复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法技术

本发明专利技术涉及一种复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法，基于煤层起伏对综采工作面空间直线度的影响，根据刮板输送机在推进过程中的运动特性以及煤层起伏对刮板输送机与液压支架群轨迹的影响，通过分析装备群轨迹的空间直线度密度，分别建立了空间直线度评价模型，将液压支架群与刮板输送机浮动连接机构的运动特性对综采工作面协同推进的影响考虑在内，实现了复杂煤层条件下，基于影响综采工作面装备间协同推进的因素的综采工作面空间直线度的分析。间直线度的分析。间直线度的分析。

【技术实现步骤摘要】
复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法


[0001]本专利技术涉及煤炭开采控制
，具体而言，涉及一种煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法。

技术介绍

[0002]综采工作面直线度对保证煤矿生产效率以及安全性具有重要作用，如若直线度不能很好的满足，则会使得采煤机的截割阻力和刮板输送机的运行阻力大大增加，使得设备的寿命缩短，严重时会导致严重生产事故的发生。随着煤矿智能化的发展，煤层透明化技术也得到一定的进步，开采过程中对综采工作面“三平一直”的要求也从二维空间提升到三维空间，但是当前对综采工作面空间直线度的描述仍然比较模糊。因此需要联合煤层起伏的影响，提出一种从三维空间上对整个开采过程的综采工作面平直度进行描述的方法。
[0003]申请号202111399857.1的专利文献对液压支架群的空间直线度进行了定义，采用三维激光雷达获取液压支架的点云，并采用点云处理相关算法提取了液压支架的关键点集，利用最小二乘法拟合空间直线并计算距离误差的方法实现了对液压支架群的空间直线度测量。
[0004]申请号202011070660.9的专利文献公开了一种液压支架直线度检测装置及其工作方法，通过在液压支架上安装附加装置直线滑轨、滑轮组件，位移传感器安装于直线滑轨的一侧，用于检测直线滑轨上滑轮的滑移位置，通过位移传感器检测液压支架上滑轮组件的位置即可实现工作面上液压支架的直线度检测。
[0005]申请号201710442811.0的专利文献公开了一种基于多图像序列的井下液压支架组位姿及直线度测量方法，在液压支架上安置方形定位标识，通过摄像机采集液压支架目标图像，提取预处理后图像中的定位标识；对每个定位标识进行边缘直线拟合，计算每个定位标识的法向量，通过法向量确定每个液压支架的位姿；再通过定位标识与刮板之间的关系计算液压支架组的直线度。
[0006]申请号201711232670.6的专利文献提供一种基于视觉的综采工作面直线度检测方法，在工作面的快速巡检平台上，搭载视觉系统。在巡检平台快速移动过程中进行拍摄视频，尽量稳定保证巡检平台行走机构轨道始终出现在拍摄画面内。当巡检平台行走机构以较快的速度沿工作面循回，拍摄其行走的轨迹，然后基于视觉算法计算巡检平台行走机构的运动轨迹，从而检测出综采工作面的直线度，实现综采工作面的自动找直。
[0007]以上研究中存在的不足如下：1)在研究综采工作面直线度时，大多考虑单一装备群的直线度的定义与控制，从多层次装备间协同对整体直线度的考虑欠全面。2)当前对综采工作面直线度进行分析与研究时，大多是在理想煤层条件下进行，在复杂煤层条件下进行直线度分析更贴近实际工况。3)在考虑到煤层起伏对综采工作面直线度影响时，对综采工作面直线度的分析也需要从二维空间向三维空间进行过渡，实现三维空间内综采工作面直线度模型的建立。因此，考虑煤层起伏的影响对综采工作面直线度进行分析，建立复杂煤层条件下综采工作面空间直线度评价模型。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法，针对复杂煤层条件下综采工作面推进过程中的空间直线度问题，从三维的角度建立综采工作面空间直线度评价模型，对综采工作面的空间直线度进行分析。根据煤层探测信息确定的煤层起伏情况，对煤层进行分段，从采煤机行走方向与综采工作面推进方向，对液压支架群与刮板输送机的空间直线度进行分析，实现对综采工作面运行过程整体空间直线度的评价。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0010]一种复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法，包括：
[0011]步骤一，在综采工作面开采初期对煤层起伏进行探测，根据探测数据确定的煤层起伏情况，对煤层进行分段；
[0012]步骤二，建立面向各离散煤层段的刮板输送机空间直线度评价模型，包括：
[0013](1)建立刮板输送机轨迹几何模型和(2)建立刮板输送机离散空间位姿误差模型；
[0014]其中，刮板输送机离散空间位姿误差模型包括：
[0015]①
