国家基金项目-机械化采煤工作面采动关系数字化研究

1、2010年国家自然科学基金研究项目年国家自然科学基金研究项目一、背景 在中国一次能源生产和消费结构中，煤炭比重分别高达76.7%和69.4%，是世界上煤炭比重最高的国家。我国对煤炭的需求居高不下，煤炭产量不断上升。按照中国目前的经济发展速度和战略目标，参照发达国家的能源消耗指数，21世纪上半叶的中国将处在煤炭消耗的高峰期。届时的中国煤炭要满足国民经济的发展要求，其科技含量、机械化水平与生产方式必须有一个根本性的改变。 “十五期间国家信息化战略和规划思路”中明确指出：“十五期间，能源产业继续在生产或经营方面提高自动化水平，增加信息含量，要逐步向管理和主要业务数字化、网络化的目标迈进。”国家的这一

2、宏观战略规划和思路，无疑是我国采矿工业在21世纪大发展、大改造、大提升的机遇。 煤矿回采工作面生产是一种特殊的地下空间活动，是煤炭生产的核心。机械化开采是回采工作面发展的必然之路，建设发展其机械化、数字化与无人化是科学技术发展的需要，是安全高效的需要。采煤机割煤是引起回采工作面瓦斯涌出量、顶板压力变化的主要因素。在生产过程中自动采集这些数据并有效进行技术集成，然后把相关信息实时反馈指令传递给采煤机和支架，确定合理的采煤机割煤速度及移架速度，可以有效防止工作面瓦斯集聚，保证工作面顶板安全，降低人工操作的失误，提高生产效率和机械化开采水平。随着科学技术进步，实现煤矿回采工作面开采的高效集中化、信息

3、化与现代化是必然的趋势，依靠机械化、数字化、自动化与无人工作面生产势在必行，是今后重点发展方向。一、背景 在长壁工作面生产自动化方面，近20年来国内外都在致力于工作面的数字化的研究工作，它综合应用了计算机技术、通信技术、传感技术、机电一体化技术等，将液压支架的升降架、推移输送机、收伸侧护板、喷雾洒水及放顶煤等动作由原来的手工操作改为自动化、程序化操作，将数据直接传送到地面进行操作，可以有效地减少工作面的工人数量，最终实现井下无人开采自动化工作面。20世纪70年代中期，英国首先提出了研制电子控制液压支架计划。1981年澳大利亚的科里曼尔煤矿长壁工作面首先使用电子控制的液压支架。1983年底原英国

4、道梯公司又为美国坎赛尔煤矿制造了两按钮微处理机控制的液压支架。1982年开始，德国MARCO公司和当时的Westfalia公司合作进行“液压支架电液自动化控制系统”研发，研制出了PM1和PM2型（1987年）产品化的系列；后又研发了PM4、PM3和PM31系列（1998年）。到20世纪90年代，液压支架电液自动化控制技术在国外已成熟。美国、澳大利亚、德国等的液压支架普遍使用了电液控制系统。但这些自动化仍然达不到无人开采，仅仅是地下操作的自动化，没有能够实现将工作面数据传输到地表，实现在地面的控制。一、背景 在数字化应用软件方面，国内外的发展都比较迅速。如美国Mintec公司的Medsystem

5、等。另外一些大的国际矿业公司，也开发了自己内部使用的矿业软件系统，如芬兰Outkumpu公司开发的Minenet系统和RTZC公司开发的矿山三维设计系统等。澳大利亚SURPAC MINFX GROUP(简称SURPAC)的产品(原为Surpac国际软件公司(SSI)。中国矿业大学的“采矿软件与数字矿井”软件包V4版的40个软件及北京龙软科技发展有限公司开发的一系列矿业应用软件。 在基础研究方面，国内开展数字化研究比较早的是吴立新教授。其中，在2002年由吴立新、朱喜旺、张瑞新任执行主席的中国科协第86次青年科学家论坛以“数字矿山与未来发展”的会议中，关于数字矿山的理论、技术与应用问题展开了热烈

