CN113818880B - 采煤工作面自动调斜装置及方法 - Google Patents

采煤工作面自动调斜装置及方法 Download PDF

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CN113818880B CN202111192376.3A CN202111192376A CN113818880B CN 113818880 B CN113818880 B CN 113818880B CN 202111192376 A CN202111192376 A CN 202111192376A CN 113818880 B CN113818880 B CN 113818880B
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Abstract

本发明公开了一种采煤工作面自动调斜装置及方法，包括主控计算机，无线通信基站，设置在采煤机上的行走编码器和惯性导航装置系统；通过安装行走编码器和惯性导航装置，获得采煤机的坐标；获取采煤机的运动轨迹线；计算运动轨迹线倾斜角度，用于实时监控采煤工作面的倾斜情况；确定调斜参数，自动控制采煤机调整采煤工作面，实现对采煤机工作面的实时调整，使得实际的采煤工作面能按照预定的理想程度执行，对采煤进度的规划及后续工作的布置具有指导意义。

Description

采煤工作面自动调斜装置及方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其是涉及一种采煤工作面自动调斜装置及方法。
背景技术
在煤矿开采过程中，采煤机沿工作面向前推进的情况与煤矿的组成、地理结构以及矿区的实际区域范围等都有很大的关系，这些因素会导致采煤机在实际开采过程中，不能完全按照设定的采煤路线作业，出现一定的偏差，如果不能及时进行补偿或调整，偏差会持续增大，最终导致采煤任务失败。
现有技术中，综采控制系统及设备的快速发展已经可以实现对采煤工作面的实时监测，但是绝大多数技术停留在对工作面开采程度或者是工作面推进位置的监测，不能反映采煤机在垂直于巷道的移动方向上采煤情况，如果采煤机实际运动轨迹与最初设定的最优运动轨迹发生偏差，也不能及时有效的调整，使得实际的采煤工作不能按照预定的理想程度执行，存在工期延误、采煤任务失败等情况。因此对采煤工作面的自动监测与调斜控制，可以保证施工者随时了解采煤机在井下作业的情况，对采煤进度的规划及后续工作的布置具有指导意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种采煤工作面自动调斜方法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述一种采煤工作面自动调斜装置，包括主控计算机，无线通信基站，设置在采煤机上的行走编码器和惯性导航装置系统；
所述行走编码器,设置在采煤机行走臂上，用于采集采煤机的位置信息；并发送至主控计算机；
惯性导航装置,设置在采煤机中段位置，用于将采煤机的所述位置信息，依据导航定位系统，转换为坐标，并实时上传至所述主控计算机；
主控计算机依据采煤机的所述坐标，描绘出采煤机的运动轨迹；并筛选出采煤机所述运动轨迹分别与进风巷和出风巷的交点；连接两交点形成采煤机运动轨迹线；主控计算机通过计算和判断所述运动轨迹线与进风巷和出风巷的夹角大小，实时监控采煤工作面的倾斜程度，发出预警信息；同时确定采煤工作面调斜参数，指导采煤机调整运动轨迹线，实现采煤工作面自动调斜；
所述无线通信基站，为行走编码器和惯性导航装置提供连接主控计算机的网络连接服务。
