一种综采放顶煤工作面智能化放煤控制方法
技术领域
本发明涉及一种综采放顶煤工作面放煤方法，尤其涉及一种基于地质建模、冒落体模拟、放出量监测及煤矸识别技术相结合的智能化放煤控制方法，属于综放智能化开采技术领域。
背景技术
煤炭是我国一次能源中最经济、可靠的资源，是可以实现清洁高效利用的能源，是我国能源安全的压舱石。煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，是煤矿综合机械化发展的新阶段，是煤炭生产力和生产方式革命的新方向。目前，我国已经建成200多个智能化工作面，但主要是一次采全高综采工作面，综采放顶煤工作面由于受到放煤过程难以实现智能控制的限制，导致综放智能化技术与装备发展缓慢。
目前，制约综放工作面实现智能化的主要因素是如何准确判断液压支架放煤口的最佳开闭时间，现有技术主要依靠放煤过程中形成的经验（如通过监测放煤过程中产生的声音、放煤时间等差异）来进行控制，但由于煤层厚度一般存在一定程度的变化，且顶煤放出过程一般会进行多次、多轮放煤，放煤口关闭时间难以准确把握，经常导致工作面欠放或多放，造成煤炭资源损失或煤炭含矸率较高，难以实现智能化放煤。大同煤矿集团有限公司申请号为CN201910145595.2名称为一种基于顶煤厚度变化量实时监测的智能化放煤方法，将超宽带雷达布置在液压支架的掩护梁上，对顶煤冒落过程进行监测，并将激光扫描装置对准放煤口，对煤量进行监测，通过神经网络方法建立顶煤厚度变化量与放煤时间之间的方程，从而确定最佳的放煤口开闭时间；由于顶煤冒落后呈现散体状，采用超宽带雷达对散体顶煤与顶板岩层进行扫描难以确定冒落顶煤与冒落岩层的分解面，并且根据顶煤冒落形态研究结果，完全依靠分界面也难以对放煤口关闭时刻进行准确把握；由于放煤过程煤量非常不均匀，且会产生大量的粉尘，将激光扫描装置对准放煤口难以对煤量进行监测，另外，该方法的本质仍然是通过顶煤冒落时间来进行放煤口关闭的控制，与传统方法并无本质差异，且难以达到较好的效果。北京天地玛珂电液控制系统有限公司申请号为CN201110388729.7名称为一种放顶煤工作面自动放煤控制系统及其放煤方法，主要是利用电液控制系统进行放煤口关闭控制，并实现与刮板输送机联动，但如何确定放煤口关闭的时间是智能化放煤的关键，该专利并未涉及。天地科技股份有限公司申请号为CN201310176891.1名称为一种放顶煤液压支架智能控制放煤方法，主要对液压支架与顶煤的耦合过程进行分析，实现放煤的时序控制与记忆放煤，仍然没有解决如何确定最佳关闭放煤口时间的问题。山东科技大学申请号为CN201810209819.7名称为一种放顶煤煤矸界面识别试验系统，主要是模拟放煤过程中的振动等信息，没能解决如何确定最佳关闭放煤口时间的问题。
基于现有专利分析及国内外相关技术检索结果，现有综放智能化工作面主要依靠时间进行放煤控制，部分专家学者曾尝试采用煤矸识别装置、振动感知装置等对煤矸界面进行识别，从而作为确定最佳放煤口关闭时间的依据，但现场实践效果均不佳。由于难以确定综放工作面最佳开关放煤口的时间，导致综放工作面难以实现智能化开采。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种综采放顶煤工作面智能化放煤控制方法，包括：建立工作面地质模型坐标系，获取顶煤厚度信息，建立工作面顶煤厚度变化的三维地质模型与数值计算模型，利用采煤机割煤过程中揭露的工作面中部顶煤信息对三维地质模型与数值计算模型进行超前修正，计算确定顶煤的理论放出量，采用煤量扫描装置与煤矸图像识别装置对顶煤放出量与放出的顶煤与矸石情况进行检测，通过比较理论放出量与实际放出煤量、放出矸石情况最终确定最佳放煤口关闭时间，具体步骤包括：
(1)在工作面运输巷道、回风巷道、切眼处向顶煤进行钻探打孔，将运输巷道中线与切眼中线交叉点作为坐标原点，运输巷道中线的长轴方向为x轴，切眼中线的长轴方向为y轴，与水平面垂直方向为z轴，建立工作面地质模型坐标系;
