一种冲钻、提振一体式井工煤仓智能疏堵系统及方法

本发明属于矿山智能化装备，特别涉及一种冲钻、提振一体式井工煤仓智能疏堵系统及方法。

背景技术：

1、井工煤仓在煤炭储运过程中，因物料粘结、湿度变化、静置时间延长等因素，极易发生挂壁、结拱、板结等堵塞现象，为保障生产连续性，当前行业普遍采用仓壁振动器、空气炮、伸缩钻杆、旋转疏松机等单一执行装备进行疏堵作业，其中，仓壁振动器依靠高频机械振动削弱煤与仓壁间的粘结力，结构简单、成本低，但仅适用于浅层挂壁，对硬质结拱及深层板结几乎无效，且长期运行易引发仓体焊缝疲劳与混凝土开裂；空气炮通过瞬时释放压缩气体形成冲击波扰动堵塞体，响应速度快、无需接触，但冲击强度不可调、作用深度有限、重复启停间隔长，难以适应不同硬度堵塞的差异化需求；伸缩钻杆类设备可实现定点穿刺与破碎，对顽固性堵塞具有较强穿透能力，但完全依赖人工操作，定位粗放、打击盲目，且破拆后缺乏配套清料手段，常导致碎煤堆积、二次堵塞；旋转疏松机通过刮刀或螺旋机构主动搅动仓内物料，具备一定预防能力，但设备本体易被大块煤掩埋卡滞，维护频繁，且仅覆盖局部区域，整体可靠性与适用性受限；

2、上述装备均以独立单元形式运行，彼此之间无信息交互、无动作协同、无策略统筹，其控制逻辑普遍基于固定阈值（如仅依据堆积厚度或时间周期启停），无法感知堵塞类型演变、煤质特性波动及设备实时状态，导致作业方式切换滞后、参数匹配失准，例如，在挂壁初期振动效果已趋饱和时，系统仍无法自主判断是否需转入强化扰动模式；当结拱体经冲击破碎后，振动装置未能及时介入清料，造成能量浪费与作业返工；更严重的是，多种设备在同一空间内并行作业时，缺乏统一的安全约束机制，存在机械干涉、链条缠绕、冲击误击等重大安全隐患，此外，各装备的运行参数（如振幅、气压、钻进速度）均为预设常量，无法随堵塞演化动态调整，致使疏堵过程能效比低、关键部件磨损加剧、系统整体寿命缩短；

3、综上，现有技术本质是“单点应对、经验驱动、静态控制”，难以满足现代矿山对疏堵作业高效性、安全性、适应性与智能化的综合要求。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、为了解决上述问题，本发明提出一种能够融合多种物理作用方式、贯通感知、决策、执行、反馈全链路、具备自适应调节与闭环优化能力的冲钻、提振一体式井工煤仓智能疏堵系统及方法。

3、（二）技术方案

4、本发明通过如下技术方案实现：

5、一方面，本发明提出了一种冲钻、提振一体式井工煤仓智能疏堵系统，所述智能疏堵系统包括有：

6、堵塞感知模块，用于获取煤仓物理结构参数及实时堵塞工况数据，并输出堵塞类型识别结果与堵塞特征向量；

7、协同决策模块，耦合连接所述堵塞感知模块，用于基于所述堵塞类型识别结果与系统运行状态参数，生成最优作业模式指令；

8、冲钻执行子系统，包括冲击破碎锤装置及与其关联的定位驱动单元，所述冲击破碎锤装置被配置为响应所述最优作业模式指令，执行冲钻能量调节、冲钻频率调制及空间精确定位动作；

9、其中，所述定位驱动单元包括伺服驱动平台、门式轨道或环形轨道系统、多级液压伸缩臂及高频液压冲击锤；

10、所述门式轨道或环形轨道系统固定于煤仓顶板上方外部结构；

11、所述伺服驱动平台搭载于轨道之上，并可沿轨道移动以覆盖仓顶全平面；

12、所述多级液压伸缩臂悬挂于伺服驱动平台下方，其末端集成高频液压冲击锤；

13、提振执行子系统，包括提拉振动阵列及与其关联的张力调控单元，所述提拉振动阵列被配置为响应所述最优作业模式指令，执行提拉时序调度、提拉速度调节及张力动态补偿动作；

