针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法

347 编辑：中冶有色技术网来源：太原理工大学

2023-11-08 14:08:46

权利要求书： 1.一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，其特征在于，包括：

在Unity3D创建的虚拟环境下，选择配套综采工作面的煤机装备型号，并进行参数化设置，再建立基于物理引擎的虚拟综采工作面煤机装备与虚拟煤层间的虚拟接触模型；其中，所述配套综采工作面的煤机装备包括采煤机、液压支架及刮板输送机；虚拟综采工作面煤机装备包括虚拟采煤机、虚拟液压支架及虚拟刮板输送机；

采集煤机装备的实时运行参数、煤层与煤机装备间的摩擦系数变化，使虚拟刮板输送机受到的作用力规律与井下刮板输送机相一致，建立虚拟环境与井下环境的数字孪生关系；

通过将虚拟综采工作面煤机装备相对煤层底板、相对预设参考物的位姿数据实时输出，对虚拟刮板输送机的机头相对于虚拟运输巷位置基准的变化进行监测，根据预设评判等级确定刮板输送机上窜下滑的程度，并产生警报信号进行预警；

虚拟煤层是在虚拟环境下，根据实时探测得到的煤层数据，利用Mesh组件中的MeshFilter和MeshRender组件进行实时的煤层网格构建与渲染建立的煤层模型；虚拟综采工作面煤机装备与虚拟煤层间的虚拟接触模型是在虚拟煤层底板上安装Mesh Collider物理组件，依次在虚拟刮板输送机各中部槽、液压支架上安装Box Collider和CapsuleCollider物理组件，实现虚拟采煤机与虚拟刮板输送机之间接触模型的建立和虚拟综采工作面煤机装备自适应铺设在虚拟煤层上的接触型模型。

2.根据权利要求1所述的针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，其特征在于，上窜下滑的评判等级为：

当刮板输送机处于非蛇行状态时，机头位置变化量大小，分为三个等级，虚拟环境下，机头位置变化量在第一阈值范围时，综采工作面上窜下滑的程度较低，属于轻度上窜下滑；机头位置变化量在第二阈值范围时，此时已经影响正常的煤矿开采，需要停机进行相关的调斜处理，属于中度上窜下滑；机头位置变化量在第三阈值范围时，属于重度上窜下滑。

3.根据权利要求1所述的针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，其特征在于，在选择配套综采工作面的煤机装备型号，并进行参数化设置的步骤中，对综采工作面煤机装备的质量、液压支架运行时与刮板输送机弯曲时的阻力、初始摩擦系数，通过虚实转换比例在Unity3D环境下进行设置；

其中，虚实转换比例是在虚拟环境下与实际环境中配套综采工作面的煤机装备长度、质量的比例尺，在Unity3D中的比例尺为100:1。

4.根据权利要求1所述的针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，其特征在于，煤机装备的相关实时运行参数是指采煤机的牵引速度、滚筒转速、牵引功率、牵引电流、机身俯仰角，刮板输送机的链速，中部槽的弯曲角；

所述煤层与煤机装备间的摩擦系数变化是指由于工作面常有淋水以及降尘洒水步骤，使煤层与煤机装备间的摩擦系数进一步降低。

5.根据权利要求1所述的针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，其特征在于，虚拟刮板输送机受到的作用力规律是指刮板输送机在工作面开采过程中受到的采煤机行走轮的牵引力、采煤机的重力、导向滑靴和平滑靴的压力和摩擦力、液压支架的推溜和拉架力的作用、煤堆重力的作用，并将各类力的表现形式通过C#脚本的形式作用给各自的作用对象。

6.根据权利要求1所述的针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，其特征在于，虚拟环境与井下环境的数字孪生关系是根据煤矿井下的综采工作面煤机装备与煤层的相关数据在虚拟环境下建立一一映射的虚拟综采工作面煤机装备与虚拟煤层。

