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创新点
（1）提出一种煤层三维模型的动态精细修正技术,进而提升煤层三维模型局部精度,实现工作面局部区域的绝对透明。
（2）提出在工作面的不断推进过程中动态融入回采作业中最新探测的环境状态和设备位置姿态等实时数据来修正煤层三维模型理论体系。
（3）提出融合二次序列规划与克里格空间曲面插值的方法来精确计算并准确插入煤层三维模型局部区域的修正值，并使修正后的煤层三维模型准确地表达出工作面实际煤层的结构信息。
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作 者
刘万里1，张学亮2，王世博1
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单 位
1. 中国矿业大学 机电工程学院；2. 北京天地玛珂电液控制系统有限公司
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研究背景
所谓透明工作面是以真实的采煤工作面作为系统原型,用国家大地坐标系作为绝对坐标参考系,以地质勘探、计算机建模和三维仿真等技术为支撑,对工作面的地质数据进行采集、对开采过程进行监测、并对开采操作进行智能分析与决策的系统模型。目前,透明工作面的构建方法是在常规地质勘探成果基础上,集成钻孔、三维地震、槽波CT和巷道三维扫描等数据构建的煤层三维模型,以数字化方式对整个工作面进行全面统一的认知与再现,最终实现工作面的透明化。
目前,为实现工作面的透明化,国内外许多科研单位及企业对其开展了大量研究,如:澳大利亚联邦科学与工业研究组织、美国久益公司、神东集团榆家梁煤矿、陕煤黄陵一矿、兖矿集团转龙湾煤矿和宁煤集团红柳煤矿等。要实现工作面的透明化,核心是要构建高精度煤层三维模型,与矿山地质体三维建模相比,煤层三维建模的空间形态及关系相对简单,但对精度要求较高,因为精度的提升对煤层开采模式构建及控制方式选择具有重要意义。相较于地质体建模,目前专门针对煤层三维建模的研究相对较少,且大多沿用地质体三维建模的方法,如基于地质统计学、结合钻孔及地震剖面数据的煤层建模方法,以及针对边界约束及钻孔数据的线框与块段建模方法等。上述研究虽然取得了一定的成果,但是基于上述方法构建的煤层三维模型还存在以下问题:
(1)在工作面煤层三维建模过程中,主要从获取的工作面煤层数据中利用静态建模信息来构建煤层三维静态模型,对开采过程中煤层动态变化的信息缺乏足够关注,忽略了对于局部具有重要意义的动态开采数据,且构建的煤层三维模型一般不进行动态更新,如进行更新则是对整个工作面煤层三维模型进行更新,数据的变动往往需要重构整个煤层三维模型,实用性较差。
(2)受制于当前物探精度和勘探成本的限制,目前构建的工作面煤层三维模型的垂向分辨率即煤层厚度方向精度较低,无法实现采煤工作面绝对透明,不能给出综采装备最优化的行走路线和精确的截割路径。
(3)由于我国大部分工作面地质条件复杂,煤层结构信息受几何形态多样、信息源多类、地质条件多变等各种复杂性因素影响,在工作面回采过程中随着采煤机的不断推进,煤层结构信息会逐渐被揭露,开采数据不断增多与更新,这些条件共同决定了开采初期实现全部采煤工作面“绝对透明”的局限性。实际回采过程中,为了使煤层三维模型更准确地表达实际煤层结构信息,更有效地为综采设备提供有利开采控制数据,煤层三维建模必须要有一个动态精细修正的过程。
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摘 要
高精度工作面煤层三维模型是实现无人开采的有效保障,但现阶段构建的煤层三维模型普遍存在以静态模型为主且垂向分辨率较低的问题,为满足无人开采对煤层三维模型高精度的要求,煤层三维模型必须要有一个动态精细修正的过程。
为此,在详细分析了煤层三维模型不确定性影响因素基础上,提出一种煤层三维模型的动态精细修正技术,进而提升煤层三维模型局部精度,实现工作面的有限透明。
主要思路是在工作面的不断推进过程中,动态融入回采作业中最新探测的工作面激光扫描数据、顶/底煤厚数据和采煤机截割轨迹信息,采用二次序列规划法精确计算出煤层三维模型局部区域的修正值,并利用克里格空间曲面插值法把修正值插入到煤层三维模型中,这样利用上一回采阶段新揭露的修正数据去动态修正下一回采阶段的煤层三维模型,如此逐级递进,逐步求精,从而提升煤层三维模型精度,使修正后的煤层三维模型更准确地表达出工作面实际煤层的结构信息,为工作面无人化开采控制提供关键基础数据。
在斜沟煤矿试验结果表明工作面推进前100刀修正后煤层垂向误差绝对值小于0.2m区域比修正前提高了将近一倍,证实了该研究方法可有效提高采煤工作面煤层三维模型局部精度,提升煤层三维模型的实用价值和应用程度。
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部分图片
煤层三维模型动态修正技术框架
坐标系{L}转换到坐标系{G}的原理
1—采煤机;2—刮板输送机;3—液压支架;4—柔性导轨;5—移动云台;6—激光扫描仪;7—液压支架电液控制器
工作面场景快速构建装置布置
探地雷达探测煤厚原理
探地雷达在液压支架上安装示意
获取采煤机截割轨迹的传感器安装示意
上下截割轨迹在顶底板上的垂向误差
煤层三维模型误差修正的流程
煤层三维模型逐级递进与逐步求精式动态修正
18201工作面初始煤层三维模型
18201工作面修正后煤层三维模型
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作者简介
刘万里，男，1979年10月1日生，河南商丘人，中国矿业大学副教授。主持或参与了973项目、863项目、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目，面上项目、青年项目等国家级科研项目10余项，发表SCI/Ei论文50余篇，以第1发明人获得中国、澳大利亚、加拿大、南非等发明专利13件。
研究方向
煤矿智能化精准开采技术
主要成果
提出了煤层三维模型的动态精细修正方法，提升煤层三维模型局部精度，实现工作面局部区域的绝对透明；创建了综采工作面智能化精准开采及升级改造的技术方案，并在多个煤矿进行了推广应用取得明显创新性成果，为煤矿智能化精准开采提供了有力的技术保障。
来源：
刘万里,张学亮,王世博.采煤工作面煤层三维模型构建及动态修正技术[J].煤炭学报,2020,45(6):1973-1983.
LIU Wanli,ZHANG Xueliang,WANG Shibo. Modeling and dynamic correction technology of 3D coal seam model for coal-mining face[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(6):1973-1983.
责任编辑：郭晓炜编辑整理：郭晓炜审 核：常琛
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