声测距传感器为多个，分别与超声成像模块相连接，将测得的多个超声测距值传输给超声成像模块。超声成像模块根据多个超声测距值进行超声成像，重构掘锚机所在位置处的巷道断面图像。超声测距传感器的测距原理如下：经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波经巷道断面反射回来，由传感器接收端接收，再经过接收电路放大、整形。以嵌入式微核心的超声波测距系统通过嵌入式设备记录超声波发射的时间和反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个跳变。通过定时器计数，计算时间差，即可计算出掘锚机安装该超声测距传感器的位置与巷道断面之间的超声测距值。由于超声测距是声波发射，具有声波的扇形发射特性，所以超声成像模块在根据多个距离值进行超声成像时，可以快速构建出巷道断面的大致情况。锚杆机可以根据巷道断面的大致情况，打锚杆进行初步支护。
超声测距传感器的数量不作限定，在具体的实施方式中，超声测距传感器优选为9个，沿掘锚机的侧面和顶部均匀设置，分别以粘接的方式安装于掘锚机的左前、左中、左后、右前、右中、右后、顶部前、顶部中、顶部后9个位置。
激光雷达为多个，分别与激光点云成像模块相连接，将测得的多个点云传输给激光点云成像模块。激光点云成像模块根据多个点云进行三维成像，重构掘锚机所在位置处的巷道断面图像。激光雷达测距原理如下：先由激光二极管对准巷道断面的某一位置处发射激光脉冲，经反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，十分适用于巷道的弱光环境。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可计算出掘锚机安装该激光雷达的位置与巷道断面之间的激光测距值。激光二极管设在一个旋转平台上，旋转扫描一周，即得到点云。
激光雷达的数量不作限定，在具体的实施方式中，激光雷达优选为9个，沿掘锚机的侧面和顶部均匀设置，分别以粘接的方式安装于掘锚机的左前、左中、左后、右前、右中右后、顶部前、顶部中、顶部后9个位置。激光雷达的测量精度高，可构建更为精确度巷道断面，但成像处理时间长，较适合用于给锚杆机在完成初步支护后，进行加固支护时，提供精确的巷道断面图像信息。激光雷达为半导体激光雷达，其体积小、可靠性高。
在本实施例中，图像处理为取得更好的实时性，超声成像模块、激光点云成像模块均安装在掘锚机中。
在上述掘锚机位置感知系统的基础上，本实施例提供了一种基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，具体按照以下步骤进行：
1、使用超声测距传感器和超声成像模块对巷道断面进行粗略重建，得到巷道断面超声成像图像
使用超声测距传感器和超声成像模块，按前文介绍的超声成像工作原理对巷道断面进行粗略重建，可得到巷道断面超声成像图像。巷道断面超声成像图像精度不高，能达到厘米级；但成像速度快、实时性好，可以快速给初步支护提供参考。
2、超前支护系统、第一顶锚杆机根据超声成像图像进行初步支护
掘锚机一共有4台顶锚杆机、2台帮锚杆机。掘锚机的在支护部分的工作原理如下：当掘锚机开到工作面后，超前支护系统开始工作，使机器支撑在顶板和底板之间。截割系统、第二支护系统、装运系统、水系统同时开始工作。当一个截割循环完成后，掘锚机也完成了4个顶锚和2个帮锚的支护工作。掘锚机收回超前支护系统，行走到下一个工作循环面，行走距离一般是1米，然后再次使用超前支护系统进行支护。
超声成像模块分别与掘锚机的超前支护系统、顶锚杆机信号连接，将超声成像图像传输给超前支护系统、顶锚杆机。超前支护系统根据超声成像图像向巷道顶部铺设顶板网片，然后顶锚杆机向巷道顶部铺设的顶板网片打锚杆，完成初步支护。在本步骤选用靠近掘锚机前端的2台顶锚杆机(在本实施例中定义为第一顶锚杆机)进行初步支护。超声成像图像可以给网片铺设位置、打锚杆位置提供初步的位置指引。初步支护只能起到简单的支持作用，接下来还需要结合巷道断面的实际情况，选择更合适的锚杆支撑点打锚杆，实现更好的支护效果，这就需要对巷道断面进行精准重建，才能结合更接近于真实的巷道断面成像图像，找出更合适的锚杆支撑点。
