基于地质保障系统的煤矿安全开采规划控制方法

董 博 ，李 旭 ，史 云 ，李 磊 ，乔佳妮

（1.西安合智宇信息科技有限公司，陕西 西安 710075；2.陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西 渭南 714000）

煤炭作为中国的能源基石，一直在我国能源消费中占主体地位[1]。为实现煤炭资源安全高效开采，亟需建设智能化矿井。煤矿地质工作是透明地质建模技术进一步发展的基础[2]，根据煤矿地质数据建立地质保障系统，可以为煤矿安全高效抽采提高有力保障。

地质保障系统是通过勘探技术查明地层的地质信息及其约束条件，建立三维地质模型[3]，直观立体地为油气勘探、矿井开采、工程建设、环境灾害预测等工作提供基础参考[4-5]。通过查明煤层厚度、倾角及断层、褶皱等地质构造情况[6]，利用建模软件构建地质保障系统，为煤矿安全生产提供基础[7]。在煤矿规划过程中，依据地质保障系统，可以规划安全开采技术方案，在断层、褶皱、陷落柱等地质构造处适当修改开采方式，实现安全高效开采，避免资源浪费。在开采过程中将采集到的实时数据返回地质保障系统，系统经过不断更新与修正[8]，增强其自适应学习能力，通过自动修正完成动态地质模型的构建，可以实现地质勘探、GIS 系统建立及灾害因素预测等功能[9-11]。

针对地质保障系统，国内外学者开展了大量的技术研究与工程实践。王世斌等[11]、毛明仓等[12]、 李 鹏 等[13]利 用 MySQL8.0、 VS2019、OpenGL 等开发了陕煤集团煤矿的地质保障系统，构建了三维模型并动态修正，实现了隐蔽致灾因素查询、矿井灾害实时监测的功能；谷保泽等[14]利用地质智能探测技术构建三维多属性模型；刘小雄等[15-16]为解决巷道泥岩顶板区域制约掘进效率的问题，提出基于地质保障技术的高效快速掘进方法；刘再斌等[17-18]针对现存地质保障系统中数据来源多、开发语言不统一、煤矿适用性差的问题，提出三层开发架构的微服务地质保障系统；刘结高等[19]基于唐家会煤矿地质条件复杂的现状，构建了以随掘随震等五项技术为基础的透明地质系统，实现了自主截割和自主规划等功能；董书宁等[20]从基础地质勘查、GIS 系统、隐蔽致灾因素等方面入手，分析了智能开采所面临的难题，论述了可以实现精准感知等功能的地质保障技术体系的可靠性。地质保障技术已经广泛运用于煤矿智能开采工作面，但大多数煤矿只将其用于基础地质信息勘探、隐蔽致灾因素分析等功能[21-22]，地质保障系统的构建可以为煤矿安全规划与高效开采提供可视化数据与模型支撑。

1 基于三维模型的地质保障系统

1.1 地质勘探技术

1）巷道揭露测量技术。巷道掘进过程中揭露出部分断层、褶皱以及煤层变薄等异常地质信息，煤层较厚时，掘进巷道断面在顶底板之内，存在大量留煤；煤层较薄时，掘进巷道断面大于煤层厚度，存在割底切顶现象；煤层厚度与巷道断面相同时，无留煤现象，根据割煤后露出的顶底板可以判断煤层地质基本情况。巷道揭露测量技术就是在掘进过程中将所有顶底煤探出，从而判断煤层的厚度、倾角以及异常地质情况，完整构建出巷道的地质信息模型。

2）钻孔探测技术。在地质勘探过程中，仅依靠巷道揭露技术难以完整探测出煤层地质信息，因此需要依靠煤层钻孔进行进一步探测；在煤矿开采之前，为预防瓦斯灾害、水害等，会布置大量的钻孔，利用布置合理得当的钻孔可以采前预抽瓦斯，达到卸压瓦斯的效果，通过钻孔实现探放水与构造探测的功能；这些钻孔分为顺层钻孔与穿层钻孔，根据其布置方式的不同又可分为平行钻孔与扇形钻孔等，除去利用钻孔实现抽放瓦斯、探放水以外，还可以根据钻孔在煤层或岩层中的受力与形变探测异常地质构造，通过在钻孔中布置成像装置分析钻孔结构，探测裂隙、离层等地质信息。

