本發(fā)明涉及綜采工作面截割規(guī)劃方法與裝置，根據(jù)煤層頂?shù)装鍞?shù)字高程模型(dem)自動(dòng)生成綜采工作面截割路徑，屬于煤礦無(wú)人化開采。

背景技術(shù)：

1、煤礦無(wú)人化開采是我國(guó)煤炭開采領(lǐng)域研究的重要問題，是實(shí)現(xiàn)煤炭安全開采、減少人員傷亡的重要途徑。目前，自動(dòng)化綜采工作面常用的采煤技術(shù)是記憶截割技術(shù)。它的原理是：采煤機(jī)司機(jī)操控采煤機(jī)使?jié)L筒沿著煤層的起伏完成首次截割，采煤機(jī)的控制系統(tǒng)會(huì)記錄采煤機(jī)的行程位置和截割高度等信息，在后續(xù)的截割過(guò)程中，采煤機(jī)會(huì)根據(jù)控制系統(tǒng)記錄的采煤機(jī)的行程位置和截割高度等信息完成自動(dòng)截割。然而當(dāng)煤層傾角發(fā)生較大變化時(shí)，則必須由采煤機(jī)司機(jī)重新操控采煤機(jī)完成截割，控制系統(tǒng)則會(huì)重新記錄采煤機(jī)的行程位置和截割高度等信息，作為后續(xù)截割的依據(jù)。記憶截割技術(shù)雖然方法簡(jiǎn)單，但更適用于煤層變化不大的情況，在煤層條件復(fù)雜的情況下，需要頻繁人機(jī)交互，未能實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人化開采。

2、為了解決上述問題，許多學(xué)者提出一系列綜采工作面截割路徑規(guī)劃方法，但目前的綜采工作面截割路徑規(guī)劃方法，皆是對(duì)工作面方向或工作面推進(jìn)方向路徑分開進(jìn)行優(yōu)化，不能使兩個(gè)方向路徑同時(shí)滿足綜采裝備與截割空間約束限制，因此需要提供一種針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)不足的改進(jìn)技術(shù)方案。

3、專利號(hào)為:zl?202110680453.3的中國(guó)專利針對(duì)現(xiàn)有采煤機(jī)割煤路徑優(yōu)化方法對(duì)綜采工作面前方煤層空間形態(tài)變化的適應(yīng)性較差的問題。提供了一種綜采工作面的采煤機(jī)后滾筒自適應(yīng)截割路徑規(guī)劃方法，該技術(shù)可以根據(jù)一系列約束條件確定出刮板輸槽可選推進(jìn)路徑，并結(jié)合可選推進(jìn)路徑與刮板槽垂直彎曲度，規(guī)劃出最優(yōu)截割路徑。

4、專利號(hào)為:zl?202310347385.8的中國(guó)專利針對(duì)采煤路徑規(guī)劃中軌跡點(diǎn)數(shù)量影響采煤機(jī)采煤過(guò)程中的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的技術(shù)問題，公開了一種采煤機(jī)截割滾筒高度路徑規(guī)劃方法，該技術(shù)可以根據(jù)煤層邊界信息構(gòu)建截割特征向量并進(jìn)行聚類獲得一系列邊界區(qū)間，通過(guò)優(yōu)化算法優(yōu)化獲得最優(yōu)軌跡點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行截割滾筒高度路徑規(guī)劃。

5、專利號(hào)為:zl?201910291920.6的中國(guó)發(fā)明專利克服現(xiàn)有記憶截割技術(shù)的不足之處，提供一種方法簡(jiǎn)單、操作方便、能自動(dòng)生成無(wú)人采煤的最優(yōu)化路徑的基于工作面高精度導(dǎo)航模型的無(wú)人采煤路徑規(guī)劃方法。

