孫鵬亮 宋冰清 常圣強 郭 剛

（1.中國煤礦機械裝備有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中煤陜西榆林大海則煤業(yè)有限公司，陜西榆林 719000）

1 研究背景

隨著煤礦智能化開采技術(shù)的推廣應(yīng)用，記憶截割技術(shù)成為現(xiàn)階段廣泛使用的采煤機控制技術(shù)，記憶截割控制技術(shù)是以采煤機通過人工示范刀的方式對采煤機的采高數(shù)據(jù)進行機器記憶、學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程全流程暢通，不宜停機、斷電，行走速度不宜過快[1-2]。因此，在實際使用過程中存在諸多不便，不易被用戶接受。同時，記憶截割學(xué)習(xí)過程的數(shù)據(jù)為已采過的煤層數(shù)據(jù)，對于煤層變化較快的工作面在適應(yīng)性方面存在較大問題，規(guī)劃截割技術(shù)的研發(fā)可以有效解決該類技術(shù)問題。通過集中控制系統(tǒng)采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息和工況信息，由集中控制系統(tǒng)進行分析計算，形成采煤機前后滾筒的開采高度，生成采煤機前后滾筒的規(guī)劃截割曲線，采煤機可以按照規(guī)劃截割曲線有效控制采煤機的前后滾筒采高[3-4]。該方式簡單、便捷，更好地適應(yīng)煤層的變化，對煤機的智能化控制起到重要作用。

2 規(guī)劃截割技術(shù)體系架構(gòu)

規(guī)劃截割技術(shù)是一種基于采煤機、地理信息系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、工作面設(shè)備上竄下滑監(jiān)測系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)等多系統(tǒng)聯(lián)動的智能控制技術(shù)，應(yīng)在建立統(tǒng)一的監(jiān)測控制模型基礎(chǔ)上，輸出最終的規(guī)劃截割曲線。其核心技術(shù)主要包括慣導(dǎo)系統(tǒng)與設(shè)備系統(tǒng)一體化坐標(biāo)變換、工作面三維地質(zhì)模型動態(tài)修正、規(guī)劃截割曲線繪制等[5]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 規(guī)劃截割技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于該架構(gòu)的規(guī)劃截割技術(shù)以集中控制系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)對采煤機、慣導(dǎo)、上竄下滑等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和交互，并將采集的數(shù)據(jù)反饋給地理信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)將控制系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)與模型結(jié)合，再將新的地質(zhì)模型數(shù)據(jù)輸入集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃控制模型輸出規(guī)劃截割曲線。集中控制單向采集采煤機等各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時與地理信息系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)交互，最終根據(jù)集中控制系統(tǒng)的規(guī)劃控制模型單向輸出規(guī)劃截割曲線。同時，集中控制系統(tǒng)設(shè)有兩巷煤層起伏變化的寫實數(shù)據(jù)修正接口，通過直接輸入?yún)?shù)方式獲取兩巷煤層起伏變化的寫實數(shù)據(jù)，提升工作面煤層起伏變化的真實性，為指導(dǎo)設(shè)備按照煤層起伏變化開采提供依據(jù)。

3 坐標(biāo)系變換

工作面坐標(biāo)系統(tǒng)是實現(xiàn)對全部設(shè)備數(shù)據(jù)采集及處理的基礎(chǔ)，只有將工作面地質(zhì)模型、設(shè)備位置、慣導(dǎo)坐標(biāo)均統(tǒng)一在一個坐標(biāo)系內(nèi)才能實現(xiàn)各設(shè)備位置關(guān)系的統(tǒng)一。工作面地質(zhì)模型與設(shè)備模型可在一個坐標(biāo)系內(nèi)確定相互位置關(guān)系，但慣導(dǎo)系統(tǒng)為獨立的坐標(biāo)系，因此需要將慣導(dǎo)系統(tǒng)的坐標(biāo)系與工作面環(huán)境坐標(biāo)系進行變換、統(tǒng)一。兩個坐標(biāo)系的位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 多系統(tǒng)空間坐標(biāo)系位置關(guān)系圖

