一種煤礦井下綜放工作面的煤巖性狀識別方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種能夠用于煤礦井下綜放工作面的煤巖性狀識別方法。通過對采集到的綜放液壓支架的振動信號、聲壓信號進(jìn)行時域和小波包頻帶能量分析，以及對綜放液壓支架放煤口采集到的圖像信號進(jìn)行灰度和紋理特征的提取從而得到真實(shí)工況下未知煤巖性狀的特征參數(shù)，并通過特征匹配識別模塊與已知煤巖的特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配達(dá)到未知煤和巖的性狀識別，然后通過控制閥組對液壓支架放煤口的打開或關(guān)閉進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)綜放工作面的煤巖性狀自動識別，為綜放工作面放頂煤開采過程的自動化和智能化提供了解決方法和技術(shù)途徑，同時為煤礦井下綜放工作面的少人化甚至無人化開采奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
【專利說明】一種煤礦井下綜放工作面的煤巖性狀識別方法與系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種能夠用于煤礦井下煤巖性狀識別的方法與系統(tǒng)，尤其是能用于 綜放工作面的煤巖性狀識別的方法與系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭是我國一次能源的主體，綜合機(jī)械化放頂煤開采方法是實(shí)現(xiàn)厚煤層（一般煤 層厚度>3. 5m)開采的高產(chǎn)、高效的有效方法之一，并在國內(nèi)外得到普遍推廣，其實(shí)質(zhì)就是 在厚煤層中，沿煤層（或分段）底部布置一個采高2-3米的長壁工作面，用常規(guī)方法進(jìn)行回 采，利用礦山壓力的作用或輔以人工松動方法，使液壓支架上方的頂煤破碎成散體后由支 架后方（或上方）放出，并經(jīng)由刮板輸送機(jī)運(yùn)出工作面。
[0003] 該方法雖然成倍地提高了綜放工作面的產(chǎn)量，但頂煤放落程度即煤巖性狀的識 另IJ，卻依然全部要依靠現(xiàn)場放煤工人的目測和耳聽來判斷，進(jìn)而控制液壓支架放煤口的關(guān) 閉時機(jī)。然而綜放工作面的工作環(huán)境惡劣，粉塵量大，能見度低，工作空間狹窄，僅僅依靠人 工監(jiān)測很難準(zhǔn)確地判斷頂煤的放落程度，而且工作質(zhì)量的隨機(jī)性大，很難達(dá)到理想的控制 效果。因此不可避免地導(dǎo)致放頂過程中的"欠放"狀況和"過放"狀況，"欠放"會造成煤炭 回收率的降低；"過放"則會因大量矸石的混入而造成煤炭質(zhì)量的下降，更嚴(yán)重的是綜放工 作面惡性事故的發(fā)生。因此，發(fā)展無人值守，最大程度上實(shí)現(xiàn)綜放工作面的少人化，甚至無 人化，有助于提高生產(chǎn)過程的安全性，同時也是煤礦機(jī)械發(fā)展的一個方向。因此如何根據(jù)頂 煤放落程度來控制放煤口的開關(guān)時間，是綜放開采過程中的一大難題。
[0004] 因此人們希望能夠通過某些方法實(shí)現(xiàn)放頂過程中煤和巖石的自動識別以便控制 放煤 口的打開或關(guān)閉。這樣，便可有效提高煤炭回采率，降低煤炭的含矸率，改善煤質(zhì)，實(shí) 現(xiàn)頂煤放落的高效生產(chǎn)，在放頂煤煤巖性狀識別理論基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的研制，可實(shí)現(xiàn) 綜放工作面的少人或無人化，避免不必要的人員傷亡，創(chuàng)造巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] ( -）技術(shù)問題 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題首先是針對現(xiàn)有煤巖識別方法中存在的不足，提供一種準(zhǔn)確 度高、安全可靠、效果好的綜放工作面放頂煤過程中煤巖性狀的自動識別方法；其次是根據(jù) 該方法實(shí)現(xiàn)對綜放工作面液壓支架頂煤放落的自動控制。
[0006] (二）技術(shù)方案 為此本發(fā)明提供了一種基于振動信號、聲壓信號、圖像信號的煤礦井下綜放工作面煤 巖性狀識別方法與系統(tǒng)。包括：振動傳感器、聲壓傳感器、圖像傳感器、信號采集裝置、高速 處理器、控制器、控制閥組，其中振動傳感器、聲壓傳感器安裝在綜放工作面液壓支架后尾 梁處，圖像傳感器安裝在綜放工作面液壓支架放煤口處。
[0007] 所述的振動傳感器、聲壓傳感器分別拾取頂煤放落過程中煤或頂板巖石垮落時沖 擊液壓支架后尾梁時的振動信號、聲壓信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號，送入信號采集裝置；信號 采集裝置將輸入的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入高速處理器；高速處理器進(jìn)行分析和處理后提 取其特征數(shù)據(jù)，特征匹配識別模塊將提取的未知煤巖的特征數(shù)據(jù)與已知煤巖的特征數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行匹配，完成煤巖性狀的識別，并將識別結(jié)果送入控制器；控制器根據(jù)接收到的信息進(jìn) 行運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，由控制閥組控制液壓支架放煤口的打開或關(guān)閉。