6、讨论，并形成了共识。吴立新教授已对数字矿山的整体框架及存在的难题进行了分析。一、背景 数字矿山研究涉及的领域及范围较大，是一个大系统工程。鉴于目前科技水平及矿山复杂的生产要素，需要将大系统工程划分为若干小系统来研究及实现。具体到本项目研究的工作面生产单元来说，因不仅仅是应用一些矿业软件及关于采煤机、液压支架等自动控制问题，还要涉及顶板压力与瓦斯监测等问题，将两者有机结合起来研究的国内外还很少。基于上述原因，本课题组针对煤矿开采中的具体问题，尤其是课题组多年在矿山科研中遇到的一些实践问题，感觉急需工作面数字化、自动化理论对其进行指导，将工作面数据进行数字化研究，力争将最新的现代化信息技术应用到采

7、矿活动中，为无人工作面创造技术条件。一、背景二、研究内容（1 1）采动关系数据集成与分析基础研究）采动关系数据集成与分析基础研究 影响机械化采煤工作面采动关系的因素主要有采煤机牵引速度、截割速度、采煤机相对位置、滚筒截割路径、煤岩界面识别、瓦斯涌出量、顶板移近量、顶板初次来压步距、周期来压步距等。针对于这些数据具有多源异质、复杂多变及无标准化的特点，设计一种空间数据结构，深入研究工作面采动信息的统一自动采集、管理与可视化表达模式，解决多源异质数据的无缝集成，并将其与可视化分析系统结合，为自动化开采创造集成条件。（2 2）工作面采动关系实时分析研究）工作面采动关系实时分析研究 随着工作面推进，工

8、作面前方支承压力不断转移，煤岩体应力状态、岩层结构、节理裂隙分布、渗透系数等煤岩系统力学特性发生了系列的变化，引起瓦斯运移规律、涌出特征与顶板下沉量等发生变化。因此，研究机械化采煤工作面采动实时关系规律，把上述相关数据进行实时提炼与综合集成，将有效的信息实时反馈给采煤机及支架，控制采煤机割煤和移架速度，保证安全高效开采，为回采工作面自动化开采提供技术支持，也是本项目的研究基础。二、研究内容（3 3）构建机械化采煤工作面采动关系的三维）构建机械化采煤工作面采动关系的三维空间模型并进行相关算法研究空间模型并进行相关算法研究 在采动关系实时规律研究的基础上，通过分析机械化采煤工作面空间维、时间维及实

9、体对象特征，结合采场矿压、采煤机实时运行轨迹，深入研究机械化采煤工作面复杂对象的3D拓扑描述、表达、组织、动态维护及相关算法，并构建机械化采煤工作面采动关系实时三维空间模型。二、研究内容三、研究目标 在采煤机割煤引起的顶板压力变化与瓦斯涌出量等多种数据获取方式的基础上，设计一种空间数据结构，解决多源数据的无缝集成问题。通过自动采集和分析这些数据的特点及关系，探索机械化采煤工作面实时采动关系的规律，把有关信息实时反馈给采煤机，在井下与地表控制采煤机与支架速度，为安全高效、数字化及无人工作面开采提供技术基础。四、拟解决的关键科学问题 （1）研究一种适应煤矿井下特点的空间数据结 构，解决多源异质数据

10、的无缝集成问题；（2）回采工作面采动关系实时变化规律与控制；（3）通过对机械化采煤工作面复杂对象的3D拓扑 描述、表达、组织及动态维护，提出一种符 合不同对象结构特点的仿真算法。五、拟采取的研究方案及可行性分析五、拟采取的研究方案及可行性分析 本项目采用理论研究、实验室试验及部分现场工业试验相结合的研究方法。（1）理论分析并建立一种在机械化采煤工作面采动关系条件下的空间数据结构，解决多源异质数据的无缝集成问题、3D拓扑描述、表达、组织及动态维护，提出一种符合机械化采煤工作面采动关系条件下的不同对象结构特点的仿真算法；（2）通过利用计算机技术、多媒体技术、网络技术、虚拟现实技术等，构建机械化采煤