说明书：一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法技术领域

本发明涉及视觉三维重建技术领域，更具体地说，涉及一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法。

背景技术

刮板输送机上窜下滑是困扰综采工作面正常工作的问题之一，这个问题极大的阻碍了综采工作面“智能化”的推进，严重威胁了煤矿的安全生产，并对煤矿开采效率也产生了很大的影响，因而亟需对刮板输送机上窜下滑的实时监测、预防与控制进行有效的研究。

现有的技术中，申请号为CN201710410717.7提出了一种防止综采工作面输送机上窜下滑的方法。具体步骤如下：(1)工作面运输顺槽要严格按照设计要求掘进；(2)转载机严格按照设备中心进行铺设；(3)工作面机头、机尾严格控制相互超前距离；(4) 工作面输送机沿煤壁要推直。

申请号为CN201410103912.1提出了一种运输机上窜下滑自动控制系统，包括运输机、工作面液压支架和中心计算机；通过在机头上安装机头激光测距仪，在机尾上安装机尾测距仪，将机头测距仪和机尾测距仪连接到中心计算机上，并将该中心计算机连接于工作面液压支架，用于根据机头测距仪和机尾测距仪的测量数据控制所述工作面液压支架的推溜行程。

上述方法中，对距离的测量、刮板输送机的直线度、传感器的精度等有着严格的要求，但是由于煤矿井下环境复杂、空间狭窄、光线昏暗等条件的限制，使得在对上述方法中提出的要求的实现比较困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，针对在煤矿井下对刮板输送机上窜下滑进行相关研究比较困难的问题，实现在虚拟研究平台上对刮板输送机上窜下滑是否发生、原因机理以及预防控制等相关研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，包括：

在Unity3D创建的虚拟环境下，选择配套综采工作面的煤机装备型号，并进行参数化设置，在建立虚拟综采工作面煤机装备与虚拟煤层间的虚拟接触模型；其中，所述配套综采工作面的煤机装备包括采煤机、液压支架及刮板输送机；虚拟综采工作面煤机装备包括虚拟采煤机、虚拟液压支架及虚拟刮板输送机；

采集煤机装备的实时运行参数、煤层与煤机装备间的摩擦系数变化，使虚拟刮板输送机受到的作用力规律与井下刮板输送机相一致，建立虚拟环境与井下环境的数字孪生关系；

通过将虚拟综采工作面煤机装备相对煤层底板、相对预设参考物的位姿数据实时输出，对虚拟刮板输送机的机头相对于虚拟运输巷位置基准的变化进行监测，根据预设评判等级确定刮板输送机上窜下滑的程度，并产生警报信号进行预警。

其中，上窜下滑的评判等级为：

当刮板输送机处于非蛇行状态时，机头位置变化量大小，分为三个等级，虚拟环境下，机头位置变化量在第一阈值范围时，综采工作面上窜下滑的程度较低，属于轻度上窜下滑；机头位置变化量在第二阈值范围时，此时已经影响正常的煤矿开采，需要停机进行相关的调斜处理，属于中度上窜下滑；机头位置变化量在第三阈值范围时，属于重度上窜下滑。

其中，在选择配套综采工作面的煤机装备型号，并进行参数化设置的步骤中，对综采工作面煤机装备的质量、液压支架运行时与刮板输送机弯曲时的阻力、初始摩擦系数，通过虚实转换比例在Unity3D环境下进行设置；

其中，虚实转换比例是在虚拟环境下与实际环境中配套综采工作面的煤机装备长度、质量的比例尺，在Unity3D中的比例尺为100:1。

其中，虚拟煤层是在虚拟环境下，根据实时探测得到的煤层数据，利用Mesh组件中的MeshFilter和MeshRender组件进行实时的煤层网格构建与渲染建立的煤层模型；虚拟综采工作面煤机装备与虚拟煤层间的虚拟接触模型是在虚拟煤层底板上安装Mesh Collider 物理组件，依次在虚拟刮板输送机各中部槽、液压支架上安装Box Collider和Capsule Collider物理组件，实现虚拟采煤机与虚拟刮板输送机之间接触模型的建立和虚拟综采工作面煤机装备自适应铺设在虚拟煤层上的接触型模型。