进一步地，采煤机的所述位置信息以采煤工作面的中心线为零点，其中一侧标记为正值，另一侧标记为负值。
本发明所述一种采煤工作面自动调斜方法，包括以下步骤：
S1，安装行走编码器和惯性导航装置，获得采煤机的坐标；
S2，获取采煤机的运动轨迹线；
S3，计算运动轨迹线倾斜角度，用于实时监控采煤工作面的倾斜情况；
S4,确定调斜参数，自动控制采煤机调整采煤工作面。
进一步地，S1步包括以下步骤：
S1.1，所述行走编码器设置在采煤机行走臂上，用于采集采煤机的位置信息；采煤机的所述位置信息以采煤工作面的中心线为零点，其中一侧标记为正值，另一侧标记为负值；
S1.2,惯性导航装置设置在采煤机中段位置，用于将行走编码器采集的采煤机的位置信息，依据导航定位系统，转换为采煤机的所述坐标。
进一步地，S2步包括以下步骤：
S2.1，依据接收到的所述位置信息及所述坐标，由主控计算机描绘出采煤机的所述运动轨迹，每条运动轨迹代表一个采煤工作面；
S2.2，筛选出采煤机所述运动轨迹分别与进风巷和出风巷的交点；连接两交点形成采煤机所述运动轨迹线。
进一步地，S3步包括以下步骤：
S3.1，获得采煤机的所述运动轨迹与进风巷和出风巷交点的坐标，计算采煤机运动轨迹线的长度L；
计算公式如下：
其中，采煤机运动轨迹与进风巷的交点记为a，坐标为（x1，y1，z1）；采煤机运动轨迹与出风巷的交点记为b，坐标为（x2，y2，z2）；
S3.2，获得两交点的垂直距离H；
S3.3，计算采煤机运动轨迹线与进风巷或出风巷的夹角的正弦值；
计算公式如下：
S3.4，通过判断sinθ的大小，确定运动轨迹线的倾斜程度，实现实时监测采煤工作面的倾斜度，并及时发出预警信息。
进一步地，S4步包括以下步骤：
S4.1，确定S3步中判断出的第一个倾斜的所述运动轨迹线与进风巷和出风巷的所述交点相对于开采方向较落后的交点；
S4.2，收集紧接第一个倾斜的运动轨迹线的第二个倾斜的运动轨迹线；
S4.3，取第一个倾斜的运动轨迹中，采煤机的运动轨迹与进风巷和出风巷交点的坐标，分别记为（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2）；
S4.4，取第二个倾斜运动轨迹中，采煤机的运动轨迹与进风巷和出风巷交点的坐标，分别记为（x3，y3，z3）和（x4，y4，z4）；
S4.5，计算之后各采煤工作面中，采煤机与进风巷交点位置上的推进深度系数μA和采煤机与出风巷交点位置上的推进深度系数μB；所述计算公式如下：
其中，μA和μB取值范围为大于0且小于等于1；当S4.1步中确定的交点为第一倾斜采煤工作面与进风巷的交点，则取μA=1；当S4.1步中确定的交点为第一倾斜采煤工作面与出风巷的交点，则取μB=1；
S4.6，设置关键控制点，计算相邻关键控制点的推进深度系数的变化量，以及每个关键控制点的推进深度系数/>；所述关键控制点用于调整采煤机的推进深度，提高对采煤工作面的控制精度；所述相邻关键控制点的推进深度系数变化量/>的计算公式如下：
其中，m为设置的关键控制点的总量；m为大于等于1的整数；
所述每个关键控制点的推进深度系数的计算公式如下：
当μA=1时，各关键控制点的推进深度系数，其中1≤i≤m，且i为正整数；
当μB=1时，各关键控制点的推进深度系数，其中1≤i≤m，且i为正整数；
S4.7，获得采煤机最大推进距离D；
S4.8，根据S4.5和S4.6步中的计算结果，设定采煤机在进风巷和出风向巷交点处、以及各关键控制点处的推进深度d，调整采煤工作面至最佳采煤工作面；
其中，μ为采煤机在进风巷和出风向巷交点处、以及各关键控制点处的推进深度系数。
