综采放顶煤工作面自动放煤控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种综采放顶煤工作面自动放煤控制系统和方法。该控制系统包括：传感单元，所述传感单元用于检测综采放顶煤工作面的放煤数据；放顶煤支架，所述放顶煤支架上安装有支架控制器；所述支架控制器与所述传感单元通信连接，所述支架控制器接收所述放煤数据，并计算所述放煤数据与预设的基准数据的相似度，所述支架控制器根据所述相似度控制所述放顶煤支架，完成自动放煤控制。该控制方法采用上述控制系统进行自动放煤控制。采用本发明所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统和方法，降低了使用难度，提高了适用范围和实用性能，降低了使用成本，适合大面积推广实用。

权利要求

1.一种综采放顶煤工作面自动放煤控制系统，其特征在于，包括：

传感单元，所述传感单元用于检测综采放顶煤工作面的放煤数据；

放顶煤支架，所述放顶煤支架上安装有支架控制器；所述支架控制器与所述传感单元通信连接，所述支架控制器接收所述放煤数据，并计算所述放煤数据与预设的基准数据的相似度，所述支架控制器根据所述相似度控制所述放顶煤支架，完成自动放煤控制;还包括监控主机，所述监控主机与所述支架控制器通信连接，用于监控综采放顶煤工作面的放煤情况;所述传感单元包括振动传感器，所述振动传感器安装在所述放顶煤支架上，用于检测煤与矸石砸在所述放顶煤支架上的振动信号;所述传感单元包括声波传感器，所述声波传感器安装在所述放顶煤支架上，用于检测放煤过程所产生的声波信号;所述传感单元包括灰分传感器，所述灰分传感器安装在综采放顶煤工作面的后部刮板输送机的溜头上，用于检测放落顶煤的含矸率;在自动控制过程中，当所述相似度大于第一阈值时，所述支架控制器控制所述放顶煤支架停止放煤作业；当所述相似度大于第二阈值、并且小于所述第一阈值时，所述支架控制器向所述监控主机发送报警信号，所述监控主机根据所述报警信号报警；

当自动放煤结束时，如果人工观察该放煤过程并没有将顶煤全部放出时，通过远程操作再次启动自动放煤，并且，在补放自动放煤时段内所有传感器不参与该放煤过程的控制。

2.根据权利要求1所述的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统，其特征在于，所述传感单元与所述监控主机通信连接。

3.一种综采放顶煤工作面自动放煤控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-2任一所述的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统进行自动放煤控制，包括：通过所述传感单元采集人工演练放煤过程中综采放顶煤工作面的演练放煤数据，并上传到所述支架控制器，将所述演练放煤数据作为所述基准数据；

所述支架控制器控制所述放顶煤支架开始自动放煤作业；

通过所述传感单元检测综采放顶煤工作面的放煤数据，并上传到所述支架控制器；

所述支架控制器计算所述放煤数据与所述基准数据的相似度，根据所述相似度控制所述放顶煤支架，完成自动放煤控制;所述支架控制器通过所述放煤数据的信号特征和所述基准数据的信号特征来计算所述放煤数据与所述基准数据的相似度;当所述相似度大于第一阈值时，所述支架控制器控制所述放顶煤支架停止放煤作业;综采放顶煤工作面自动放煤控制系统还包括监控主机，所述监控主机与所述支架控制器通信连接，用于监控综采放顶煤工作面的放煤情况；当所述相似度大于第二阈值、并且小于所述第一阈值时，所述支架控制器向所述监控主机发送报警信号，所述监控主机根据所述报警信号报警;还包括：通过所述监控主机向所述支架控制器发送控制指令，所述支架控制器根据所述控制指令控制所述放顶煤支架动作;当自动放煤结束时，如果人工观察该放煤过程并没有将顶煤全部放出时，通过远程操作再次启动自动放煤，并且，在补放自动放煤时段内所有传感器不参与该放煤过程的控制。

4.根据权利要求3所述的综采放顶煤工作面自动放煤控制方法，其特征在于，所述传感单元与所述监控主机通信连接，将所述放煤数据上传到所述监控主机。

5.根据权利要求3-4任一所述的综采放顶煤工作面自动放煤控制方法，其特征在于，还包括：若当前放煤时间与人工演练放煤过程中放煤时间达到预设比值时，所述支架控制器控制所述放顶煤支架停止放煤作业。

说明书

综采放顶煤工作面自动放煤控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及煤矿井下放顶煤工作面自动化开采技术领域，特别是涉及一种综采放顶煤工作面自动放煤控制系统及方法。