6、但是上述專利均沒有解決融合煤層底板、煤層頂板、工作面方向、工作面推進(jìn)方向四個(gè)維度的綜采工作面截割路徑規(guī)劃的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種能根據(jù)煤層頂?shù)装鍞?shù)字高程模型(dem)自動(dòng)生成截割規(guī)劃路徑的綜采工作面截割規(guī)劃方法與裝置，該方法能夠在考慮割矸量、漏采量的基礎(chǔ)上，合理地消除不滿足綜采裝備姿態(tài)與截割空間約束的異常點(diǎn)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)手段：

3、一種綜采工作面截割規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、s1、根據(jù)綜采裝備姿態(tài)與截割空間約束限制建立綜采裝備與截割空間約束模型；

5、s2、將原始煤層dem數(shù)據(jù)按刮板輸送機(jī)中部槽長(zhǎng)度、采煤機(jī)截深大小重新網(wǎng)格化，獲得以刮板機(jī)中部槽長(zhǎng)度、采煤機(jī)截深為網(wǎng)格大小的煤層頂?shù)装寰W(wǎng)格dem數(shù)據(jù)，利用綜采裝備與截割空間約束模型遍歷該dem數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)點(diǎn)，將坐標(biāo)點(diǎn)分類為正常坐標(biāo)點(diǎn)與煤層底板異常點(diǎn)，再將煤層底板異常點(diǎn)劃分成不同區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域下，將每個(gè)煤層底板異常點(diǎn)的優(yōu)化高程值看作決策變量，將綜采裝備姿態(tài)與截割空間約束限制看作約束條件，將最小割矸量與最小漏采量看作目標(biāo)函數(shù)，建立煤層底板優(yōu)化模型；利用nsga2算法求解既能滿足約束條件數(shù)學(xué)模型又能滿足割矸量與漏采量要求的煤層底板異常點(diǎn)高程值，優(yōu)化后的煤層底板異常點(diǎn)與煤層底板正常坐標(biāo)點(diǎn)共同組成煤層底板截割坐標(biāo)點(diǎn)dem數(shù)據(jù)，將該dem數(shù)據(jù)沿工作面方向依次相連獲得煤層底板截割規(guī)劃路徑；

6、s3、將步驟s2獲得的煤層底板截割坐標(biāo)點(diǎn)dem數(shù)據(jù)和原始煤層頂板dem數(shù)據(jù)按照液壓支架中心距、液壓支架長(zhǎng)度重新網(wǎng)格化，獲得以液壓支架中心距、液壓支架長(zhǎng)度為網(wǎng)格大小的煤層頂、底板網(wǎng)格dem數(shù)據(jù)，利用綜采裝備與截割空間約束模型遍歷該dem數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)點(diǎn)，將坐標(biāo)點(diǎn)分類為正常坐標(biāo)點(diǎn)與煤層頂板異常點(diǎn)，再將煤層頂板異常點(diǎn)劃分成不同區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域下，將每個(gè)煤層頂板異常點(diǎn)的優(yōu)化高程值看作決策變量，將綜采裝備姿態(tài)與截割空間約束限制看作約束條件，將最小割矸量與最小漏采量看作目標(biāo)函數(shù)，建立煤層頂板優(yōu)化模型，利用nsga2算法求解既能滿足約束條件數(shù)學(xué)模型又能滿足割矸量與漏采量要求的煤層頂板異常點(diǎn)高程值，優(yōu)化后的煤層頂板異常點(diǎn)與煤層頂板正常坐標(biāo)點(diǎn)共同組成煤層頂板截割坐標(biāo)點(diǎn)dem數(shù)據(jù)，將該截割坐標(biāo)點(diǎn)dem數(shù)據(jù)沿工作面方向依次相連即獲得煤層頂板截割規(guī)劃路徑，所述煤層頂板截割規(guī)劃路徑和煤層底板截割規(guī)劃路徑共同組成綜采工作面截割規(guī)劃路徑。

7、步驟s1具體包括以下子步驟：

8、s11、針對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽不能超過(guò)最大垂直彎曲度的問題，以刮板輸送機(jī)中部槽最大垂直彎曲度為閾值限制工作面方向相鄰截割底板曲線角度差kw；

