基于GIS系统的采煤机导航自适应截割技术研究

邱呈祥

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

0 引言

长期以来，煤炭一直是支撑我国国民经济快速发展的主体能源[1-2]。我国煤矿以井工地下采煤为主，在井工开采中，采煤和掘进是煤炭生产中的一线环节，掘进为采煤提供基础运输、通风巷道，而采煤则完成煤矿生产的主要任务，这2个一线工作面一直是井工开采最为危险的生产环节，有关资料显示，我国70%的煤矿事故来源于采煤和掘进工作[3-4]。随着煤矿开采深度逐渐增加、开采条件愈加恶劣，一线煤矿工人的安全收到严重威胁。为此，国家和各大企业都十分推崇“无人工作面”、“无人采掘”等先进的采矿理念与技术，国家安全监管总局曾明确指出要推进煤矿等行业领域开展“机械化换人、自动化减人”的专项行动[5-7]。

目前，我国大量煤矿均已形成以综采为主的机械化采煤工艺，综采工作面有采煤机、液压支架、刮板输送机等装备组成，采煤机破煤，刮板输送机运煤并带动采煤机和液压支架运动，液压支架有效支护顶板，三大设备共同构成了综采工艺系统。在综采技术与工艺的基础上，国内外专家学者以实现少人、无人为目的进行了综采自动化技术研究，同时，国内大型煤企也积极探索自动化、智能化工作面，比如国家能源集团、冀中能源、陕煤集团等也开展了相关研究与试验[8-10]。目前，已形成了采煤机自主定位导航和煤岩识别技术、液压支架电液控技术、刮板输送机智能推移技术以及自动集中监控技术等先进技术[11-12]。其中，如何实现采煤机自主定位导航和煤岩识别是实现自动化的关键所在。

1 GIS煤层地理信息系统构建

工作面煤层及顶底板赋存是控制采煤机截割的主要参数，虽然，煤层地质勘探是采煤工作的前提条件，但是其所描述的地质资料不能准确为采煤机导航提供基础。GIS煤层地理信息系统是震波CT煤层地质探测技术进行煤层地质条件初探，结合巷探、钻探等地质实测技术反演煤层及顶底板岩层地质条件，从而构建的精细化工作面煤层三维地理信息系统。

震波CT探测技术是采用地震波在地下不同岩层内传播速度的差异性，利用地震波探测接收装置采集数据，实现工作面三维成像。震波CT煤层地质探测技术是利用工作面顺槽和切眼布置布置若干震波激发源和震波接收器，根据大量震波接收器采集的波速、频率等信息参数，基于波速在不同介质内传播速度的差异性建立波速与煤厚的数学模型，准确预测煤层地质条件，图1给出了震波CT煤层地质探测技术现场测试原理，图2给出了震波CT煤层地质探测技术处理流程，处理流程主要包括震波数据采集、数据拼接汇总、文头编辑、频波分析、数字滤波、初至拾取、到时校正、网格参数、CT慢初值、控制参数、BRT法、ART法、SIRT法、CT模型等。

图1 震波CT煤层地质探测技术现场测试原理

图2 震波CT煤层地质探测技术处理流程

采用巷探、钻探等地质实测技术，同时收集试验工作面地质资料，进行CT模型反演分析，以TIN三角网格模型为基础划分底板岩层并转化为DEM高程网格模型，基于该模型和反演后的CT模型中的煤层厚度，建立顶板岩层DEM高程网格模型，从而构建了精细化GIS工作面煤层三维地理信息系统，如图3所示，给出了GIS煤层地理信息系统。

图3 GIS煤层地理信息系统

2 采煤机自适应截割技术

采煤机自适应截割技术是以综采技术工艺为基础，利用各种形式的环境和设备状态感知技术，实现采煤机连续可靠截割煤体、刮板输送机协调煤流输送以及液压支架维护工作面空间。地下煤层赋存条件复杂，在煤层厚度变化较大或断层、褶曲等地质构造区域采煤机截割高度、行走角度需进行必要调整，目前，煤岩识别和记忆截割技术均不能准确实现采煤机自动调整。本文基于建立的GIS煤层地理信息系统，开发相应的采煤机自适应截割技术，实现采煤机自动调高和截割路径自动规划。

2.1 采煤机自动调高技术

采煤机自动调高是在实现工作面有效支护的情况下，控制采煤机滚筒始终在煤层内截割，同时应尽可能沿顶底板岩层截割，保障煤炭回收率和含矸率。采煤机自动调高主要包括采煤机行走方向和工作面推进方向的采煤机调高，采煤机行走方向的采煤机调高主要采用煤岩识别和记忆截割技术，目前该技术已较为成熟，而实现工作面推进方向的采煤机调高主要受工作面推进方向倾角影响，如何实现采煤机姿态使其横滚角与推进方向倾角一致是关键所在，本文提出利用GIS煤层地理信息系统结合采煤机实时姿态共同实现的工作面推进方向采煤机自动调高。

图4 给出了基于GIS煤层地理信息系统采煤机自动调高技术流程图，如图所示，基于GIS煤层地理信息系统，识别煤层倾角并结合记忆截割路线修正下一刀截割路线，识别下一刀顶底板岩层曲线并结合采煤机姿态定位调整卧底量，基于此，调节滚筒高度和摇臂高度，之后往复循环，实现采煤机自动调高。

图4 采煤机自动调高技术流程图

2.2 采煤机截割路径自动规划

地下煤层赋存条件复杂，当采煤机截割遇到断层等复杂地质构造时，采煤机将截割煤层顶板或底板，导致含矸率大幅度增加，在采煤机过断层时，将遇到漏采煤层和截割岩层2个相互影响的问题，采煤机主要用于截割硬度较小的煤层，根据其实际工况特点，应尽量避免长时截割硬度较大的岩层，宁愿损失煤炭，也应减少截割岩层的时间，避免造成采煤机截齿、传动系统负载过大，降低采煤作业安全隐患。

基于GIS煤层地理信息系统，分段线性划分煤层底板，自动规划采煤机截割路径，若煤层中存在断层构造，可提前智能识别断层构造，规划合理的采煤机截割路径，当采煤机过断层时，自动规划路线1（见图5）调整采煤机行走角度和速度，避免采煤机长时截割硬度较大的岩层，增加采煤作业的安全隐患，图5给出了基于GIS煤层地理信息系统采煤机自动规划路径及过断层路线。

图5 采煤机自动规划路径及过断层路线

3 结论

自动化、智能化是采矿技术的发展方向，针对目前采煤机自动截割遇到的难题，利用震波CT煤层地质探测技术进行煤层地质条件初探，结合巷探、钻探等地质实测技术反演，从而构建精细化三维GIS煤层地理信息系统，基于此，开发相应的采煤机自适应截割技术，实现采煤机自动调高和截割路径自动规划，为推进煤矿智能化开采添砖加瓦。