背景技术

[0002] 在煤矿生产中，工作面生产环境恶劣，工作人员的健康和安全往往得不到保证，工作面采掘时产生的大量粉尘，使工作面工作人员的身心遭受着极大的危害。目前采煤工作面通过液压支架和采煤机的自动化控制，已经基本上实现了工作面少人甚至无人开采。然而，对于放煤工作面，由于煤矸识别等重大技术难题未得到解决，在后部放煤没有有效的办法去观察，顶煤变化情况也不容掌握，从而使得放煤作业过程透明度低、生产环境复杂、粉尘大，目前仍旧依靠人工凭感觉和经验就地操作，造成放煤效果不佳，生产效率较低，成本高，回采率低等问题，同时由于放煤过程中控制不当容易造成人身伤害，面临着安全重大隐患。

[0003] 对此，在煤矿生产领域中一直尝试研究自动放顶煤控制的技术。发明人在实现发明创造的过程中发现，目前，自动放顶煤控制技术通常都需要建立复杂的数学模型，并根据现场煤矸属性进行模型训练和边界条件设定，而在井下综采工作面的煤矸属性也在不断变化，因此所建立的数学模型在使用过程中还需要不断的修正，而模型的修正和参数边界条件的设定需要专业技术人员才能完成，难度很大，成本很高，在使用过程中必须根据不同区域的情况进行定制完成，推广应用起来技术要求较高，无法大面积推广实用。

[0004] 因此，非常有必要设计一种简单易行、使用范围广、易于推广实施的自动放煤控制技术。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种综采放顶煤工作面自动放煤控制系统及方法，旨在克服现有技术所存在的缺陷。

[0006] 本发明所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统包括：传感单元，所述传感单元用于检测综采放顶煤工作面的放煤数据；放顶煤支架，所述放顶煤支架上安装有支架控制器；所述支架控制器与所述传感单元通信连接，所述支架控制器接收所述放煤数据，并计算所述放煤数据与预设的基准数据的相似度，所述支架控制器根据所述相似度控制所述放顶煤支架，完成自动放煤控制。

[0007] 优选地，还包括监控主机，所述监控主机与所述支架控制器通信连接，用于监控综采放顶煤工作面的放煤情况。

[0008] 优选地，所述传感单元包括振动传感器，所述振动传感器安装在所述放顶煤支架上，用于检测煤与矸石砸在所述放顶煤支架上的振动信号。

[0009] 优选地，所述传感单元包括声波传感器，所述声波传感器安装在所述放顶煤液压支架上，用于检测放煤过程所产生的声波信号。

[0010] 优选地，所述传感单元包括灰分传感器，所述灰分传感器安装在综采放顶煤工作面的后部刮板输送机的溜头上，用于检测放落顶煤的含矸率。

[0011] 优选地，所述传感单元与所述监控主机通信连接。

[0012] 本发明所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制方法采用如上任意一种综采放顶煤工作面自动放煤控制系统进行自动放煤控制，包括：通过所述传感单元采集人工演练放煤过程中综采放顶煤工作面的演练放煤数据，并上传到所述支架控制器，将所述演练放煤数据作为所述基准数据；所述支架控制器控制所述放顶煤支架开始自动放煤作业；通过所述传感单元检测综采放顶煤工作面的放煤数据，并上传到所述支架控制器；所述支架控制器计算所述放煤数据与所述基准数据的相似度，根据所述相似度控制所述放顶煤支架，完成自动放煤控制。

[0013] 优选地，所述支架控制器通过所述放煤数据的信号特征和所述基准数据的信号特征来计算所述放煤数据与所述基准数据的相似度。

[0014] 优选地，当所述相似度大于第一阈值时，所述支架控制器控制所述放顶煤支架停止放煤作业。

[0015] 优选地，综采放顶煤工作面自动放煤控制系统还包括监控主机，所述监控主机与所述支架控制器通信连接，用于监控综采放顶煤工作面的放煤情况；当所述相似度大于第二阈值、并且小于所述第一阈值时，所述支架控制器向所述监控主机发送报警信号，所述监控主机根据所述报警信号报警。