沿采煤机行走方向刮板输送机空间直线度误差模型，该模型获得刮板输送机横向推进空间直线度误差密度ρ
s
，
[0016]和
②
沿综采工作面整体推进方向刮板输送机空间方向误差模型，该模型获得刮板输送机纵向推进空间直线度误差密度ρ
d
；
[0017]步骤三，建立面向各离散煤层段的液压支架群空间直线度评价模型，包括：
[0018](1)建立液压支架群轨迹几何模型和(2)建立液压支架群离散空间位姿误差模型；
[0019]其中，液压支架群离散空间位姿误差模型包括：
[0020]①
沿采煤机行走方向液压支架群空间直线度误差模型，该模型获得表示液压支架群横向推进空间直线度误差密度ρ
sH
，
[0021]和
②
沿综采工作面整体推进方向液压支架群的空间方向误差模型，该模型获得表示液压支架群纵向推进空间直线度误差密度ρ
d(H)
；
[0022]步骤四，建立面向各离散煤层段的综采工作面空间直线度评价模型；
[0023]在刮板输送机空间直线度评价模型和液压支架群空间直线度评价模型构建的基础上，联合浮动连接机构的运动特性对综采工作面整体的空间直线度进行定义；当液压支架群、刮板输送机的推进空间直线度误差密度、以及刮板输送机与液压支架群浮动连接机构推移位姿一致性指数ρ
F
满足式(23)时，综采工作面在开采时满足空间直线度要求；
[0024][0025]步骤五，面向煤层整体的综采工作面空间直线度分析；
[0026]将各离散煤层体对应的液压支架群、刮板输送机的推进空间直线度误差密度、以及刮板输送机与液压支架群浮动连接机构推移位姿一致性指数进行拼接分析，最终获得面向整个煤层的综采工作面空间直线度要求如公式(27)：
[0027][0028]其中，表示煤层峰底交接处的离散煤层段，表示不考虑煤层峰底交接的离散煤层段，s表示所在的煤层段。
[0029]进一步地，步骤一中，根据探测数据通过插值与预测进行处理，得到煤层轨迹曲线F(x,y,z)＝0；分割煤层段的方法为：沿着x轴方向以煤层曲线的峰底点为分割点进行分割，通过对煤层轨迹曲线的偏导数进行分析，对x方向求偏导，进而在分割后的煤层段上对刮板输送机姿态进行分析；煤层分割原理如公式所示：
[0030][0031]∑表示煤层曲面，x表示沿煤层走向采集的煤层点的序列号，y表示沿煤层倾向方向综采工作面整体推进量，z表示在指定坐标系o
‑
xyz下煤层的高度。
[0032]进一步地，步骤二中，建立刮板输送机轨迹几何模型的方法为：
[0033]在巷道与综采工作面交接处建立绝对参考坐标系{O(x,y,z)},在每节中部槽上建立局部参考坐标系族
[0034]刮板输送机推进过程的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法，其特征在于，包括：步骤一，在综采工作面开采初期对煤层起伏进行探测，根据探测数据确定的煤层起伏情况，对煤层进行分段；步骤二，建立面向各离散煤层段的刮板输送机空间直线度评价模型，包括：(1)建立刮板输送机轨迹几何模型和(2)建立刮板输送机离散空间位姿误差模型；其中，刮板输送机离散空间位姿误差模型包括：
①
沿采煤机行走方向刮板输送机空间直线度误差模型，该模型获得刮板输送机横向推进空间直线度误差密度ρ
s
，和
②
沿综采工作面整体推进方向刮板输送机空间方向误差模型，该模型获得刮板输送机纵向推进空间直线度误差密度ρ
d
；步骤三，建立面向各离散煤层段的液压支架群空间直线度评价模型，包括：(1)建立液压支架群轨迹几何模型和(2)建立液压支架群离散空间位姿误差模型；其中，液压支架群离散空间位姿误差模型包括：
①
沿采煤机行走方向液压支架群空间直线度误差模型，该模型获得表示液压支架群横向推进空间直线度误差密度ρ
sH
，和
②
沿综采工作面整体推进方向液压支架群的空间方向误差模型，该模型获得表示液压支架群纵向推进空间直线度误差密度ρ
d(H)
；步骤四，建立面向各离散煤层段的综采工作面空间直线度评价模型；在刮板输送机空间直线度评价模型和液压支架群空间直线度评价模型构建的基础上，联合浮动连接机构的运动特性对综采工作面整体的空间直线度进行定义；当液压支架群、刮板输送机的推进空间直线度误差密度、以及刮板输送机与液压支架群浮动连接机构推移位姿一致性指数ρ
F
满足式(23)时，综采工作面在开采时满足空间直线度要求；步骤五，面向煤层整体的综采工作面空间直线度分析；将各离散煤层体对应的液压支架群、刮板输送机的推进空间直线度误差密度、以及刮板输送机与液压支架群浮动连接机构推移位姿一致性指数进行拼接分析，最终获得面向整个煤层的综采工作面空间直线度要求如公式(27)：其中，表示煤层峰底交接处的离散煤层段，表示不考虑煤层峰底交接的离散煤层段，s表示所在的煤层段。2.根据权利要求1所述的复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法，其特征在于：步骤一中，根据探测数据通过插值与预测进行处理，得到指定坐标系o
‑
xyz下的煤层轨迹曲线F(x,y,z)＝0；分割煤层段的方法为：沿着x轴方向以煤层曲线的峰底点为分割点进