进一步地，S4.6步中，所述关键控制点设置方法为，根据对采煤工作面控制精度的实际需求，将采煤工作面分为若干段，段与段的分界位置设置为关键控制点。
本发明优点在于通过对采煤机动作点位置的实时监测，监控采煤工作面的倾斜度，并通过大数据建立计算模型，确定采煤机各动作点的推进深度系数，进而调整采煤机各动作点的推进深度，实现对采煤机工作面的实时调整，使得实际的采煤工作面能按照预定的理想程度执行，对采煤进度的规划及后续工作的布置具有指导意义。
附图说明
图1是本发明所涉及到的采煤机工作区域平面布置图。
图2是本发明所述自动调斜装置及方法的采煤机装置示意图。
图3是本发明所述自动调斜装置及方法的采煤工作面正视图。
图4是本发明所述自动调斜装置及方法的采煤机运动轨迹示意图。
图5是本发明所述自动调斜方法的总流程图。
图6是本发明所述自动调斜方法步骤S1流程图。
图7是本发明所述自动调斜方法步骤S2流程图。
图8是本发明所述自动调斜方法步骤S3流程图。
图9是本发明所述自动调斜方法步骤S4流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
如图1、图3所示，采煤机5通常在相互平行的进风巷1和出风巷2之间往返运动；当采煤机5从进风巷1移动到出风巷2时，形成采煤机5由进风巷1到出风巷2的运动轨迹6；当采煤机5由出风巷2向进风巷1移动时，形成采煤机5由出风巷2到进风巷1的运动轨迹6；采煤机5的运动轨迹6即为采煤工作面9；与采煤工作面9平行的切巷3内，设置有液压支架4和采煤机5等设备；随着采煤机5在进风巷1和出风巷2之间往返运动，采煤工作面9以及切巷3内的可移动设备均沿开采方向（如图1箭头所示方向）向前推进；其中，进风巷1和出风巷2统称为巷道；
如图2所示，本发明所述采煤工作面自动调斜装置，包括主控计算机，无线通信基站，设置在采煤机上的行走编码器7和惯性导航装置系统8；
所述行走编码器7,设置在采煤机5行走臂上，用于采集采煤机5的位置信息；并发送至惯性导航装置8；采煤机5的位置信息以采煤工作面9的中心线为零点，其中一侧标记为正值，另一侧标记为负值；
如图3所示，当采煤机5位于采煤工作面9的中心线上时，行走编码器将采集采煤机5的位置信息设为0；当采煤机5越过中心线向出风巷2移动时，行走编码器7将采煤机5位置信息记为正值；当采煤机5越过中心线向进风巷1移动时，行走编码器7将采煤机5位置信息记为负值；
所述惯性导航装置,8设置在采煤机5中段位置，用于将采煤机5的位置信息，依据导航定位系统，转换为坐标，并实时上传至主控计算机；
如图4所示，所述主控计算机依据采煤机5的坐标，描绘出采煤机5的运动轨迹6；并筛选出采煤机5运动轨迹6分别与进风巷1和出风巷2的交点a和b；连接两交点形成采煤机运动轨迹线；
主控计算机通过计算和判断运动轨迹线与巷道的夹角大小，实时监控采煤工作面9的倾斜程度，并发出预警。通过建立的计算模型，确定采煤工作面9调斜参数，指导采煤机5调整运动轨迹6，实现采煤工作面9自动调斜；
如图4所示，主控计算机依据惯性导航装置8上传的所有采煤机5坐标，描绘出采煤机5在进风巷1和出风巷2之间的运动轨迹6，也即一个采煤工作面9；根据运动轨迹6，主控计算机可以筛选出采煤机5运动轨迹6与进风巷1的交点a和出风巷2的交点b,连接交点a和交点b，形成采煤机5的运动轨迹线ab；通过判断运动轨迹线ab与进风巷1或出风巷2的夹角大小，实时监控采煤工作面9的倾斜程度；并通过主控计算机内的计算模型，确定采煤工作面9的调斜参数，指导采煤机5调整运动轨迹6，实现采煤工作面9自动调斜；
所述无线通信基站，为行走编码器和惯性导航装置提供连接主控计算机的网络连接服务；
如图5所示，本发明所述采煤工作面自动调斜方法，具体包括以下步骤：
