董 博 ，李 旭 ，史 云 ，李 磊 ，喬佳妮

（1.西安合智宇信息科技有限公司，陜西 西安 710075；2.陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 714000）

煤炭作為中國的能源基石，一直在我國能源消費(fèi)中占主體地位[1]。為實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全高效開采，亟需建設(shè)智能化礦井。煤礦地質(zhì)工作是透明地質(zhì)建模技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)[2]，根據(jù)煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)建立地質(zhì)保障系統(tǒng)，可以為煤礦安全高效抽采提高有力保障。

地質(zhì)保障系統(tǒng)是通過勘探技術(shù)查明地層的地質(zhì)信息及其約束條件，建立三維地質(zhì)模型[3]，直觀立體地為油氣勘探、礦井開采、工程建設(shè)、環(huán)境災(zāi)害預(yù)測(cè)等工作提供基礎(chǔ)參考[4-5]。通過查明煤層厚度、傾角及斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造情況[6]，利用建模軟件構(gòu)建地質(zhì)保障系統(tǒng)，為煤礦安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)[7]。在煤礦規(guī)劃過程中，依據(jù)地質(zhì)保障系統(tǒng)，可以規(guī)劃安全開采技術(shù)方案，在斷層、褶皺、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造處適當(dāng)修改開采方式，實(shí)現(xiàn)安全高效開采，避免資源浪費(fèi)。在開采過程中將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返回地質(zhì)保障系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過不斷更新與修正[8]，增強(qiáng)其自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，通過自動(dòng)修正完成動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探、GIS 系統(tǒng)建立及災(zāi)害因素預(yù)測(cè)等功能[9-11]。

針對(duì)地質(zhì)保障系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的技術(shù)研究與工程實(shí)踐。王世斌等[11]、毛明倉等[12]、 李 鵬 等[13]利 用 MySQL8.0、 VS2019、OpenGL 等開發(fā)了陜煤集團(tuán)煤礦的地質(zhì)保障系統(tǒng)，構(gòu)建了三維模型并動(dòng)態(tài)修正，實(shí)現(xiàn)了隱蔽致災(zāi)因素查詢、礦井災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能；谷保澤等[14]利用地質(zhì)智能探測(cè)技術(shù)構(gòu)建三維多屬性模型；劉小雄等[15-16]為解決巷道泥巖頂板區(qū)域制約掘進(jìn)效率的問題，提出基于地質(zhì)保障技術(shù)的高效快速掘進(jìn)方法；劉再斌等[17-18]針對(duì)現(xiàn)存地質(zhì)保障系統(tǒng)中數(shù)據(jù)來源多、開發(fā)語言不統(tǒng)一、煤礦適用性差的問題，提出三層開發(fā)架構(gòu)的微服務(wù)地質(zhì)保障系統(tǒng)；劉結(jié)高等[19]基于唐家會(huì)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜的現(xiàn)狀，構(gòu)建了以隨掘隨震等五項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)的透明地質(zhì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自主截割和自主規(guī)劃等功能；董書寧等[20]從基礎(chǔ)地質(zhì)勘查、GIS 系統(tǒng)、隱蔽致災(zāi)因素等方面入手，分析了智能開采所面臨的難題，論述了可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)感知等功能的地質(zhì)保障技術(shù)體系的可靠性。地質(zhì)保障技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于煤礦智能開采工作面，但大多數(shù)煤礦只將其用于基礎(chǔ)地質(zhì)信息勘探、隱蔽致災(zāi)因素分析等功能[21-22]，地質(zhì)保障系統(tǒng)的構(gòu)建可以為煤礦安全規(guī)劃與高效開采提供可視化數(shù)據(jù)與模型支撐。

1 基于三維模型的地質(zhì)保障系統(tǒng)

1.1 地質(zhì)勘探技術(shù)

