一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法
技术领域
本发明属于煤矿开采设备技术领域，具体涉及一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法。
背景技术
煤炭是我国重要的基础能源和原料，并且煤炭为主的能源结构在相当长的时间内还不会改变。随着安全事故的频发，煤炭的安全高效开采已经成为国内外学者重点研究的课题。其中,综采工作面作为煤炭开采中应用技术最为复杂，最能体现高效开采的环节之一。但是煤矿井下环境复杂，危险重重，因此实现三机联动的无人采煤或者少人采煤非常重要。
目前常见的识别煤壁界面方法主要存在以下问题：一、国内主要煤岩自然伽马射线辐射特性的NGR传感器法。该方法适用于高瓦斯矿，但是该方法必须是留一定厚度顶煤，这样降低了采出率；同时还要求顶底板围岩有放射性元素，导致对于砂岩顶板适应性极差。二、基于采煤机切割力响应的岩石界面识别传感器法。此方法用传感器拾取摇臂震动信号、滚筒轴扭矩信号及调高油缸压力信号进行识别。由于煤层复杂多变，且滚筒时刻都在旋转，导致方法获取到的信号存在较大误差。三、基于图像纹理的煤岩识别方法，该方法主要利用煤和岩石不同的纹理阔值来区分煤层和岩石，但由于采煤机在工作的时候粉尘、泥污特别大，导致采煤机上的摄像头拍摄的图像模糊度非常大，无法通过图像边缘灰度处理方法来准确判断岩石和煤壁的边缘,因此很难将煤壁中的岩石和煤进行区分。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，该方法图像采集效果好，因此能够更好地获得煤壁的信息，并能够准确指导采煤机进行采煤，因此实用性强，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，该方法采用的滞后自动割煤装置包括采煤机和与所述采煤机通信的超前煤壁识别机构，所述超前煤壁识别机构包括计算机和多个均与计算机连接的超前煤壁识别单元，所述超前煤壁识别单元的数量与液压支架的数量相等且一一对应，所述超前煤壁识别单元安装在液压支架的顶梁上，所述超前煤壁识别单元包括安装在顶梁的立板侧壁的液压油缸和与所述液压油缸的活塞杆连接的护筒，所述护筒远离液压油缸的一端安装有摄像头；
该方法包括以下步骤：
步骤一、综采工作面的通风：设定综采工作面通风时间阈值，对综采工作面进行通风；
步骤二、综采工作面的图像采集：在立板的侧壁上开设供护筒转向的滑槽，护筒靠近滑槽的一侧设置有多个均与滑槽配合的滑轮，控制液压支架工作，使得前梁向上翻转，再控制液压油缸工作，带动活塞杆伸长，活塞杆带动护筒沿滑槽的路径移动并使摄像头伸出顶梁，摄像头伸出到位后，计算机控制摄像头对煤壁进行图像采集，图像采集完毕后通过液压油缸使得活塞杆缩短，进而将护筒收回至顶梁内，最后控制液压支架工作，使得前梁向下收回复位；
步骤三、综采工作面的图像拼接：计算机将多个摄像头采集的各煤壁节段图像进行拼接，从而得到整个煤壁的图像；
步骤四、超前煤壁识别：计算机利用图像边缘处理方法对整个煤壁的图像进行图像处理，实现煤壁中岩石和煤的区分，识别下一刀的超前煤壁对应的煤壁上边缘曲线和煤壁下边缘曲线；
步骤五、采煤机滞后自动割煤：计算机将下一刀的超前煤壁对应的煤壁上边缘曲线和煤壁下边缘曲线数据传输至采煤机，采煤机根据下一刀的超前煤壁对应的煤壁上边缘曲线和煤壁下边缘曲线数据进行滞后自动割煤。
上述的一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，其特征在于：所述摄像头通过数据线与所述计算机连接，所述采煤机与所述计算机通信。
上述的一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，其特征在于：所述护筒与液压油缸的活塞杆铰接，液压油缸与立板的侧壁铰接。
上述的一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，其特征在于：所述立板的侧壁上开设有供护筒转向的滑槽，所述滑槽包括滑槽平直段和与滑槽平直段连通的滑槽下斜段，护筒靠近滑槽的一侧设置有多个均与滑槽配合的滑轮。
上述的一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，其特征在于：所述滑槽平直段的中轴线和滑槽下斜段的中轴线的夹角为140°～160°。
上述的一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，其特征在于：所述滑轮通过支撑块与护筒连接。
上述的一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，其特征在于：所述护筒为中空结构，所述摄像头设置在护筒的端部内壁上。