如图6所示，S1,安装行走编码器和惯性导航装置，获得采煤机的坐标；
S1.1，行走编码器设置在采煤机行走臂上，用于采集采煤机的位置，并发送至惯性导航装置；采煤机的位置以采煤工作面的中心线为零点，其中一侧标记为正值，另一侧标记为负值；
如图3所示，采煤机在进风巷和出风巷之间往返移动，行走编码器实时采集采煤机的位置；当采煤机位于采煤工作面的中心线上时，行走编码器将采集采煤机的位置设为0；当采煤机越过中心线向出风巷移动时，行走编码器将采煤机的位置记为正值；当采煤机越过中心线向进风巷移动时，行走编码器将采煤机的位置记为负值；
S1.2,惯性导航装置设置在采煤机中段位置，用于将行走编码器采集的采煤机的位置，依据导航定位系统，转换为采煤机的坐标，并实时上传至主控计算机；
如图7所示，S2，获取采煤机的运动轨迹线；
S2.1，依据接收到的所有的位置及坐标，描绘出采煤机的运动轨迹，每条运动轨迹代表一个采煤工作面；
S2.2，筛选出采煤机运动轨迹分别与进风巷和出风巷相交的两极点；连接两极点形成采煤机运动轨迹线，
如图4所示，依据惯性导航装置上传的所有采煤机的位置及坐标，描绘出采煤机在进风巷和出风巷之间的运动轨迹，也即一个工作面；根据运动轨迹，主控计算机可以筛选出采煤机运动轨迹与进风巷的交点a和出风巷的交点b,连接交点a和交点b，形成采煤机的运动轨迹线ab；通过判断运动轨迹线ab与进风巷或出风巷的夹角大小，实时监控采煤工作面的倾斜程度；并通过确定采煤工作面的调斜参数，指导采煤机调整运动轨迹线，实现采煤工作面自动调斜；
如图8所示，S3，计算运动轨迹线倾斜角度，用于实时监控采煤工作面的倾斜情况；
S3.1，获得采煤机的运动轨迹与进风巷和出风巷交点的坐标，计算采煤机运动轨迹线的长度L；计算公式如下：
其中，采煤机运动轨迹与进风巷的交点记为a，坐标为（x1，y1，z1）；采煤机运动轨迹与出风巷的交点记为b，坐标为（x2，y2，z2）；
S3.2，获得两极点的垂直距离H；
S3.3，计算采煤机运动轨迹线与进风巷或出风巷的夹角的正弦值；
计算公式如下：
S3.4，通过判断sinθ，判断运动轨迹线的倾斜程度，实现实时监测采煤工作面的倾斜度，并及时发出预警信息；
如图9所示，S4,确定调斜参数，自动控制采煤机调整采煤工作面；
S4.1，将S3步中判断出的第一个倾斜运动轨迹线定义为第一倾斜采煤工作面，确定第一倾斜采煤工作面与进风巷和出风巷的交点中，相对于开采方向开采较落后的交点；
S4.2，将紧接第一倾斜采煤工作面的下一个采煤工作面定义为第二倾斜采煤工作面；收集第二倾斜采煤工作面的采煤机坐标；
S4.3，取第一倾斜采煤工作面中，采煤机的运动轨迹与进风巷和出风巷交点的坐标，分别记为（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2）；
S4.4，取第二倾斜采煤工作面中，采煤机的运动轨迹与进风巷和出风巷交点的坐标，分别记为（x3，y3，z3）和（x4，y4，z4）；
S4.5，计算之后各采煤工作面中，采煤机与进风巷交点位置上的推进深度系数μA和采煤机与出风巷交点位置上的推进深度系数μB；所述计算公式如下：
其中，μA和μB取值范围为大于0且小于等于1；当S4.1步中确定的交点为第一倾斜采煤工作面与进风巷的交点，则取μA=1；当S4.1步中确定的交点为第一倾斜采煤工作面与出风巷的交点，则取μB=1；
通常情况下根据实际情况，也为了计算方便，可以预设z=0，即默认采煤机在进风巷与出风巷之间往返运动时，采煤机的位置在z方向上不变；此时，所述μA和μB的计算公式表示如下：