3、使用激光雷达和激光点云成像模块对巷道断面进行精准重建，得到巷道断面激光点云成像图像
在进行超声成像、初步支护的同时，使用激光雷达和激光点云成像模块，按前文介绍的激光点云成像工作原理对巷道断面进行精准重建，可得到巷道断面激光点云成像图像。巷道断面激光点云成像图像精度高，能达到毫米级；但成像过程中需要处理的点云数据量大，处理时间相对较长，所以在本实施例中，选择在完成了初步支护再进行巷道断面的精准重建，这样有了在初步支护进行支撑的前提下，就具备对巷道断面进行精准重建的数据处理时间，得到的巷道断面激光点云成像图像可以给加固支护提供参考。
4、第二支护系统、第二顶锚杆机和帮锚杆机根据激光点云成像图像进行加固支护
激光点云成像模块分别与掘锚机的第二支护系统、顶锚杆机和帮锚杆机信号连接，将激光点云成像图像传输给第二支护系统、顶锚杆机和帮锚杆机。本步骤中第二支护系统根据激光点云成像图像向巷道顶部、侧壁铺设顶板网片、侧帮网片，然后2台顶锚杆机向巷道顶部铺设的顶板网片打锚杆，2台帮锚杆机向巷道侧壁铺设的侧帮网片打锚杆，完成加固支护。在本步骤选用靠近掘锚机后端的2台顶锚杆机(在本实施例中定义为第二顶锚杆机)进行加固支护。激光点云成像图像可以给网片铺设位置、打锚杆位置提供精准的位置指引。
本实施例的技术方案，可以先通过超声成像对巷道断面进行粗略重建，超前支护系统、第一顶锚杆机根据超声成像图像进行初步支护，完成初步支护的速度快；然后通过激光点云成像对巷道断面进行精准重建，第二支护系统、第二顶锚杆机和帮锚杆机根据激光点云成像图像进行加固支护，打锚杆基本不会产生位置偏差，达到建好的支护效果。把整个支护过程分成两个阶段，在进行超声成像、初步支护的同时，对巷道断面进行精准重建再进行加固支护，第二个阶段和第一个阶段可并行进行，节约完成支护的时间，提高效率。
实施例2
在矿山开采前，一般可以通过全孔采样地质勘探初步判定出：煤层在地下的分布位置，以及包裹在煤层外面的，是土壤、岩体、还是二元介质(岩土混合)，并结合地质勘探结果，形成开采方案。开采方案里包括了预规划的掘进方向、深度，以及到了某一地下位置后，所处的环境是土壤、岩体、还是二元介质。
在矿山实际掘进开采的过程中，可以控制掘锚机按照开采方案进行掘进开采。当掘锚机到达井下的某一处位置时，可以根据开采前的地质勘探形成的开采方案，得知此处巷道的所处的环境是土壤、岩体、还是二元介质。
在实施例1提供的技术方案中，根据超声成像图像、激光点云成像图像进行支护时，能够从巷道断面的外形来选择打锚杆的点位，但是图像中不能反映出巷道断面是土壤、岩体、还是二元介质。理论上，将锚杆打在岩体上，比打在土壤或者二元介质上，支护效果更好。
在本实施中，为使锚杆尽可能打在岩体上，在实施例1的基础上，采用了以下技术方案：
掘锚机位置感知系统还包括井下定位通信模块，井下定位通信模块分别与超声成像模块、激光点云成像模块和井上远程控制平台信号连接，把掘锚机井下所在位置、超声成像图像和激光点云成像图像传输给井上远程控制平台；
井上远程控制平台根据掘锚机井下所在位置，找出开采方案中该位置的土壤、岩体环境情况，结合超声成像图像和激光点云成像图像，选择锚杆机的打锚杆点位，再把打锚杆点位传输给掘锚机。
在具体的实施方式中，井下定位通信模块采用超宽带无线载波通信技术(UWB)进行定位及通信。UWB技术是一种无线载波通信技术，不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，其发射信号的功率谱密度低，对信道衰落不敏感，具有极强的穿透能力，可在地下进行精确定位。通过井下定位通信模块，可以实时得出掘锚机在井下的位置，并传输给井上远程控制平台，实现定位和通信的二合一功能。