[0016] 优选地，还包括：通过所述监控主机向所述支架控制器发送控制指令，所述支架控制器根据所述控制指令控制所述放顶煤支架动作。

[0017] 优选地，所述传感单元与所述监控主机通信连接，将所述放煤数据上传到所述监控主机。

[0018] 优选地，还包括：若当前放煤时间与人工演练放煤过程中放煤时间达到预设比值时，所述支架控制器控制所述放顶煤支架停止放煤作业。

[0019] 采用本发明实施例所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统和方法，通过建立自动放煤闭式系统，并实现与现场开采环境的弱耦合，降低了使用难度，提高了适用范围和实用性能，降低了使用成本。具体地，在自动放煤控制过程中不需要建立复杂的数学模型，也不需要在使用过程中修正模型，无需专业技术人员就能完成，难度小，成本低，推广应用技术要求较低，适合大面积推广实用。进一步，采用本发明实施例所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统及方法，可以将振动传感器、声波传感器、灰分传感器、时间参数控制等信息与人工作业操作时的经验相结合，实现了多传感器融合、多模式融合，利用人工操作的经验，免去了复杂的模型计算，免去了因地质条件变化带来的煤矸识别、煤层厚度变化等因素对放煤控制过程的影响，简化了放煤过程操作，实现了放煤自动化，构建了综采放顶煤工作面采场无人化放煤控制、地面远程遥控放煤生产模式。

附图说明

[0020] 下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:

[0021] 图1是本发明实施例所述的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统的示意图。

[0022] 图2是本发明实施例所述的综采放顶煤工作面自动放煤控制方法的流程图。

具体实施方式

[0023] 下面结合实施例对本发明进行详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

[0024] 图1是本发明实施例所述的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统的示意图。如图1所示，本发明实施例所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统包括放顶煤支架2和传感单元，所述传感单元用于检测综采放顶煤工作面的放煤数据，例如工作面生产环境场噪声信号。优选地，所述传感单元可以包括振动传感器6、声波传感器7和灰分传感器8等。

[0025] 所述放顶煤支架2上安装有支架控制器5；所述支架控制器5与所述传感单元通信连接，所述支架控制器5接收所述放煤数据，并计算所述放煤数据与预设的基准数据的相似度，所述支架控制器5根据所述相似度控制所述放顶煤支架2，完成自动放煤控制。优选地，所述放顶煤支架2可以采用放顶煤液压支架来实现。所述支架控制器5可以安装在工作面中所述放顶煤支架2上，用于控制放顶煤支架2动作，例如，控制放顶煤支架2的尾梁、放煤口等动作进行放煤控制。

[0026] 采用本发明实施例所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统，通过建立自动放煤闭式系统，并实现与现场开采环境的弱耦合，降低了使用难度，提高了适用范围和实用性能，降低了使用成本。具体地，在自动放煤控制过程中不需要建立复杂的数学模型，也不需要在使用过程中修正模型，无需专业技术人员就能完成，难度小，成本低，推广应用技术要求较低，适合大面积推广实用。

[0027] 如图1所示，优选地，所述综采放顶煤工作面自动放煤控制系统还包括监控主机9，所述监控主机9与所述支架控制器5通信连接，用于监控综采放顶煤工作面的放煤情况。所述监控主机9可以设置在井上，优选地，各种传感器数据可以上传到所述监控主机9，所述监控主机9可以安装在地面调度室，用来观察分析综采放顶煤工作面的放煤情况，所述监控主机9还可以通过远程操作装置10对工作面放煤过程进行远程干预。所述远程操作装置10可以集成于所述监控主机9，也可以单独设置，例如：单独设置的控制装置，向井下发送控制指令。

[0028] 优选地，所述传感单元可以包括振动传感器6、声波传感器7和灰分传感器8等。所述振动传感器6安装在所述放顶煤支架2上，优选地，可以安装在放顶煤支架2尾梁上，用来检测煤与矸石垮落砸在放顶煤支架2上的振动信号。所述声波传感器7安装在所述放顶煤支架2上，用于检测放煤过程所产生的声波信号。所述灰分传感器8安装在综采放顶煤工作面的后部刮板运输机4的溜头上，用于检测放落顶煤的含矸率。

[0029] 在图1所示的具体实施例中，所述综采放顶煤工作面自动放煤控制系统包括：采煤机1、放顶煤支架2、前部刮板运输机3、后部刮板运输机4、支架控制器5、振动传感器6、声波传感器7、灰分传感器8、监控主机9和远程操作装置10等。

[0030] 基于上述实施例所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统，本发明实施例还提供了一种综采放顶煤工作面自动放煤控制方法。图2是本发明实施例所述的综采放顶煤工作面自动放煤控制方法的流程图。如图1和2所示，该控制方法可以通过以下步骤来实现。

