一种基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割方法

摘要

本发明公开了一种基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割方法，属于采煤机截割轨迹控制方法。该方法设定虚拟截割轨迹为采煤机的截割轨迹，使采煤机启动后滚筒沿着设定的虚拟轨迹进行截割，在采煤机运行过程中，实时计算采煤机的实际截割轨迹与虚拟轨迹之间的误差S，当误差S大于实际开采需要控制的最大误差S0时，通过采煤机控制系统自动控制采煤机的截割轨迹即调整采煤机的截割滚筒高度，实现基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割，从而解决了现有采煤机截割轨迹被动调整的问题。该方法能够将采区的地质信息和采煤机的截割轨迹进行融合，能够实现采煤机截割轨迹的主动调整，降低设备损耗和故障率，使采煤机的截割效果更好，提高回采率及煤炭的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采煤机自适应截割方法，尤其是一种适用于控制采煤机截割轨迹的基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割方法。

背景技术

采煤机截割轨迹的控制，除国外极少数的采煤机外，绝大部分是靠人工操作。即采煤机司机靠视力观察及截割的噪声来判断采煤机滚筒在割岩还是割煤，以便调节滚筒的垂直位置。然而由于采煤机工作过程中产生大量的煤尘，尤其大功率的采煤机工作面能见度很低，而且，机器本身噪音很大，操作工人实际上难以准确及时判断采煤机的截割状态。更谈不上及时调整采煤机截割轨迹。如果是在薄煤层工作面，则工人行走不便，再加上采煤机的牵引速度较快，采煤机司机不可能准确及时地调整采煤机的截割轨迹，因此采煤机在工作过程中经常会截割到顶底板岩石。采煤机连续截割岩石会加剧滚筒截齿磨损及其他零部件的损坏:对于高瓦斯矿井极易引起瓦斯爆炸，形成恶性事故;另外，截割的岩石混入原煤中会造成原煤含研量增加，质量下降。如果滚筒的位置调整太保守，则造成顶底煤剩留过多，降低回采率，造成很大的资源浪费;同时司机人工操作还可能使顶底板表面不平整，造成移架和推溜困难等一系列的问题。

目前解决这个问题已有两种方法即采煤机自动调高和采煤机记忆截割。采煤机自动调高系统工作原理是：当摇臂位于某一位置时，采煤机滚筒正好贴着煤层顶板进行纯煤切割，此时反馈电压信号与指令电压信号相平衡，并在双向液压锁的作用下使滚筒位置固定。当滚筒截割到顶板岩石时，滚筒受力增大，导致液压缸受力也增大即液压缸压力增大，此时反馈电压信号大于指令电压信号，得到一偏差电压信号，此偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服阀，使伺服阀产生负载压差作用于液压缸活塞上，使输出力向减小误差的方向变化即使反馈电压信号变小，直至输出力等于指令信号所规定的值为止，此时阀芯左移，油泵吸油，油液进入到液压缸下腔使滚筒高度下降。当滚筒高度下降到重新切割纯煤的时候，反馈电压信号与指令电压信号相平衡，阀芯回到中位，在双向液压锁的作用下，滚筒位置再次固定。这样，采煤机便完成一次自动调高过程。采煤机记忆截割的原理是:司机操纵采煤机沿工作面煤层先割一刀，将采煤机的位置、牵引方向、牵引速度、左截割摇臂位置、右截割摇臂位置、采煤机横向倾角、采煤机纵向倾角等参数存入计算机，以后的截割行程由计算机根据存储器记忆的参数自动调高。如煤层条件发生变化，通过多种传感器检测和采集信号，进行数据融合后得到煤岩界面信息，采煤机根据信息进行自动调高，同时自动记忆调整过的参数，作为一下刀调高的依据。