1）巷道揭露測(cè)量技術(shù)。巷道掘進(jìn)過程中揭露出部分?jǐn)鄬印Ⅰ薨櫼约懊簩幼儽〉犬惓５刭|(zhì)信息，煤層較厚時(shí)，掘進(jìn)巷道斷面在頂?shù)装逯畠?nèi)，存在大量留煤；煤層較薄時(shí)，掘進(jìn)巷道斷面大于煤層厚度，存在割底切頂現(xiàn)象；煤層厚度與巷道斷面相同時(shí)，無留煤現(xiàn)象，根據(jù)割煤后露出的頂?shù)装蹇梢耘袛嗝簩拥刭|(zhì)基本情況。巷道揭露測(cè)量技術(shù)就是在掘進(jìn)過程中將所有頂?shù)酌禾匠?，從而判斷煤層的厚度、傾角以及異常地質(zhì)情況，完整構(gòu)建出巷道的地質(zhì)信息模型。

2）鉆孔探測(cè)技術(shù)。在地質(zhì)勘探過程中，僅依靠巷道揭露技術(shù)難以完整探測(cè)出煤層地質(zhì)信息，因此需要依靠煤層鉆孔進(jìn)行進(jìn)一步探測(cè)；在煤礦開采之前，為預(yù)防瓦斯災(zāi)害、水害等，會(huì)布置大量的鉆孔，利用布置合理得當(dāng)?shù)你@孔可以采前預(yù)抽瓦斯，達(dá)到卸壓瓦斯的效果，通過鉆孔實(shí)現(xiàn)探放水與構(gòu)造探測(cè)的功能；這些鉆孔分為順層鉆孔與穿層鉆孔，根據(jù)其布置方式的不同又可分為平行鉆孔與扇形鉆孔等，除去利用鉆孔實(shí)現(xiàn)抽放瓦斯、探放水以外，還可以根據(jù)鉆孔在煤層或巖層中的受力與形變探測(cè)異常地質(zhì)構(gòu)造，通過在鉆孔中布置成像裝置分析鉆孔結(jié)構(gòu)，探測(cè)裂隙、離層等地質(zhì)信息。

3）槽波地震勘探技術(shù)。槽波地震由于其自身特殊性質(zhì)能快速精準(zhǔn)探測(cè)出地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)，一般用于工作面內(nèi)地質(zhì)信息的探測(cè)；在巷道內(nèi)布置地震接收點(diǎn)及激發(fā)點(diǎn)，可以探測(cè)出工作面的地質(zhì)構(gòu)造以及斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造異常地帶，還可以用來探測(cè)煤層厚度變化、陷落柱等。通過槽波頻散分析和速度成像，可以估測(cè)出井下高地壓地帶與高瓦斯地帶，為井下瓦斯防治與地壓管理提供依據(jù)。

1.2 三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)模型的建立主要分為構(gòu)造建模與屬性建模2 種類型，在煤礦智能工作面建模時(shí)選擇構(gòu)造建模的方式來構(gòu)建地質(zhì)模型。構(gòu)造建模包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析與模型構(gòu)建3 部分，構(gòu)造建模流程如圖1。

