一種綜放工作面自動化放煤裝置及放煤過程識別方法與流程

本發明專利涉及放頂煤工作面開采，尤其是中、低位放頂煤工作面開采。

背景技術：

在放頂煤開采的放煤過程中，自由下落的放頂煤一般分為三層，即煤層、煤矸混合層、矸石層。因此，放煤過程基本上可以分為三個階段：第一階段落煤階段，第二階段是煤矸石混合階段，最后一個階段是下放矸石階段。由于煤礦井下工作面生產環境的復雜性以及當前還沒有一種可靠的頂板煤層厚度的傳感器及煤巖界面識別的傳感器，使得煤巖識別一直以來成為煤層開采的技術難點。在當前的放煤控制中，整個放煤過程全部由手工操縱來完成，放煤時人工先將每間隔一個支架的放煤板或者放煤插板打開，然后依次打開剩余的放煤窗，實現“單輪間隔”放煤，或者根據生產需求，安排2名或者以上放煤工人，依次實現單號支架、雙號支架的放煤控制，來完成工作面的放煤過程。

在放煤控制時往往采取“見矸關窗”的原則作為停止放煤的依據。井下放煤操作工通過耳聽或者目測，依據經驗判定放出煤和矸石的程度，當放出的煤逐漸減少，矸石逐漸增多對，人工控制操縱閥關閉放煤板。然而，這種放煤工藝損失的煤炭占綜放開采煤炭總損失的64％，為了盡可能地多回收煤炭，提高頂煤的放出率，現場放煤時操作工人往往采取見矸時再持續一段放煤時間，通過增加含矸率來提高頂煤的放出率。這種情況雖然提高了頂煤放煤率，但增加了矸石的含量，降低了煤炭質量。通過人工操作，必然存在頂煤欠放或者過放的情況。欠放會丟失煤炭，造成回收率降低；過放會使頂煤上的矸石大量放出，造成煤質下降、運輸及洗選成本增加。

所述綜放工作面自動化放煤裝置及放煤過程識別方法可以實現綜采放頂煤放煤過程全煤階段、煤矸混放階段、全矸階段等幾個階段以及放煤過程中堵煤、卡煤放煤故障的識別，實現放煤過程的全自動控制和堵煤、卡煤故障下的破碎大塊煤炭控制，從而保證順利放煤。

該專利實現了放煤過程的自動化、減輕了放煤生產的勞動強度，填補了在放煤過程全自動控制的空白。

技術實現要素：

本發明實施例的目的在于提供一種綜放工作面自動化放煤裝置及放煤過程識別方法，旨在解決目前綜采放頂煤工作面放煤自動化問題，克服目前因沒有先進的檢測手段和計算機方法實現放煤過程的煤矸識別和堵煤、卡煤放煤故障識別，只能通過人工眼觀和耳聽等經驗方法來手動控制放煤的缺點。

本發明實施例是這樣實現的，一種綜放工作面自動化放煤裝置及放煤過程識別方法，所述綜放工作面自動化放煤裝置包括：

攝像頭，用于采集綜放工作面放煤過程中下放頂煤的圖像信息；

圖像采集卡，安裝在計算機的PCI插槽上，用于采集和處理頂煤下放過程的全煤下放階段、0-30％矸煤混放階段、30-50％矸煤混放階段、50-70％矸煤混放階段、全矸下放階段以及堵煤、卡煤的放煤故障所述攝像頭獲取的頂煤的圖像信息，并傳送給計算機；

