复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法与流程

1.本技术涉及自动化采煤技术领域，尤其涉及一种复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法。


背景技术：

2.综采工作面煤层跟随截割是实现智能化开采的重要内容，通过感知煤层变化，运用智能分析方法决策采煤截割路径，从而实现高效开采。目前基于采煤机记忆截割的自动化开采已经在我国陕北、榆林等地质条件简单矿区实现，但是相关技术难以较好地应用于煤层厚度变化较大、起伏变化复杂的矿区煤层工作面，煤层变化感知受限，采煤机无法自主根据煤层厚度变化和起伏变化进行截割高度的智能调整，严重制约了复杂条件工作面智能化开采技术的进步。
3.复杂起伏变化煤层工作面的煤层跟随截割需要同时考虑到工作面倾向方向的倾斜角度变化和走向方向的仰俯角度变化，同时针对煤层厚度调整采高。因此，为实现复杂条件综采工作面的采煤机自适应跟随煤层截割，亟需提供一种适用于复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法，可以通过感知综采工作面煤层起伏变化情况，预测未来时刻综采工作面倾向、走向方向煤层的变化趋势，从而优化采煤机截割煤层路径，改善采煤机截割煤层自适应跟随能力，提高整个综采工作面的采煤自动化水平及效率。本技术的技术方案如下：
5.本发明实施例提供了一种复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法，所述方法包括：
6.s100，建立综采工作面的空间直角坐标系；
7.s200，实时获取综采工作面的每一个液压支架的位姿倾角数据和采煤机上、下滚筒截割高度数据；并根据综采工作面两侧已掘巷道顶、底板变化情况，在所述空间直角坐标系下，获取综采工作面走向方向的煤层顶、底板的第一变化态势曲线；
8.s300，基于所述位姿倾角数据，获取综采工作面倾向方向的已采煤层顶、底板高度数据和液压支架的采高；并基于所述煤层顶、底板的第一变化态势曲线，得到综采工作面走向方向的煤层俯仰角度；
9.s400，建立综采工作面倾向方向上的煤层变化态势预测模型组和采煤机滚筒高度预测模型；其中，
10.所述煤层变化态势预测模型组是基于所述已采煤层顶、底板高度数据和液压支架的采高对神经网络模型进行学习得到的；
11.所述采煤机滚筒高度预测模型是基于所述采煤机上、下滚筒截割高度数据对神经网络模型进行学习得到的；
12.s500，构建采煤机上、下滚筒截割高度的自适应优化模型；其中，所述自适应优化模型的优化目标为最小化所述采煤机上、下滚筒截割高度与所述工作面倾向方向待采煤层顶、底板高度之间的高度之差的平方根和；或者，所述优化目标为最小化所述采煤机上、下滚筒截割高度与所述工作面倾向方向待采煤层顶、底板高度之间的高度之差的绝对值和；所述自适应优化模型的约束条件包括采煤机上、下滚筒运行上、下限约束，综采工作面倾向方向上的煤层变化态势预测模型组约束、综采工作面走向方向的煤层俯仰角度约束、采煤机滚筒高度预测模型约束；
13.s600，基于所述采煤机上、下滚筒截割高度自适应优化模型，对综采工作面未来时刻待采煤层进行截割路径优化。
14.可选的，所述建立综采工作面的空间直角坐标系，包括：
15.以三个平面构成所述空间直角坐标系的基准平面，所述三个平面分别为综采工作面运输大巷所在水平平面、综采工作面运输大巷竖向中心对称平面和综采工作面进风巷道竖向中心对称平面；
16.以所述三个平面的交点为坐标原点o，并以综采工作面进风巷道至回风巷道方向为x轴正方向，运输大巷至工作面切眼方向为y轴正方向，垂直向上的方向为z轴正方向。
17.可选的，所述位姿倾角数据包括液压支架顶梁沿工作面倾向方向的倾斜角、液压支架底座沿工作面倾向方向的倾斜角；所述基于所述位姿倾角数据，获取综采工作面倾向方向的已采煤层顶、底板高度数据，包括：
18.基于所述液压支架顶梁沿工作面倾向方向的倾斜角以及液压支架底座沿工作面倾向方向的倾斜角，获取综采工作面倾向方向的已采煤层顶、底板的第二变化态势曲线；
19.在所述空间直角坐标系中，对所述已采煤层顶、底板的第二变化态势曲线进行数据离散化处理，获取总数量为液压支架个数的已采煤层顶、底板高度数据。
20.可选的，所述位姿倾角数据还包括液压支架顶梁沿工作面走向方向的俯仰角、液压支架前连杆沿工作面走向的俯仰角、以及液压支架底座沿工作面走向的俯仰角；所述基于所述位姿倾角数据，获取综采工作面倾向方向的各个液压支架采高，包括：
21.基于所述液压支架顶梁沿工作面走向方向的俯仰角、液压支架前连杆沿工作面走向的俯仰角、以及液压支架底座沿工作面走向的俯仰角，计算所述液压支架的采高。