[0031] 步骤S101，通过所述传感单元采集人工演练放煤过程中综采放顶煤工作面的演练放煤数据，并上传到所述支架控制器5，将所述演练放煤数据作为所述基准数据。在开始放煤作业前，将所述振动传感器6和所述声波传感器7信号记录并存储下来作为静态噪声处理信号。通过人工演练放煤，对支架控制器5的放煤动作和放煤过程中所述振动传感器6、声波传感器7和灰分传感器8的信号进行记忆，并使用放煤前的传感器信号对传感器信号进行滤波剔除静态噪声信号，特别是记忆90％以上处理后的信号波形。进一步，还可以对人工演练放煤过程的人工操作时间进行自动记录。

[0032] 步骤S102，所述支架控制器5控制所述放顶煤支架2开始自动放煤作业。具体地，可以在人工演练操作所述采煤机1割煤、并且所述放顶煤支架2完成移架后使用支架控制器5控制自动开始放煤。进一步，放煤动作时间以记忆放煤人工操作时间为参考。

[0033] 步骤S103，通过所述传感单元检测综采放顶煤工作面的放煤数据，并上传到所述支架控制器5。

[0034] 步骤S104，所述支架控制器5计算所述放煤数据与所述基准数据的相似度，根据所述相似度控制所述放顶煤支架2，完成自动放煤控制。在相似度的计算过程中，所述支架控制器5优选地可以通过所述放煤数据的信号特征和所述基准数据的信号特征来计算所述放煤数据与所述基准数据的相似度。

[0035] 优选地，在自动控制过程中，当所述相似度大于第一阈值时，所述支架控制器5控制所述放顶煤支架2停止放煤作业；当所述相似度大于第二阈值、并且小于所述第一阈值时，所述支架控制器5向所述监控主机9发送报警信号，所述监控主机9根据所述报警信号报警。若当前放煤时间与人工演练放煤过程中放煤时间达到预设比值时，所述支架控制器5控制所述放顶煤支架2停止放煤作业。

[0036] 具体地，在放煤过程中，随时对所述噪声信号和声波信号进行静态噪声处理形成监视的传感器信号波形，并与人工操作时放煤口关闭时的信号波形进行比对，当噪声信号和/或声波信号波形重合度大于90％(即所述第二阈值)时，进入停止放煤预警区段，在支架控制器5上进行声光报警，同时将警示信号报送到地面调度室监控主机9上，在监控主机9上推出放煤口即将关闭的画面，并推出记忆的关闭放煤口时刻的信号波形和当前信号波形，供地面调度室操作人员进行监视判断，操作人员可以通过所述远程操作装置10进行放煤口的远程控制，停止关闭放煤口放煤。如果在此期间不进行人工干预，则当信号波形重合度大于95％(即所述第一阈值)时或达到人工操作记忆时间再增加10％(即当前放煤时间与人工演练放煤过程中放煤时间的预设比值为110％)时，支架控制器5将自动关闭放煤口结束放煤。

[0037] 同理，还可以根据所述灰分传感器8所采集的数据来实现自动控制，在放煤过程中，随时对所述灰分传感器8信号进行静态噪声处理形成监视的煤矸灰分信号波形，并与人工操作时放煤口关闭时的信号波形进行比对，当灰分传感器8信号波形重合度大于90％时，进入停止放煤预警区段，在支架控制器5上进行声光报警，同时将警示信号报送到地面调度室监控主机9上，在监控主机9上推出放煤口即将关闭的画面，并推出记忆的关闭放煤口时刻的信号波形和当前信号波形，供地面调度室操作人员进行监视判断，操作人员可以通过所述远程操作装置10进行放煤口的远程控制，停止关闭放煤口放煤；如果在其期间不进行人工干预，则当信号波形重合度大于95％时或达到人工操作记忆时间再增加10％时支架控制器5将自动关闭放煤口结束放煤。

[0038] 需要说明的是，在具体控制过程中，可以根据任何一种传感器的信号进行控制，也可以结合多个传感器的信号进行控制。例如：可以在任一传感器的信号符合上述条件时停止放煤作业，也可以在两个或多个传感器的信号同时符合上述条件时停止放煤作业。

[0039] 优选地，井上操作人员还可以通过所述监控主机9向所述支架控制器5发送控制指令，所述支架控制器5根据所述控制指令控制所述放顶煤支架2动作。具体地，所述支架控制器5可以将所述声波传感器7的信号传送到地面调度室，地面调度室操作人员可以通过耳麦监听到井下放煤支架上的声音，并可通过远程操作装置10干预井下放煤控制。更优地，在任何情况下，操作人员都可以通过远程操作放煤口的开启与关闭操作，进行远程干预操作，该操作优先级可以为最高。