上述的一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，其特征在于：所述摄像头为广角镜头。
上述的一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，其特征在于：步骤四中，所述图像边缘处理方法为图像边缘灰度处理算法、Canny图像边缘识别算法或二值化边缘检测算法。
上述的一种基于超前煤壁识别的滞后自动割煤方法，其特征在于：步骤一中、设定的综采工作面通风时间阈值为1min～3min。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的装置的摄像头设置在液压支架顶梁内，通过将顶梁前端的前梁收回，能够将摄像头通过前梁包裹，进而起到保护摄像头的目的，该设置能够有效避免采煤时因煤块飞溅、以及粉尘和泥污特别大而导致摄像头损坏的问题，进而提高了超前煤壁识别机构的可靠性。
2、本发明采用的装置的护筒设置在立板内侧壁上，因此不会影响液压支架的正常工作，便于推广使用。
3、本发明采用的装置的广角镜头在较短的图像采集距离内，能够采集到较大面积的煤壁，从而能够避免需要将液压支架设置在距煤壁较远位置处的问题，需要图像采集时，将摄像头通过护筒倾斜向下从顶梁内推出，这样可使图像采集效果更好，并能够实现更大范围煤壁的图像采集。
4、本发明采用的方法，在采煤机停机后，对综采工作面通风能够降低综采工作面的粉尘浓度，从而大大提高了照片信息采集的清晰度和识别度，拍摄滞后于采煤机停机，使得拍摄效果更好，多个摄像头能够一次性将煤壁的图像进行采集，因此效率高，本方法步骤简单，便于推广使用。
综上所述，本发明可以保护摄像头，而且图像采集效果好，因此能够更好地获得煤壁的信息，并能够准确指导采煤机进行采煤，因此实用性强，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的装置的割煤工作状态示意图。
图2为本发明采用的装置进行超前煤壁识别的工作状态示意图。
图3为本发明装置中超前煤壁识别单元在立板上的未工作状态示意图。
图4为本发明装置中超前煤壁识别单元在立板上的工作状态示意图。
图5为图3的A-A视图。
图6为本发明装置中滑槽在立板上的位置示意图。
图7为本发明方法的流程框图。
附图标记说明:
1—液压支架； 2—顶梁；3—摄像头；
4—采煤机； 5—护筒；6—液压油缸；
7—立板； 8—滑轮；9—滑槽；
9-1—滑槽平直段； 9-2—滑槽下斜段；10—煤壁；
11—活塞杆；12—支撑块； 13—前梁。
具体实施方式
如图1至图7所示，本发明方法采用的滞后自动割煤装置包括采煤机4和与所述采煤机4通信的超前煤壁12识别机构，所述超前煤壁12识别机构包括计算机和多个均与计算机连接的超前煤壁12识别单元，所述超前煤壁12识别单元的数量与液压支架1的数量相等且一一对应，所述超前煤壁12识别单元安装在液压支架1的顶梁2上，所述超前煤壁12识别单元包括安装在顶梁2的立板7侧壁的液压油缸6和与所述液压油缸6的活塞杆13连接的护筒5，所述护筒5远离液压油缸6的一端安装有摄像头3；
需要说明的是，设置多个摄像头3能够一次性将煤壁10的图像进行采集，因此效率高。将摄像头3和护筒5安装在立板7侧壁上，不会影响液压支架1的正常工作，安装护筒5可便于对摄像头3进行维护，并能实现更好的图像采集效果。在采煤过程中或者液压支架1闲置时，通过将顶梁2前端的前梁13收回，能够将摄像头3包裹在顶梁2内，进而起到保护摄像头3的目的，尤其是在采煤过程中，能够有效避免飞溅的煤块、粉尘和泥污影响摄像头3正常工作，甚至导致摄像头3损坏的问题。
超前煤壁识别单元的计算机控制摄像头3对煤壁10进行图像采集，然后计算机对煤壁10的图像进行图像处理，从而能够得出当前煤壁10的岩石和煤的信息；计算机可根据岩石和煤的信息制定下一次割煤方案，进而实现自动采煤的目的。
该方法包括以下步骤：
步骤一、综采工作面的通风：设定综采工作面通风时间阈值，对综采工作面进行通风；
需要说明的是，采煤机4移动至综采工作面的两侧中的任意一侧，移动的过程中采煤机4进行采煤。采煤过程中综采工作面会产生较多的煤灰，通过通风能够将煤灰吹散，并使之沉降，进而降低了煤灰浓度，从而可提高图像采集质量，并保护摄像头。
步骤二、综采工作面的图像采集：在立板7的侧壁上开设供护筒5转向的滑槽9，护筒5靠近滑槽9的一侧设置有多个均与滑槽9配合的滑轮8，控制液压支架1工作，使得前梁向上翻转，再控制液压油缸6工作，带动活塞杆13伸长，活塞杆13带动护筒5沿滑槽9的路径移动并使摄像头3伸出顶梁2，摄像头3伸出到位后，计算机控制摄像头3对煤壁12进行图像采集，图像采集完毕后通过液压油缸6使得活塞杆13缩短，进而将护筒5收回至顶梁2内，最后控制液压支架1工作，使得前梁向下收回复位；