11、工作面采动关系实时三维空间模型，并能达到交互的目的；（3）在现场通过直接获取煤层传感、顶板传感、采煤机传感、瓦斯传感、输送机传感等实时数据的条件下，经过统一的数据集成及地表的三维可视化平台进行工作面实景模拟，对研究成果进行验证和调整。1 1、研究、研究方法方法五、拟采取的研究方案及可行性分析五、拟采取的研究方案及可行性分析2 2、技术路线、技术路线（1）通过对龙煤集团鸡西分公司东海煤矿回采工作面数据采集与调研， 收集研究回采工作面数据产生的来源、种类、结构特点及传输方式；（2）设计一种考虑时间因素的空间数据结构，解决多源异质数据的无缝集 成问题；（3）理论分析回采工作面前方支承压力的转移，煤岩

12、体应力状态、岩层结 构、煤的孔隙裂隙分布、渗透系数与瓦斯运移规律、聚集方式、涌出 特征等之间变化规律。理论研究工作面空间关系及复杂对象的相关仿 真算法，在地表构建机械化采煤工作面采动关系实时三维空间模型；（4）建立统一的数据集成及三维可视化平台对矿井工作面进行实验室模拟 研究；（5）在现场通过直接获取顶板压力传感、采煤机动态传感、瓦斯涌出量传 感、输送机传感等实时数据的条件下，经过统一的数据集成及三维可 视化平台进行工作面实景模拟研究。五、拟采取的研究方案及可行性分析五、拟采取的研究方案及可行性分析3 3、实验手段、实验手段（1）通过黑龙江省采矿工程重点实验室三维功能模 拟试验台模拟煤岩体活动

13、规律、采煤机及液压 支架运动状态，将采集的数据及现场的瓦斯运 移规律收据进行综合分析，完成对采煤机及液 压支架速度的实验室控制；（2）实验室研究机械化采煤工作面采动关系实时三 维模型，并建立统一的数据集成及三维可视化 平台；（3）通过与煤矿现场试验机械化采煤工作面采动关 系整体可行方案。五、拟采取的研究方案及可行性分析五、拟采取的研究方案及可行性分析4 4、关键技术、关键技术（1）针对多源异质、复杂多变及无标准化数 据的特点，运用空间数据表达模式；（2）复杂对象的3D拓扑描述、表达、组织、 动态维护及相关算法；（3）回采工作面采动关系的实时数据采集与 控制。六、本项目的特色与创新之处六、本项目

14、的特色与创新之处 针对机械化采煤工作面的采动关系，实时采集顶板压力变化与瓦斯涌出量等多种信息。把顶板压力、瓦斯涌出规律与机械化设备运行状态有机结合，在有关数据自动采集的基础上进行综合与集成，构建机械化采煤工作面采动关系实时三维空间模型。把有关信息实时反馈给采煤机，控制采煤机与支架的速度，为回采工作面安全高效、数字化及自动化开采提供基础。 根据机械化采煤工作面的采动关系涉及的数据具有多源异质、复杂多变、高维及不确定性等特点，设计一种适应井下特点的空间数据结构，解决数据的无缝集成问题。七、年度研究计划及预期研究结果七、年度研究计划及预期研究结果1 1、年度研究计划：年度研究计划：（1）2011年1月12月 调研、整理、收集资料，分析影响机械化采煤工作面采动关系的数据来源、结构，建立一种空间数据结构，解决多源异质数据的无缝集成问题；（2）2012年1月12月 理论分析机械化采煤工作面采动关系实时规律；（3）2013年1月12月 构建机械化采煤工作面采动关系实时三维空间模型，并进行试验研