圖1 構(gòu)造建模Fig.1 Structural modeling

1）數(shù)據(jù)收集。數(shù)據(jù)收集是指收集井下所有地質(zhì)信息，包含巷道揭露、鉆孔探測(cè)與槽波地震勘探所探測(cè)的地質(zhì)情況及其他地質(zhì)信息，將其有機(jī)融合而形成的1 套完整的數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮各類探勘技術(shù)的長處，彌補(bǔ)各自的缺陷，為地質(zhì)模型提供較為精確的數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析是構(gòu)造建模中的重點(diǎn)，通過收集的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，綜合分析煤層起伏形態(tài)、斷層發(fā)育情況、陷落柱、沖刷帶展布、煤層分叉等；煤層起伏形態(tài)的分析是通過地質(zhì)資料對(duì)頂?shù)装宓雀呔€進(jìn)行約束，通過類比盤區(qū)頂?shù)装宓雀呔€，增加頂?shù)装寮s束信息，隨后繪制頂?shù)装宓雀呔€圖、煤厚等值線圖，基本確定煤層的起伏形態(tài)；斷層發(fā)育情況的分析是利用槽波地震勘探技術(shù)與煤層起伏形態(tài)進(jìn)行判斷，通過觀測(cè)巷道兩側(cè)、切眼斷層證據(jù)和瓦斯抽采鉆孔窺視等手段對(duì)斷層進(jìn)行再次確認(rèn)；陷落柱存在情況是通過槽波地震技術(shù)探測(cè)工作面內(nèi)可能存在的陷落柱，并通過鉆孔窺視、補(bǔ)打鉆孔、巖性分析等手段進(jìn)行確認(rèn)；沖刷帶展布，可以根據(jù)沖刷帶的形態(tài)進(jìn)行趨勢(shì)面分析，預(yù)測(cè)沖刷帶的范圍，結(jié)合巖性（含泥量）等信息判斷沖刷帶的范圍；煤層分叉則是根據(jù)寫實(shí)情況，判斷煤層分叉的性質(zhì)，結(jié)合盤區(qū)的地質(zhì)資料對(duì)分叉信息進(jìn)行綜合研究。

3）模型構(gòu)建。模型構(gòu)建是地質(zhì)數(shù)據(jù)收集與地質(zhì)數(shù)據(jù)分析的最終目的，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)地質(zhì)信息進(jìn)行模擬，主要步驟為輸入數(shù)據(jù)、確定邊界、建立斷層網(wǎng)格、建立地層面、建立線框模型、劃分網(wǎng)格、模型的優(yōu)化與展示等；具體步驟為：首先將數(shù)據(jù)分析后導(dǎo)入到建模系統(tǒng)中，通常數(shù)據(jù)形式為點(diǎn)數(shù)據(jù)、線數(shù)據(jù)和面數(shù)據(jù)及CAD 形式的數(shù)據(jù)格式；利用已經(jīng)布置的測(cè)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行工作面的切割，通過輸入的斷層數(shù)據(jù)連接插值成面，并進(jìn)行網(wǎng)格化；將地層層位數(shù)據(jù)與斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入并進(jìn)行插值計(jì)算，根據(jù)地層面、邊界、斷層等要素，建立三維地質(zhì)模型的線框模型，將已獲得的層面線框進(jìn)行網(wǎng)格剖面劃分網(wǎng)格。

1.3 地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)更新及三維可視化

1）動(dòng)態(tài)更新。模型的精度是建模的重要影響因素，由于數(shù)據(jù)信息量的不同，建立的模型精度也會(huì)有一定的差別；隨著工作面不斷開采，不斷揭露新的煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，基于4DGIS 地質(zhì)數(shù)據(jù)與模型的局部交互式編輯功能，結(jié)合煤巖層識(shí)別系統(tǒng)或者人工測(cè)量所獲取到的地質(zhì)揭露新數(shù)據(jù)，對(duì)煤層、斷層、陷落柱、老窯區(qū)、老巷，甚至瓦斯和水的空間位置進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)更新，實(shí)時(shí)修改、添加、刪除數(shù)據(jù)，并對(duì)高精度地質(zhì)模型進(jìn)行局部重構(gòu)，不斷融入煤礦生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度地質(zhì)信息。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體功能包括二三維聯(lián)動(dòng)更新、局部范圍更新重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的更新，使采煤機(jī)能夠更加準(zhǔn)確的獲取下一刀的切割曲線。系統(tǒng)模型動(dòng)態(tài)更新界面如圖2。