[0008] 所述的圖像傳感器采集液壓支架頂煤放落過程中放煤口處的煤和巖石的圖像信 號，并將采集到的信號傳送到高速處理器進(jìn)行煤巖信號識別處理與特征提取，由特征匹配 識別模塊將提取的未知煤巖的特征數(shù)據(jù)與已知煤巖的特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，完成煤巖性 狀的識別，并將識別結(jié)果送入控制器；控制器將接收到的信息進(jìn)行運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指 令，由控制閥組控制液壓支架放煤口的打開或關(guān)閉。
[0009] (三）有益效果 本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 本發(fā)明選取的測試參數(shù)多，包括振動信號、聲壓信號、圖像信號，且所選參數(shù)對煤巖 性狀敏感，這樣可避免現(xiàn)場設(shè)備故障導(dǎo)致的誤差，保證高速處理器分析信息時的準(zhǔn)確性； (2) 設(shè)備易于部署、適應(yīng)性強(qiáng)、識別率高，可進(jìn)行實(shí)時自動識別； (3) 系統(tǒng)響應(yīng)速度快，檢測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠； (4) 該方法和系統(tǒng)應(yīng)用面廣，可用于任何能安裝該系統(tǒng)的工作面。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
[0011] 圖2是本發(fā)明系統(tǒng)流程圖
[0012] 圖3是振動、聲壓信號時域特征的提取流程圖
[0013] 圖4是振動、聲壓信號小波包頻帶能量值的提取流程圖
[0014] 圖5是圖像灰度的提取流程圖

【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0016] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括振動傳感器、聲壓傳感器、圖像傳感器、信號采集 裝置、高速處理器、控制器、電液控制閥，其中振動傳感器、聲壓傳感器安裝在綜放工作面液 壓支架后尾梁處，圖像傳感器安裝在綜放工作面液壓支架放煤口處。
[0017] 所述的振動傳感器、聲壓傳感器分別拾取頂煤放落過程中煤或頂板巖石垮落時沖 擊液壓支架時產(chǎn)生的振動信號、聲壓信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號，送入信號采集裝置；信號采 集裝置將輸入的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入高速處理器；高速處理器進(jìn)行分析和處理后提取 其特征數(shù)據(jù)，特征匹配識別模塊將提取的未知煤巖的特征數(shù)據(jù)與已知煤巖的特征數(shù)據(jù)庫進(jìn) 行匹配，完成煤巖性狀的識別，并將識別結(jié)果送入控制器；控制器根據(jù)接收到的信息進(jìn)行運(yùn) 算處理后，發(fā)出控制指令，由控制閥組控制液壓支架放煤口的打開或關(guān)閉。
[0018] 所述的圖像傳感器采集液壓支架頂煤放落過程中放煤口處的煤和巖石的圖像信 號，并將采集到的信號傳送到高速處理器進(jìn)行煤巖信號識別處理與特征提取，特征匹配識 別模塊將提取的未知煤巖的特征數(shù)據(jù)與已知煤巖的特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，完成煤巖性狀 的識別，并將識別結(jié)果送入控制器；控制器將接收到的信息進(jìn)行運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指 令，由控制閥組控制液壓支架放煤口的打開或關(guān)閉。
[0019] 圖3是本發(fā)明系統(tǒng)流程圖，具體步驟包括： 1. 在相同條件（傳感器類型、安裝方式、工作面環(huán)境、光照等）下，分別采集已知煤樣本 和已知巖樣本的振動、聲壓、圖像信號，并截取一定點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行時域特征分析、小波包 頻帶能量分析以及提取圖像信號的灰度共生矩陣； 2. 計(jì)算基于振動信號、聲壓信號的時域特征分析和小波包頻帶能量分析的時域特征 指標(biāo)和頻帶能量指標(biāo)以及基于圖像灰度共生矩陣的圖像特征值，為了進(jìn)一步提高識別準(zhǔn)確 度，可以分別對已知煤樣本和已知巖樣本采集多組數(shù)據(jù)，運(yùn)用相同的處理方法提取多個特 征值后求取平均值，最后將特征指標(biāo)作為綜放工作面液壓支架頂煤放落過程中煤巖識別的 固定參數(shù)保留下來； 3. 在相同條件下采集真實(shí)工況下的綜放工作面液壓支架放頂過程中的未知煤巖樣本 的振動、聲壓、圖像信號，并通過與前面相同方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理從而得到該未知煤巖 樣本的特征指標(biāo)； 4. 根據(jù)特征值之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值匹配從而判別該未知樣本為煤或者巖石，進(jìn)而達(dá)到 綜放工作面頂煤放落過程中煤巖識別的目的。