行分割，通过对煤层轨迹曲线的偏导数进行分析，对x方向求偏导，进而在分割后的煤层段上对刮板输送机姿态进行分析；煤层分割原理如公式所示：∑表示煤层曲面，x表示沿煤层走向采集的煤层点的序列号，y表示沿煤层倾向方向综采工作面整体推进量，z表示在指定坐标系o
‑
xyz下煤层的高度。3.根据权利要求2所述的复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法，其特征在于：步骤二中，建立刮板输送机轨迹几何模型的方法为：在巷道与综采工作面交接处建立绝对参考坐标系{O(x,y,z)},在每节中部槽上建立局部参考坐标系族刮板输送机推进过程的坐标系统为三级系统，{O}为绝对坐标系，为整体推进坐标系，为局部参考坐标系,k为推进次数，i为中部槽序号；沿着刮板输送机中部槽A
i
推进方向和沿着采煤机截割方向的位姿变化分别用向量和表示，中部槽相对于整体推进坐标系的姿态角为(α
j
,β
j
,γ
j
)，则刮板输送机中部槽A
j
相对于整体推进坐标系的离散轨迹表示为Γ
t
，公式如下：，公式如下：各中部槽相对于整体推进坐标系的坐标轨迹用R
i
表示，局部参考坐标系相对于整体推进坐标系的坐标为[R
0j
]为局部参考坐标系相对于整体推进坐标系的角度变换矩阵；在局部参考坐标系中，经过沿横向推进方向中部槽轴线平行的任意点的直线，在该直线方向上的二面角为(α
j
',β
j
')，该直线在局部参考坐标系中的单位矢量用p
j
表示；p
j
＝[sinα
j
'cosβ
j
',sinα
j
'sinβ
j
',cosα
j
']T,(j＝1
…
n)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)综上所述，各中部槽在整体推进坐标系中的离散轨迹形成了以Г
t
为离散准线，p
i
为母线的离散面∑
St
；其中n为刮板输送机离散单元的数目，即中部槽数目，j为第j节中部槽。4.根据权利要求3所述的复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法，其特征在于：步骤二中，沿采煤机行走方向刮板输送机空间直线度误差模型的建立方法为：在整体推进坐标系中，离散曲线段集与对应拟合理想直线的差为空间直线度误差，作为衡量刮板输送机空间直线度的评价指标；
其中R
l0
为刮板输送机离散点集在坐标系下的拟合理想直线上对应的点，p2为中部槽上的点在局部参考坐标系的位姿信息，x为各中部槽在局部参考坐标系上的参数化模型，为空间直线度误差，R
j
为绝对坐标系下离散轨迹上的点，R0为绝对坐标系下的坐标；定义以刮板输送机离散面为对称面的旋转体为标准离散体；以拟合理想直线为轴线，各中部槽离散准线为母线的旋转体为误差离散体；定义刮板输送机横向推进空间直线度误差密度ρ
s
为误差离散体与标准离散体的质量体积之比，具体定义如公式(8)所示：刮板输送机横向推进空间直线度误差密度ρ
s
反映了刮板输送机的平均空间直线度误差，ρ
s
值越小，代表刮板输送机的空间直线度越好。5.根据权利要求4所述的复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法，其特征在于：步骤二中，沿综采工作面整体推进方向刮板输送机空间方向误差模型的建立方法为：采用球面曲线进行描述，将所代表的任意直线的单位矢量转换至整体推进坐标系下，矢量终点轨迹均位于同一个球面上，在固定坐标系中表现为：在刮板输送机推进的过程中，存在一个方向使得包络球的半径最小，将该方向定义为纵向推进时的最小误差方向，此时刮板输送机的空间直线度在沿煤层倾向方向上受截割底板起伏的影响最小，根据该方向获得整个刮板输送机在综采工作面推进方向的方向误差模型ΔS
d
如下所示：其中x为相对于绝对参考坐标系{o；x；y；z}的最小二面角参数，为每节中部槽对应的二面角(δ
1(j)
,δ
2(j)
)参数下的向量，ΔS
d
为整个刮板输送机在综采工作面推进方向的方向误差模型，最小方向误差模型为ΔS
d
(x)；在建立针对离散点集的方向误差模型ΔS
d
后，确定刮板输送机纵向推进空间直线度误差密度ρ
d
，ρ
d
定义为球面方向误差的质量与球面的面积的比值，如公式(11)所示，
刮板输送机纵向推进空间直线度误差密度ρ
d
反映了煤层底板起伏对刮板输送机俯仰姿态的影响程度，ρ
d
值越小，代表煤层底板起伏对刮板输送机空间直线度的影响越小。6.根据权利要求5所述的复杂煤层条件下综采工作面空间直线度的评价方法，其特征在于：步骤三中，液压支架群轨迹几何模型的建立方法为：在巷道与工作面交接处建立的绝对参考坐标系{o；x；y；z}下,在每台液压支架完全支护时的重心位置建立局部参考坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢嘉成，李素华，王学文，刘曙光，沈卫东，闫泽文，葛福祥，梅震怀，郑子盈，王怡荣，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：