中國礦業大學劉萬裡：採煤工作面煤層三維模型構建及動態修正技術

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創新點

（1）提出一種煤層三維模型的動態精細修正技術,進而提升煤層三維模型局部精度,實現工作面局部區域的絕對透明。

（2）提出在工作面的不斷推進過程中動態融入回採作業中最新探測的環境狀態和設備位置姿態等實時數據來修正煤層三維模型理論體系。

（3）提出融合二次序列規劃與克裡格空間曲面插值的方法來精確計算並準確插入煤層三維模型局部區域的修正值，並使修正後的煤層三維模型準確地表達出工作面實際煤層的結構信息。

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作 者

劉萬裡¹，張學亮²，王世博¹

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單 位

1. 中國礦業大學 機電工程學院；2. 北京天地瑪珂電液控制系統有限公司

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研究背景

所謂透明工作面是以真實的採煤工作面作為系統原型,用國家大地坐標系作為絕對坐標參考系,以地質勘探、計算機建模和三維仿真等技術為支撐,對工作面的地質數據進行採集、對開採過程進行監測、並對開採操作進行智能分析與決策的系統模型。目前,透明工作面的構建方法是在常規地質勘探成果基礎上,集成鑽孔、三維地震、槽波CT和巷道三維掃描等數據構建的煤層三維模型,以數位化方式對整個工作面進行全面統一的認知與再現,最終實現工作面的透明化。

目前,為實現工作面的透明化,國內外許多科研單位及企業對其開展了大量研究,如:澳大利亞聯邦科學與工業研究組織、美國久益公司、神東集團榆家梁煤礦、陝煤黃陵一礦、兗礦集團轉龍灣煤礦和寧煤集團紅柳煤礦等。要實現工作面的透明化,核心是要構建高精度煤層三維模型,與礦山地質體三維建模相比,煤層三維建模的空間形態及關係相對簡單,但對精度要求較高,因為精度的提升對煤層開採模式構建及控制方式選擇具有重要意義。相較於地質體建模,目前專門針對煤層三維建模的研究相對較少,且大多沿用地質體三維建模的方法,如基於地質統計學、結合鑽孔及地震剖面數據的煤層建模方法,以及針對邊界約束及鑽孔數據的線框與塊段建模方法等。上述研究雖然取得了一定的成果,但是基於上述方法構建的煤層三維模型還存在以下問題:

(1)在工作面煤層三維建模過程中,主要從獲取的工作面煤層數據中利用靜態建模信息來構建煤層三維靜態模型,對開採過程中煤層動態變化的信息缺乏足夠關注,忽略了對於局部具有重要意義的動態開採數據,且構建的煤層三維模型一般不進行動態更新,如進行更新則是對整個工作面煤層三維模型進行更新,數據的變動往往需要重構整個煤層三維模型,實用性較差。

(2)受制於當前物探精度和勘探成本的限制,目前構建的工作面煤層三維模型的垂向解析度即煤層厚度方向精度較低,無法實現採煤工作面絕對透明,不能給出綜採裝備最優化的行走路線和精確的截割路徑。

(3)由於我國大部分工作面地質條件複雜,煤層結構信息受幾何形態多樣、信息源多類、地質條件多變等各種複雜性因素影響,在工作面回採過程中隨著採煤機的不斷推進,煤層結構信息會逐漸被揭露,開採數據不斷增多與更新,這些條件共同決定了開採初期實現全部採煤工作面「絕對透明」的局限性。實際回採過程中,為了使煤層三維模型更準確地表達實際煤層結構信息,更有效地為綜採設備提供有利開採控制數據,煤層三維建模必須要有一個動態精細修正的過程。

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摘 要

高精度工作面煤層三維模型是實現無人開採的有效保障,但現階段構建的煤層三維模型普遍存在以靜態模型為主且垂向解析度較低的問題,為滿足無人開採對煤層三維模型高精度的要求,煤層三維模型必須要有一個動態精細修正的過程。

為此,在詳細分析了煤層三維模型不確定性影響因素基礎上,提出一種煤層三維模型的動態精細修正技術,進而提升煤層三維模型局部精度,實現工作面的有限透明。

主要思路是在工作面的不斷推進過程中,動態融入回採作業中最新探測的工作面雷射掃描數據、頂/底煤厚數據和採煤機截割軌跡信息,採用二次序列規劃法精確計算出煤層三維模型局部區域的修正值,並利用克裡格空間曲面插值法把修正值插入到煤層三維模型中,這樣利用上一回採階段新揭露的修正數據去動態修正下一回採階段的煤層三維模型,如此逐級遞進,逐步求精,從而提升煤層三維模型精度,使修正後的煤層三維模型更準確地表達出工作面實際煤層的結構信息,為工作面無人化開採控制提供關鍵基礎數據。

在斜溝煤礦試驗結果表明工作面推進前100刀修正後煤層垂向誤差絕對值小於0.2m區域比修正前提高了將近一倍,證實了該研究方法可有效提高採煤工作面煤層三維模型局部精度,提升煤層三維模型的實用價值和應用程度。

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部分圖片

煤層三維模型動態修正技術框架

坐標系{L}轉換到坐標系{G}的原理

1—採煤機;2—刮板輸送機;3—液壓支架;4—柔性導軌;5—移動雲臺;6—雷射掃描儀;7—液壓支架電液控制器

工作面場景快速構建裝置布置

探地雷達探測煤厚原理

探地雷達在液壓支架上安裝示意

獲取採煤機截割軌跡的傳感器安裝示意

上下截割軌跡在頂底板上的垂向誤差

煤層三維模型誤差修正的流程

煤層三維模型逐級遞進與逐步求精式動態修正

18201工作面初始煤層三維模型

18201工作面修正後煤層三維模型

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作者簡介

劉萬裡，男，1979年10月1日生，河南商丘人，中國礦業大學副教授。主持或參與了973項目、863項目、國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金重點項目，面上項目、青年項目等國家級科研項目10餘項，發表SCI/Ei論文50餘篇，以第1發明人獲得中國、澳大利亞、加拿大、南非等發明專利13件。

研究方向

煤礦智能化精準開採技術

主要成果

提出了煤層三維模型的動態精細修正方法，提升煤層三維模型局部精度，實現工作面局部區域的絕對透明；創建了綜採工作面智能化精準開採及升級改造的技術方案，並在多個煤礦進行了推廣應用取得明顯創新性成果，為煤礦智能化精準開採提供了有力的技術保障。

來源：

劉萬裡,張學亮,王世博.採煤工作面煤層三維模型構建及動態修正技術[J].煤炭學報,2020,45(6):1973-1983.

LIU Wanli,ZHANG Xueliang,WANG Shibo. Modeling and dynamic correction technology of 3D coal seam model for coal-mining face[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(6):1973-1983.

責任編輯：郭曉煒編輯整理：郭曉煒審 核：常琛

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