一种煤矿综采工作面采煤机与地质模型的耦合系统

摘要

本发明提供了一种煤矿综采工作面采煤机与地质模型的耦合系统，通过在采煤机上安装惯导编码器组合定位装置、煤岩层界线识别装置和GITP模块，利用测量机器人传导大地坐标实时标定惯导编码器组合定位装置，获取准确的采煤机空间位置和姿态，通过煤岩层界线识别装置获取煤岩层界线数据，同时，结合地质工程揭露、交接或检修班测量的煤层数据动态更新煤层三维地质模型；利用预测截割线服务计算未来N刀的最优预测截割线，结合GITP模块约束采煤机的截割路径，建立了基于统一大地坐标系的采煤机和煤层三维地质模型高度耦合的空间关系，为实现基于精确定位和三维动态地质模型的自适应割煤提供了实用化解决方案，提高了煤矿综采工作面的智能化开采水平。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿智能开采与矿山装备技术领域，特别是涉及一种煤矿综采工作面采煤机与地质模型的耦合系统。

背景技术

综采工作面是煤矿生产的第一现场，工作环境比较恶劣，安全隐患较多，因此，建设智能化矿山的根本任务是建设少人或无人的智能化综采工作面。目前，随着国家全面推动煤矿智能化技术的变革，各地在智能化综采工作面建设方面做了大量工作，但还存在以下问题：

一是以“一键启停、记忆割煤”为主的采煤模式中，采煤机没有与工作面地质模型相关联，无法根据煤层空间形态的变化而动态调整采煤机的姿态，因此，这种采煤方式的实用性受到影响；

二是采用澳大利亚的LASC系统的采煤方式在实际运行过程中，因为惯导漂移等原因导致系统计算的累计误差会越来越大，即使建立了在截割面的端头端尾对惯导进行校正的系统，其操作复杂，智能化程度也较低。同时，LASC系统的空间数据计算是采用的相对坐标计算，没有与基于钻孔等大地坐标数据建立的三维动态地质模型相关联，其实用性也受到很大的影响。

综上所述，采煤机作为综采工作面的核心设备，煤层作为开采对象，如果不能实现采煤机与煤层地质模型空间变化之间的高度耦合，则难以实现采煤机自适应截割的智能化综采工作面建设目标，同时，若煤层地质模型更新不及时，其实用化也必然受限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种煤矿综采工作面采煤机与地质模型的耦合系统，以提高煤矿综采工作面的智能化开采水平。

为了解决上述问题，本发明公开了一种煤矿综采工作面采煤机与地质模型的耦合系统，包括通过网络设备实现连接的设备端、服务端和空间数据库端，其中：

所述设备端包括采煤机、测量机器人、惯导编码器组合定位装置、GITP模块和煤岩层界线识别装置。所述测量机器人用于传导大地坐标实时标定所述惯导编码器组合定位装置的位置；所述煤岩层界线识别装置安装在所述采煤机上，用于在所述采煤机行进过程中获取当前截割面的煤层顶板、底板的煤岩层界线数据；所述惯导编码器组合定位装置安装在所述采煤机上，用于获取所述采煤机的实时大地坐标位置和姿态信息；所述GITP模块安装在所述采煤机上，用于通过所述服务端获取预测截割线数据，根据所述预测截割线数据来调节所述采煤机的滚筒高度，按最优预测截割线自适应割煤；

所述服务端用于通过所述测量机器人传导大地坐标实时标定所述惯导编码器组合定位装置的位置，还用于根据所述惯导编码器组合定位装置的大地坐标和所述采煤机的设备参数计算所述采煤机的实时位置和姿态信息，还用于计算所述采煤机的滚筒的截割轨迹，还用于根据所述煤岩层界线识别装置计算所述采煤机在割煤时截割面的煤层顶板、底板的煤岩层界线数据，还用于根据最新的煤岩层界线数据和最新的地质工程揭露、交接或检修班测量的煤层数据动态更新地质模型，并通过预测截割线计算服务与所述地质模型无缝耦合计算未来N刀的所述最优预测截割线；