圖2 系統(tǒng)模型動(dòng)態(tài)更新界面Fig.2 System dynamic update interface

2）三維可視化。工作面三維地質(zhì)模型需要有1 個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行展示以及相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，在地質(zhì)基礎(chǔ)模型構(gòu)建完成后，需要開發(fā)1 套地質(zhì)可視化系統(tǒng)；綜合利用包括地面、鉆孔、井下等多種探測(cè)手段以及煤礦采掘活動(dòng)所獲得的地質(zhì)信息，查明影響開采的構(gòu)造條件、煤層變化及其他地質(zhì)異常體，利用點(diǎn)數(shù)據(jù)（如鉆孔、探煤點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)、實(shí)際煤層底板修改數(shù)據(jù)等）和邊界數(shù)據(jù)（如斷層、礦區(qū)邊界、富水區(qū)、高瓦斯區(qū)、突水區(qū)、老空區(qū)、采空區(qū)等），快速生成各個(gè)煤層、標(biāo)志層、含水層的三維模型，并連接形成體模型；結(jié)合地層巖性、結(jié)構(gòu)、沉積相等相關(guān)參數(shù)，綜合精細(xì)三維地震解釋資料，建立礦井多地層真三維地質(zhì)模型。

2 基于大數(shù)據(jù)分析的智能決策平臺(tái)

2.1 自適應(yīng)開采技術(shù)

工作面采煤工藝需要工作面關(guān)鍵設(shè)備之間的配合，如采煤機(jī)采用記憶割煤進(jìn)行自動(dòng)割煤，而液壓支架根據(jù)采煤機(jī)的位置信息進(jìn)行自動(dòng)跟機(jī)作業(yè)，整個(gè)生產(chǎn)過程無須人員操作，完全由這2 套設(shè)備的控制系統(tǒng)自主完成。由于液壓支架系統(tǒng)是由多臺(tái)液壓支架組成，每1 臺(tái)液壓支架都既是1個(gè)獨(dú)立的作業(yè)單元，也是整個(gè)支架系統(tǒng)1 個(gè)子系統(tǒng)，通過大量數(shù)據(jù)樣本決策出最優(yōu)的跟機(jī)作業(yè)工藝，不僅能提升工作面的自動(dòng)化與智能化水平，同時(shí)也能發(fā)揮工作面設(shè)備的最大效能。

因此，在基于地質(zhì)模型的開采數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，提取頂?shù)装甯叨?、推進(jìn)度和俯仰角度、工作面走向的傾角，建立開采數(shù)據(jù)樣本庫。對(duì)融合后的地質(zhì)及開采數(shù)據(jù)進(jìn)行影響因素的分析，采集推進(jìn)過程中各相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障情況、生產(chǎn)工藝調(diào)整特別是運(yùn)輸機(jī)的直線度、俯仰角度等進(jìn)行大數(shù)據(jù)樣本分析，可以為基于地質(zhì)模型的智能化、自適應(yīng)開采工藝最優(yōu)決策提供支撐?；诘刭|(zhì)模型的開采工藝大數(shù)據(jù)決策路線如圖3。

圖3 基于地質(zhì)模型的開采工藝大數(shù)據(jù)決策路線Fig.3 Decision route of mining technology big data based on geological model

2.2 協(xié)同開采技術(shù)

根據(jù)多維度地質(zhì)CT 網(wǎng)格地質(zhì)信息，生成工作面的地理模型，并將采煤機(jī)、支架等設(shè)備三維模型，按照實(shí)際位置擺放至多維度地質(zhì)三維可視化模型中。功能架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 功能架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Functional architecture design

通過實(shí)時(shí)獲取設(shè)備開采數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與多維度工作面三維可視化模型的交互融合，利用綜采工作面主要設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和開采工藝腳本設(shè)計(jì)，可以直觀地將多維度地質(zhì)工作面CT 切片模型和采煤機(jī)位置、速度、牽引方向，以及全部支架的姿態(tài)動(dòng)作信息展示出來，從而實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備智能感知、設(shè)備定位及采煤過程中采煤機(jī)、支架、運(yùn)輸三機(jī)的協(xié)同開采及展示功能，實(shí)現(xiàn)多維度可視化模型與工作面精準(zhǔn)控制的協(xié)同開采。