22.可选的，所述基于所述煤层顶、底板的第一变化态势曲线，得到综采工作面走向方向的煤层俯、仰角度，包括：
23.以采煤机截距为间距，对所述煤层顶、底板的第一变化态势曲线进行等距离散化，获取综采工作面走向方向不同推进距离上的煤层顶、底板高度数据；
24.基于所述综采工作面走向方向不同推进距离上的煤层顶、底板高度数据，获取综采工作面走向方向的煤层俯、仰角度。
25.可选的，所述综采工作面倾向方向上的煤层变化态势预测模型组通过如下公式表示：
[0026][0027]
其中，f1、f2和f3分别为综采工作面倾向方向的液压支架的采高预测模型、煤层顶
板高度预测模型、煤层底板高度预测模型；h为综采工作面所有液压支架采高向量；r为综采工作面倾向方向的煤层顶板高度向量；b为综采工作面倾向方向的煤层底板高度向量；t为采样时间；k为超前预测步数。
[0028]
可选的，所述采煤机上、下滚筒截割高度自适应优化模型通过如下公式表示：
[0029][0030]
其中，n为工作面液压支架总数；i为工作面倾向方向布置的第i个监测点；xu为采煤机上滚筒高度预测值向量；xd为采煤机下滚筒高度预测值向量；f为采煤机滚筒高度预测模型；h(i)为综采工作面倾向方向第i个监测点的液压支架的采高；r(i)为工作面倾向方向煤层顶板第i个监测点的高度；b(i)为综采工作面倾向方向煤层底板第i个监测点的高度；δd为液压支架最大抬底高度；t为采样时间。
[0031]
可选的，所述基于所述采煤机上、下滚筒截割高度自适应优化模型，对综采工作面未来时刻待采煤层进行截割路径优化，包括：
[0032]
确定所述采煤机滚筒高度预测模型和所述综采工作面倾向方向煤层变化态势预测模型组的输出的参数的长度；
[0033]
基于所述采煤机上、下滚筒截割高度自适应优化模型，对综采工作面未来时刻待采煤层进行截割路径优化。
[0034]
可选的，所述采煤机上、下滚筒截割高度数据的获取方法，包括：
[0035]
以相邻液压支架的中心距为间距，在整个综采工作面中按照等距采集采煤机截割一刀煤过程中的上、下滚筒高度数据；其中，所述采煤机上、下滚筒截割高度数据的数量为液压支架个数。
[0036]
可选的，所述实时获取综采工作面的每一个液压支架的位姿倾角数据和采煤机上、下滚筒截割高度数据，包括：
[0037]
获取所述位姿倾角数据和获取所述采煤机上、下滚筒截割高度数据的采集频率和采集时间均对应。
[0038]
基于上述技术方案，本技术实施例复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法，通过实时监测液压支架的位姿倾角数据和采煤机上、下滚筒截割高度数据，对综采工作面倾向和走向方向的煤层顶、底板变化态势曲线进行离散化处理，建立综采工作
面倾向方向煤层变化态势预测模型组和采煤机上、下滚筒截割高度自适应优化模型，从而对综采工作面未来时刻待采煤层进行截割路径优化。根据所述采煤机上下滚筒截割高度自适应优化模型，可对走向方向具有仰俯角度、倾向方向倾斜的复杂起伏变化综采工作面进行连续优化，得到最符合煤层变化的采煤机截割路径，从而提高采煤自动化水平及效率。
[0039]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
[0040]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理，并不构成对本技术的不当限定。
[0041]
图1是根据本技术一实施例的复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法的示意性流程图。
具体实施方式
[0042]
为了使本领域普通人员更好地理解本技术的技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0043]
需要说明的是，本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0044]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0045]
图1示出了根据本技术实施例的复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法的示意性流程图。如图1所示，该复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法包括如下步骤：
[0046]
s100，建立综采工作面的空间直角坐标系。
[0047]