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程通常分為兩步，先由公共點坐標(biāo)解算轉(zhuǎn)換參數(shù)，再由轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換非公共點。轉(zhuǎn)換參數(shù)通常分為旋轉(zhuǎn)、平移和尺度參數(shù)，其中旋轉(zhuǎn)參數(shù)的確定是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的核心。在小角度旋轉(zhuǎn)情況下，可對旋轉(zhuǎn)矩陣作近似處理，獲得線性模型，如常用的布爾莎模型。對于大旋角的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題，多采用羅德里格矩陣表示旋轉(zhuǎn)矩陣的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，僅有3 個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，計算過程無需線性化，且適用大旋角轉(zhuǎn)換。本文以小角度旋轉(zhuǎn)為例，介紹空間坐標(biāo)系變換方式。

設(shè)矩陣A 為A 坐標(biāo)系下公共點的三維坐標(biāo)，矩陣B為B 坐標(biāo)系下公共點的三維坐標(biāo)。由三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型可得，A、B 兩坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程如下：

其中：Δx、Δy、Δz表示坐標(biāo)原點的平移量，k為尺度因子，R為A 站位到 B 站位的旋轉(zhuǎn)矩陣。則根據(jù)該公式，將工作面慣導(dǎo)系統(tǒng)的坐標(biāo)和地質(zhì)模型及設(shè)備的坐標(biāo)實現(xiàn)統(tǒng)一變換，轉(zhuǎn)換同一坐標(biāo)系。變換結(jié)果如表1 所示。

表1 慣導(dǎo)及工作面坐標(biāo)變換表

4 模型修正

采煤工作面通過高密度三維地震、井下槽波、井下寫實等技術(shù)手段獲取初始工作面模型數(shù)據(jù)，初始的工作面模型的頂?shù)装鍢?biāo)高數(shù)據(jù)主要來源于最初的數(shù)據(jù)融合結(jié)果。通過工程勘測手段獲取的底板數(shù)據(jù)、煤厚變化趨勢數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，形成一個較為準(zhǔn)確的初始模型。但是，在回采過程中，通過現(xiàn)場實際探頂?shù)酌旱臄?shù)據(jù)分析可以看出，模型的原始誤差有差異。工作面進行實際探頂?shù)椎臄?shù)據(jù)表如表2 所示。

表2 工作面實際模型數(shù)據(jù)與開采披露后的誤差數(shù)據(jù)表

由表2 可以看出，在探頂煤的數(shù)據(jù)中，模型原始絕對誤差在40 架處，底板誤差為0.16m。從底板數(shù)據(jù)整體來看，數(shù)據(jù)一致性好，工作面底板平整，角度變化不大，與巷道寫實數(shù)據(jù)一致；從頂板數(shù)據(jù)來看，10 ～90 架之間頂板趨勢與模型趨勢基本一致。

根據(jù)集中控制系統(tǒng)反饋的實際工況數(shù)據(jù)值，更新頂、底板的修正值，同時系統(tǒng)模型更新等高線及模型結(jié)構(gòu)，獲得新的煤層底板標(biāo)高。地理信息系統(tǒng)將更新后的頂?shù)装鍞?shù)據(jù)實時生成到數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)規(guī)劃截割程序調(diào)用。根據(jù)更新后的動態(tài)煤層數(shù)據(jù)，重新生成三維煤層模型，如圖3所示。地理信息系統(tǒng)將模型數(shù)據(jù)發(fā)送給集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)根據(jù)三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，指導(dǎo)工作面設(shè)備的相關(guān)動作，實現(xiàn)規(guī)劃截割開采[6-7]。