S4.6，在采煤工作面上设置若干个关键控制点m，计算每个关键控制点的推进深度系数；所述关键控制点是根据对采煤工作面控制精度的实际要求，将采煤工作面分为若干段，段与段的分界位置为关键控制点；现场使用时，根据操作经验，一般将采煤工作面中所有的液压支架以10台为一组，划分为若干组，其中组与组的分界位置为关键控制点；然后计算出相邻关键控制点的推进深度系数的变化量/>；计算公式如下：
当μA=1时，各关键控制点的推进深度系数，其中1≤i≤m，且i为正整数；
当μB=1时，各关键控制点的推进深度系数，其中1≤i≤m，且i为正整数；
S4.7，获得采煤机最大推进距离D；所述最大推进距离为一个确定的机械值，通常为0.8米；
S4.8，根据步骤S4.6，通过计算并预先设定关键控制点上采煤机的推进深度d，使采煤机按照所述推进深度工作，调整采煤工作面至最佳采煤工作面；所述最佳采煤工作面是指S3步中计算的sinθ值在预设范围内，通常情况下，最佳采煤工作面的θ角为90°，sinθ的值为1；
所述推进深度计算公式如下：
d=D*μ
其中，μ为采煤机在进风巷和出风向巷交点处、以及各关键控制点处的推进深度系数。
下面将本发明所述推进深度系数关系式的推导过程详细描述如下：
当采煤工作面出现倾斜时，，采煤机运动轨迹与进风巷的交点a，坐标为（x1，y1，z1）；与出风巷的交点b，坐标为（x2，y2，z2）；预设采煤机在进风巷和出风巷之间往返运动n个行程，使采煤工作面达到最佳采煤工作面；此时，采煤机运动轨迹与进风巷的交点a，坐标为（x2n-1，y2n-1，z2n-1）；与出风巷的交点b，坐标为（x2n，y2n，z2n），经过n个行程，所行进的距离为：
其中，dA代表a点经过n个形成后，行进的距离；dB代表b点经过n个形成后，行进的距离；
同时，根据平面中两点间的直接距离计算公式，可知：
可以推出以下关系式：
上述两式相比，可以得到如下关系式：
当预设z=0时，则得到如下关系式：
由上式可知，行程n为不确定的自然数，为实现经过n个行程后，从最初的倾斜采煤工作面调整为最佳的采煤工作面，采煤机运动轨迹与进风巷的交点a的推进深度系数和采煤机运动轨迹与出风巷的交点b的推进深度系数满足上述关系，则在从倾斜采煤工作面调整为最佳的采煤工作面的整个调整期间，采煤机在任意采煤工作面中，与进风巷的交点a的推进深度系数和与出风巷的交点b的推进深度系数均满足上述关系式，即S4.5步中的推进深度关系式；根据步骤S4.5-S4.8可以确定采煤机在关键控制点上的推进深度d。

Claims (5)

1.一种采煤工作面自动调斜方法,其特征在于：包括主控计算机，无线通信基站，设置在采煤机上的行走编码器和惯性导航装置系统；
所述行走编码器,设置在采煤机行走臂上，用于采集采煤机的位置信息；并发送至主控计算机；
惯性导航装置,设置在采煤机中段位置，用于将采煤机的所述位置信息，依据导航定位系统，转换为坐标，并实时上传至所述主控计算机；
主控计算机依据采煤机的所述坐标，描绘出采煤机的运动轨迹；并筛选出采煤机所述运动轨迹分别与进风巷和出风巷的交点；连接两交点形成采煤机运动轨迹线；主控计算机通过计算和判断所述运动轨迹线与进风巷和出风巷的夹角大小，实时监控采煤工作面的倾斜程度，发出预警信息；同时确定采煤工作面调斜参数，指导采煤机调整运动轨迹线，实现采煤工作面自动调斜；
所述无线通信基站，为行走编码器和惯性导航装置提供连接主控计算机的网络连接服务；
具体包括以下步骤：
S1，安装行走编码器和惯性导航装置，获得采煤机的坐标；
S2，获取采煤机的运动轨迹线；
S3，计算运动轨迹线倾斜角度，用于实时监控采煤工作面的倾斜情况；包括以下步骤：
S3.1，获得采煤机的所述运动轨迹与进风巷和出风巷交点的坐标，计算采煤机运动轨迹线的长度L；
