一种矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法技术

本发明专利技术涉及煤矿智能化开采技术领域，具体是一种矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法。包括以下步骤，S100：对回采工作面及其顶板和底板处的煤岩体及界面进行基础参数测试与统计；S200：根据统计的煤岩体与界面的基础参数计算井下水力压裂的合理施工参数；S300：向压裂液中添加支撑砂与标记色素并搅拌均匀，按照计算得出的施工参数进行井下水力压裂作业，形成的裂缝与标记色素在煤岩界面形成的强烈色差成为图像识别的特殊元素；S400：水力压裂结束后工作面开始回采，通过安装在工作面的图像识别装置精准捕捉已经人为形成的特殊元素，图像分析处理后确定回采工作面煤岩界面与采煤机割煤轨迹。采煤机割煤轨迹。采煤机割煤轨迹。

【技术实现步骤摘要】
一种矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法


[0001]本专利技术涉及煤矿智能化开采
，具体是一种矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法。

技术介绍

[0002]煤矿智能化开采是近年来的研究热点，为实现煤矿井下回采工作面的智能化，首先需要精准确定采煤机的割煤轨迹或在回采过程中精准识别煤层与其顶底板界面，确保采煤机截齿的安全与截割效率，保证不增加后期选煤的工作强度与工作面资源回采率。
[0003]目前，智能化工作面采煤机割煤轨迹的确定方法主要是基于图像、声音、压力信号、电流信号与扭矩信号等特征信息，结合自主学习方法实现煤岩界面的识别，进一步根据识别结果确定采煤机割煤轨迹。申请公布号为CN113435294A、CN110424964A、CN112990169A等一批专利技术专利都是依据上述方法与原理进行的煤岩界面识别。然而，煤矿井下环境复杂多变，煤岩层的非均质性强，回采工作面环境恶劣等极易使图像识别困难、声音传输精准率低及信号辨识度低，导致煤岩界面识别难度大、不精准。
[0004]针对上述问题，本方法一种矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法，主要通过井下水力压裂与图像识别相结合的技术手段确定采煤机割煤轨迹，具体为：向压裂液中添加支撑砂与标记色素，调整施工参数使水力裂缝定向起裂扩展到煤层及其顶底板界面后沿界面扩展，即通过水力压裂压开煤岩界面；支撑砂的支撑作用能够防止压开的煤岩界面闭合，标记色素也会在煤岩界面附近形成的强烈色差，形成特殊的图像识别元素；工作面回采过程中通过图像识别技术精准识别特殊元素确实煤岩界面，从而得出采煤机割煤轨迹。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是通过融合井下水力压裂技术与图像识别技术确定煤岩界面，克服现有方法受采煤作业环境影响大、对设备要求高、界面识别准确率低等问题，提供一种矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法。
[0006]本专利技术采取以下技术方案：一种矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法，包括以下步骤，S100：对回采工作面及其顶板和底板处的煤岩体及界面进行基础参数测试与统计；S200：根据统计的煤岩体与界面的基础参数计算井下水力压裂的合理施工参数，该施工参数下可以使水力裂缝到达煤岩界面时能够沿界面扩展，从而压开煤岩界面；S300：向压裂液中添加支撑砂与标记色素并搅拌均匀，按照计算得出的施工参数进行井下水力压裂作业，支撑砂的支撑作用能够使压开的煤岩界面不闭合，形成的裂缝与标记色素在煤岩界面形成的强烈色差成为图像识别的特殊元素；S400：水力压裂结束后工作面开始回采，通过安装在工作面的图像识别装置精准捕捉已经人为形成的特殊元素，图像分析处理后确定回采工作面煤岩界面与采煤机割煤轨迹。
[0007]步骤S100中，回采工作面及其顶底板煤岩体的基础参数包括层厚、弹性模量、泊松比、抗拉压强度、断裂韧性以及地应力大小和方向，其中地应力应包括垂向地应力、最大水
平主应力与最小水平主应力；界面的基础参数为煤
‑
顶板界面与煤
‑
底板界面的抗剪强度，当煤层直接顶或直接底过薄无法测试处厚度外的其他基础参数时，按煤层基础参数的1.2～1.5倍进行统计，界面抗剪强度按煤层的0.9～1.1倍进行统计。
[0008]步骤S200中，井下水力压裂的施工参数包括起裂位置、射孔方向与个数、注液速率以及压裂孔的位置与间距。