以工作面运输大巷所在水平平面、工作面运输大巷竖向中心对称平面和该工作面进风巷道竖向中心对称平面构成统一坐标系的基准平面，其中，3个平面的交点为坐标原点o，并以工作面进风巷道至回风巷道方向为x轴正方向，运输大巷至工作面切眼方向为y轴正方向，垂直向上的方向为z轴正方向。
[0048]
s200，实时获取综采工作面的每一个液压支架的位姿倾角数据和采煤机上下滚筒截割高度数据；并根据综采工作面两侧已掘巷道顶、底板变化情况，获取综采工作面走向方向的煤层顶、底板的第一变化态势曲线。
[0049]
需要说明的是，采煤机在煤层中截割，采煤机的上滚筒截割靠近煤层顶板，采煤机的下滚筒截割靠近煤层底板。该煤层顶、底板的第一变化态势曲线，包括煤层顶板的第一变
化态势曲线和煤层底板的第一变化态势曲线。
[0050]
可选地，所述液压支架的位姿倾角数据包括液压支架顶梁沿工作面走向方向的俯仰角和沿工作面倾向方向的倾斜角、前连杆沿工作面走向的俯仰角、以及底座沿工作面走向的俯仰角和沿工作面倾向方向的倾斜角。
[0051]
可选的，所述采煤机上、下滚筒截割高度数据的获取，是以相邻液压支架的中心距为间距，在整个综采工作面中按照等距采集采煤机截割一刀煤过程中的上、下滚筒高度数据，所述采煤机上、下滚筒截割高度数据的数量为综采工作面的液压支架的个数。
[0052]
具体的，在综采工作面倾向方向的多个液压支架上等距布设监测点，即在每个液压支架上设置一个检测点，在所述监测点放置传感器。利用传感器实时监测采煤机上、下滚筒在割煤时经过该监测点时的高度数据。其中，采煤机从工作面端头到机尾为循环割煤1刀，监测得到维度为1
×
n的上、下滚筒截割高度数据集，n为正整数，且与液压支架或监测点的数量一致。
[0053]
优选地，所述液压支架的位姿倾角数据与所述采煤机上、下滚筒截割高度数据的采集需保证采集频率和采集时间对应。
[0054]
s300，基于所述位姿倾角数据，获取综采工作面倾向方向的已采煤层顶、底板高度数据；基于所述第一变化态势曲线，得到综采工作面走向方向的煤层俯仰角度；以及根据每一个液压支架的顶梁、前连杆、底座沿工作面走向方向的俯仰角计算该液压支架的采高。
[0055]
本步骤属于数据预处理，将步骤s200获取的数据进行关键指标二次计算。
[0056]
具体包括，根据获取综采工作面每一个液压支架的顶梁、底座沿工作面倾向方向的倾斜角获取综采工作面倾向方向的已采煤层顶、底板的第二变化态势曲线；并在综采工作面的空间直角坐标系中对已采煤层顶、底板的第二变化态势曲线进行数据离散化处理。具体以相邻液压支架中心距为间距，对所述已采煤层顶、底板的第二变化态势曲线进行等距离散化，获取总数量为液压支架个数的已采煤层顶、底板高度数据。
[0057]
需要说明的是，已采煤层顶、底板高度数据包括已采煤层顶板高度数据和已采煤层底板高度数据。
[0058]
根据步骤s200获取的综采工作面走向方向的煤层顶、底板的第一变化态势曲线，
[0059]
以采煤机截距为间距，对所述煤层顶、底板的第一变化态势曲线进行等距离散化，获取综采工作面走向方向不同推进距离上的煤层顶、底板高度数据；基于所述综采工作面走向方向不同推进距离上的煤层顶、底板高度数据，获取综采工作面走向方向的煤层俯、仰角度；
[0060]
根据每一个液压支架的顶梁、前连杆、底座沿工作面走向方向的俯仰角计算该液压支架的采高。
[0061]
s400，模型构建。建立综采工作面倾向方向上的煤层变化态势预测模型组和采煤机滚筒高度预测模型。
[0062]
该综采工作面倾向方向煤层变化态势预测模型组是利用步骤s300获取的所述工作面倾向方向已采煤层顶板、底板高度数据和液压支架的采高，对工作面倾向方向待采煤层顶、底板高度数据和液压支架的采高进行预测。
[0063]
因此，优选地，利用所述工作面倾向方向已采煤层顶板高度、已采煤层底板高度数据、液压支架的采高数据和机器学习模型、深度学习算法建立综采工作面倾向方向煤层变
化态势预测模型组，如式(1)所示：
[0064][0065]
其中，f1、f2和f3分别为综采工作面倾向方向液压支架采高预测模型、煤层项板高度、煤层底板高度；h为综采工作面所有液压支架采高向量；r为综采工作面倾向方向煤层顶板高度向量；b为综采工作面倾向方向煤层底板高度向量；t为采样时间；k为超前预测步数。
[0066]
该采煤机滚筒高度预测模型是根据步骤s200中得到的采煤机上、下滚筒截割高度数据，按照时间序列预测规则建立的。
[0067]
可选的，所述时间序列预测是指利用过去一段时间的数据来预测未来一段时间内的信息，包括连续型预测(数值预测，范围估计)与离散型预测(事件预测)。
[0068]
本技术实施例中，在建立采煤机滚筒高度预测模型前，需要预先确定采煤机滚筒高度预测模型的输入输出特征工程；由于采集的是时间序列数据，例如，采用监测到的第k、k-1、k-2、
……