基于多維度地質(zhì)三維CT 的模型、煤層結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化數(shù)據(jù)的坐標(biāo)定位和轉(zhuǎn)換，通過各設(shè)備實(shí)時(shí)開采數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)每個(gè)設(shè)備獨(dú)立的開采三維模型和驅(qū)動(dòng)腳本，在大數(shù)據(jù)邏輯處理模塊內(nèi)處理各個(gè)設(shè)備之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工作面三維模型協(xié)同開采。

2.3 模型修正技術(shù)

在基于地質(zhì)模型的開采數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，提取頂?shù)装甯叨?，結(jié)合雷達(dá)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋的采高臥底位置，同時(shí)結(jié)合開采數(shù)據(jù)及輔助校準(zhǔn)（慣導(dǎo)、雷達(dá)的精準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)）建立數(shù)據(jù)樣本庫，并根據(jù)設(shè)備姿態(tài)及輔助測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)多維度地質(zhì)模型進(jìn)行優(yōu)化修正。

1）設(shè)備感知融合技術(shù)。視頻系統(tǒng)為智能視頻圖像處理提供了視覺數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，工作面設(shè)計(jì)位置安裝部署雷達(dá)，按照工作面雷達(dá)垂直方向大角度、水平方向270°掃描的激光，此激光脈沖在到達(dá)工作面擋板和采煤機(jī)的搖臂上經(jīng)過反射，通過計(jì)算各個(gè)點(diǎn)反射光返回的時(shí)間，計(jì)算工作面和搖臂的姿態(tài)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計(jì)算和數(shù)字建模，基于視頻技術(shù)對(duì)綜采設(shè)備安全感知、定位的雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行輔助校準(zhǔn)控制；智能慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在采煤機(jī)上，采用精度不低于1.0×10-3rad 的慣性定位裝置，實(shí)現(xiàn)精確到±50 mm 的工作面對(duì)齊調(diào)直控制。通過采煤機(jī)推移行程數(shù)據(jù)、采煤機(jī)自身編碼器、圖像識(shí)別和慣性導(dǎo)航對(duì)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，系統(tǒng)生成刮板運(yùn)輸機(jī)位置曲線。電液控制器執(zhí)行控制平臺(tái)發(fā)出的調(diào)直指令，通過精準(zhǔn)推移，達(dá)到工作面調(diào)直的目的。

2）開采模型修正技術(shù)。根據(jù)建立的三維地質(zhì)模型設(shè)計(jì)開采系統(tǒng)，開采過程中分析采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)對(duì)工作面推進(jìn)的影響，結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)出的數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)學(xué)習(xí)程序，通過對(duì)運(yùn)行邏輯的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身更新與修正。模型修正具體實(shí)施方案如圖5。

圖5 模型修正技術(shù)路線圖Fig.5 Model revision technology roadmap

3 基于模塊控制的自主規(guī)劃及高效開采

3.1 系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)安全高效規(guī)劃開采方法，首先對(duì)采煤機(jī)的工作方式進(jìn)行優(yōu)化，在已建立的地質(zhì)保障系統(tǒng)基礎(chǔ)上錄入修正信息，同步優(yōu)化采煤機(jī)工作方式。通過在電控箱內(nèi)安裝慣性導(dǎo)航，對(duì)采煤機(jī)在工作面的相對(duì)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和分析，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自主定位與斷電記憶功能。利用姿態(tài)定位，采用CAN 總線和5G 遠(yuǎn)程通信，對(duì)采煤機(jī)升級(jí)改造，遠(yuǎn)程控制時(shí)增加了通信距離與響應(yīng)速率。加裝采煤機(jī)搖臂、行星頭的油溫、油位、溫度、震動(dòng)、絕緣傳感器，利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)行工況的在線監(jiān)測(cè)，通過煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)加裝“22 象限”記憶截割、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸軟件與第三方數(shù)據(jù)通信軟件后，實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)割煤與兩個(gè)端頭的自動(dòng)斜切、割三角煤、清浮煤等功能，以及各個(gè)割煤動(dòng)作的自由切換，采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化思路如圖6。

