长壁综采工作面无人自主开采原理与评估方法研究

According to the development history of longwall mining controlling technology, this project summarizes that coal seam geographic information system with high precision, longwall mining cutting path autonomous planning, and longwall mining controlling system evaluation method are the main obstacle for unmanned autonomous longwall mining, referenced the technical framework of unmanned autonomous systems. Therefore, this project will study the refining method of coal seam geographic information system and build a knowledge-guide, data-drive fine prediction model of coal seam geology. The workspace and its evolution of longwall mining equipment during longwall mining workface advancing will be researched. Feature extraction and segmentation method of three-dimensional complex surface of coal seam roof and floor will be obtained. A longwall mining cutting path autonomous planning method, aimed for high extraction rate and low rock-cutting rate, will be proposed. Then the path information of longwall mining extracting will be obtained. With a hardware-in-the-loop simulation system of longwall mining workface built by this project, the mining process will be simulated. The autonomous controlling strategy of longwall mining will be verified and improved. This will provide a method for a perfect unmanned autonomous control system of longwall mining.

本项目根据综采工作面控制技术发展历程，借鉴无人自主系统技术架构，凝练获得，高精度煤层地理信息系统、综采工作面截割路径自主规划与综采工作面控制系统评估试验方法是综采工作面实现自主开采的主要阻碍。为此，本项目利用地质资料和物探数据，研究工作面煤层地理信息系统精细化方法，构建知识导引、数据驱动的煤层地质精细化预测模型。研究综采工作面连续推进时综采三机工作空间演变规律、煤层顶底板三维复杂曲面特征提取与分割算法，提出以最大回采率和最小割岩率为优化目标的综采工作面截割路径自主规划优化算法，获得指导综采工作面开采的路径信息。研究综采工作面半实物仿真系统建立方法，利用综采工作面半实物仿真系统仿真开采过程，验证并优化自主开采控制策略，为形成功能完善的综采工作面自主控制系统提供方法和途径。

综采工作面智能化无人开采是国际煤炭开采领域共同追求的前沿技术。高精度煤层地理信息系统、综采工作面截割路径自主规划与综采工作面控制系统评估试验方法是实现煤炭科学开采、精准开采的重要技术支撑。本项目利用山西某煤矿18201工作面煤层地质模型和历史截割数据，建立了基于长短期记忆网络(LSTM)的4种煤层厚度和底板形态预测模型，通过预测结果的对比分析发现，编码-解码长短期记忆网络（Encoder-Decoder LSTM）和空间卷积长短期记忆网络(Conv LSTM)预测模型分别在煤层厚度和底板形态的预测上表现最好。煤层顶底板误差分布从初始地质模型的0.2m-0.3m、0.15m-0.3m减小到精细预测地质模型的0m-0.15m、0m-0.1m。提出了基于分段线性表示的工作面推进方向煤层倾角识别方法，该方法融合了煤层地质特征和采煤机俯仰采控制工艺。基于遗传算法，建立了以最大回采率和最小割岩率为优化目标，包含褶皱或断层构造的复杂地质条件下的采煤机俯仰采路径规划方法。在此基础上，建立了基于层次聚类的煤层底板截割路径规划方法，对18201工作面煤层地质模型进行底板截割轨迹规划，漏采率为0.87%。建立了采煤机截割负载模型、调高机液耦合模型、采煤机整机动力学模型，研制了采煤机硬件在环仿真系统；建立液压支架动力学模型、推移力学模型和液压系统模型，研制了液压支架硬件在环仿真系统；为采煤机和液压支架控制系统验证评估提供了方法和平台。