聲波傳感器，用于采集放煤過程中下放頂煤時聲音信息；

振動傳感器，用于采集放煤過程中下放頂煤對液壓支架尾梁的振動信息；

壓力傳感器，用于采集放煤過程中下放頂煤對液壓支架尾梁的壓力信息；

數據采集卡，安裝在計算機的PCI插槽上，用于采集和處理所述聲波傳感器、振動傳感器、壓力傳感器的信號，并傳送給計算機；

計算機，當有放煤任務時，給放煤板控制器發送放煤信號進行放煤，在放煤過程中，用于處理和分析所獲取的圖像、聲音、振動、壓力信息、并計算這四種信息的特征屬性值，利用多類分類支持向量機對所計算的特征屬性值進行頂煤下放過程的全煤下放階段、0-30％矸煤混放階段、30-50％矸煤混放階段、50-70％矸煤混放階段、全矸下放階段以及堵煤、卡煤的放煤故障狀態識別與分類，所述計算機根據所需要的放煤回收率，在相應的放煤階段控制放煤板控制器停止放煤，對堵煤、卡煤的放煤故障狀態，控制尾梁油缸控制器實現液壓支架尾梁往復擺動，完成被卡住的大塊煤炭的破碎控制，實現順利放煤；

放煤板控制器，在接收到所述計算機開始放煤或者停止放煤的控制信號后，控制液壓支架尾梁底部的放煤板收回或者展出，進而實現開始放煤或者停止放煤。

尾梁油缸控制器，在接收到所述計算機發出的對大塊煤炭的破碎控制時，控制液壓支架尾梁往復上下運動，實現大塊煤炭的破碎，從而保障順利放煤。

在利用所述綜放工作面自動化放煤裝置進行放煤過程識別時，其方法為：在綜采放頂煤工作面現場事先準備足夠量的全煤、含矸30％的矸煤混合物、含矸50％的矸煤混合物、含矸70％的矸煤混合物，這幾種混合物的試驗材料，在不低于放頂煤平均煤層厚度的放煤高度下分別將這幾種試驗材料從放頂煤液壓支架上方下落，利用所述攝像頭、所述聲波傳感器、所述振動傳感器、所述壓力傳感器采集這幾種下放試驗材料的圖像、聲音、振動和壓力信息，并經過所述圖像采集卡、所述數據采集卡、所述計算機進行信號采集和信息處理，計算所述攝像頭獲取的這幾種下放試驗材料的顏色特征屬性值F1、紋理特征屬性值F2，計算所述聲波傳感器獲取的這幾種下放試驗材料聲音信號的譜質心特征屬性值F3、Mel倒譜系數特征屬性值F4、廣義維數特征屬性值F5，計算所述振動傳感器獲取的這幾種下放試驗材料對放頂煤液壓支架產生的振動信號的譜質心特征屬性值F6、Mel倒譜系數特征屬性值F7、廣義維數特征屬性值F8。

在沒有任何下落的試驗材料或者人為設置大塊煤炭堵住液壓支架放煤板的故障下，計算和分析所述壓力傳感器的信號的譜質心特征屬性值F9和幅值屬性值F10，當F10為大于零的數值，F1至F9為0時，此時發生了堵煤或卡煤故障，從而為尾梁破碎頂煤提供判決條件。

利用多類分類支持向量機對上述這幾種下放試驗材料的F1至F10所組成的具備10個特征屬性的多類樣本數據進行分類識別訓練，進而獲得訓練好的能夠對上述幾種下放試驗材料和堵煤、卡煤故障狀態進行多類分類的支持向量機。

對生產中綜采放頂煤工作面的放煤過程，每隔1秒鐘采集一次下放頂煤的圖像、聲音、振動和壓力信息，計算上述F1至F10這10個特征屬性值，獲得該時刻的放煤特征樣本信息，對該樣本信息，利用上述訓練好的多類分類支持向量機進行分類，識別出該樣本歸屬上述幾種試驗材料哪一類或者是堵煤、卡煤故障狀態，便識別出了當前該過程為放煤過程的哪個階段或者堵煤、卡煤故障狀態。按照這種方法，在整個放煤過程中，能夠識別出全煤下放階段、0-30％矸煤混放階段、30-50％矸煤混放階段、50-70％矸煤混放階段、全矸下放階段，這5種放煤階段以及堵煤、卡煤故障狀態。