刀的采煤机上、下滚筒对应多个液压支架的截割高度数据作为模型的输入(k为采煤机循环割煤刀数)，选择第k 1、k 2、
……
刀的采煤机上、下滚筒在多个监测点的截割高度数据作为模型的输出进行训练，以此类推，即通过之前多刀的上、下滚筒高度数据预测未来两刀或两刀以上的上、下滚筒高度位置值，从而建立采煤机上、下滚筒高度超前两刀的采煤机滚筒高度预测模型；并选择未来两刀采煤机上、下滚筒高度数据进行采煤机滚筒高度预测模型的验证。
[0069]
本技术实施例中，通过选取s200中获取的采煤机上、下滚筒截割高度数据，利用采煤机滚筒高度预测模型，根据时间序列数据预测规则，选择第k、k-1、k-2、
……
刀的采煤机上、下滚筒截割高度数据预测第k 1、k 2、
……
刀的采煤机上、下滚筒截割高度数据，可以实现采煤机滚筒高度的超前预测。
[0070]
s500：构建采煤机上下滚筒截割高度自适应优化模型。
[0071]
可选的，优化目标为最小化所述采煤机上、下滚筒截割高度与所述工作面倾向方向待采煤层顶、底板高度之间的高度之差的平方根和。
[0072]
可选地，优化目标还可以为最小化所述采煤机上、下滚筒截割高度与所述工作面倾向方向待采煤层顶、底板高度之间的高度之差的绝对值和。
[0073]
约束条件至少包括采煤机上、下滚筒运行上、下限约束，综采工作面倾向方向煤层变化态势预测模型组约束，步骤s300获取的综采工作面走向方向待采煤层俯仰角度约束，采煤机滚筒高度预测模型约束等。
[0074]
其中，采煤机上下滚筒截割高度自适应优化模型如式(2)所示，
[0075][0076]
其中，n为工作面液压支架总数；i为工作面倾向方向布置的第i个监测点；xu为采煤机上滚筒高度预测值向量；xd为采煤机下滚筒高度预测值向量；f为采煤机滚筒高度预测模型；h(i)为综采工作面倾向方向第i个监测点的液压支架的采高；r(i)为工作面倾向方向煤层顶板第i个监测点的高度；b(i)为综采工作面倾向方向煤层底板第i个监测点的高度；δd为液压支架最大抬底高度；t为采样时间。
[0077]
s600：通过所述采煤机上下滚筒截割高度自适应优化模型，对综采工作面未来时刻待采煤层进行截割路径优化。
[0078]
所述采煤机上下滚筒截割高度自适应优化模型，可优化决策综采工作面未来多刀待采煤层上、下滚筒截割路径。
[0079]
通过确定式(2)中所述采煤机滚筒高度预测模型f和综采工作面倾向方向煤层变化态势预测模型组中的输出的参数的长度，可以改变预测未来多少刀待采时刻的滚筒高度、综采工作面倾向方向煤层变化态势。作为一个示例，可以用第1到第k的数据预测第k 1的数据，也可以选择用第1到第k的数据预测第k 1到第k 7的数据，k为采煤机循环割煤刀数。
[0080]
确定式(2)中所述采煤机滚筒高度预测模型f和综采工作面倾向方向煤层变化态势预测模型组中的输出的参数的长度，预测未来k刀(即超前预测步数)待采时刻的滚筒高度、综采工作面倾向方向煤层变化态势，如式(3)所示：
[0081][0082]
综上，本发明实施例提供的复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法，适用于俯采、仰采以及连续起伏变化工作面的自适应煤层截割，适用范围广，并且能够对综采工作面未来多刀的采煤机滚筒截割路径进行连续超前规划，根据该方案得到的最优截割路径，可以使工作面达到最佳的回采效果。
[0083]
本发明实施例提供的复杂起伏变化煤层工作面采煤机自适应截割路径优化方法，通过实时监测液压支架的位姿倾角数据和采煤机上下滚筒截割高度数据，对综采工作面倾向和走向方向的煤层顶、底板变化态势曲线进行离散化处理，建立综采工作面倾向方向煤层变化态势预测模型组和采煤机上下滚筒截割高度自适应优化模型，从而对综采工作面未来时刻待采煤层进行截割路径优化。根据所述采煤机上下滚筒截割高度自适应优化模型，可对走向方向具有仰俯角度、倾向方向倾斜的复杂起伏变化综采工作面进行连续优化，得到最符合煤层变化的采煤机截割路径，从而提高采煤自动化水平及效率。
[0084]
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0085]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0086]
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
[0087]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
[0088]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。