所述空间数据库端用于存储测量控制点、所述设备参数、所述地质模型、所述截割轨迹、所述煤岩层界线和所述预测截割线。

可选的，所述服务端用于提供大地坐标标定服务、截割轨迹计算服务、煤岩层界线计算服务、地质模型更新服务和预测截割线计算服务，其中：

所述大地坐标标定服务用于通过所述测量机器人标定所述惯导编码器组合定位装置的大地坐标，为所述采煤机及相关联的设备提供定位服务；

所述截割轨迹计算服务用于计算所述采煤机在割煤时所述采煤机的滚筒的截割轨迹；

所述煤岩层界线计算服务用于计算所述采煤机在割煤时截割面的煤层顶板、底板的煤岩层界线数据；

所述地质模型更新服务用于获取最新的煤岩层界线数据和最新的地质工程揭露、交接或检修班测量的煤层数据以更新地质模型；

所述预测截割线计算服务用于与所述地质模型无缝耦合计算未来N刀的最优的预测截割线，为所述采煤机自适应截割提供未来N刀的截割路径规划数据。

可选的，所述测量控制点为当前综采工作面两侧顺槽中的大地坐标控制点，为所述测量机器人提供大地坐标的初始化及更新，进而建立综采工作面中间的大地坐标网络。

可选的，所述设备参数包括综采工作面内主要设备的基本信息及几何设计参数。

可选的，所述地质模型为当前综采工作面煤层的高精度三维动态地质模型数据，所述三维动态地质模型数据可随着生产活动获取的新的煤层数据实现动态更新。

可选的，所述测量控制点、所述地质模型、所述截割轨迹、所述煤岩层界线数据、所述预测截割线均为与所述地质模型数据坐标系一致的空间大地坐标数据。

可选的，所述GITP模块存储有所述预测截割线，并在所述采煤机割煤时根据对应刀号调用所述预测截割线约束所述采煤机的滚筒调节高度，实现约束所述采煤机按所述预测截割线自适应割煤。

本申请通过在采煤机上安装惯导设备、煤岩层界线识别装置和GITP模块，利用测量机器人传导大地坐标实时标定惯导编码器组合定位装置的位置，获取准确的采煤机空间位置和姿态，通过煤岩层界线识别装置获取煤岩层界线数据，同时，结合地质工程揭露、交接或检修班测量的煤层数据动态更新煤层三维地质模型，利用预测截割线服务计算未来N刀的最优预测截割线，结合GITP模块约束采煤机的截割路径，建立了基于统一大地坐标系的采煤机和煤层高精度三维地质模型高度耦合的空间关系，为实现基于精确定位和三维动态地质模型的自适应割煤提供了高度可行的实用化解决方案，提高了煤矿综采工作面上的智能化开采水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种煤矿综采工作面采煤机与地质模型的耦合系统的框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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

图1为本申请实施例的一种煤矿综采工作面采煤机与地质模型的耦合系统的框图。

参照图1所示，本实施例提供的耦合系统应用于煤矿的智能综采工作面，包括设备端10、服务端20和空间数据库端30。设备端、服务端与空间数据库端通过网络设备实现连接和信息交互，即每端上均安装有相应的网络通信设备。

该设备端包括综采工作面上的采煤机11和测量机器人12，还包括安装在采煤机上的惯导编码器组合定位装置13、GITP模块14和煤岩层界线识别装置15。

惯导编码器组合定位装置为定位和定姿装备，用于获取采煤机的实时位置和姿态信息；惯导编码器组合定位装置通过测量机器人的大地坐标传导服务标定了与地质模型一致的大地坐标系，再通过采煤机的几何设计参数、惯导编码器组合定位装置获取的采煤机的实时姿态、以及采煤机上安装的设备的安装位置和几何设计参数，可综合计算采煤机机身任意位置和采煤机上安装的设备子系统的空间大地坐标，如采煤机左右滚筒的截割轨迹空间大地坐标数据、煤岩层界线识别装置的煤岩层界线空间大地坐标数据。