(2)根据顶煤钻孔获得的顶煤厚度信息，采用差值计算方法建立工作面顶煤厚度变化的三维地质模型，基于三维地质模型信息，采用离散元数值模拟方法建立顶煤冒落过程的数值计算模型，三维地质模型与数值计算模型的坐标系均采用上述建立的工作面地质模型坐标系;
(3)在采煤机机身中部位置安装地质雷达装置，在液压支架的尾梁上安装煤量扫描装置与煤矸图像识别装置;
(4)工作面煤层开采过程中，首先在采煤机割煤移动过程中利用地质雷达装置对顶煤与顶板岩层分界面进行探测，然后根据探测结果对上述建立的三维地质模型与数值计算模型进行超前修正;
(5)采煤机完成割煤后，开启液压支架的放煤口进行放煤，首先利用修正后的数值计算模型对液压支架上方的顶煤冒落体形态与顶煤放出量进行模拟分析，然后利用上述煤量扫描装置扫描确定刮板输送机上的煤流量；
(6)当煤量扫描装置扫描到的顶煤放出量达到数值计算模型模拟确定的顶煤放出量的80％时，则启动煤矸图像识别装置对刮板输送机上的煤流进行煤矸识别;
(7)若此时煤矸图像识别装置检测到煤流中混有大量矸石时，则关闭放煤口；当煤量扫描装置扫描到的顶煤放出量达到数值计算模型模拟确定的顶煤放出量时，此时无论是否检测到煤流中混有大量矸石，则关闭放煤口；
(8)重复上述步骤(4)～(7)，完成工作面的整体割煤与放煤过程。
进一步的，所述的在工作面运输巷道、回风巷道、切眼处向顶煤进行钻探打孔，钻孔间距可根据相邻钻孔煤层厚度的变化信息确定，一般相邻钻孔的间隔为50-100m。
更进一步的，所述的在采煤机机身中部位置安装地质雷达装置，地质雷达装置的安装位置与顶煤的垂直距离应小于30cm，并应尽量靠近顶煤，应避开液压支架顶梁，防止液压支架顶梁对地质雷达装置的信号产生干扰。
更进一步的，所述的在液压支架的尾梁上安装煤量扫描装置与煤矸图像识别装置，具体的，煤量扫描装置与煤矸图像识别装置均安装在液压支架尾梁的内测，煤量扫描装置与煤矸图像识别装置均照向刮板输送机上的煤流。
更进一步的，所述的利用修正后的数值计算模型对液压支架上方的顶煤冒落体形态与顶煤放出量进行模拟分析，具体的，采用离散元计算软件模拟顶煤的冒落放出过程，同时记录放出体的体积与放出量，利用放出体的体积与密度的乘积计算顶煤的放出量，将模拟过程中记录的放出量与计算获得的放出量的平均值作为工作面顶煤放出量的最终理论模拟计算结果。
更进一步的，所述的利用上述煤量扫描装置扫描确定刮板输送机上的煤流量，具体的，利用正在放煤的液压支架的煤流方向侧的液压支架尾梁上安装的煤量扫描装置与煤矸图像识别装置对刮板输送机上的煤流信息进行监测，两台液压支架中间一般间隔3-5台液压支架。
附图说明
图1为综采放顶煤工作面智能化放煤控制方法的工作流程图；
图2为工作面地质模型坐标系示意图；
图3为A-A剖面示意图；
图4为地质雷达装置安装位置示意图；
图5为B-B剖面示意图；
图6为顶煤放出体离散元数值模拟示意图；
图7为利用煤量扫描装置与煤矸图像识别装置进行煤流信息监测示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示为本发明一种综采放顶煤工作面智能化放煤控制方法的工作流程图，包括：
步骤S101，在工作面运输巷道1、回风巷道2、切眼3处向顶煤进行钻探打孔，将运输巷道中线与切眼中线交叉点作为坐标原点，运输巷道中线的长轴方向为x轴，切眼中线的长轴方向为y轴，与水平面垂直方向为z轴，建立工作面地质模型坐标系，见图2、图3所示；
步骤S102，根据顶煤钻孔4获得的顶煤厚度信息，采用差值计算方法建立工作面顶煤厚度变化的三维地质模型，基于三维地质模型信息，采用离散元数值模拟方法建立顶煤冒落过程的数值计算模型，三维地质模型与数值计算模型的坐标系均采用上述建立的工作面地质模型坐标系；
步骤S103，在采煤机机身中部位置安装地质雷达装置11，在液压支架的尾梁上安装煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13；
步骤S104，工作面煤层开采过程中，首先在采煤机割煤移动过程中利用地质雷达装置11对顶煤与顶板岩层分界面进行探测，然后根据探测结果对上述建立的三维地质模型与数值计算模型进行超前修正；
