工作面直线度控制技术研究

王际欣 方海 苏岳

自动化综采工作面采用电液控支架的步距不可避免地存在累积误差，进而造成工作面出现弯曲。要实现自动化、无人化开采地连续开采，研制自动化工作面直线度矫直系统是非常必要的。综采工作面与巷道都是狭长形的测量对象，同时分布着大量的设备如液压支架，并且由于煤层的起伏和地质环境的变化，采煤机截割时工作面煤尘对测量的影响，因此不能采用地面常规的激光定位技术。利用高清云台测量同时使用超声波测距檢测相邻液压支架或者相邻刮板运输机间的相对位置，在工作面连续自动化推进过程中，不断缩小相对位置，使得工作面在推进中不断的趋于直线，以达到实现工作面直线度控制的目标。有关工作面直线度控制技术研究情况简述如下：

一、技术研究地点基本概况

巴彦高勒矿井是内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司下属特大型煤矿，为瓦斯矿井，煤层甲烷含量在0.00～0.13ml/g之间，冲击地压严重。自从2012年投产以来，开采的综采工作面有311101、311102和311103，三个工作面都位于巴彦高勒煤矿11盘区，均为实炭区，属于厚煤层开采，煤厚在5.0～5.8米之间，煤层倾角在0～3°之间，工作面长度260米，推采长度为2550米。

二、技术研究主要内容

基于视觉测量的直线度控制技术是国内外首次试验的综采工作面直线度控制技术。主要开发的装置和系统包括：综采工作面视觉找直系统、高清云台摄像仪以及找直传感器。

1. 主要研究内容

针对煤矿井下光照不足、煤尘多、设备复杂等问题，研究了基于视觉测量技术的复杂工作面图像采集及测量理论，利用高清云台摄像仪实时对工作面刮板输送机槽帮的直线偏移度进行测量，打破了常规的单纯检测工作面直线的传统思想在工作面连续自动化推进过程中，不断缩小相对位置，使得工作面在推进中不断的趋于直线，以达到实现工作面直线度控制的目标。

2、关键技术及创新点

针对工作面的复杂条件，研究了通过视觉测量计算工作面直线度的技术，取得了以下成果：

（1）在综采工作面煤尘大、光线暗等特殊环境下，采用图像处理解决工作面找直问题，通过合理的照明装置，解决了工作面直线度的标定问题。分别应用云台摄像仪、超声波行程测距仪灯进行了研究改进，提升了工作面图像采集装置获取的图像效果，降低了支架和刮板机位置识别分析的难度。

（2）通过大量实验和对综采工作面煤尘反光及液压支架、采煤机等运动机械的运动影响分析，设计出发光强度可连续调节的均匀散射LED光源，这种光源可有效减少煤尘等外界因素干扰，根据不同环境突出被测目标与背景之间的差异，改善了测量图像的质量，进而简化了图像识别和处理的算法。

（3）提出基于电动变焦和云台控制的协同控制方法。根据综采工作面长度的不同采用云台控制和电动变焦协同控制，从而获得最佳图像。

（4）对单台相机的测量范围内的支架进行偏离度测量后，利用最小二乘法将重合的支架进行拟合计算，建立了工作面刮板机统一的偏移坐标系。

整套系统于2016年9月在淄博矿业集团有限责任公司巴彦高勒煤矿完成井下工业性试验，试验结果刮板机槽帮中心点距偏差范围不超过±100mm，满足精度要求。试验结果表明采用视觉测量的方式进行工作面实现度控制技术上可行，并且工作面只需增加高清云台摄像仪及找直传感器，需要增加投入的费用不高，经济上也可行。

三、经济效益

1、直接经济效益

（1）减少工作面人工成本

经过井下1年现场调试和运行，综采工作面视频找直系统运行稳定，实现了工作面推进过程中的刮板机溜槽直线度的实时测量。通过该项目的实施，综采工作面实现了自动化精确找直，采场无需进行人工拉绳找直，工人只需在监控中主机操作即可完成工作面找直，将工人从危险的工作面采场解放到相对安全的顺槽监控中心，在进一步提高生产作业安全性的同时，也大大节约了人工的投入，每个生产小班将节省2人，每个原班将节省人工2人，每年可节约人工总费用60万元。

（2）工作面单产效率提高

巴彦高勒煤矿311103综采工作面自安装调试运转成功以来，单班（8小时）生产能力最大达6刀，月生产能力到70万吨，由于311101工作面地质条件差、煤层局部具有高应力显现，经常造成生产过程中调整时间加长，影响出煤效率。在使用视频找直后，配合综采智能控制技术与装备使用，提高了设备的生产效率，单班生产能力达到8刀以上，月生产能力突破90万吨。

2、间接经济效益

该项目成果的应用，可有效解决综采工作面推进过程中工作面的直线度测量工作，有效的减少工作面测量和调整的工时，增加每个工作日的工作时间，可使得综采工作面的单产提高3个百分点，同时可减小综采工作面工人的作业强度，降低作业的危险系数，经济安全效益显著。以山东能源淄矿集团为例，随着直线度视觉测量技术与装备的应用，生产能力提高3%。按单面年产1000万吨计算，综采工作面直线度直觉测量技术在山东能源集团推广应用后可创造产值近亿元。

3、社会效益分析

通过该项目的实施，取得了以下社会效益：

（1）将工人从工作面操作工变成监控中心操作工，由设备的自动化替代人工劳动，大大降低了工人的劳动强度；

（2）将工人从危险的工作面采场解放到相对安全的顺槽监控中心（或地面调度指挥中心），在监控中心对设备进行远程操控，提高了工人的安全系数。

综采工作面连续推进实时检测控制技术包括自动化操作连续推进运动过程中设备的直线度实时检测、控制技术研究及装置研制，实现综采装备的直线度控制，在工作面连续推进的过程中，保证工作面的倾斜长度方向上始终处于直线状态，确保输送机、支架排列整齐，避免因弯曲度过大导致设备的损坏，保证采煤机的割煤效果和刮板运输机的使用寿命，为工作面的连续推进做好了准备。因此视觉找直的方法进行工作面直线度控制具有良好的推广应用前景。