14、其中，所述提拉振动阵列包括内侧提拉阵列和中央提拉阵列；

15、所述内侧提拉阵列沿煤仓直筒段周向均匀布置，由八条作业链构成，每两条作业链为一组并行驱动单元，共四组，分别对应煤仓体四个侧面的中心区域；

16、所述中央提拉阵列在煤仓顶板几何中心区域对称布置，由两条作业链构成，垂挂于仓体中心轴区域；

17、所述内侧提拉阵列与中央提拉阵列的每条作业链均包括卷扬机、链轮、链条及挂钩；

18、其中，所述卷扬机与链轮转动连接，所述链条绕经链轮并与其啮合传动；

19、所述卷扬机与链轮均设置于煤仓顶板或内顶部；

20、所述挂钩连接于链条末端。

21、协同控制模块，分别耦合连接所述协同决策模块、冲钻执行子系统及提振执行子系统，用于执行安全互锁校验、冲突消解及协同作业时序生成，并将协同作业时序反馈至所述冲钻执行子系统与提振执行子系统的执行控制单元；

22、效果评估与自校正模块，耦合连接所述协同控制模块及各执行子系统的反馈接口，用于采集作业过程数据，量化评估作业效果，并输出控制参数校正指令至所述协同决策模块、冲钻执行子系统及提振执行子系统。

23、另一方面，本发明提出一种冲钻、提振一体式井工煤仓智能疏堵方法，基于上述冲钻、提振一体式井工煤仓智能疏堵系统实现，包括如下步骤：

24、s1. 由堵塞感知模块获取煤仓物理结构参数及实时堵塞工况数据，经动力学建模与堵塞特征分析，输出堵塞类型识别结果与协同作业需求指数r；

25、s2. 由协同决策模块接收所述堵塞类型识别结果与协同作业需求指数，经作业模式智能决策，输出最优作业模式指令；

26、s3. 由冲钻执行子系统接收所述最优作业模式指令及自身状态参数，经冲钻能量自适应调控与空间定位规划，输出冲钻能量指令、冲钻频率指令及伸缩臂定位指令；

27、s4. 由提振执行子系统接收所述最优作业模式指令及自身状态参数，经提拉时序调度、提拉速度调节及张力动态补偿，输出提拉速度指令、提拉时序指令及张力设定指令；

28、s5. 由协同控制模块接收s3与s4输出的指令，执行安全互锁校验与冲突消解，输出安全互锁指令与协同作业时序表；

29、s6. 由效果评估与自校正模块接收s5输出的协同作业时序表及系统实时反馈数据，经作业效果量化评估与控制参数自校正，输出更新后的冲钻至提振一体式疏堵协同控制策略。

30、优选地，所述s1步骤中，由堵塞感知模块执行动力学建模与堵塞特征分析，具体包括以下子步骤：

31、s11、针对井工煤仓堵塞形成的物理机理，分析不同堵塞类型的结构特征与力学特性，并结合井下复杂工况影响，输入煤仓物理结构参数及堵塞工况影响因素；

32、其中，所述煤仓物理结构参数包括有：

33、仓体直径、仓体深度、仓壁倾角；

34、所述堵塞工况影响因素包括有：

35、堵塞体位置坐标()、堵塞体厚度、堵塞体硬度、堵塞体抗压强度；

36、s12、所述堵塞感知模块基于离散元法、连续介质力学及流体力学理论，对堵塞体的受力特性与破坏条件进行建模分析，得到挂壁型堵塞体与板结型堵塞体的力学模型及对应破坏阈值；

37、对于挂壁型堵塞体，其破坏条件由煤与煤仓仓壁间的粘结力决定，满足以下关系式：

38、；

39、式中，为堵塞体受到的剪切应力，为堵塞体与煤仓仓壁的粘结强度，为堵塞体与煤仓仓壁的摩擦系数，为堵塞体与煤仓仓壁的法向应力，为堵塞体的内聚力；

40、对于板结型堵塞体，其破坏条件由压实煤体的抗拉强度决定，满足以下关系式：

41、；

42、式中，为堵塞体内部应力，为堵塞体抗拉强度，为堵塞体压实系数，为堵塞体密度，为重力加速度，为堵塞体厚度，为堵塞体的孔隙率；

43、s13、所述堵塞感知模块将所得力学模型与破坏阈值，结合输入的煤仓物理结构参数及堵塞工况影响因素，通过内置的堵塞特征分析算法，输出堵塞类型识别结果与协同作业需求指数r；