步骤S105，采煤机完成割煤后，开启液压支架的放煤口进行放煤，首先利用修正后的数值计算模型对液压支架上方的顶煤冒落体形态与顶煤放出量进行模拟分析，然后利用上述煤量扫描装置12扫描确定刮板输送机上的煤流量；
步骤S106，当煤量扫描装置12扫描到的顶煤放出量达到数值计算模型模拟确定的顶煤放出量的80％时，则启动煤矸图像识别装置13对刮板输送机上的煤流进行煤矸识别；
步骤S107，若此时煤矸图像识别装置13检测到煤流中混有大量矸石时，则关闭放煤口；当煤量扫描装置12扫描到的顶煤放出量达到数值计算模型模拟确定的顶煤放出量时，此时无论是否检测到煤流中混有大量矸石，则关闭放煤口；
步骤S108，重复上述步骤S104～S107，完成工作面的整体割煤与放煤过程。
下面将结合具体实施例对上述综采放顶煤工作面智能化放煤控制方法进一步进行说明：
首先，根据顶煤厚度变化情况，每间隔50-100m沿垂直方向向上对顶煤进行钻探打孔，基于上述工作面地质模型坐标系记录钻孔位置的x坐标与y坐标，以及钻孔揭露的顶煤厚度信息，并将顶煤厚度信息转化为z坐标值；
实际操作过程中，若相邻钻孔的顶煤厚度变化较大，则可以适当减小下一个钻孔的间距值；若相邻钻孔的顶煤厚度变化较小或几乎没有变化，则可以适当增大下一个钻孔的间距值；相邻钻孔的间距取值一般在50-100m。
然后，采用上述获取的顶煤厚度变化信息，建立顶煤厚度变化的三维地质模型，并根据三维地质模型建立顶煤冒落放出的离散元数值计算模型，其中，三维地质模型与数值计算模型均采用上述建立的工作面地质模型坐标系，从而能够更好的将两个模型进行关联；
在一个具体的实施例中，三维地质模型可以直接导入数值计算模型中，从而方便对地质模型与数值计算模型进行同步修正；数值计算模型可采用传统的PFC离散元模型，可以模拟顶煤厚度变化、顶煤放出形态、顶煤放出量等。
在采煤机机身中部位置安装地质雷达装置11，见图4、图5所示，具体的，地质雷达装置11的安装位置与顶煤的垂直距离应小于30cm，并应尽量靠近顶煤，应避开液压支架顶梁，防止液压支架顶梁对地质雷达装置11的信号产生干扰；
将地质雷达装置11安装于采煤机机身中部位置，由于采煤机在割煤过程中，采煤机机身位置的液压支架的伸缩梁与护帮板均处于收缩状态，此时，可以有效的避开液压支架顶梁对地质雷达信号的干扰，另外，工作面煤壁处的顶煤在矿山压力作用下已经出现裂隙，但尚未呈现散体放落状态，而顶板岩层为完整状态，此时有利于地质雷达装置11对顶煤与顶板分界面信息进行精准探测，若利用地质雷达装置11对工作面后方呈现散体的顶煤与顶板冒落岩层进行探测，则很难对煤矸分界面信息进行准确辨识。
在液压支架的尾梁上安装煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13，见图4所示，具体的，煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13均安装在液压支架尾梁的内测，可以防止顶煤冒落过程中将煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13砸坏；另外，煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13均照向刮板输送机上的煤流，由于液压支架放煤过程中煤流变化非常不均匀，且放出速度较快，所以难以用煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13对煤流量、煤体放出情况进行识别，但顶煤放出后将较均匀的分布在刮板输送机上，即刮板输送机上的煤流比较均匀，采用煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13能够较好的对煤流量与煤矸情况进行识别。
