基于采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置及方法，所述装置包括采煤机侧信号采集装置、工作面侧信号采集装置和调高控制模块，所述采煤机侧信号采集装置采集采煤机的震源信号，解算采煤机在矿山坐标系下的绝对位姿参数和煤机上、下滚筒中心点的地理坐标，所述工作面侧信号采集装置采集经波阻抗界面反射后的采煤机的震源信号，解算机身在矿山绝对坐标系下的绝对位姿参数，所述调高控制模块根据接收信号对煤机上下滚筒进行自动调高。本发明的精度高、可靠性好、经济性好，为实现回采工作面的智能化开采提供条件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于从采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置及方法，属于自动化开采装备技术。

背景技术

我国是煤矿的开采与消费大国，采煤机是煤矿开采的主要装备。传统的回采工作面主要是以人工操作，不仅劳动强度大、效率低，而且工作环境极差、危险程度极高，故发展自动化、智能化的开采装备是大势所趋，其中实现采煤机的自动调高问题是实现回采工作面智能化的关键。目前采煤机自动调高方法主要有截割力响应、自然伽玛射线、雷达、温度、图像等数十种方法，其中基于截割力响应和基于自然伽玛射线的方法应用较为广泛，其他方法均处于研究阶段，但基于截割力响应的方法要求煤岩具有不同的普氏系数，基于自然伽玛射线的方法要求顶板具有较强放射性，故使用受到均限制。现有的采煤机自动调高技术主要为以煤岩界面识别为基础的技术，应用范围有限、误差较大，总体无法完全满足实际生产的要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置及方法，能够解除采煤机自动调高对煤岩界面识别技术的依赖，能够实现对前方工作面的预测，可靠性高、经济性好，能够为无人化的回采工作面建设提供条件。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置，在回采工作面时，对主要由采煤机、刮板机和液压支架构成的三机配套开采装备中的采煤机进行自动调高；其特征在于：包括采煤机侧信号采集装置、工作面侧信号采集装置和调高控制模块；

所述采煤机侧信号采集装置包括捷联惯导模块Ⅱ、轴编码器、震源传感器和嵌入式系统Ⅱ；捷联惯导模块Ⅱ安装在采煤机机身上，检测采煤机在矿山坐标系下的绝对位姿参数；轴编码器安装在摇臂上，采集摇臂的摆角数据；震源传感器固定在采煤机机身上，检测采煤机的震源信号；嵌入式系统Ⅱ安装在采煤机机身上，根据采煤机在矿山坐标系下的绝对位姿参数和摇臂的摆角数据，计算并存储采煤机上、下滚筒中心点的地理坐标，存储采煤机在矿山坐标系下的绝对位姿参数；

所述工作面侧信号采集装置包括机身、调节机构、捷联惯导模块Ⅰ、三分量检波器和压力传感器，机身通过滑靴安装在刮板机上，三分量检波器和压力传感器通过调节机构安装在机身上，通过压力传感器检测三分量检波器与工作面煤壁是否紧密接触；捷联惯导模块Ⅰ安装在机身上，检测机身在矿山坐标系下的绝对位姿参数；三分量检波器检测经波阻抗界面反射后的采煤机的震源信号；

所述调高控制模块包括嵌入式系统Ⅲ，嵌入式系统Ⅲ经隔爆处理安装在采煤机上，嵌入式系统Ⅲ同时与嵌入式系统Ⅱ和捷联惯导模块Ⅰ通信连接，嵌入式系统Ⅲ存储并处理采煤机的震源信号、经波阻抗界面反射后的采煤机的震源信号、采煤机在矿山坐标系下的绝对位姿参数、机身在矿山坐标系下的绝对位姿参数，构建前方工作面近距离范围内的横纵波速度模型和三维地震剖面，并不断更新下一截割循环工作面的三维地质模型，控制采煤机上、下滚筒进行自动调高。

具体的，所述工作面侧信号采集装置中的调节机构包括摆角油缸、支撑板和推移油缸，三分量检波器和压力传感器固定在支撑板上；推移油缸的一端与机身铰接，另一端与支撑板固定；摆角油缸的一端与机身铰接，另一端与推移油缸的侧面铰接；通过推移油缸的伸缩控制支撑板的直线移动，通过摆角油缸控制支撑板的角度转动。

具体的，所述摆角油缸和推移油缸设置有两组，共同完成对支撑板的驱动；嵌入式系统Ⅰ通过控制摆角油缸和推移油缸的伸缩，使三分量检波器与工作面煤壁紧密接触，并通过压力传感器进行反馈调节。