[0020] 圖3是振動信號、聲壓信號的時域特征提取流程圖，具體步驟包括： 1. 時域特征分析，對選取的振動和聲壓信號進(jìn)行預(yù)處理以去除趨勢項(xiàng)和粗大誤差，之 后對其進(jìn)行時域特征的分析； 2. 通過對振動和聲壓信號進(jìn)行時域特征分析，得到不同工況下的綜放液壓支架后尾梁 振動和聲壓信號時域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值； 3. 為了更加清晰地顯示出不同工況下綜放液壓支架后尾梁振動和聲壓信號的時域統(tǒng) 計(jì)指標(biāo)在統(tǒng)計(jì)值大小的差異性，因此選擇比較不同工況下綜放液壓支架后尾梁振動和聲壓 信號時域指標(biāo)統(tǒng)計(jì)倌的變化率，并通過以下公式對其講行說明

【權(quán)利要求】
1. 一種煤礦井下綜放工作面的煤巖性狀識別方法與系統(tǒng)，用于控制放煤設(shè)備，實(shí)現(xiàn)放 頂煤的自動化和智能化； 其特征在于，包括：振動傳感器、聲壓傳感器、圖像傳感器、信號采集裝置、高速處理器、 控制器、控制閥組，其中振動傳感器、聲壓傳感器安裝在綜放工作面液壓支架后尾梁處，圖 像傳感器安裝在綜放工作面液壓支架放煤口處； 所述的振動傳感器、聲壓傳感器分別拾取頂煤放落過程中煤或頂板巖石垮落時沖擊液 壓支架后尾梁時的振動信號、聲壓信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號，送入信號采集裝置；信號采集 裝置將輸入的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入高速處理器；高速處理器進(jìn)行分析和處理后提取其 特征數(shù)據(jù)，與已知煤巖的特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，完成煤巖性狀的識別，并將識別結(jié)果送入 控制器；控制器根據(jù)接收到的信息進(jìn)行運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，通過控制閥組控制液壓 支架放煤口的打開或關(guān)閉； 所述的圖像傳感器采集液壓支架頂煤放落過程中煤和巖石的圖像信號，并將采集到的 信號傳送到高速處理器進(jìn)行煤巖信號識別處理與特征提取，與已知煤巖的特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行 匹配，完成煤巖性狀的識別，并將識別結(jié)果送入控制器；控制器將接收到的信息進(jìn)行運(yùn)算 處理后，發(fā)出控制指令，通過控制閥組控制液壓支架放煤口的打開或關(guān)閉。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下綜放工作面的煤巖性狀識別方法與系統(tǒng)，其特征在 于，所述的高速處理器包括信號分析處理模塊和特征匹配識別模塊； 其中所述的信號分析處理模塊用于對現(xiàn)場采集的未知煤巖性狀的振動信號、聲壓信號 進(jìn)行時域和小波包頻帶能量特征以及對現(xiàn)場采集的未知煤巖性狀的圖像信號進(jìn)行灰度和 紋理特征的提??； 所述的特征匹配識別模塊用于將信號分析處理模塊得到的振動信號、聲壓信號、圖像 信號特征指標(biāo)與已知煤樣本和已知巖樣本的特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，得出現(xiàn)場采集的未知樣 本為煤或者巖石。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下綜放工作面的煤巖性狀識別方法與系統(tǒng)，其特征在 于，所述的控制器接收和存放高速處理器發(fā)出的命令和參數(shù)，并對所接收的命令進(jìn)行譯碼 發(fā)出控制命令。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下綜放工作面的煤巖性狀識別方法與系統(tǒng)，其特征在 于，所述的控制閥組根據(jù)控制器給出的指令，控制所屬液壓支架放煤口的打開或關(guān)閉。
【文檔編號】E21F17/18GK104373153SQ201410490462
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】薛光輝, 柳二猛, 趙新贏, 胡保華, 丁偉健, 李一鳴, 焦亞博, 吉曉冬, 吳淼 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)