在工作面开采过程中，采煤机移动割煤时利用地质雷达装置11对顶煤的厚度信息进行探测，具体的，在实际应用过程中，工作面中部顶煤厚度一般均会出现一定变化，仅采用上述工作面运输巷道1、回风巷道2、切眼3揭露的顶煤信息进行地质建模难以反应工作面中部顶煤厚度变化情况，因此，在采煤机机身中部位置安装地质雷达装置11，采煤机移动割煤过程中可以利用地质雷达装置11对顶煤的厚度信息进行探测，将探测的顶煤厚度信息输入地质模型中可以对地质模型进行修正，由于工作面上方的顶煤尚未呈现散体状态，因此，利用修正的地质模型对数值计算模型进行同步修正，此时获取的地质模型与数值计算模型是现有技术手段能够获取到的最佳的模型。
利用修正后的数值计算模型模拟液压支架上方顶煤的冒落体形态与顶煤放出量，在一个具体的实施例中，首先采用离散元计算软件模拟顶煤的冒落放出过程，在此过程中，同时记录放出体的体积与放出量，见图6所示，利用放出体的体积与密度的乘积可以计算顶煤的放出量，将模拟过程中记录的放出量与计算获得的放出量的平均值作为工作面顶煤放出量的最终理论模拟计算结果。
利用上述煤量扫描装置扫描刮板输送机上放出的煤量，具体的，当某一台液压支架进行放煤时，则利用该台液压支架煤流方向侧的液压支架尾梁上安装的煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13对刮板输送机上的煤流信息进行监测，两台液压支架中间一般间隔3-5台液压支架；在一个具体的实施例中，如图7所示，液压支架B在放煤过程中，利用液压支架A上安装的煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13对刮板输送机上的煤流信息进行监测，液压支架A与液压支架B中间间隔了3台液压支架，由于煤矿井下工作面的风流方向与煤流方向一般相反，液压支架B在放煤过程中会产生大量的粉尘、振动等，会对煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13的监测结果产生较大影响，而此时液压支架A处为进风侧，会将液压支架B放煤过程中产生粉尘吹走，给煤量扫描装置12与煤矸图像识别装置13创造较好的监测条件；同时，液压支架A与液压支架B之间也不能间隔太远，否则监测信息将具有明显的迟滞效应，两台液压支架中间一般间隔3-5台液压支架为宜。
将实际扫描的放出煤量值与上述模拟获取的理论放出煤量值进行实时对比，当煤量扫描装置12扫描到的顶煤放出量达到理论放出煤量值的80％时，则启动煤矸图像识别装置13对刮板输送机上的煤流进行煤矸识别；具体的，由于理论计算结果与实际放出量之间仍然会存在一定误差，因此，采用煤矸图像识别装置13对顶煤放出情况进行识别，由于顶煤中一般均会含有夹矸层，若仅采用煤矸图像识别装置13对放出情况进行识别，识别到矸石时就进行放煤口关闭操作，则容易将顶煤中的夹矸层误认为是顶板岩层，导致顶煤欠放，造成顶煤损失；当根据煤量扫描装置12扫描到顶煤放出量已经达到理论放出量的80％时，此时再利用煤矸图像识别装置13进行放出情况的识别，既可以解决上述出现欠放的问题，也可以解决理论计算结果与实际放出量之间存在误差的问题；当煤量扫描装置12扫描到的顶煤放出量达到理论计算值时，此时无论是否检测到矸石，则关闭放煤口，虽然可能会因为误差导致欠放，但会减少含矸率，提高煤质。
本发明所提出的一种基于顶煤与顶板岩层界面识别、顶煤三维地质建模实时修正、离散元数值计算模型模拟、放出煤量实时扫描、放出煤矸智能识别的综采放顶煤工作面智能化放煤控制方法，利用地质雷达对工作面上方较完整的顶煤与顶板岩层界面进行识别，基于识别结果对三维地质模型与数值计算模型进行实时修正，利用离散元数值计算模型模拟顶煤放出量，采用煤量扫描装置确定顶煤实际放出煤量，辅助采用煤矸图像识别装置对放出体进行智能识别，从而确定最佳放煤口关闭时间，有效解决了现有技术与装备难以确定综放工作面放煤口最佳关闭时间的问题，为实现综采放顶煤工作面智能化、无人化开采提供了一种有效的技术途径。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