以上两种方法都能控制采煤机截割轨迹，并且都在煤矿的实际生产中所应用，在一定程度上提高了采煤效率，但是上述两种控制采煤机的截割轨迹的方法的控制思路都是根据反馈或记忆信息来调整采煤机截割轨迹。上述两种方法存在以下缺点：1、未开采煤层的地质条件是变化的，其缺少对未开采煤层地质环境的预测；2、采煤机的实际运行过程中会截割到顶底板岩石；3、在采煤机遇到特殊的地质构造或其他特殊因素时，缺乏有效应对。综上，采煤机轨迹控制的方法还存在比较大的提升空间。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中存在的问题，提供一种基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割方法，通过设定虚拟截割轨迹为采煤机的截割轨迹，使采煤机启动后滚筒沿着设定的虚拟轨迹进行截割，在采煤机运行过程中，实时计算采煤机的实际截割轨迹与虚拟轨迹之间的误差S，当误差S大于实际开采需要控制的最大误差S₀时，将误差信息发送给采煤机控制系统，通过采煤机控制系统自动控制采煤机的截割轨迹即调整采煤机的截割滚筒高度，从而实现基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割，以解决现有采煤机实际截割轨迹与采煤机虚拟截割轨迹之间误差较大的问题。

技术方案：本发明的目基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割方法，包括如下步骤：

（1）根据GIS得到的采区顶底板曲线、截割煤层的厚度及其变化、煤层夹矸地质条件，虚拟采煤机靠近顶板的虚拟截割轨迹a，靠近底板的虚拟截割轨迹b，在GIS三维坐标系中虚拟截割轨迹a的系列坐标记为（X_a,Y_a,Z_a）,虚拟截割轨迹b的系列坐标记为（X_b,Y_b,Z_b）；

（2）根据各煤矿的勘探煤层厚度h、以及该煤矿设定的开采回采率标准K，计算出实际开采控制的最大误差S₀:

S₀=h×(1-K);

（3）设定虚拟截割轨迹为采煤机的截割轨迹，使采煤机启动后滚筒沿着设定的虚拟轨迹进行截割；

（4）在采煤机上设置与采煤机控制系统相连的基于GIS的采煤机定位及姿态监控系统；

（5）当采煤机运行截割时，通过基于GIS的采煤机定位及姿态监控系统实时监控采煤机在GIS三维坐标系中的坐标以及采煤机的运动姿态，同时通过采煤机在GIS三维坐标系中的坐标和采煤机运动姿态之间的关系得出采煤机靠近顶板的实际截割轨迹a₁、采煤机靠近底板的实际截割轨迹b₁,

其中：在GIS三维坐标系中实际截割轨迹a₁的实时坐标记为（X_a1,Y_a1,Z_a1）、实际截割轨迹b₁的实时坐标记为（X_b1,Y_b1,Z_b1）；

（6）将采煤机实际截割轨迹的实时坐标和采煤机的虚拟截割轨迹系列坐标进行匹配，寻找出在水平位置重合度最高的坐标，具体做法如下：

a.将实际截割轨迹实时坐标的X、Y值与虚拟截割轨迹系列坐标的X、Y值分别进行比较:

b.根据靠近顶板的实际截割轨迹a₁的实时坐标（X_a1,Y_a1,Z_a1）与靠近顶板的虚拟截割轨迹a的系列坐标（X_a,Y_a,Z_a）计算出两者坐标在X、Y轴之间的差值S_ax、S_ax：

S_ax=|X_a1-X_a|   S_ay=|Y_a1-Y_a|；

c.虚拟截割轨迹a的系列坐标（X_a,Y_a,Z_a）中寻找出匹配点的坐标（X_0a,Y_0a,Z_0a），使X、Y轴之间的差值S_ax、S_ay同时取得最小差值:

S_ax min=|X_a1-X_0a|   S_ay min=|Y_a1-Y_0a|，

最小差值S_ax min、S_ay min匹配点的坐标（X_0a,Y_0a,Z_0a）即为采煤机靠近顶板的虚拟截割轨迹a与采煤机靠近底板的实时截割轨迹a₁在水平位置上重合度最高的坐标；

同理可得到在GIS三维坐标系中虚拟截割轨迹b系列坐标中匹配点的坐标（X_0b,Y_0b,Z_0b），使X、Y轴之间的差值S_bx、S_by同时取得最小差值：

S_bx min=|X_b1-X_0b|S_by min=|Y_b1-Y_0b|，

最小差值S_bx min、S_by min匹配点的坐标（X_0b,Y_0b,Z_0b）即为采煤机靠近底板的虚拟截割轨迹b与采煤机靠近底板的实时截割轨迹b₁在水平位置上重合度最高的坐标；

（7）通过基于GIS的采煤机定位及姿态监控系统中的计算机计算出采煤机的实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S：

