工作面直線度控制技術研究

王際欣 方海 蘇岳

自動化綜采工作面采用電液控支架的步距不可避免地存在累積誤差，進而造成工作面出現彎曲。要實現自動化、無人化開采地連續開采，研制自動化工作面直線度矯直系統是非常必要的。綜采工作面與巷道都是狹長形的測量對象，同時分布著大量的設備如液壓支架，并且由于煤層的起伏和地質環境的變化，采煤機截割時工作面煤塵對測量的影響，因此不能采用地面常規的激光定位技術。利用高清云臺測量同時使用超聲波測距檢測相鄰液壓支架或者相鄰刮板運輸機間的相對位置，在工作面連續自動化推進過程中，不斷縮小相對位置，使得工作面在推進中不斷的趨于直線，以達到實現工作面直線度控制的目標。有關工作面直線度控制技術研究情況簡述如下：

一、技術研究地點基本概況

巴彥高勒礦井是內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司下屬特大型煤礦，為瓦斯礦井，煤層甲烷含量在0.00～0.13ml/g之間，沖擊地壓嚴重。自從2012年投產以來，開采的綜采工作面有311101、311102和311103，三個工作面都位于巴彥高勒煤礦11盤區，均為實炭區，屬于厚煤層開采，煤厚在5.0～5.8米之間，煤層傾角在0～3°之間，工作面長度260米，推采長度為2550米。

二、技術研究主要內容

基于視覺測量的直線度控制技術是國內外首次試驗的綜采工作面直線度控制技術。主要開發的裝置和系統包括：綜采工作面視覺找直系統、高清云臺攝像儀以及找直傳感器。

1. 主要研究內容

針對煤礦井下光照不足、煤塵多、設備復雜等問題，研究了基于視覺測量技術的復雜工作面圖像采集及測量理論，利用高清云臺攝像儀實時對工作面刮板輸送機槽幫的直線偏移度進行測量，打破了常規的單純檢測工作面直線的傳統思想在工作面連續自動化推進過程中，不斷縮小相對位置，使得工作面在推進中不斷的趨于直線，以達到實現工作面直線度控制的目標。

2、關鍵技術及創新點

針對工作面的復雜條件，研究了通過視覺測量計算工作面直線度的技術，取得了以下成果：

（1）在綜采工作面煤塵大、光線暗等特殊環境下，采用圖像處理解決工作面找直問題，通過合理的照明裝置，解決了工作面直線度的標定問題。分別應用云臺攝像儀、超聲波行程測距儀燈進行了研究改進，提升了工作面圖像采集裝置獲取的圖像效果，降低了支架和刮板機位置識別分析的難度。

（2）通過大量實驗和對綜采工作面煤塵反光及液壓支架、采煤機等運動機械的運動影響分析，設計出發光強度可連續調節的均勻散射LED光源，這種光源可有效減少煤塵等外界因素干擾，根據不同環境突出被測目標與背景之間的差異，改善了測量圖像的質量，進而簡化了圖像識別和處理的算法。

（3）提出基于電動變焦和云臺控制的協同控制方法。根據綜采工作面長度的不同采用云臺控制和電動變焦協同控制，從而獲得最佳圖像。

（4）對單臺相機的測量范圍內的支架進行偏離度測量后，利用最小二乘法將重合的支架進行擬合計算，建立了工作面刮板機統一的偏移坐標系。

整套系統于2016年9月在淄博礦業集團有限責任公司巴彥高勒煤礦完成井下工業性試驗，試驗結果刮板機槽幫中心點距偏差范圍不超過±100mm，滿足精度要求。試驗結果表明采用視覺測量的方式進行工作面實現度控制技術上可行，并且工作面只需增加高清云臺攝像儀及找直傳感器，需要增加投入的費用不高，經濟上也可行。

三、經濟效益

1、直接經濟效益

（1）減少工作面人工成本

經過井下1年現場調試和運行，綜采工作面視頻找直系統運行穩定，實現了工作面推進過程中的刮板機溜槽直線度的實時測量。通過該項目的實施，綜采工作面實現了自動化精確找直，采場無需進行人工拉繩找直，工人只需在監控中主機操作即可完成工作面找直，將工人從危險的工作面采場解放到相對安全的順槽監控中心，在進一步提高生產作業安全性的同時，也大大節約了人工的投入，每個生產小班將節省2人，每個原班將節省人工2人，每年可節約人工總費用60萬元。

（2）工作面單產效率提高

巴彥高勒煤礦311103綜采工作面自安裝調試運轉成功以來，單班（8小時）生產能力最大達6刀，月生產能力到70萬噸，由于311101工作面地質條件差、煤層局部具有高應力顯現，經常造成生產過程中調整時間加長，影響出煤效率。在使用視頻找直后，配合綜采智能控制技術與裝備使用，提高了設備的生產效率，單班生產能力達到8刀以上，月生產能力突破90萬噸。

2、間接經濟效益

該項目成果的應用，可有效解決綜采工作面推進過程中工作面的直線度測量工作，有效的減少工作面測量和調整的工時，增加每個工作日的工作時間，可使得綜采工作面的單產提高3個百分點，同時可減小綜采工作面工人的作業強度，降低作業的危險系數，經濟安全效益顯著。以山東能源淄礦集團為例，隨著直線度視覺測量技術與裝備的應用，生產能力提高3%。按單面年產1000萬噸計算，綜采工作面直線度直覺測量技術在山東能源集團推廣應用后可創造產值近億元。

3、社會效益分析

通過該項目的實施，取得了以下社會效益：

（1）將工人從工作面操作工變成監控中心操作工，由設備的自動化替代人工勞動，大大降低了工人的勞動強度；

（2）將工人從危險的工作面采場解放到相對安全的順槽監控中心（或地面調度指揮中心），在監控中心對設備進行遠程操控，提高了工人的安全系數。

綜采工作面連續推進實時檢測控制技術包括自動化操作連續推進運動過程中設備的直線度實時檢測、控制技術研究及裝置研制，實現綜采裝備的直線度控制，在工作面連續推進的過程中，保證工作面的傾斜長度方向上始終處于直線狀態，確保輸送機、支架排列整齊，避免因彎曲度過大導致設備的損壞，保證采煤機的割煤效果和刮板運輸機的使用壽命，為工作面的連續推進做好了準備。因此視覺找直的方法進行工作面直線度控制具有良好的推廣應用前景。