其中，煤机装备的相关实时运行参数是指采煤机的牵引速度、滚筒转速、牵引功率、牵引电流、机身俯仰角，刮板输送机的链速，中部槽的弯曲角；

所述煤层与煤机装备间的摩擦系数变化是指由于工作面常有淋水以及降尘洒水步骤，使煤层与煤机装备间的摩擦系数进一步降低。

其中，虚拟刮板输送机受到的作用力规律是指刮板输送机在工作面开采过程中受到的采煤机行走轮的牵引力、采煤机的重力、导向滑靴和平滑靴的压力和摩擦力、液压支架的推溜和拉架力的作用、煤堆重力的作用，并将各类力的表现形式通过C#脚本的形式作用给各自的作用对象。

其中，虚拟环境与井下环境的数字孪生关系是根据煤矿井下的综采工作面煤机装备与煤层的相关数据在虚拟环境下建立一一映射的虚拟综采工作面煤机装备与虚拟煤层。

区别于现有技术，本发明的针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，在创建研究刮板输送机上窜下滑的环境方面，摆脱了井下恶劣环境的限制，在获得煤层的数据、配套的综采工作面煤机装备及其相关参数、煤层与煤机装备间的摩擦因数的情况下，对刮板输送机上窜下滑进行研究；在数据输出方面，摆脱了对传感器数目、精度的要求，在Unity3D中，可以将综采工作面煤机装备的位置坐标、中部槽的弯曲角度、液压支架推移机构的运动参数、采煤机对刮板输送机的作用力、各中部槽受到的弯曲阻力等以XML文件的形式将数据实时输出；实现了研究环境的可视化，当工作面推进过程中出现煤机装备的位置变化问题需要进行查看时，通过鼠标与键盘等输出设备对相关位置进行局部视野缩放以进行相关检查；刮板输送机、采煤机、液压支架的相关参数变化也会实时显示在运行界面上；本方法实现了整个虚拟综采工作面运行的参数化，综采工作面煤机装备的质量、液压支架运行时与刮板输送机弯曲时的一些阻力、摩擦系数可以在Unity3D的相关模块下进行设置。

附图说明

图1是本发明提供的一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法的流程示意图。

图2是本发明提供的一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法中虚拟模型构建示意图。

图3是本发明提供的一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法中虚拟接触模型的构建示意图。

图4是本发明提供的一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法中虚拟刮板输送机受力来源及作用形式示意图。

图5是本发明提供的一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法中虚拟刮板输送机上窜下滑预防控制的分析示意图。

图6是本发明提供的一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法中依据方法构建的系统界面示意图。

图7是本发明提供的一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法中刮板输送机上窜下滑的受力分析模型示意图。

图8是本发明提供的一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法中补充试验得到的机头位置曲线图。

图9是本发明提供的一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法中煤层底板的曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

参阅图1，本发明提供了一种针对刮板输送机上窜下滑问题的预警方法，包括：

在Unity3D创建的虚拟环境下，选择配套综采工作面的煤机装备型号，并进行参数化设置，在建立虚拟综采工作面煤机装备与虚拟煤层间的虚拟接触模型；其中，所述配套综采工作面的煤机装备包括采煤机、液压支架及刮板输送机；虚拟综采工作面煤机装备包括虚拟采煤机、虚拟液压支架及虚拟刮板输送机；

采集煤机装备的实时运行参数、煤层与煤机装备间的摩擦系数变化，使虚拟刮板输送机受到的作用力规律与井下刮板输送机相一致，建立虚拟环境与井下环境的数字孪生关系；

通过将虚拟综采工作面煤机装备相对煤层底板、相对预设参考物的位姿数据实时输出，对虚拟刮板输送机的机头相对于虚拟运输巷位置基准的变化进行监测，根据预设评判等级确定刮板输送机上窜下滑的程度，并产生警报信号进行预警。