计算出实际截割轨迹a₁和虚拟截割轨迹a之间的误差S_az：

S_az=|Z_a1-Z_0a|；

计算出实际截割轨迹b₁和虚拟截割轨迹b之间的误差S_bz：

S_bz=|Z_b1-Z_0b|；

则实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S为顶底板的实际截割轨迹和虚拟轨迹之间的误差之和：

S=S_az+S_bz；

当采煤机的实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S小于实际开采控制的最大误差S₀时，采煤机截割轨迹沿虚拟轨迹继续截割，循环执行步骤（5）-（7）；

当采煤机的实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S大于实际开采控制的最大误差S₀时，需要调整采煤机的截割轨迹，计算机将误差信息传递给采煤机控制系统；

采煤机控制系统接收到的误差信息后，对采煤机的截割轨迹进行调整，调整直至采煤机的实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S小于实际开采需要控制的最大误差S₀。

有益效果：本发明基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割方法，能够实现采煤机截割轨迹的主动控制，从采区的GIS系统可以很清晰的得到采区的煤层厚度、顶板地质条件、煤层夹矸等地质环境信息，根据采区的顶底板变化曲线可以对采煤机的截割轨迹进行规划，使其能在不截割到采区顶底板的基础上使煤层的开采率达到最大；根据煤层的夹矸情况对采煤机截割轨迹的局部进行调整，使采煤机的截割轨迹能够有效避开危险，保护采煤机的安全；在遇到特殊的地质构造或其他特殊因素时，能够提前进行姿态调整，是采煤机在截割过程中能够有效的规避未知的风险。本发明基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割方法能够使采煤机的截割轨迹达到最优化配置。能够将采区的地质信息和采煤机的截割轨迹进行融合，降低设备损耗和故障率，使采煤机的截割效果更好，提高回采率及煤炭的质量。主要优点：

1.能够按照顶板和底板的变化确定的采煤工艺而设定的顶底板的规律自动调整采煤机的截割轨迹，尽量减少采煤机截割顶底板岩石而保持支护要求的工作面顶底板的平整性。也就是说要使采煤机的前后滚筒截割后形成的顶底板要跟踪按照采煤工艺设定的顶底板的曲面，同时保持跟踪轨迹的平滑性；

2.能提高产量，减低设备损耗和故障率，减轻工人的劳动强度，尤其加强了工作面的安全保障，同时提高了回采率，减少了资源的浪费，因此能够使采煤机的截割轨迹达到最优化配置，既有经济效益又有社会效益。

附图说明：

图1是本发明的虚拟截割轨迹、实际截割轨迹以及采煤机三者之间位置关系示意图。

图2是本发明的装置结构示意图。

图3是本发明的原理框图。

图中：1-采煤机；2-基于GIS的采煤机定位及姿态监控系统；3-采煤机控制系统。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明基于虚拟轨迹控制的采煤机自适应截割方法，具体步骤如下：

（1）根据GIS得到的采区顶底板曲线、截割煤层的厚度及其变化、煤层夹矸地质条件，虚拟采煤机1靠近顶板的虚拟截割轨迹a，靠近底板的虚拟截割轨迹b，在GIS三维坐标系中虚拟截割轨迹a的系列坐标记为（X_a,Y_a,Z_a）,虚拟截割轨迹b的系列坐标记为（X_b,Y_b,Z_b）；

（2）根据各煤矿的勘探煤层厚度h、以及该煤矿设定的开采回采率标准K，计算出实际开采控制的最大误差S₀:

S₀=h×(1-K);

（3）设定虚拟截割轨迹为采煤机1的截割轨迹，使采煤机1启动后滚筒沿着设定的虚拟轨迹进行截割；

（4）在采煤机1上设置与采煤机控制系统3相连的基于GIS的采煤机定位及姿态监控系统2；

（5）当采煤机1运行截割时，通过基于GIS的采煤机定位及姿态监控系统2实时监控采煤机1在GIS三维坐标系中的坐标以及采煤机的运动姿态，同时通过采煤机在GIS三维坐标系中的坐标和采煤机运动姿态之间的关系得出采煤机靠近顶板的实际截割轨迹a₁、采煤机靠近底板的实际截割轨迹b₁,