9、

10、式中，zf為截割底板坐標(biāo)點(diǎn)高程值，單位m；下標(biāo)j為工作面方向坐標(biāo)序號(hào)；下標(biāo)i為工作面推進(jìn)方向坐標(biāo)序號(hào)；l1為刮板輸送機(jī)中部槽長(zhǎng)度(m)；kwmax為刮板輸送機(jī)最大垂直彎曲度(°)，取3°；

11、s12、針對(duì)刮板輸送機(jī)推移不順暢的問題，以煤層最大臺(tái)階高度mmax為閾值限制工作面推進(jìn)方向相鄰兩截割底板坐標(biāo)點(diǎn)高程差m；

12、

13、式中，y為截割底板網(wǎng)格坐標(biāo)點(diǎn)縱坐標(biāo)值，單位m；l2為采煤機(jī)截深，單位m；mmax為截割底板最大臺(tái)階高度，單位m，取0.1m；

14、s13、針對(duì)液壓支架咬架與漏矸的問題，通過(guò)相鄰截割底板曲線之間的角度與液壓支架高度、寬度等參數(shù)之間的幾何關(guān)系，計(jì)算出相鄰液壓支架頂部的間距，根據(jù)液壓支架頂部最大間距amax與最小間距amin限制液壓支架頂部間距；

15、

16、式中，zr為截割頂板坐標(biāo)點(diǎn)高程值，單位m；s為液壓支架水平間距；amax為液壓支架頂部最大間距，單位m，取0.2m；amin為液壓支架底部最小間距，單位m，取0m；

17、s14、針對(duì)液壓支架要垂直截割頂?shù)装宓膯栴}，以θmax為閾值限制相同坐標(biāo)位置下沿工作面方向截割頂板曲線與截割底板曲線角度差θ；

18、

19、式中，l3為液壓支架中心距，單位m；θmax為液壓支架最大歪斜角度，取5°；

20、s15、針對(duì)液壓支架頂梁俯仰角不能過(guò)大的問題，以γmax為閾值限制相同坐標(biāo)位置下工作面推進(jìn)方向截割頂板曲線與截割底板曲線的角度差γ；

21、

22、式中，l4為液壓支架長(zhǎng)度，單位m；γmax為液壓支架頂梁最大俯仰角，取7°；

23、式(1)-(5)共同組成綜采裝備與截割空間約束模型。

24、步驟s2具體包括以下子步驟：

25、s21、以刮板輸送機(jī)長(zhǎng)度l1和采煤機(jī)截深l2為網(wǎng)格大小將原始煤層頂?shù)装錮em數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，以刮板機(jī)長(zhǎng)度、采煤機(jī)截深為網(wǎng)格大小的頂?shù)装寰W(wǎng)格dem數(shù)據(jù)，從煤層底板坐標(biāo)原點(diǎn)開始，將煤層底板沿工作面方向第一、二、三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)帶入式(1)，若滿足，則將第二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記為正常坐標(biāo)點(diǎn)，若不滿足，則將第二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記為煤層底板異常點(diǎn)，以此類推，遍歷出所有超過(guò)刮板輸送機(jī)最大垂直彎曲度的煤層底板異常點(diǎn)；同理，將煤層底板沿工作面方向第一、二、三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)和煤層頂板沿工作面方向第二坐標(biāo)點(diǎn)帶入式(3)，遍歷出所有使液壓支架漏矸、咬架的煤層底板異常點(diǎn)；同理，將煤層底板沿工作面推進(jìn)方向第一、二、三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)帶入式(2)，遍歷出所有使刮板輸送機(jī)推移不順暢的煤層底板異常點(diǎn)；對(duì)于搜索出的煤層底板異常點(diǎn)，按照坐標(biāo)序號(hào)差值小于等于3為同一區(qū)域的原則，將煤層底板異常點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，獲得一系列底板異常區(qū)域；

26、s22、若煤層底板異常點(diǎn)優(yōu)化高程值大于原始高程值，則將該部分定義為底板漏采量，若小于，則定義為底板割矸量，以此建立煤層底板優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