44、所述协同作业需求指数r为如下公式：

45、；

46、式中，、、为权重系数，，为堵塞体硬度下限，为堵塞体硬度上限；

47、其中，协同作业需求指数r具体分为三种需求，如下：

48、当协同作业需求指数r＜0.3时，判定为预防性需求；

49、当0.3≤协同作业需求指数r≤0.7时，判定为扰动性需求；

50、当协同作业需求指数r＞0.7，判定为破拆性需求；

51、其中，堵塞体还包括有结拱型堵塞体。

52、优选地，所述s2步骤具体包括以下子步骤：

53、s21、协同决策模块接收堵塞类型识别结果与协同作业需求指数 r，基于需求驱动决策逻辑与预设模式匹配规则进行作业模式优选分析，得到初始作业模式指令；

54、所述s2步骤中协同决策模块输出的初始作业模式指令为：

55、当协同作业需求指数r＜0.3（阈值）时且为挂壁型堵塞体，匹配预防性网格扰动模式；

56、当0.3≤协同作业需求指数r≤0.7时且挂壁型堵塞体或结拱型堵塞体，匹配区域性强化干预模式；

57、当协同作业需求指数r＞0.7且为结拱型堵塞体和板结型堵塞体，匹配精准定点破堵模式；

58、当协同作业需求指数r＞0.7且为堵塞形态复杂或存在多种堵塞类型复合时，匹配综合协同攻坚模式；

59、上述阈值均可结合实际情况进行动态调整；

60、s22、协同决策模块接收s21所得初始作业模式指令及系统实时状态参数，基于模式切换约束条件与安全状态校验逻辑进行可行性验证分析，得到最优作业模式指令；

61、其中，所述系统实时状态参数包括提拉振动阵列的作业链当前位置、冲击破碎锤装置当前状态、以及系统关键设备可用性标志；

62、所述模式切换约束条件为：仅当安全状态标志、设备可用性标志与时序可行性标志同时为真时，允许执行作业模式切换；

63、所述安全状态标志为真，当且仅当协同控制模块确认所有安全互锁条件均已满足。

64、优选地，所述s3步骤具体包括以下子步骤：

65、s31、冲钻执行子系统接收s2输出的作业模式指令及s1输出的堵塞特征参数，并基于阻抗感知模型与冲钻能量调控算法，执行冲钻能量与冲钻频率的协同计算，生成冲钻能量指令与冲钻频率指令；

66、冲钻能量调控算法为：

67、；

68、式中，与s13相同，为实际输出冲钻能量，

69、为最大冲钻能量，为自适应调节系数；

70、对冲钻频率指令具备以下约束条件：

71、；

72、式中，为冲击破碎锤最大功率，f表示冲击破碎锤每秒钟执行的冲击动作次数；在保证功率不超限的前提下，通过阻抗感知闭环控制，实现能量与频率的最优匹配；

73、s32、冲钻执行子系统接收堵塞位置坐标及冲钻系统当前状态参数，其中，所述冲钻系统当前状态参数包括伺服驱动平台当前位置、多级液压伸缩臂当前姿态；所述冲钻执行子系统基于路径规划算法与末端定位误差补偿模型，执行空间定位路径解算与误差修正，生成伸缩臂定位指令；

74、定位误差控制模型如下：

75、cm；

76、为轨道定位误差，为伸缩臂挠度误差，为控制系统误差；通过高精度伺服控制和结构优化，确保水平定位精度≤±3cm，垂直定位精度≤±2cm；

77、s33、冲钻执行子系统将s31生成的冲钻能量指令、冲钻频率指令与s32生成的伸缩臂定位指令，基于预设冲钻序列规划逻辑与安全边界约束条件进行融合处理，生成冲击破碎锤装置的完整控制指令集；

78、冲钻次数规划n如下：

79、；

80、为冲钻能量利用率，为堵塞体体积，式子中其余符号上同；

81、优选地，所述s4步骤具体包括以下子步骤：

82、s41、提振执行子系统接收s2输出的作业模式指令及s1输出的堵塞特征参数，并基于提拉振动阵列分区调度算法与时序规划算法，执行提拉振动阵列启动序列与提拉速度的协同计算，生成提拉时序指令与提拉速度指令；

83、提拉速度的控制模型如下：

84、；

85、为驱动机构（卷扬机）最大功率，为机械（内侧提拉阵列与中央提拉阵列）损耗功率，为实时监测的链条张力；提拉速度可调，根据负载实时调整；

86、综合协同攻坚模式：优先启动周向区域提拉振动阵列，再启动中央区域提拉振动阵列，实现全域扰动与贯穿松动的结合；

87、s42、提振执行子系统接收s41生成的提拉速度指令及提拉振动阵列状态参数，其中，所述提拉振动阵列状态参数包括当前链条位置、张力传感器实时数据；所述提振执行子系统基于智能张紧控制算法与张力动态调节模型，执行链条张力闭环计算与动态补偿，生成各链条的张力设定指令与实时调节量；

88、初始张力的设定模型如下：

89、；

90、为链条最小张紧力（防止链条松弛），为链条单位长度重量，为安全系数，为链条垂挂深度，为当前参与作业的提拉振动阵列作业链数；

91、张力动态调节模型如下：

92、；

93、为负载变化引起的张力补偿量（由煤体包裹、卡链或振动惯性载荷引起的张力动态补偿量），为温度变化引起的张力补偿量（由环境温度变化导致链条热胀冷缩引起的张力补偿量），为链条实时目标张力，智能张紧系统实时监测张力波动，通过时域和频域特征分析，识别卡链、断链、异常负载等工况；