[0040] 进一步，当自动放煤结束时，如果人工观察该放煤过程并没有将顶煤全部放出时，可以通过远程操作再次启动自动放煤，并且，在补放自动放煤时段内所有传感器不参与该放煤过程的控制，以达到顶煤全部采出的目的。

[0041] 在上述实施例中，通过人工演练获取放煤过程中的振动与声波信号，获取放出顶煤的灰分来判断煤矸含量以确定顶煤采出率，找出煤矸特征信号，并建立相关控制模型，并利用该数据模型，在放煤过程中与该振动信号和声波信号进行比对，当其相似度达到90％以上时，进行信息推送，报送到调度室监控主机9上，操作人员可以根据观察到的信息确定是否进行人工干预操作，如果放煤过程正常，则不进行人工干预，否则人工操作停止放煤，从而实现了自动化放煤控制，实现了基于综采放煤工作面放煤过程自动化控制、地面调度室远程干预的智能化放煤生产模式，使采场放煤过程无人化，实现了综采放顶煤工作面安全高效生产，改善了煤矿工人的生产环境，降低了煤矿工人的劳动强度，降低了煤矿企业的人工成本。

[0042] 在具体实施过程中，所述传感单元可以通过所述支架控制器5与所述监控主机9实现通信。此外，优选地，所述传感单元还可以与所述监控主机9直接通信连接，例如：可以通过井下以太网等高速网络实现直接通信。在这种设计中，一方面，所述传感单元所检测到的信号发送到所述支架控制器5，所述支架控制器5将计算结果发送到所述监控主机9；另一方面，所述传感单元将检测到的信号(例如波形信号)直接通过以太网等高速网络上传到所述监控主机9，操作人员可以在所述监控主机9上获取原始的波形信号，为及时准确的人工干预提供数据基础。例如：如操作人员通过所述监控主机9显示的波形信号判断自动计算的结果是否存在问题，若存在问题，则可以及时进行人工干预。

[0043] 在一个具体实施例中，本发明所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制方法包括以下控制过程：确定工作面生产环境场噪声信号，具体地，包括记忆振动传感器6、声波传感器7和灰分传感器8在放煤前的静态波形信号，以确定放煤环境场所的噪声信号；人工操作演练过程，具体地，通过人工操作进行放煤控制，提取并记忆放煤起止期间，放煤结束区段的振动传感器6、声波传感器7和灰分传感器8的波形信号，并剔除静态场的噪声信号，提取相关特征信号；启动自动放煤的过程，具体地，在采煤机1割煤过程中，在完成移架的放顶煤支架2后自动启动放顶煤支架2的放煤控制；放煤控制过程，具体地，在放煤过程中使用人工操作记忆的放煤时间再增加10％左右的时间作为放煤时间控制参数进行放煤控制；结束放煤控制过程，具体地，结束放煤控制采用传感器优先控制，时间作为保护，人工远程操作为最高控制优先权。

[0044] 本发明上述实施例中，在放顶煤支架2完成移架后可以自动启动跟机自动放煤，采用振动、声波进行煤矸信号识别，通过从人工操作来确定煤矸识别信号的特征，并将该特征用于在放煤过程中自动辨识自动控制停止放煤操作，并进行信息推送，将人工操作结束放煤控制时的传感器波形与当前放煤过程中传感器波形信号进行比对，操作人员可以在地面调度室通过监控主机9进行判别，并可通过远程操作装置10进行放煤口关门控制，同时也可以通过灰分传感器8对放煤的煤炭含矸率进行判别，实现煤矸信号感知与灰分感知和时间控制几个维度的信息融合的放煤自动化控制，实现了综采放顶煤工作面无人化放煤控制，并可通过地面调度室操作人员进行远程干预控制。

[0045] 采用本发明实施例所提供的综采放顶煤工作面自动放煤控制系统及方法，可以将振动传感器6、声波传感器7、灰分传感器8、时间参数控制等信息与人工作业操作时的经验相结合实现了多传感器融合，多模式融合，利用人工操作的经验，免去了复杂的模型计算，免去了因地质条件变化带来的煤矸识别、煤层厚度变化等因素对放煤控制过程的影响，简化了放煤过程操作，实现了放煤自动化，构建了综采放顶煤工作面采场无人化放煤控制，地面远程遥控放煤生产模式。

[0046] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。