27、

28、式中，gf為底板割矸量；lf為底板漏采量；zf為底板異常點(diǎn)原始高程值；zf*為煤層底板異常點(diǎn)優(yōu)化高程值；j(m1，...，mp)為煤層底板異常點(diǎn)橫坐標(biāo)網(wǎng)格序號(hào)；i(n1，…，nq)為煤層底板異常點(diǎn)縱坐標(biāo)網(wǎng)格序號(hào)；

29、s23、在步驟s21劃分的異常區(qū)域中，在某一異常區(qū)域下，假設(shè)有u個(gè)煤層底板異常點(diǎn)，高程值分別為zfji,其中j＝m1......mp，i＝n1......nq，規(guī)定式(6)為目標(biāo)函數(shù)，式(1)-(3)為約束條件，u個(gè)煤層底板異常點(diǎn)優(yōu)化高程值z(mì)fji*,其中j＝m1......mp，i＝n1......nq為決策變量，建立u維煤層底板異常點(diǎn)優(yōu)化模型；

30、

31、s24、依次對(duì)所述步驟s21中劃分出的每個(gè)底板異常區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，在同一異常區(qū)域下，建立相應(yīng)的式(7)優(yōu)化模型，利用非支配排序遺傳算法求解此模型，若找出最優(yōu)值，則繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)底板異常區(qū)域煤層底板異常點(diǎn)的優(yōu)化，直到所有區(qū)域全部?jī)?yōu)化完畢為止；若未找出，則將該底板異常區(qū)域向四周擴(kuò)展一個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)度重新進(jìn)行優(yōu)化，直到找到最優(yōu)解為止；優(yōu)化后的煤層底板異常點(diǎn)與正常坐標(biāo)點(diǎn)共同組成煤層底板截割坐標(biāo)點(diǎn)dem數(shù)據(jù)，將該dem數(shù)據(jù)沿工作面方向依次相連獲得煤層底板截割規(guī)劃路徑；

32、步驟s3具體包括以下子步驟：

33、s31、按照液壓支架中心距l(xiāng)3和液壓支架寬度l4為網(wǎng)格大小將步驟s31中獲得的煤層頂?shù)装褰馗钭鴺?biāo)點(diǎn)dem數(shù)據(jù)與原始煤層頂板dem數(shù)據(jù)重新網(wǎng)格化，獲得以液壓支架中心距、液壓支架長(zhǎng)度為網(wǎng)格大小的頂?shù)装寰W(wǎng)格dem數(shù)據(jù)；將煤層底板沿工作面方向第一、二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)和煤層頂板沿工作面方向第一、二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)帶入式(4)，若滿足，則將第二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記為正常坐標(biāo)點(diǎn)，若不滿足，則將第二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記為煤層頂板異常點(diǎn)；以此類推，遍歷出所有液壓支架歪斜過(guò)大的煤層底板異常點(diǎn)，同理，將煤層底板沿工作面推進(jìn)方向第一、二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)和煤層頂板沿工作面推進(jìn)方向第一、二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)帶入式(5)，遍歷出所有超過(guò)液壓支架最大俯仰角的煤層頂板異常點(diǎn)，對(duì)于搜索出的煤層頂板異常點(diǎn)，按照坐標(biāo)序號(hào)差值小于等于3為同一區(qū)域的原則，將煤層頂板異常點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，獲得一系列頂板異常區(qū)域；

34、s32、若煤層頂板異常點(diǎn)優(yōu)化高程值小于原始高程值，則將該部分定義為頂板漏采量，若大于，則定義為頂板割矸量，以此建立煤層頂板優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

35、

36、式中，gr為頂板割矸量；lr為頂板漏采量；zr為煤層頂板異常點(diǎn)原始高程值；zr*為煤層頂板異常點(diǎn)優(yōu)化高程值；下標(biāo)j(o1，…，oa)為煤層頂板異常點(diǎn)橫坐標(biāo)網(wǎng)格序號(hào)；下標(biāo)i(s1，…，st)為煤層頂板異常點(diǎn)縱坐標(biāo)網(wǎng)格序號(hào)；