圖6 采煤機(jī)自動(dòng)化總體思路Fig.6 General idea of shearer automation

液壓支架作為采煤工藝過程的重要組成設(shè)備之一，其自身性能的優(yōu)化至關(guān)重要，利用電液控制系統(tǒng)提高液壓支架工作效率。通過在液壓支架控制器之間采用UART 傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳自動(dòng)化平臺(tái)時(shí)間小于100ms。電液控制系統(tǒng)使用modbus TCP 通信協(xié)議，以太網(wǎng)、RJ45 接口，通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液壓支架狀態(tài)測(cè)量功能、數(shù)據(jù)雙向傳輸功能、無線遙控功能、自適應(yīng)控制能力、跟機(jī)智能化和自動(dòng)補(bǔ)壓功能。

3.2 工作面自動(dòng)化控制

依托于地質(zhì)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作面自動(dòng)規(guī)劃具體設(shè)計(jì)方法為：利用綜采設(shè)備負(fù)荷平衡控制模型控制采煤機(jī)的運(yùn)行速度，以綜采工作面裝備狀態(tài)正常為基本條件，以采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)速度為控制對(duì)象，以產(chǎn)量-能耗比最大化為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備的負(fù)荷平衡控制。在綜采工作面裝備進(jìn)入?yún)f(xié)同控制模式之前，綜采設(shè)備應(yīng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)地質(zhì)保障系統(tǒng)提供的綜采設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，對(duì)下一時(shí)間范圍內(nèi)的裝備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)；根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算預(yù)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的產(chǎn)量/能耗比指標(biāo)。如果計(jì)算結(jié)果滿足已有綜采設(shè)備性能約束條件下的最優(yōu)解，則采煤機(jī)的運(yùn)行速度不變；反之，則對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行優(yōu)化。具體過程包括：判斷當(dāng)前刮板輸送機(jī)負(fù)載狀態(tài)，使得刮板輸送機(jī)的性能狀態(tài)在節(jié)約能量和負(fù)載保護(hù)之間實(shí)現(xiàn)平衡；判斷采煤機(jī)牽引部和截割部的負(fù)載狀態(tài)，使得采煤機(jī)牽引部和截割部的性能狀態(tài)在能量消耗和負(fù)載保護(hù)之間實(shí)現(xiàn)平衡。

3.3 模塊的統(tǒng)計(jì)與分析

使用IMS 平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行開采數(shù)據(jù)采集分析模型，實(shí)現(xiàn)工況數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和關(guān)聯(lián)。統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)架構(gòu)模型如圖7。

圖7 統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)架構(gòu)Fig.7 Statistical service architecture

利用Haproxy+Keepalived 高可用數(shù)據(jù)接收處理框架，進(jìn)行工況數(shù)據(jù)的接收和分類存儲(chǔ)。采用EMQ 實(shí)現(xiàn)分布式集群模式，靈活部署多個(gè)節(jié)點(diǎn)，抗壓能力強(qiáng)穩(wěn)定性強(qiáng)、可確保7? 24 運(yùn)行，依靠與Haproxy+Keepalived 實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡與高可用，解決數(shù)據(jù)延遲和并發(fā)的問題。