圖3 工作面地質(zhì)模型及煤層模型圖

5 規(guī)劃截割算法

集中控制系統(tǒng)在接收地理信息系統(tǒng)提供的工作面頂、底板模型數(shù)據(jù)后需進一步處理，對工作面頂、底板數(shù)據(jù)進行有效的曲線繪制[8]。地質(zhì)模型數(shù)據(jù)為離散型數(shù)據(jù)，地理信息系統(tǒng)提供的采高數(shù)據(jù)為離散的點位值，采煤機在工作面行走過程是連續(xù)狀態(tài)，因此采煤機控制系統(tǒng)在接收數(shù)據(jù)時需要提供連續(xù)點位值。同時，采煤機的點位值以采煤機自身的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，該坐標(biāo)系為二維長度、高度坐標(biāo)。在該坐標(biāo)系內(nèi)，以采煤機在機頭初始的某個位置為相對零點，在該位置的基礎(chǔ)上，沿機尾方向為正值，單位為厘米。采煤機在行走過程中以厘米為單位，連續(xù)確定不同位置的采煤機姿態(tài)值。采煤機在機頭某個位置確定為基準(zhǔn)零點，如果向機頭方向超過該位置，則在采煤機坐標(biāo)系內(nèi)為負值。地理信息系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)為離散點位，其精度和坐標(biāo)值均不能支撐采煤機的實際控制需求。采煤機需要第三方系統(tǒng)對各點位值密度及坐標(biāo)進一步轉(zhuǎn)換，為采煤機提供可執(zhí)行的操作命令。集中控制系統(tǒng)的規(guī)劃截割算法可根據(jù)采煤機的特殊要求，建立規(guī)劃截割模型，對地理信息系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化處理，處理完成后發(fā)送給采煤機。

首先，集中控制系統(tǒng)的規(guī)劃截割功能需具備坐標(biāo)變換能力，將三維地理信息系統(tǒng)的坐標(biāo)基于采煤機的二維長度、高度坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換。其次，規(guī)劃截割功能具備規(guī)劃采煤機前后滾筒割煤曲線的擬合能力，通過建立規(guī)劃截割模型，將地理信息系統(tǒng)離散坐標(biāo)點擬合成連續(xù)的坐標(biāo)點位，并輸入采煤機系統(tǒng)。系統(tǒng)間坐標(biāo)變換可參照三維空間坐標(biāo)變換的方式，進一步縮減為二維空間坐標(biāo)變換，實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)與采煤機系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對接。采煤機標(biāo)定初始設(shè)計以第7 架中心位置為初始零點，采煤機在該點能夠割透煤壁。支架寬度為2.05m，則第10 架中心點對應(yīng)具體距離為點位的輸出。

該數(shù)據(jù)為每10 個支架的離散點數(shù)據(jù)，根據(jù)上述原理，將每10 架數(shù)據(jù)細化為每架數(shù)據(jù)，形成每個液壓支架對應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括采煤機位置數(shù)據(jù)和對應(yīng)的頂、底板高度值。規(guī)劃截割需將上述數(shù)據(jù)進行連續(xù)化處理，根據(jù)最小二乘法，擬合連續(xù)曲線。曲線擬合情況如圖4 所示。

圖4 曲線擬合圖

頂板曲線多項式：

底板曲線多項式：

根據(jù)上述曲線對應(yīng)的連續(xù)點位，形成采煤機連續(xù)位置數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)下發(fā)給采煤機系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)為融合地質(zhì)模型頂、底板數(shù)據(jù)和采煤機對應(yīng)的工作面位置數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)在精度和準(zhǔn)確性方面較記憶截割數(shù)據(jù)有較大提升，克服了記憶截割功能對環(huán)境適應(yīng)能力差、反復(fù)學(xué)習(xí)等諸多缺點，提高了開采效率和操作的連續(xù)性和便捷性，對實際開采工作具有重大指導(dǎo)意義。

6 結(jié)論

（1）提出工作面坐標(biāo)系變換的方法，通過三維坐標(biāo)變換的方式將慣導(dǎo)系統(tǒng)的坐標(biāo)與工作面坐標(biāo)變換到同一坐標(biāo)系內(nèi)，為數(shù)據(jù)交互、矯正提供支撐。

（2）提出地質(zhì)模型動態(tài)修正的方法，將地質(zhì)模型與各子系統(tǒng)異構(gòu)融合，通過數(shù)據(jù)交互，保障地質(zhì)模型能夠動態(tài)更新，并及時輸出更新數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)工作面設(shè)備開采提供重要依據(jù)。

（3）提出規(guī)劃截割的算法。通過獲取地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，建立規(guī)劃截割模型，根據(jù)地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，輸出規(guī)劃截割曲線，控制采煤設(shè)備按照規(guī)劃截割曲線完成截割動作。