需要说明的是，通过摄像头3对煤壁10图像采集时，控制液压支架1使得前梁13向上翻转，前梁13翻转到位后，计算机控制液压油缸6使得活塞杆11伸长，活塞杆11伸长的过程中推动护筒5沿滑槽9的路径移动，护筒5移动的过程中推动摄像头3，摄像头3伸出顶梁2后，计算机控制摄像头3对煤壁10分节段进行图像采集，然后计算机对多个煤壁10的图像进行处理，计算机确认煤壁10的图像完整后，计算机控制液压油缸6使得活塞杆11收缩，并将护筒5收回，然后控制液压支架1的控制系统，使得前梁13向下翻转，从而使得前梁13将摄像头3包裹，对摄像头3进行保护。
步骤三、综采工作面的图像拼接：计算机将多个摄像头3采集的各煤壁12节段图像进行拼接，从而得到整个煤壁12的图像；
需要说明的是，摄像头3对同一位置的煤壁10进行多张图像采集，挑选最优的图像后，将该图像与其他部位的最优的图像进行拼接，通过拼接能够得到整个煤壁10的图像，从而作为判断煤壁10的属性信息的依据，煤壁10的属性信息主要用于判断岩石和煤的位置分布，进而确定下一次割煤的操作。
步骤四、超前煤壁12识别：计算机利用图像边缘处理方法对整个煤壁12的图像进行图像处理，实现煤壁12中岩石和煤的区分，识别下一刀的超前煤壁12对应的煤壁12上边缘曲线和煤壁12下边缘曲线；
需要说明的是，同一竖直方向的煤壁10上边缘曲线和煤壁下边缘曲线的点即为煤壁10的边缘，从而能够得出采煤机4的采高，进而控制采煤机4执行下一刀割煤。特殊情况下，煤壁10中间也会存在岩石，通过对岩石和煤进行区分，预先设定割煤区域，能够在采煤机4割煤时有效避免采煤机4的刀口与岩石触碰，进而能够更有效地进行采煤。
步骤五、采煤机4滞后自动割煤：计算机将下一刀的超前煤壁12对应的煤壁12上边缘曲线和煤壁12下边缘曲线数据传输至采煤机4，采煤机4根据下一刀的超前煤壁12对应的煤壁12上边缘曲线和煤壁12下边缘曲线数据进行滞后自动割煤。
需要说明的是，滞后自动割煤完成后，重复上述步骤一至步骤四，根据煤壁10的图像处理结果，制定割煤的方案，或者判断是否需要下一刀的割煤。
本实施例中，所述摄像头3通过数据线与所述计算机连接，所述采煤机4与所述计算机通信。
本实施例中，所述护筒5与液压油缸6的活塞杆13铰接，液压油缸6与立板7的侧壁铰接。
本实施例中，所述立板7的侧壁上开设有供护筒5转向的滑槽9，所述滑槽9包括滑槽9平直段10和与滑槽9平直段10连通的滑槽9下斜段11，护筒5靠近滑槽9的一侧设置有多个均与滑槽9配合的滑轮8。
需要说明的是，滑槽下斜段9-2即为靠近煤壁10的一侧，通过将滑槽9端部设置为倾斜向下，使得摄像头3在图像采集时能够进一步伸出顶梁2，因此图像采集效果更好。
图像采集照片时，首先控制液压支架1工作，使得前梁13向上翻转，再控制液压油缸6工作，带动活塞杆11伸长，活塞杆11带动护筒5沿滑槽9的路径移动并使摄像头3伸出顶梁2，摄像头3伸出到位后，计算机控制摄像头3对煤壁10进行图像采集，摄像头3伸出顶梁2实现了更好的图像采集效果。
本实施例中，所述滑槽平直段9-1的中轴线和滑槽下斜段9-2的中轴线的夹角为140°～160°，所述滑轮8通过支撑块12与护筒5连接。
需要说明的是，滑槽平直段9-1的中轴线和滑槽下斜段9-2的中轴线的夹角为140°～160°，进而实现了更大范围的图像采集，从而能够避免需要将液压支架1设置在距煤壁10较远位置处的问题。
滑轮8的数量为两个，滑轮8的设置能够使得护筒5在滑槽9上滑动时更加平稳；摄像头3为收回状态时，两个滑轮8均位于滑槽平直段9-1，摄像头3为伸出状态时，两个滑轮8均位于滑槽下斜段9-2。
本实施例中，所述护筒5为中空结构，所述摄像头3设置在护筒5的端部内壁上。护筒5为中空结构便于容纳摄像头3的数据线。
本实施例中，所述摄像头3为广角镜头。
需要说明的是，广角镜头的摄像头3能够在较短图像采集距离的条件下，采集到较大面积的煤壁10，从而能够避免需要将液压支架1设置在与煤壁10较远距离处的问题。
本实施例也可以每隔两架液压支架1进行安装摄像头3，由于摄像头3的图像采集范围较广，因此不需要在每一架液压支架1上均安装摄像头3，进而节约了成本。
本实施例中，步骤四中，所述图像边缘处理方法为图像边缘灰度处理算法、Canny图像边缘识别算法或二值化边缘检测算法。
需要说明的是，通过图像边缘处理方法能够有效判断岩石和煤的位置分布，进而便于制定割煤的方案。
本实施例中，步骤一中、设定的综采工作面通风时间阈值为1min～3min。
所述设定时间长度为1～3min。具体时间依据采煤工作面长度、煤层属性、以及通风效果等进行设置，满足煤灰被吹散、沉降后，摄像头3能够对煤壁10进行清晰的图像采集即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
