基于三維地質模型的煤礦智能開采規劃截割技術研究

孫鵬亮 宋冰清 常圣強 郭 剛

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

1 研究背景

隨著煤礦智能化開采技術的推廣應用，記憶截割技術成為現階段廣泛使用的采煤機控制技術，記憶截割控制技術是以采煤機通過人工示范刀的方式對采煤機的采高數據進行機器記憶、學習，學習過程全流程暢通，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，記憶截割學習過程的數據為已采過的煤層數據，對于煤層變化較快的工作面在適應性方面存在較大問題，規劃截割技術的研發可以有效解決該類技術問題。通過集中控制系統采集的地質數據信息和工況信息，由集中控制系統進行分析計算，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劃截割曲線，采煤機可以按照規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，更好地適應煤層的變化，對煤機的智能化控制起到重要作用。

2 規劃截割技術體系架構

規劃截割技術是一種基于采煤機、地理信息系統、慣性導航系統、工作面設備上竄下滑監測系統、集中控制系統等多系統聯動的智能控制技術，應在建立統一的監測控制模型基礎上，輸出最終的規劃截割曲線。其核心技術主要包括慣導系統與設備系統一體化坐標變換、工作面三維地質模型動態修正、規劃截割曲線繪制等[5]，系統架構如圖1 所示。

圖1 規劃截割技術系統架構圖

基于該架構的規劃截割技術以集中控制系統為核心，實現對采煤機、慣導、上竄下滑等子系統的數據采集和交互，并將采集的數據反饋給地理信息系統，地理信息系統將控制系統反饋的數據與模型結合，再將新的地質模型數據輸入集中控制系統，集中控制系統根據規劃控制模型輸出規劃截割曲線。集中控制單向采集采煤機等各子系統數據，同時與地理信息系統雙向數據交互，最終根據集中控制系統的規劃控制模型單向輸出規劃截割曲線。同時，集中控制系統設有兩巷煤層起伏變化的寫實數據修正接口，通過直接輸入參數方式獲取兩巷煤層起伏變化的寫實數據，提升工作面煤層起伏變化的真實性，為指導設備按照煤層起伏變化開采提供依據。

3 坐標系變換

工作面坐標系統是實現對全部設備數據采集及處理的基礎，只有將工作面地質模型、設備位置、慣導坐標均統一在一個坐標系內才能實現各設備位置關系的統一。工作面地質模型與設備模型可在一個坐標系內確定相互位置關系，但慣導系統為獨立的坐標系，因此需要將慣導系統的坐標系與工作面環境坐標系進行變換、統一。兩個坐標系的位置關系如圖2 所示。

圖2 多系統空間坐標系位置關系圖

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

設矩陣A 為A 坐標系下公共點的三維坐標，矩陣B為B 坐標系下公共點的三維坐標。由三維坐標轉換模型可得，A、B 兩坐標系的三維坐標轉換方程如下：

其中：Δx、Δy、Δz表示坐標原點的平移量，k為尺度因子，R為A 站位到 B 站位的旋轉矩陣。則根據該公式，將工作面慣導系統的坐標和地質模型及設備的坐標實現統一變換，轉換同一坐標系。變換結果如表1 所示。

表1 慣導及工作面坐標變換表

4 模型修正

采煤工作面通過高密度三維地震、井下槽波、井下寫實等技術手段獲取初始工作面模型數據，初始的工作面模型的頂底板標高數據主要來源于最初的數據融合結果。通過工程勘測手段獲取的底板數據、煤厚變化趨勢數據進行數據融合，形成一個較為準確的初始模型。但是，在回采過程中，通過現場實際探頂底煤的數據分析可以看出，模型的原始誤差有差異。工作面進行實際探頂底的數據表如表2 所示。

表2 工作面實際模型數據與開采披露后的誤差數據表

由表2 可以看出，在探頂煤的數據中，模型原始絕對誤差在40 架處，底板誤差為0.16m。從底板數據整體來看，數據一致性好，工作面底板平整，角度變化不大，與巷道寫實數據一致；從頂板數據來看，10 ～90 架之間頂板趨勢與模型趨勢基本一致。

根據集中控制系統反饋的實際工況數據值，更新頂、底板的修正值，同時系統模型更新等高線及模型結構，獲得新的煤層底板標高。地理信息系統將更新后的頂底板數據實時生成到數據庫中，供后續規劃截割程序調用。根據更新后的動態煤層數據，重新生成三維煤層模型，如圖3所示。地理信息系統將模型數據發送給集中控制系統，集中控制系統根據三維地質模型數據，指導工作面設備的相關動作，實現規劃截割開采[6-7]。

圖3 工作面地質模型及煤層模型圖

5 規劃截割算法

集中控制系統在接收地理信息系統提供的工作面頂、底板模型數據后需進一步處理，對工作面頂、底板數據進行有效的曲線繪制[8]。地質模型數據為離散型數據，地理信息系統提供的采高數據為離散的點位值，采煤機在工作面行走過程是連續狀態，因此采煤機控制系統在接收數據時需要提供連續點位值。同時，采煤機的點位值以采煤機自身的坐標系為基準，該坐標系為二維長度、高度坐標。在該坐標系內，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，連續確定不同位置的采煤機姿態值。采煤機在機頭某個位置確定為基準零點，如果向機頭方向超過該位置，則在采煤機坐標系內為負值。地理信息系統提供的數據為離散點位，其精度和坐標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對各點位值密度及坐標進一步轉換，為采煤機提供可執行的操作命令。集中控制系統的規劃截割算法可根據采煤機的特殊要求，建立規劃截割模型，對地理信息系統提供的數據進一步優化處理，處理完成后發送給采煤機。

首先，集中控制系統的規劃截割功能需具備坐標變換能力，將三維地理信息系統的坐標基于采煤機的二維長度、高度坐標進行轉換。其次，規劃截割功能具備規劃采煤機前后滾筒割煤曲線的擬合能力，通過建立規劃截割模型，將地理信息系統離散坐標點擬合成連續的坐標點位，并輸入采煤機系統。系統間坐標變換可參照三維空間坐標變換的方式，進一步縮減為二維空間坐標變換，實現地理信息系統數據與采煤機系統數據的對接。采煤機標定初始設計以第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 架中心點對應具體距離為點位的輸出。

該數據為每10 個支架的離散點數據，根據上述原理，將每10 架數據細化為每架數據，形成每個液壓支架對應的數據，包括采煤機位置數據和對應的頂、底板高度值。規劃截割需將上述數據進行連續化處理，根據最小二乘法，擬合連續曲線。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：

根據上述曲線對應的連續點位，形成采煤機連續位置數據，將該數據下發給采煤機系統。該數據為融合地質模型頂、底板數據和采煤機對應的工作面位置數據，其數據在精度和準確性方面較記憶截割數據有較大提升，克服了記憶截割功能對環境適應能力差、反復學習等諸多缺點，提高了開采效率和操作的連續性和便捷性，對實際開采工作具有重大指導意義。

6 結論

（1）提出工作面坐標系變換的方法，通過三維坐標變換的方式將慣導系統的坐標與工作面坐標變換到同一坐標系內，為數據交互、矯正提供支撐。

（2）提出地質模型動態修正的方法，將地質模型與各子系統異構融合，通過數據交互，保障地質模型能夠動態更新，并及時輸出更新數據，為指導工作面設備開采提供重要依據。

（3）提出規劃截割的算法。通過獲取地質模型數據，建立規劃截割模型，根據地質模型數據，輸出規劃截割曲線，控制采煤設備按照規劃截割曲線完成截割動作。