一种基于采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置的方法，包括如下步骤：

(a)工作面侧信号采集装置静置于刮板机机尾处，且不影响采煤机正常工作；

(b)在采煤机自动截割之前，采用人工操作方式进行第一个截割循环；

(c)采煤机工作时，震源传感器检测采煤机的震源信号，捷联惯导模块Ⅱ和轴编码器实时工作，分别解算采煤机在矿山坐标系下的绝对位姿参数和摇臂的摆角数据，由嵌入式系统Ⅱ解算采煤机上、下滚筒中心点的地理坐标，采煤机上滚筒中心点的地理坐标记为(x_T,y_T,z_T)，采煤机下滚筒中心点的地理坐标记为(x_t,y_t,z_t)；

(d)工作面侧信号采集装置在刮板机上行走至设定位置并停止；

(e)通过摆角油缸调节支撑板与回采工作面角度，通过推移油缸调节支撑板与回采工作面距离，实现三分量检波器在回采工作面上的快速布置；捷联惯导模块Ⅰ实时工作，解算机身在矿山坐标系下的绝对位姿参数；

(f)与工作面煤壁紧密接触的三分量检波器检测经波阻抗界面反射后的采煤机的震源信号，嵌入式系统Ⅲ对采煤机的震源信号和经波阻抗界面反射后的采煤机的震源信号进行包括信号去噪、等效归一化和纵横波分离、速度分析、深度偏移在内的常规地震波处理后，构建前方工作面近距离范围内的横纵波速度模型和三维地震剖面，提前识别下一截割循环滚筒截深内的煤岩分布情况，结合采煤机在矿山坐标系下的绝对位姿参数和机身在矿山坐标系下的绝对位姿参数，不断更新下一截割循环工作面的三维地质模型；

(g)调节推移油缸和摆角油缸，使三分量检波器脱离回采工作面，支撑板回到初始位置；驱动工作面侧信号采集装置沿采煤机行走方向行走设定距离后停止，重复步骤(e)～(f)，直至下一截割循环工作面的三维地质模型构建完成；驱动工作面侧信号采集装置移回至刮板机机尾处停止；

(h)采煤机完成一刀截割后，液压支架推溜移架，进行下一截割循环；调高控制模块抽取三维地质模型在该下一工作界面的顶板曲线和底板曲线，等间隔采样得到一系列顶板和底板高程值(z_D1,z_D2,z_D3,…,z_Dn)和(z_d1,z_d2,z_d3,…,z_dn)，将其分别与对应的采煤机上下滚筒中心点高程z_T、z_t进行比较，决策并控制采煤机上、下滚筒高度，设定阈值δ：当z_Di-z_T≤δ时，上滚筒下调，否则上滚筒上调；当z_di-z_t≤δ时，下滚筒上调，否则下滚筒下调；

(i)重复步骤(c)～(h)，完成回采工作面的自动截割。

有益效果：本发明提供的基于从采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置及方法，基于采煤机震源超前探测的方法构建采煤机前方工作面近距离范围内的横纵波速度模型和三维地质模型，根据地质模型进行自动调高，可靠性高，检测精度高，解除了传统自动调高技术对煤岩识别技术的依赖，利用采煤机自身发出的信号作为震源信号，不需要通过爆破、敲击等方法得到主动震源，经济性好；本发明还可以结合基于煤岩识别方法的调高方法使用，进一步提高检测精度，实时性和可靠性。

附图说明

图1为本发明采煤机自动调高装置的回采工作面示意图；

图2为本发明工作面侧信号采集装置示意图；

图3为本发明系统结构与功能框图；

图中：1、采煤机，2、工作面侧信号采集装置，2-1、机身，2-2、滑靴，2-3、摆角油缸，2-4、支撑板，2-5、三分量检波器，2-6、压力传感器，2-7、推移油缸，3、刮板机，4、液压支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明采煤机自动调高装置的回采工作面示意图，本发明的基于采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置，在回采工作面时，对主要由采煤机1、刮板机3和液压支架4构成的三机配套开采装备中的采煤机1进行自动调高；其特征在于：包括采煤机侧信号采集装置、工作面侧信号采集装置2和调高控制模块。

所述采煤机侧信号采集装置包括捷联惯导模块Ⅱ、轴编码器、震源传感器和嵌入式系统Ⅱ；捷联惯导模块Ⅱ安装在采煤机机身上，检测采煤机1在矿山坐标系下的绝对位姿参数；轴编码器安装在摇臂上，采集摇臂的摆角数据；震源传感器固定在采煤机机身上，检测采煤机1的震源信号；嵌入式系统Ⅱ安装在采煤机机身上，根据采煤机1在矿山坐标系下的绝对位姿参数和摇臂的摆角数据，计算并存储采煤机上、下滚筒中心点的地理坐标，存储采煤机1在矿山坐标系下的绝对位姿参数。