上窜下滑的评判等级为：

当刮板输送机处于非蛇行状态时，机头位置变化量大小，主要分为三个等级。具体是指在虚拟环境下，机头位置变化量在0~0.05dm时，此时，综采工作面上窜下滑的程度较低，属于轻度上窜下滑；机头位置变化量在0.05~0.2dm时，此时已经影响正常的煤矿开采，需要停机进行相关的调斜处理，属于中度上窜下滑；机头位置变化量>0.2dm时，有很大的可能已经发生生产事故，属于重度上窜下滑。

如图2所示，根据选定的综采工作面煤机装备的型号，建立的与实际综采工作面煤机装备相等价的综采工作面煤机装备，根据实时探测得到的煤层数据，利用Mesh组件中的MeshFilter和MeshRender组件进行实时的煤层网格构建与渲染建立的煤层模型，由此实现虚拟模型的构建；

如图3所示，虚拟煤层是在虚拟环境下，根据实时探测得到的煤层数据，利用Mesh组件中的MeshFilter和MeshRender组件进行实时的煤层网格构建与渲染建立的煤层模型；虚拟综采工作面煤机装备与虚拟煤层间的虚拟接触模型是在虚拟煤层底板上安装Mesh Collider 物理组件，依次在虚拟刮板输送机各中部槽、液压支架上安装Box Collider和Capsule Collider物理组件，实现虚拟采煤机与虚拟刮板输送机之间接触模型的建立和虚拟综采工作面煤机装备自适应铺设在虚拟煤层上的接触型模型。

在选择配套综采工作面的煤机装备型号，并进行参数化设置的步骤中，对综采工作面煤机装备的质量、液压支架运行时与刮板输送机弯曲时的阻力、初始摩擦系数，通过虚实转换比例在Unity3D环境下进行设置；

其中，虚实转换比例是在虚拟环境下与实际环境中配套综采工作面的煤机装备长度、质量的比例尺，在Unity3D中的比例尺为100:1。

其中，煤机装备的相关实时运行参数是指采煤机的牵引速度、滚筒转速、牵引功率、牵引电流、机身俯仰角等，刮板输送机的链速，中部槽的弯曲角；

所述煤层与煤机装备间的摩擦系数变化是指由于工作面常有淋水以及降尘洒水步骤，使煤层与煤机装备间的摩擦系数进一步降低。

如附图4所示，虚拟刮板输送机受到的作用力规律是指刮板输送机在工作面开采过程中受到的采煤机行走轮的牵引力、采煤机的重力、导向滑靴和平滑靴的压力和摩擦力、液压支架的推溜和拉架力的作用、煤堆重力的作用，并将各类力的表现形式通过C#脚本的形式作用给各自的作用对象。

其中，虚拟环境与井下环境的数字孪生关系是根据煤矿井下的综采工作面煤机装备与煤层的相关数据在虚拟环境下建立一一映射的虚拟综采工作面煤机装备与虚拟煤层。

如附图5所示，通过将虚拟综采工作面煤机装备相对煤层底板、相对参考物的位姿数据实时输出，根据上窜下滑的评判等级确定刮板输送机上窜下滑的程度，当刮板输送机发生上窜或者下滑现象时，根据上窜下滑量的等级给出相应的提示，当等级过高时预示着安全事故的发生，系统会滚动跳出严重警告的字眼等提示；以刮板输送机上窜下滑的理论分析为依据，在虚拟环境下对其进行多因素分析，以验证理论分析结果及确定各因素影响的优先级等分析过程；根据所获得的刮板输送机上窜下滑的原因机理，对工作面推进过程中的相关因素进行实时预测与控制，以达到对刮板输送机上窜下滑预防控制的目的。