GITP(Geological Information Transmission Protocol，地质模型信息传输协议)模块用于通过预测截割线计算服务模块的计算获取预测截割线，并存储该预测截割线。采煤机割煤时利用预测截割线来调节采煤机的滚筒高度，约束采煤机按预测截割线自适应割煤；

测量机器人为大地坐标传导装备，用于实时标定惯导编码器组合定位装置的大地坐标位置。

煤岩层界线识别装置用于在采煤机行进过程中获取当前截割面的煤层顶板、底板的煤岩层界线数据；煤岩层界线识别装置根据在采煤机上的设计位置和自身几何设计参数，获取煤岩层界线识别装置的大地坐标，结合探测解译数据，获得煤岩层界线数据，并通过煤岩层界线计算服务转换为与地质模型数据坐标系一致的大地坐标数据。

服务端为实际用于提供计算服务的计算机或服务器，用于提供大地坐标标定服务、截割轨迹计算服务、煤岩层界线计算服务、地质模型更新服务、预测截割线计算服务。

为实现采煤机等开采设备与地质模型的高度耦合，测量控制点、地质模型数据、截割轨迹、煤岩层界线数据、预测截割线数据均为与地质模型数据坐标系一致的空间大地坐标数据。

大地坐标标定服务用于通过测量机器人标定惯导编码器组合定位装置的大地坐标位置，为采煤机及相关联的设备提供定位服务；

截割轨迹计算服务用于计算采煤机在割煤时采煤机的滚筒的截割轨迹，并将截割轨迹转换为与地质模型坐标系一致的大地坐标数据；

煤岩层界线计算服务用于计算采煤机在割煤时截割面的煤层顶板、底板的煤岩层界线数据，并将煤岩层界线数据转换为与地质模型坐标系一致的大地坐标数据；

地质模型更新服务用于获取最新的煤岩层界线数据和最新的地质工程揭露、交接或检修班测量的煤层数据以更新地质模型；

预测截割线计算服务用于基于最新的地质模型无缝耦合计算未来N刀的最优预测截割线，并将预测截割线转换为与地质模型坐标系一致的大地坐标数据，为采煤机自适应截割提供未来N刀的截割路径规划数据。另外，在使用该系统实施基于地质模型的采煤机自适应截割之初，需人工交互控制采煤机割一刀煤，通过截割轨迹服务获取割煤一刀的截割轨迹。

空间数据库端为用于提供数据存储或交换服务的数据服务或计算机，其用于存储测量控制点、设备参数、地质模型、截割轨迹、煤岩层界线，预测截割线；其中，测量控制点为当前综采工作面两侧顺槽中的大地坐标控制点，为测量机器人提供大地坐标的初始化及更新，进而建立综采工作面中间的大地坐标网络；设备参数包括综采工作面内主要设备的基本信息及几何设计参数，用于辅助计算各种设备及其零部件的空间大地坐标位置；

地质模型为当前综采工作面煤层的高精度三维动态地质模型数据，可随着生产活动获取的新的煤层数据动态更新；

截割轨迹包括采煤机运行的大地坐标轨迹数据，以及根据截割轨迹计算服务计算的采煤机每刀割煤截割面的顶部、底部截割轨迹数据；

煤岩层界线是根据煤岩界线计算服务获取的每刀割煤截割面煤层顶板、煤层底板的煤岩层界线数据；

预测截割线是根据预测截割线计算服务生成的未来N刀的预测截割线数据。

本申请通过在采煤机上安装惯导设备、煤岩层界线识别装置和GITP模块，利用测量机器人传导大地坐标实时标定惯导编码器组合定位装置的位置，获取准确的采煤机空间位置和姿态，通过煤岩层界线识别装置获取煤岩层界线数据，同时，结合地质工程揭露、交接或检修班测量的煤层数据动态更新煤层三维地质模型，利用预测截割线服务计算未来N刀的最优预测截割线，结合GITP模块约束采煤机的截割路径，建立了基于统一大地坐标系的采煤机和煤层高精度三维地质模型高度耦合的空间关系，为实现基于精确定位和三维动态地质模型的自适应割煤提供了高度可行的实用化解决方案，提高了煤矿综采工作面上的智能化开采水平。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。