37、s33、在步驟s31劃分的頂板異常區(qū)域中，在某一頂板異常區(qū)域下，假設(shè)有v個(gè)煤層頂板異常點(diǎn)，高程值分別為zrji，其中j＝o1......oa，i＝s1......st，規(guī)定式(8)為目標(biāo)函數(shù)，式(4)-(5)為約束條件，v個(gè)煤層頂板異常點(diǎn)優(yōu)化高程值z(mì)rji*(其中j＝o1......oa，i＝s1......st)為決策變量，建立v維煤層頂板異常點(diǎn)優(yōu)化模型：

38、

39、s34、依次對(duì)步驟s31中劃分出的每個(gè)頂板異常區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，在同一頂板異常區(qū)域下，建立相應(yīng)的式(9)優(yōu)化模型，利用多目標(biāo)優(yōu)化算法求解式(9)優(yōu)化模型，若找出最優(yōu)值，則繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)頂板區(qū)域煤層頂板異常點(diǎn)的優(yōu)化，直到所有區(qū)域全部?jī)?yōu)化完畢為止；若未找出，則將該頂板異常區(qū)域向四周擴(kuò)展一個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)度重新進(jìn)行優(yōu)化，直到找到最優(yōu)解為止；優(yōu)化后的煤層頂板異常點(diǎn)與正常坐標(biāo)點(diǎn)組成煤層頂板截割坐標(biāo)點(diǎn)dem數(shù)據(jù)，將該dem數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)沿工作面方向依次相連獲得煤層頂板截割規(guī)劃路徑，所述煤層頂板截割規(guī)劃路徑與步驟s24獲得的所述煤層底板截割規(guī)劃路徑共同組成綜采工作面截割規(guī)劃路徑。

40、本發(fā)明進(jìn)一步公開了一種綜采工作面截割規(guī)劃裝置，應(yīng)用于所述綜采工作面截割規(guī)劃方法，截割規(guī)劃裝置整體安裝在采煤機(jī)中部控制箱中，包括：

41、工控機(jī)、慣性導(dǎo)航、鋰電池、軸編碼器以及外接顯示屏，其中，

42、在采煤機(jī)行走部和搖臂上分別安裝所述軸編碼器；

43、所述工控機(jī)與液壓支架控制器、采煤機(jī)控制器、外接顯示屏以及軸編碼器信號(hào)連接；

44、當(dāng)截割規(guī)劃裝置連接外電源時(shí)，通過(guò)外電源直接為慣性導(dǎo)航裝置、工控機(jī)供電，當(dāng)截割規(guī)劃裝置未連接外電源時(shí)，通過(guò)鋰電池為慣性導(dǎo)航裝置、工控機(jī)供電。

45、有益效果：

46、本發(fā)明提出一種綜采工作面截割規(guī)劃方法與裝置，該方法根據(jù)液壓支架與刮板輸送機(jī)的布置姿態(tài)與設(shè)備通過(guò)性等限制條件，建立綜采裝備姿態(tài)與截割空間約束模型，能夠利用此模型獲取煤層頂?shù)装瀹惓｜c(diǎn)坐標(biāo)分布，根據(jù)煤層頂?shù)装瀹惓｜c(diǎn)分布情況，將異常點(diǎn)劃分為一系列區(qū)域，對(duì)每個(gè)異常區(qū)域分別進(jìn)行優(yōu)化處理，提高了異常點(diǎn)的優(yōu)化效率。

47、另外，該方法以最小割矸量與最小漏采量為優(yōu)化目標(biāo)，以綜采裝備姿態(tài)與截割空間約束模型為約束條件，利用非支配排序遺傳算法(nsga-ⅱ)對(duì)每個(gè)區(qū)域異常點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化處理，能夠在考慮割矸量、漏采量的基礎(chǔ)上，合理地消除不滿足綜采裝備姿態(tài)與截割空間約束的異常點(diǎn)。