[0009]起裂位置设置在回采工作面中部；射孔方向垂直回采工作面倾向向上或向下，当煤
‑
顶板界面与煤
‑
底板界面的抗剪强度的差值在
±
10%以内，回采工作面的顶板和底板抗拉强度的差值在
±
20%以内时，采用双向对称射孔，其他条件下采用单向射孔；双向射孔时每个起裂点进行一次射孔作业即可，单向射孔时每个起裂点进行两次射孔作业，先进行上侧射孔作业，间隔20cm处进行下侧射孔左右，双向射孔与单向射孔高度均在10cm处。
[0010]压裂孔的位置在切眼中部煤层厚度1/2位置处沿煤层走向施工，压裂液类型为清水压裂液，注液速率的合理范围根据以下不等式计算：等式计算：等式计算：等式计算：式中，P0为井筒内的水压，MPa；P1为水力裂缝到达界面时穿层扩展的临界水压，MPa；P2为水力裂缝到达界面时沿界面扩展的临界水压，MPa；q为压裂液排量，m3/s；ρ为流体的密度，kg/m3；h为裂缝高度，m；γ为压裂液黏度，mPa
·
s；E为储层的弹性模量，GPa；K
CC
为煤层的I型断裂韧性，MPa
·
m
1/2
；l为裂缝的半长，m；K
RC
为顶板或底板的断裂韧性，MPa
·
m
1/2
；σ
V
为垂向地应力，MPa；σ
h
为水平最小地应力，Mpa；π/2
‑
α为煤层倾角，
°
。
[0011]步骤S300中，支撑砂的莫氏硬度介于煤体与顶底板岩体硬度之间，颗粒直径介于1.2～3mm之间，压裂液携砂体积比为1～3%；标记色素为白色的水性荧光示踪剂，压裂液与标记色素的体积比为5%。
[0012]步骤S300中，井下水力压裂作业采用双端封堵后退式压裂方法，每次后退距离小于等于工作面切眼长度，压裂过程具体为：采用高压水割缝的方式进行射孔作业后安装封孔器和水压仪并调试，将封孔器推送至预定起裂位置后给封孔器加压至10MPa，随后给水泵通水通电开始压裂直至巷道顶底板、煤帮或钻孔中有水渗出或冒出停止，按照上述步骤，沿压裂孔依次由工作面停采线后退至切眼时完成压裂作业。
[0013]图像识别装置为安装在采煤机上的摄像机，摄像机获取煤岩界面视频，将煤岩界面视频数据按时间顺序处理为高清图像后输入视觉处理模块，视觉处理模块通过将识别压裂形成的特殊元素并进一步识别区域黑白或黑灰二值化处理，将煤岩体处理为黑色，将标
记色素处理为白色，将裂缝处理为灰色；之后通过位置坐标计算模块计算白色和灰色区域的位置坐标，确定煤岩分界线的轨迹坐标。
[0014]与现有技术相比，本专利技术通过准确设置井下压裂的施工参数，使起裂后的水力裂缝在其高度方向扩展到煤层与顶底板界面时沿界面扩展，从而压开煤岩界面；依靠压开的煤岩界面与压裂液中的标记色素，形成特殊的图像识别元素；结合图像识别技术精准识别特殊元素，确定煤岩界面与采煤机割煤轨迹。解决了现有方法受采煤作业环境影响大、对设备要求高、界面识别准确率低等问题。
附图说明
[0015]图1是本专利技术矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法的流程图；图2是本专利技术矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法中压裂钻孔与起裂点位置示意图；图3为图2的剖面图；图4是本专利技术双向射孔时射孔位置与高度示意图；图5是本专利技术双向射孔时射孔剖面图；图6是本专利技术单向射孔时射孔位置与高度示意图；图7是本专利技术单向射孔剖面图；图8是本专利技术所述矿井智能化工作面采煤机割煤轨迹确定方法中图像识别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
为水力裂缝到达界面时沿界面扩展的临界水压，MPa；q为压裂液排量，m3/s；ρ为流体的密度，kg/m3；h为裂缝高度，m；γ为压裂液黏度，mPa
·
s；E为储层的弹性模量，GPa；K
CC
为煤层的I型断裂韧性，MPa
·
m
1/2
；l为裂缝的半长，m；K
RC
为顶板或底板的断裂韧性，MPa
·
m
1/2
；σ
V
为垂向地应力，MPa；σ
h
为水平最小地应力，Mpa；π/2
‑
α为煤层倾角。6.根据权利要求1所述的基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，其特征在于：所述的步骤S300中，支撑砂的莫氏硬度介于煤体与顶底板岩体硬度之间，颗粒直径介于1.2～3mm之间，压裂液携砂体积比为1～3%；标记色素为白色的水性荧光示踪剂，压裂液与标记色素的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张润旭，张柏林，张兴华，张露露，孙浩然，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：