綜采工作面自適應截割路徑規劃算法研究

李 偉 王 甲 孫新磊

（臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司）

隨著物聯網技術的發展，以人為本觀念的深入，綠色智能化開采成為了目前煤炭行業的主流趨勢［1-3］。智能開采主要面臨采煤機定位與煤巖層識別不精確、采煤機割煤路徑難控制等問題［4-6］。目前，約束采煤機自動化運行路徑的方法主要以記憶割煤為主，通過記住上一刀的采煤機運行數據來約束當前刀的采煤機運行，若當前刀的煤層空間形態與上一刀相比發生變化時，需要人工手動調整進行更新記憶路徑，或參考當前回采工作面的煤層頂底板線進行割煤設計與規劃，缺乏對于未來截割路徑的預測能力。為此，提出了利用工作面高精度透明化三維動態地質模型，獲取工作面前方煤層的頂底板數據的建模方法，以此為基礎計算規劃采煤機的截割路徑，來實現采煤機自適應煤層截割路徑算法的智能預測。

1 高精度三維地質模型

1.1 三維建模

在智能開采實用化上要實現未來N刀割煤的自適應截割，必須將未來N刀的煤層空間起伏形態透明化，以統一坐標系下的回采工作面高精度透明化三維動態地質模型為基礎，獲取當前回采位置未來N刀的煤層空間高精度三維地質模型。

三維地質模型的構建主要是通過對原始數據及各類制圖中相關實體數據點構型、屬性、邊界形態等進行分析整理，建立原始點、線、面間的各種拓撲關系；通過對數據的處理分析推斷，劃分為較小或很小基本地質單元，組成可以反映對象的空間分布細節的地質模型，并且可以對地質環境中的對象進行操作和分析。

三維模型的構建與修正如圖1所示，可以分為原始地質資料收集與整理、基礎三維模型構建、高精度三維模型的構建與動態修正三部分。

首先采集工作面地質數據，進行整理融合，剔除異常和冗余數據，轉換為統一的數據格式；之后分別以頂底板數據作為三角網頂點構建頂底板三角網模型，將頂底板求并集，以似直三棱柱算法構建地質體，同時可以利用插值算法、平滑過渡算法等，對三角網進行加密、平滑處理；最后通過不斷添加新的測量數據和工作面素描數據，采用局部重構的方法，實現模型動態更新，提高模型局部精度。

1.2 原始數據的整理

通過對目標區域及周圍區域的地質資料的調研、整理，盡量獲取所有能影響煤層和構造三維形態的相關數據，如地面勘探鉆孔、井下鉆孔、巷道素描圖、切眼素描圖、勘探線和預想剖面圖三維地震、地質雷達以及通過鉆探或物探手段獲取的煤層頂底板數據、煤層厚度數據和構造數據。在數據收集分析過程中，盡量集中采集煤層控制參數和煤層特征參數（如拐點）數據，以提高綜采工作面煤層三維地質模型的精確度。煤層控制參數指可以控制煤層起伏形態和煤層厚度特征的參數；煤層特征參數指能夠控制煤層形態的特殊參數，如起伏最大和最小數據，若以剖面線表達煤層起伏狀態，可將剖面線的拐點稱為特征參數，如巷道素描圖中以1 m 或2 m 為間隔距離提取煤層底板數據和煤層厚度數據。

1.3 綜采工作面初始三維地質模型的構建

三角網（Triangulated Irregular Network，TIN）是地質模型的基礎。TIN 方法將無重復點的散亂數據集合按某種規則（如Delaunay規則）進行三角剖分，使這些離散數據形成連續但不重疊的不規則三角面片網，并以此來描述構建3D 物體的表面。在煤層三維建模過程中，可以將煤層頂底板控制點和特征點作為三角網頂點，構建煤層頂底板表面模型。含復雜地質構造的TIN算法只是解決了地層表面建模問題，還需要借助似直三棱柱（Analogical Right Triangular Prism，ARTP）理論對TIN 的生成算法進行擴展，生成上下表面，構建層狀地質體，并對其中的地層進行屬性填充，如圖2所示。

1.4 高精度透明化三維地質模型的構建與動態修正

綜采工作面的回采作業是不斷變化的動態過程，而且隨著回采的進行，煤層地質信息也是逐漸掌握的動態過程。因此，綜采工作面初始三維地質模型的適用性有限，不能支撐整個綜采工作面的回采作業，需要根據新揭露的工作面煤層信息，不斷動態更新修正三維地質模型，提高模型的準確性。其中采集煤層地質信息是離散的，需要利用膨脹搜索算法、樣條曲面插值算法、平滑過渡算法等對煤層數據進行預測、加密后，再生成地質模型，實現煤層地質體模型連續、平滑、準確。