進一步，所述綜放工作面自動化放煤裝置及放煤過程識別方法，能夠實現全煤下放階段、0-30％矸煤混放階段、30-50％矸煤混放階段、50-70％矸煤混放階段、全矸下放階段的過程識別，從而為停止放煤提供判決條件，自動控制所述放煤板控制器停止放煤。

進一步，所述綜放工作面自動化放煤裝置及放煤過程識別方法，能夠實現堵煤、卡煤的放煤故障狀態的識別，從而為尾梁破碎頂煤提供判決條件，自動控制所述尾梁油缸控制器實現尾梁的上下往復擺動，實現被卡煤塊的破碎控制，保證順利放煤。

本發明實現了綜放工作面放煤過程自動化的自動化控制，極大地降低了綜采放頂煤工作面工人的勞動強度，科研成果將極大地帶動科技進步和社會、經濟的發展。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的綜放工作面自動化放煤裝置總體組成結構框圖。

圖2是本發明實施例提供的綜放工作面自動化放煤裝置位置關系示意圖。

圖中，1.攝像頭；2.圖像采集卡；3.聲波傳感器；4.振動傳感器；5.壓力傳感器；6.數據采集卡；7.計算機；8.放煤板控制器；9.尾梁油缸控制器。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

圖1示出了本發明提供的綜放工作面自動化放煤裝置總體組成結構框圖。為了便于說明，僅僅示出了與本發明相關的部分。

本發明的綜放工作面自動化放煤裝置及放煤過程識別方法，該綜放工作面自動化放煤裝置包括：攝像頭1、圖像采集卡2、聲波傳感器3、振動傳感器4、壓力傳感器5、數據采集卡6、計算機7、放煤板控制器8、尾梁油缸控制器9。

所述攝像頭1連接所述圖像采集卡2，所述圖像采集卡2連接所述計算機7，由所述攝像頭1獲取的放煤過程的圖像信息經所述圖像采集卡2轉化處理，傳送至所述計算機7分析計算，獲取的放煤中的圖像信息的F1和F2特征屬性值供所述計算機7進行放煤過程識別使用。

所述聲波傳感器3連接所述數據采集卡6，所述數據采集卡6連接所述計算機7，由所述聲波傳感器3獲取的放煤過程的聲音信息經所述數據采集卡6轉化處理，傳送至所述計算機7分析計算，獲取的放煤中的聲音信息的F3、F4和F5特征屬性值供所述計算機7進行放煤過程識別使用。

所述振動傳感器4連接所述數據采集卡6，由所述振動傳感器4獲取的放煤過程對放煤尾梁的振動信息經所述數據采集卡6轉化處理，傳送至所述計算機7分析計算，獲取的放煤中的振動信息的F6、F7和F8特征屬性值供所述計算機7進行放煤過程識別使用。

所述壓力傳感器5連接所述數據采集卡6，由所述壓力傳感器5獲取的放煤過程對放煤尾梁的壓力信息經所述數據采集卡6轉化處理，傳送至所述計算機7分析計算，獲取的放煤中的壓力信息的F9和F10特征屬性值供所述計算機7進行放煤過程是否堵煤、卡煤的放煤故障識別使用。

所述放煤板控制器8連接所述計算機7的控制輸出端子，用于控制放頂煤液壓支架的放煤板的打開和關閉實現開始放煤和停止放煤。

所述尾梁油缸控制器9連接所述計算機7的控制另一個輸出端子，用于控制放頂煤液壓支架的尾梁往復擺動，實現尾梁對大塊煤炭的破碎。

所述計算機7利用所述放煤過程識別方法獲取放煤過程中F1-F10這10個特征屬性后，利用多類分類支持向量機進行分類，獲取放煤中全煤下放階段、0-30％矸煤混放階段、30-50％矸煤混放階段、50-70％矸煤混放階段、全矸下放階段和堵煤、卡煤故障狀態，控制所述放煤板控制器8實現打開和關閉放煤板開始放煤和停止放煤，或者控制所述尾梁油缸控制器9實現頂煤液壓支架的尾梁往復擺動，破碎大塊煤炭的破碎，保障順利放煤。