94、s43、提振执行子系统将s41生成的提拉时序指令、s42生成的张力设定指令，基于预设安全边界约束条件与防干涉校验逻辑进行融合处理，生成提拉振动阵列的完整控制指令集。

95、优选地，所述s5步骤具体包括以下子步骤：

96、s51、协同控制模块接收冲钻执行子系统输出的全部控制指令及提振执行子系统输出的全部控制指令，基于空间干涉检测模型与时序冲突分析逻辑，执行两类指令的空间安全域校验与时序可行性判定，生成冲突检测结果；

97、空间干涉判定规则：

98、冲击破碎锤装置的投影区域半径  按下式计算：

99、；

100、提拉振动阵列任一作业链的投影区域半径  按下式计算：

101、；

102、其中：  为伸缩臂最大水平伸展长度；  为冲击破碎锤装置的最大外轮廓半径；  为伸缩臂末端在作业过程中的动态摆动裕量； 为作业链本体在垂挂状态下的等效回转半径；为作业链在提拉振动过程中因惯性sway（摇摆）产生的横向偏移裕量；为冲击破碎锤装置投影中心点与作业链投影中心点之间的水平距离；

103、当满足以下条件时，判定为存在空间干涉：

104、；

105、时序冲突判定规则：

106、冲击破碎锤装置作业期间，提拉振动阵列的所有作业链必须处于完全收起状态并锁定张紧；

107、提拉振动阵列任一作业链作业期间，冲击破碎锤装置不得进入该作业链的垂直投影区域；

108、模式切换过程中，应确保前一作业动作完全停止后，再启动后一作业动作，且最小时序间隔不小于 ，其中  为伸缩臂复位时间、链条制动响应时间与系统状态确认时间之和。

109、s52、协同控制模块接收s51生成的冲突检测结果，基于预设强制互锁规则与冲突消解逻辑，对存在冲突的指令进行修正处理，生成安全互锁指令与修正后的协同作业时序表。

110、优选地，所述s6步骤具体包括以下子步骤：

111、s61、效果评估与自校正模块接收s5输出的协同作业时序表，驱动冲钻执行子系统与提振执行子系统执行疏堵作业，并同步采集系统实时反馈数据；其中，所述系统实时反馈数据包括冲钻反馈能量、提拉振动阵列的链条张力变化量、以及堵塞形态变化数据；

112、s62、效果评估与自校正模块基于作业效果评估模型与参数优化逻辑，对s61采集的系统实时反馈数据进行量化分析，生成作业效果评价指标；

113、作业效果评估模型如下：

114、；

115、式中：

116、 为作业效果综合评价指数，取值范围为  至 ；

117、 为本次作业清除的堵塞体积，单位为m³；

118、 为作业前初始堵塞体积，单位为m³；

119、 为本次作业实际耗时，单位为s；

120、 为预设最大允许作业时间，单位为s；

121、 为目标能量消耗，单位为j；

122、 为本次作业实际能量消耗，单位为j；

123、、、 为预设权重系数，且满足 ；

124、s63、效果评估与自校正模块将s62生成的作业效果评价指标，输入至控制参数自校正模型，执行参数迭代更新，生成更新后的冲钻、提振一体式疏堵协同控制策略；

125、所述控制参数自校正模型为为：

126、；

127、 为控制参数，包括冲钻能量调节系数、提拉速度系数、张力设定系数中的至少一项；

128、 为更新后的控制参数值； 为更新前的控制参数值； 为学习速率，为大于0的常数； 为作业效果综合评价指数  对控制参数  的偏导数。

129、（三）有益效果

130、本发明具备以下有益效果：

131、一是作业方式由分离走向融合，将冲击破碎与提拉振动统一纳入同一控制框架，形成空间互补、强度匹配、流程嵌套的协同机制，显著提升复杂堵塞应对能力；

132、二是决策依据由经验转向机理，依托堵塞体结构特征与力学特性建模，使作业模式选择具备科学性、可追溯性与环境适应性；

133、三是执行过程由粗放转向精准，冲钻定位误差控制在厘米级，提振张力全程动态响应负载与温度变化，保障动作稳定可靠；

134、四是安全防护由人为依赖转向系统刚性约束，通过数学化定义设备投影区域与运动边界，实现空间避让与时序隔离的自动执行；

135、五是系统能力由静态固化转向持续进化，通过作业效果反馈驱动参数自校正，使疏堵策略随工况演变不断优化，长期运行稳定性与智能化水平同步提升。