2 自適應截割路徑規劃方法與動態修正

基于慣導定位技術與采煤機姿態可以計算出采煤機上一刀實際割煤頂底板線的空間坐標，再結合采煤機前后滾筒調整數據、采煤機滾筒截深、刮板運輸機垂直彎曲角度、工作面最大采高和最小采高等機械設備和采煤工藝的約束條件，對比綜采工作面未來N刀的煤層空間高精度三維地質模型，自動計算出未來N刀的截割面對應的采煤機前后滾筒調整量。將每刀的采煤機前后滾筒調整量派發給采煤機，約束采煤機在割煤過程中動態地修正采煤機前后滾筒調整量，實現采煤機的自適應割煤。采煤機自適應截割路徑的主要生成方法如下：

（1）由綜采工作面生產管控系統獲取采煤機上一刀頂底板割煤實際截割線，并將其轉換為與基于統一坐標系相對應的坐標數據，其中高精度地質模型為基于統一坐標系的，加入最新生產信息并完成動態修正的回采工作面煤層高精度透明化三維動態地質模型（簡稱高精度三維地質模型）。

（2）獲取基于統一坐標系的綜采工作面煤層高精度透明化三維動態地質模型，加入最新生產信息，完成動態修正，并以上一刀割煤成果斷面為基準面，生成未來N刀的煤層頂底板N×（M+1）格網點陣數據模型（M為工作面支架數）。

（3）根據采煤機前后滾筒各自的運行調整范圍和N×（M+1）格網點陣數據模型，基于上一刀頂底板割煤實際截割線，優化計算出采煤機前后滾筒未來一刀的高度調整值和頂底板預測截割線；并根據下一刀頂底板預測截割線，繼續依次逐刀計算出后續N-1 刀的前后滾筒高度預測調整值和頂底板預測截割線。

（4）根據下一刀的前后滾筒高度調整值和頂底板預測截割線，約束采煤機完成一刀自主割煤后，由管控系統獲取其實際截割軌跡，并與下一刀的頂底板預測截割線進行對比，修正其前后滾筒高度調整值，以約束采煤機完成新的截割循環；之后重復步驟（4）至第n刀（n≤N）。

（5）當綜采工作面高精度透明化三維地質模型動態更新后，或者連續自主截割達到規定上限（n刀）時，重復上述所有工作。

得到未來N刀截割面采煤機前后滾筒的調整量，一方面，在各截割面上將采煤機前后滾筒調整量與上一刀的頂底板割煤線做加減計算，可以得到對應截割面的預測截割線；另一方面，將未來N刀預測截割線所對應截割點沿推進方向相連，即得到未來N刀的俯仰采基線。

3 工程試驗與應用

3.1 預測切割線與數據提取

在郭屯煤礦進行了工程試驗，利用鉆探、地震、生產、煤巖層探測等數據，構建綜采工作面高精度透明化三維地質模型，并利用最新數據實現高精度三維地質模型局部動態更新，提高綜采工作面地質模型的精確度，為智能化綜采工作面的建設提供全面實時的地理信息透明平臺支撐，同時提取該模型未來N刀頂底板格網數據，生成預測截割線。

3.2 記憶截割技術與缺陷

基于綜采工作面高精度透明化三維動態地質模型提取了綜采工作面未來70刀煤層空間高精度頂底板模型，并分別模擬了以記憶割煤技術和自適應截割技術進行生產時的截割效果。以記憶割煤技術截割未來70 刀的煤體效果如圖3 所示。可以看出，以記憶截割方式截割未來70 刀煤體時，隨著煤層地質形態的高低起伏變化，截割推進過程中截割軌跡將大幅偏離煤體。

3.3 自適應截割技術與優勢

自適應截割技術截割未來70刀的煤體效果如圖4 所示。可以看出，自適應截割方式會約束采煤機自動調整前后滾筒調整量，適應煤層地質形態的高低起伏變化，實現自適應截割。

3.4 記憶截割技術對自適應截割技術對比

如圖5 所示，從未來70 刀的記憶截割軌跡、自適應截割軌跡和煤層實際頂底板模型數據的三維對比展示效果可以看出，基于回采工作面高精度透明化三維動態地質模型的自適應截割技術是實現智能開采的基礎和必經之路。

4 結 論

以郭屯煤礦綜采工作面高精度透明化三維動態地質模型為例，通過實現高精度三維地質建模與自適應截割的路徑的修正方法，解決了綜采工作面采煤機自適應截割的難題。

（1）提出三維動態地質建模方法。收集工作面地質數據，進行整理融合轉換為統一的數據格式，以三角網頂點構建頂底板三角網模型，并以似直三棱柱算法構建地質體，通過精確建模與動態更新實現模型動態更新，提高模型局部精度。

（2）分析自適應截割路徑規劃方法與動態修正技術。基于綜采工作面高精度透明化三維動態地質模型獲取工作面前方頂底板格網數據，規劃未來N刀的預測截割線，并結合每刀的實際截割路徑，對采煤機前后滾筒調整量進行修正。

（3）以郭屯煤礦為例，通過對比記憶截割技術的截割軌跡，驗證了自適應截割技術會約束采煤機自動調整前后滾筒調整量，適應煤層地質形態的高低起伏變化，實現自適應截割。