下面結合附圖2及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。

如圖2所示，本發明實施例的綜放工作面自動化放煤裝置位置關系示意圖。圖中，所述攝像頭1安裝在液壓支架的下方能夠對放煤混合物拍照的位置；所述聲波傳感器3和所述振動傳感器4安裝在液壓支架尾梁的下側，保障了所述聲波傳感器3和所述振動傳感器4不被落煤或矸石砸壞，同時也保障了所述振動傳感器4能檢測到落煤或矸石對尾梁產生的振動；所述壓力傳感器5安裝在尾梁油缸上，保障了所述壓力傳感器5能檢測到落煤或矸石對尾梁產生的壓力；所述圖像采集卡2和所述數據采集卡6安裝在所述計算機7的PCI插槽內，完成對視頻和聲波、振動、壓力信號的采集與處理；所述放煤板控制器8和液壓支架的放煤板的電液控制閥相連，用于控制液壓支架的放煤板；所述尾梁油缸控制器9和液壓支架的尾梁油缸的電液控制閥相連，用于控制尾梁油缸對尾梁的往復擺動。

所述綜放工作面自動化放煤裝置及放煤過程識別方法，其放煤過程識別方法為：

在綜采放頂煤工作面現場事先準備足夠量的全煤、含矸30％的矸煤混合物、含矸50％的矸煤混合物、含矸70％的矸煤混合物，這幾種混合物的試驗材料，在不低于放頂煤平均煤層厚度的放煤高度下分別將這幾種試驗材料從放頂煤液壓支架上方下落，利用所述攝像頭1、所述聲波傳感器3、所述振動傳感器4、所述壓力傳感器5采集這幾種下放試驗材料的圖像、聲音、振動和壓力信息，并經過所述圖像采集卡2、所述數據采集卡6、所述計算機7進行信號采集和信息處理，計算所述攝像頭1獲取的這幾種下放試驗材料的顏色特征屬性值F 1、紋理特征屬性值F2，計算所述聲波傳感器3獲取的這幾種下放試驗材料聲音信號的譜質心特征屬性值F3、Mel倒譜系數特征屬性值F4、廣義維數特征屬性值F5，計算所述振動傳感器4獲取的這幾種下放試驗材料對放頂煤液壓支架產生的振動信號的譜質心特征屬性值F6、Mel倒譜系數特征屬性值F7、廣義維數特征屬性值F8。

在沒有任何下落的試驗材料或者人為設置大塊煤炭堵住液壓支架放煤板的故障下，計算和分析所述壓力傳感器5的信號的譜質心特征屬性值F9和幅值屬性值F10，當F10為大于零的數值，F1至F9為0時，此時發生了堵煤或卡煤故障，從而為尾梁破碎頂煤提供判決條件。

利用多類分類支持向量機對上述這幾種下放試驗材料的F1至F10所組成的具備10個特征屬性的多類樣本數據進行分類識別訓練，進而獲得訓練好的能夠對上述幾種下放試驗材料和堵煤、卡煤故障狀態進行多類分類的支持向量機。

對生產中綜采放頂煤工作面的放煤過程，每隔1秒鐘采集一次下放頂煤的圖像、聲音、振動和壓力信息，計算上述F1至F10這10個特征屬性值，獲得該時刻的放煤特征樣本信息，對該樣本信息，利用上述訓練好的多類分類支持向量機進行分類，識別出該樣本歸屬上述幾種試驗材料哪一類或者是堵煤、卡煤故障狀態，便識別出了當前該過程為放煤過程的哪個階段或者堵煤、卡煤故障狀態。按照這種方法，在整個放煤過程中，能夠識別出全煤下放階段、0-30％矸煤混放階段、30-50％矸煤混放階段、50-70％矸煤混放階段、全矸下放階段，這5種放煤階段以及堵煤、卡煤故障狀態。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。