计算公式如下：
其中，采煤机运动轨迹与进风巷的交点记为a，坐标为（x1，y1，z1）；采煤机运动轨迹与出风巷的交点记为b，坐标为（x2，y2，z2）；
S3.2，获得两交点的垂直距离H；
S3.3，计算采煤机运动轨迹线与进风巷或出风巷的夹角的正弦值；
计算公式如下：
S3.4，通过判断sinθ的大小，确定运动轨迹线的倾斜程度，实现实时监测采煤工作面的倾斜度，并及时发出预警信息；
S4，确定调斜参数，自动控制采煤机调整采煤工作面；包括以下步骤：
S4.1，确定S3步中判断出的第一个倾斜的所述运动轨迹线与进风巷和出风巷的所述交点相对于开采方向较落后的交点；
S4.2，收集紧接第一个倾斜的运动轨迹线的第二个倾斜的运动轨迹线；
S4.3，取第一个倾斜的运动轨迹中，采煤机的运动轨迹与进风巷和出风巷交点的坐标，分别记为（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2）；
S4.4，取第二个倾斜运动轨迹中，采煤机的运动轨迹与进风巷和出风巷交点的坐标，分别记为（x3，y3，z3）和（x4，y4，z4）；
S4.5，计算之后各采煤工作面中，采煤机与进风巷交点位置上的推进深度系数μA和采煤机与出风巷交点位置上的推进深度系数μB；所述计算公式如下：
其中，μA和μB取值范围为大于0且小于等于1；当S4.1步中确定的交点为第一倾斜采煤工作面与进风巷的交点，则取μA=1；当S4.1步中确定的交点为第一倾斜采煤工作面与出风巷的交点，则取μB=1；
S4.6，设置关键控制点，计算相邻关键控制点的推进深度系数的变化量，以及每个关键控制点的推进深度系数/>；所述关键控制点用于调整采煤机的推进深度，提高对采煤工作面的控制精度；所述相邻关键控制点的推进深度系数变化量/>的计算公式如下：
其中，m为设置的关键控制点的总量；m为大于等于1的整数；
所述每个关键控制点的推进深度系数的计算公式如下：
当μA=1时，各关键控制点的推进深度系数，其中1≤i≤m，且i为正整数；
当μB=1时，各关键控制点的推进深度系数，其中1≤i≤m，且i为正整数；
S4.7，获得采煤机最大推进距离D；
S4.8，根据S4.5和S4.6步中的计算结果，设定采煤机在进风巷和出风向巷交点处、以及各关键控制点处的推进深度d，调整采煤工作面至最佳采煤工作面；
d=D*μ
其中，μ为采煤机在进风巷和出风向巷交点处、以及各关键控制点处的推进深度系数。
2.根据权利要求1所述的调斜方法，其特征在于：采煤机的所述位置信息以采煤工作面的中心线为零点，其中一侧标记为正值，另一侧标记为负值。
3.根据权利要求1所述的调斜方法，其特征在于：S1步包括以下步骤：
S1.1，所述行走编码器设置在采煤机行走臂上，采集采煤机的位置信息；采煤机的所述位置信息以采煤工作面的中心线为零点，其中一侧标记为正值，另一侧标记为负值；
S1.2,惯性导航装置设置在采煤机中段位置，将行走编码器采集的采煤机的位置信息，依据导航定位系统，转换为采煤机的所述坐标。
4.根据权利要求1所述的调斜方法，其特征在于：S2步包括以下步骤：
S2.1，依据接收到的所述位置信息及所述坐标，由主控计算机描绘出采煤机的所述运动轨迹，每条运动轨迹代表一个采煤工作面；
S2.2，筛选出采煤机所述运动轨迹分别与进风巷和出风巷的交点；连接两交点形成采煤机所述运动轨迹线。
5.根据权利要求1所述的调斜方法，其特征在于：S4.6步中，所述关键控制点设置方法为，根据对采煤工作面控制精度的实际需求，将采煤工作面分为若干段，段与段的分界位置设置为关键控制点。
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