如附图6所示为依据本发明方法构建的系统界面的主要内容，包括启停按钮、滚动提示条、刮板输送机形态检测面板、上窜下滑程度监测面板、参数设置面板。

下面通过实施实例对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

选择液压支架型号为：ZY11000/18/38D，采煤机型号为：MG400/920-WD，刮板输送机型号为：SGZ800/1050，分别建立虚拟环境下的虚拟模型。为了对其更方便的研究，在Unity3D中将底座群代替液压支架群，通过对刮板输送机中部槽施加均匀力来代替采煤机截割煤壁对刮板输送机施加的作用力，利用某煤矿探测得到的煤层数据建立虚拟煤层底板模型。整个参数配置过程如表1所示。

表1 虚拟综采工作面煤机装备参数配置表

在生产过程中采煤机与液压支架的运行状态均会给刮板输送机运行带来一定的影响, 液压支架推移杆对刮板输送机的力可视为外力的作用。在忽略液压支架对刮板输送机的作用力的情况下，为充分研究刮板输送机在存在倾角的煤层底板上推进过程中的力学行为，把刮板输送机视为一个刚性结构整体，对刮板输送机进行受力分析，如附图7所示，受力分析如下：

其中，F1——采煤机对刮板输送机的作用力，采煤机上行割煤时，F1﹥0。

F2——煤层底板对刮板输送机的摩擦力，。

F3——煤层底板对刮板输送机的支持力，。

G——采煤机(采煤机沿中部槽行走)、刮板输送机自重及刮板输送机上的煤块的重力。

θ——煤层倾角。

由以上公式可以看出，不考虑液压支架对刮板输送机作用力时，影响刮板输送机上窜下滑的主要因素有煤层底板起伏情况、煤层倾角、采煤机对刮板输送机的作用力、煤块重力、摩擦因数，相应的在虚拟环境下的影响因素有煤层底板起伏情况、煤层倾角、装备与底板间摩擦因数、采煤机对刮板输送机作用力、各中部槽虚拟运行阻力（Drag、Angular Drag）。

为了简化处理，将刮板输送机运行阻力（Drag、Angular Drag）可通过计算得到一个恒定值，在相同的底板起伏情况下对刮板输送机上窜下滑进行多因素分析，建立如表2所示的正交表。

表2 虚拟仿真试验因素水平表

根据表2的仿真试验因素，构建试验方案及结果分析，如表3所示。

表3 试验方案及结果分析表

根据表3，可得方差分析表表4，从F值和临界值的比较看，各因素均无显著影响，相对来说A因素影响大些。为提高分析精度，只考虑因素A，把试验因素B、因素C都并入误差，得到如表5所示的方差分析表。从F值和临界值的比较来看，因素A为显著性因素。各因素对试验结果影响的主次顺序为A、C、B。在综采工作面推进的过程中，希望刮板输送机的上窜下滑量越小越好，因此本试验指标量越小越好。对因素A、B、C分析，确定最优水平分布为A2、B2、C2，即煤层倾角为15°、摩擦因数为0.35、采煤机滚筒转速为40rpm。由于最优水平分布在试验方案表中没有，因而需要进行补充试验。

表4 等水平正交试验方差分析表

表5 修正后的等水平正交试验方差分析表

在Unity3D中进行补充试验后得到如图8所示曲线，结合图9所示煤层底板起伏图，刮板输送机在前两次调直时出现了下滑现象，下滑量为0.1dm，系统界面上显示的上窜下滑程度为中度，提示框内容为：需要停机调整；在底板存在下坡的地形下，刮板输送机出现上窜现象，且随着工作面的推进，上窜量呈现出逐渐增加的趋势；在底板存在上坡的地形下，刮板输送机下滑现象又出现，且比在底板无起伏时的下滑率大。以上现象说明了底板起伏情况对刮板输送机上窜下滑起主要影响。

可以看出综采工作面在推进的过程中，需要对煤层的起伏情况有一定的预测，采煤机在截割煤壁时要根据煤层的起伏调整滚筒高度，以达到截割底板沿煤层倾向的起伏变化较小的目的，保证煤矿开采时的安全性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。