其中：在GIS三维坐标系中实际截割轨迹a₁的实时坐标记为（X_a1,Y_a1,Z_a1）、实际截割轨迹b₁的实时坐标记为（X_b1,Y_b1,Z_b1）；

（6）将采煤机1实际截割轨迹的实时坐标和采煤机1的虚拟截割轨迹系列坐标进行匹配，寻找出在水平位置重合度最高的坐标；

将实际截割轨迹实时坐标的X、Y值与虚拟截割轨迹系列坐标的X、Y值分别进行比较:

根据靠近顶板的实际截割轨迹a₁的实时坐标（X_a1,Y_a1,Z_a1）与靠近顶板的虚拟截割轨迹a的系列坐标（X_a,Y_a,Z_a）计算出两者坐标在X、Y轴之间的差值S_ax、S_ax;

S_ax=|X_a1-X_a|   S_ay=|Y_a1-Y_a|

虚拟截割轨迹a的系列坐标（X_a,Y_a,Z_a）中寻找出匹配点的坐标（X_0a,Y_0a,Z_0a），使X、Y轴之间的差值S_ax、S_ay同时取得最小差值；

S_ax min=|X_a1-X_0a|   S_ay min=|Y_a1-Y_0a|

最小差值S_ax min、S_ay min匹配点的坐标（X_0a,Y_0a,Z_0a）即为采煤机靠近顶板的虚拟截割轨迹a与采煤机靠近底板的实时截割轨迹a₁在水平位置上重合度最高的坐标；

根据靠近底板的实际截割轨迹b₁的实时坐标（X_b1,Y_b1,Z_b1）与靠近底板的虚拟截割轨迹b的系列坐标（X_b,Y_b,Z_b）计算出两者坐标在X、Y轴之间的差值S_bx、S_bx;

S_bx=|X_b1-X_b|   S_ay=|Y_b1-Y_b|

虚拟截割轨迹b的系列坐标（X_b,Y_b,Z_b）中寻找出匹配点的坐标（X_0b,Y_0b,Z_0b），使X、Y轴之间的差值S_bx、S_by同时取得最小差值；

S_bx min=|X_b1-X_0b|   S_by min=|Y_b1-Y_0b|

最小差值S_bx min、S_by min匹配点的坐标（X_0b,Y_0b,Z_0b）即为采煤机靠近底板的虚拟截割轨迹b与采煤机靠近底板的实时截割轨迹b₁在水平位置上重合度最高的坐标；

（7）通过基于GIS的采煤机定位及姿态监控系统中的计算机计算出采煤机的实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S：其中：

计算出实际截割轨迹a₁和虚拟截割轨迹a之间的误差S_az，即：

采煤机1靠近顶板的实际截割轨迹a的实时坐标和采煤机1靠近顶板的虚拟截割轨迹a₁系列坐标在水平位置重合度最高的匹配点坐标（X_0a,Y_0a,Z_0a）在Z轴的值与采煤机1靠近顶板的实际截割轨迹a的实时坐标（X_a1,Y_a1,Z_a1）在Z轴的值之间的差即为实际截割轨迹a₁和虚拟截割轨迹a之间的误差S_az；

S_az=|Z_a1-Z_0a|；

计算出实际截割轨迹b₁和虚拟截割轨迹b之间的误差S_bz，即：

采煤机1靠近底板的实际截割轨迹b的实时坐标和采煤机1靠近底板的虚拟截割轨迹b₁的系列坐标在水平位置重合度最高的匹配点坐标（X_0b,Y_0b,Z_0b）在Z轴的值与采煤机1靠近底板的实际截割轨迹b的实时坐标（X_b1,Y_b1,Z_b1）在Z轴的值之间的差即为实际截割轨迹b₁和虚拟截割轨迹b之间的误差S_bz；

S_bz=|Z_b1-Z_0b|；

则实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S为顶底板的实际截割轨迹和虚拟轨迹之间的误差之和：

S=S_az+S_bz；

当采煤机的实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S小于实际开采控制的最大误差S₀时，采煤机截割轨迹沿虚拟轨迹继续截割，循环执行步骤（5）-（7）；

当采煤机的实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S大于实际开采控制的最大误差S₀时，需要调整采煤机的截割轨迹，计算机将误差信息传递给采煤机控制系统；

采煤机控制系统接收到的误差信息后，对采煤机的截割轨迹进行调整，直至采煤机的实际截割轨迹和虚拟截割轨迹之间的误差S小于实际开采需要控制的最大误差S₀。