IMS 安全服務(wù)解析對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，過濾XSS、ARP、SQL 注入等，將解析后的數(shù)據(jù)再次發(fā)布導(dǎo)基于MQTT5.0 的消息隊(duì)列服務(wù)。系統(tǒng)采取微服務(wù)節(jié)點(diǎn)訪問模式運(yùn)行，通過對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)訪問控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離與功能隔離，即只需要進(jìn)行用戶級(jí)別的軟配置即可使用，對(duì)數(shù)據(jù)訪問控制、功能的訪問控制有著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)則和匹配模式。

系統(tǒng)的各類報(bào)表統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)、礦壓統(tǒng)計(jì)、礦壓統(tǒng)計(jì)等利用算法系統(tǒng)提供的龐大算力進(jìn)行支持，可以高效生成結(jié)果數(shù)據(jù)及多維度報(bào)表。

統(tǒng)計(jì)分析模塊是以多個(gè)算法執(zhí)行計(jì)算，最終展示給用戶的直觀方法。報(bào)表以日、月、年為周期，定時(shí)上報(bào)各種數(shù)據(jù)。

3.4 設(shè)備空間導(dǎo)航技術(shù)

系統(tǒng)主要由慣性導(dǎo)航模塊、傳輸系統(tǒng)、工作面的設(shè)備空間導(dǎo)航系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)組成示意圖如圖8。

圖8 系統(tǒng)組成示意圖Fig.8 Schematic diagram of system composition

將慣導(dǎo)系統(tǒng)的煤機(jī)行進(jìn)路線曲線計(jì)算結(jié)果，與預(yù)切割路線進(jìn)行比對(duì)，對(duì)預(yù)切割曲線進(jìn)行加權(quán)修正，并將慣導(dǎo)系統(tǒng)記錄的切割曲線信息打包、封存，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送至地面大數(shù)據(jù)中心，大數(shù)據(jù)運(yùn)算中心將切割曲線信息與預(yù)切割曲線、煤機(jī)工況數(shù)據(jù)、增強(qiáng)可視化數(shù)據(jù)模型等進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，判定慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)切割曲線修正的權(quán)值，綜合慣導(dǎo)曲線數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代加權(quán)修正。

綜采工作面直線度測(cè)量系統(tǒng)由高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、里程計(jì)、不間斷電源、上位機(jī)及軟件組成。其中，導(dǎo)航系統(tǒng)和不間斷電源在煤機(jī)的電控箱內(nèi)安裝，里程計(jì)安裝于煤機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，上位機(jī)安裝于控制室內(nèi)，也可以直接使用控制室內(nèi)的上位機(jī)。系統(tǒng)的信號(hào)通過煤機(jī)的CAN 總線進(jìn)行傳輸。

3.5 工程應(yīng)用

目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)公司二號(hào)煤礦，運(yùn)行成果表明：在實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)礦方的地測(cè)管理、機(jī)電管理、通防管理、生產(chǎn)設(shè)計(jì)、智能開采和指揮決策提供了應(yīng)用支撐，降低了開采當(dāng)中因地質(zhì)災(zāi)害可能造成的人員設(shè)備的損傷風(fēng)險(xiǎn)和停工停產(chǎn)損失。

4 結(jié) 語

1）通過巷道揭露、鉆孔勘探、槽波地震3 種方式對(duì)地層地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，對(duì)地質(zhì)信息的收集與匯總建立數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)分析繪制等高線圖等二維地質(zhì)信息圖，搭建了三維地質(zhì)模型。

2）通過將現(xiàn)有的自動(dòng)化集成系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)與地質(zhì)模型收集等多源信息融合，構(gòu)建智能開采模型，進(jìn)行智能決策，將這些決策不斷迭代與完善，生成了大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)決策平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤過程的精準(zhǔn)控制。

3）通過對(duì)采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備及其控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制不同模塊，實(shí)現(xiàn)了工作面開采精準(zhǔn)控制與各模塊統(tǒng)計(jì)與分析，并通過慣導(dǎo)系統(tǒng)提高控制精度、對(duì)數(shù)據(jù)迭代修正，完成了安全規(guī)劃與高效開采的目的。