所述工作面侧信号采集装置2如图2所示，包括机身2-1、调节机构、捷联惯导模块Ⅰ、三分量检波器2-5和压力传感器2-6，机身2-1通过滑靴2-2安装在刮板机3上，三分量检波器2-5和压力传感器2-6通过调节机构安装在机身上，通过压力传感器2-6检测三分量检波器2-5与工作面煤壁是否紧密接触；捷联惯导模块Ⅰ安装在机身2-1上，检测机身2-1在矿山坐标系下的绝对位姿参数；三分量检波器2-5检测经波阻抗界面反射后的采煤机1的震源信号。所述调节机构包括摆角油缸2-3、支撑板2-4和推移油缸2-7，三分量检波器2-5和压力传感器2-6固定在支撑板2-4上；推移油缸2-7的一端与机身2-1铰接，另一端与支撑板2-4固定；摆角油缸2-3的一端与机身2-1铰接，另一端与推移油缸2-7的侧面铰接；通过推移油缸2-7的伸缩控制支撑板2-4的直线移动，通过摆角油缸2-3控制支撑板2-4的角度转动。所述摆角油缸2-3和推移油缸2-7设置有两组，共同完成对支撑板2-4的驱动；嵌入式系统Ⅰ通过控制摆角油缸2-3和推移油缸2-7的伸缩，使三分量检波器2-5与工作面煤壁紧密接触，并通过压力传感器2-6进行反馈调节。

所述调高控制模块包括嵌入式系统Ⅲ，嵌入式系统Ⅲ经隔爆处理安装在采煤机1上，嵌入式系统Ⅲ同时与嵌入式系统Ⅱ和捷联惯导模块Ⅰ通信连接，嵌入式系统Ⅲ存储并处理采煤机1的震源信号、经波阻抗界面反射后的采煤机1的震源信号、采煤机1在矿山坐标系下的绝对位姿参数、机身2-1在矿山坐标系下的绝对位姿参数，构建前方工作面近距离范围内的横纵波速度模型和三维地震剖面，并不断更新下一截割循环工作面的三维地质模型，控制采煤机上、下滚筒进行自动调高。

一种基于采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置的方法，如图3所示，包括如下步骤：

(a)工作面侧信号采集装置2静置于刮板机3机尾处，且不影响采煤机1正常工作；

(b)在采煤机1自动截割之前，采用人工操作方式进行第一个截割循环；

(c)采煤机工作时，震源传感器检测采煤机1的震源信号，捷联惯导模块Ⅱ和轴编码器实时工作，分别解算采煤机1在矿山坐标系下的绝对位姿参数和摇臂的摆角数据，由嵌入式系统Ⅱ解算采煤机上、下滚筒中心点的地理坐标，采煤机上滚筒中心点的地理坐标记为(x_T,y_T,z_T)，采煤机下滚筒中心点的地理坐标记为(x_t,y_t,z_t)；

(d)工作面侧信号采集装置2在刮板机3上行走至设定位置并停止；

(e)通过摆角油缸2-3调节支撑板2-4与回采工作面角度，通过推移油缸2-7调节支撑板(2-4)与回采工作面距离，实现三分量检波器2-5在回采工作面上的快速布置；捷联惯导模块Ⅰ实时工作，解算机身2-1在矿山坐标系下的绝对位姿参数；

(f)与工作面煤壁紧密接触的三分量检波器2-5检测经波阻抗界面反射后的采煤机1的震源信号，嵌入式系统Ⅲ对采煤机1的震源信号和经波阻抗界面反射后的采煤机1的震源信号进行包括信号去噪、等效归一化和纵横波分离、速度分析、深度偏移在内的常规地震波处理后，构建前方工作面近距离范围内的横纵波速度模型和三维地震剖面，提前识别下一截割循环滚筒截深内的煤岩分布情况，结合采煤机1在矿山坐标系下的绝对位姿参数和机身2-1在矿山坐标系下的绝对位姿参数，不断更新下一截割循环工作面的三维地质模型；

(g)调节推移油缸2-7和摆角油缸2-3，使三分量检波器2-5脱离回采工作面，支撑板2-4回到初始位置；驱动工作面侧信号采集装置2沿采煤机1行走方向行走设定距离后停止，重复步骤(e)～(f)，直至下一截割循环工作面的三维地质模型构建完成；驱动工作面侧信号采集装置(2)移回至刮板机(3)机尾处停止；

(h)采煤机1完成一刀截割后，液压支架4推溜移架，进行下一截割循环；调高控制模块抽取三维地质模型在该下一工作界面的顶板曲线和底板曲线，等间隔采样得到一系列顶板和底板高程值(z_D1,z_D2,z_D3,…,z_Dn)和(z_d1,z_d2,z_d3,…,z_dn)，将其分别与对应的采煤机上下滚筒中心点高程z_T、z_t进行比较，决策并控制采煤机上、下滚筒高度，设定阈值δ：当z_Di-z_T≤δ时，上滚筒下调，否则上滚筒上调；当z_di-z_t≤δ时，下滚筒上调，否则下滚筒下调；

(i)重复步骤(c)～(h)，完成回采工作面的自动截割。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。