井上远程控制平台根据掘锚机井下所在位置，可以通过软件调出开采方案，将掘锚机井下所在位置的坐标输入到开采方案的地质环境中，找出该位置的土壤、岩体环境情况，再结合超声成像图像和激光点云成像图像，选择锚杆机的打锚杆点位，再把打锚杆的点位通过井下定位通信模块传输给掘锚机。比如：掘锚机所处位置的巷道断面的左侧后部是岩体，左侧中部是二元介质，左侧前部是土壤，那么选择打锚杆的点位，在锚杆机可操作的角度内，会优先考虑往左侧后部、左侧中部打锚杆。掘锚机根据打锚杆点位，控制锚杆机打锚杆完成支护。
使用本实施例的技术方案，在掘锚机在掘进开采过程中进行支护时，可以根据掘锚机所在的井下位置，结合开采方案中该位置巷道断面的土壤、岩体环境，找出更合适的打锚杆点位，获得更好的支护效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (9)
1.一种基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用超声测距传感器和超声成像模块对巷道断面进行粗略重建，得到巷道断面超声成像图像；
超前支护系统、第一顶锚杆机根据所述超声成像图像进行初步支护；
使用激光雷达和激光点云成像模块对巷道断面进行精准重建，得到巷道断面激光点云成像图像；
第二支护系统、第二顶锚杆机和帮锚杆机根据所述激光点云成像图像进行加固支护。
2.根据权利要求1所述的基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，其特征在于，所述位置感知系统包括超声测距传感器、超声成像模块、激光雷达和激光点云成像模块；所述超声测距传感器和所述超声成像模块信号连接，所述激光雷达和所述激光点云成像模块信号连接。
3.根据权利要求2所述的基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，其特征在于，所述超声测距传感器为多个，沿掘锚机的侧面和顶部均匀设置。
4.根据权利要求3所述的基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，其特征在于，所述超声测距传感器为9个，分别以粘接方式安装于掘锚机的左前、左中、左后、右前、右中、右后、顶部前、顶部中、顶部后9个位置。
5.根据权利要求2所述的基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，其特征在于，所述激光雷达为多个，沿掘锚机的侧面和顶部均匀设置。
6.根据权利要求5所述的基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，其特征在于，所述激光雷达为9个，分别以粘接方式安装于掘锚机的左前、左中、左后、右前、右中、右后、顶部前、顶部中、顶部后9个位置。
7.根据权利要求2、5或6所述的基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，其特征在于，所述激光雷达为半导体激光雷达。
8.根据权利要求1所述的基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，其特征在于：所述位置感知系统还包括井下定位通信模块，井下定位通信模块分别与超声成像模块、激光点云成像模块和井上远程控制平台信号连接，把掘锚机井下所在位置、超声成像图像和激光点云成像图像传输给井上远程控制平台；
井上远程控制平台根据掘锚机井下所在位置，找出开采方案中该位置的土壤、岩体环境情况，结合超声成像图像和激光点云成像图像，选择锚杆机的打锚杆点位，再把打锚杆点位传输给掘锚机。
9.根据权利要求8所述的基于掘锚机位置感知系统的掘进支护方法，其特征在于：所述井下定位通信模块采用超宽带无线载波通信技术进行定位及通信。
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