3）槽波地震勘探技术。槽波地震由于其自身特殊性质能快速精准探测出地质构造异常区，一般用于工作面内地质信息的探测；在巷道内布置地震接收点及激发点，可以探测出工作面的地质构造以及断层、褶皱等地质构造异常地带，还可以用来探测煤层厚度变化、陷落柱等。通过槽波频散分析和速度成像，可以估测出井下高地压地带与高瓦斯地带，为井下瓦斯防治与地压管理提供依据。

1.2 三维地质模型

三维地质模型的建立主要分为构造建模与属性建模2 种类型，在煤矿智能工作面建模时选择构造建模的方式来构建地质模型。构造建模包括数据收集、数据分析与模型构建3 部分，构造建模流程如图1。

图1 构造建模Fig.1 Structural modeling

1）数据收集。数据收集是指收集井下所有地质信息，包含巷道揭露、钻孔探测与槽波地震勘探所探测的地质情况及其他地质信息，将其有机融合而形成的1 套完整的数据，充分发挥各类探勘技术的长处，弥补各自的缺陷，为地质模型提供较为精确的数据。

2）数据分析。数据分析是构造建模中的重点，通过收集的地质信息数据，综合分析煤层起伏形态、断层发育情况、陷落柱、冲刷带展布、煤层分叉等；煤层起伏形态的分析是通过地质资料对顶底板等高线进行约束，通过类比盘区顶底板等高线，增加顶底板约束信息，随后绘制顶底板等高线图、煤厚等值线图，基本确定煤层的起伏形态；断层发育情况的分析是利用槽波地震勘探技术与煤层起伏形态进行判断，通过观测巷道两侧、切眼断层证据和瓦斯抽采钻孔窥视等手段对断层进行再次确认；陷落柱存在情况是通过槽波地震技术探测工作面内可能存在的陷落柱，并通过钻孔窥视、补打钻孔、岩性分析等手段进行确认；冲刷带展布，可以根据冲刷带的形态进行趋势面分析，预测冲刷带的范围，结合岩性（含泥量）等信息判断冲刷带的范围；煤层分叉则是根据写实情况，判断煤层分叉的性质，结合盘区的地质资料对分叉信息进行综合研究。

3）模型构建。模型构建是地质数据收集与地质数据分析的最终目的，通过计算机软件对地质信息进行模拟，主要步骤为输入数据、确定边界、建立断层网格、建立地层面、建立线框模型、划分网格、模型的优化与展示等；具体步骤为：首先将数据分析后导入到建模系统中，通常数据形式为点数据、线数据和面数据及CAD 形式的数据格式；利用已经布置的测点收集数据并进行工作面的切割，通过输入的断层数据连接插值成面，并进行网格化；将地层层位数据与断层数据导入并进行插值计算，根据地层面、边界、断层等要素，建立三维地质模型的线框模型，将已获得的层面线框进行网格剖面划分网格。

1.3 地质模型动态更新及三维可视化

1）动态更新。模型的精度是建模的重要影响因素，由于数据信息量的不同，建立的模型精度也会有一定的差别；随着工作面不断开采，不断揭露新的煤层顶底板数据，基于4DGIS 地质数据与模型的局部交互式编辑功能，结合煤岩层识别系统或者人工测量所获取到的地质揭露新数据，对煤层、断层、陷落柱、老窑区、老巷，甚至瓦斯和水的空间位置进行实时、动态更新，实时修改、添加、删除数据，并对高精度地质模型进行局部重构，不断融入煤矿生产过程中的实时、动态、高精度地质信息。系统实现的具体功能包括二三维联动更新、局部范围更新重构，实现地质模型实时动态的更新，使采煤机能够更加准确的获取下一刀的切割曲线。系统模型动态更新界面如图2。

图2 系统模型动态更新界面Fig.2 System dynamic update interface

2）三维可视化。工作面三维地质模型需要有1 个统一的平台对其进行展示以及相关功能的实现，在地质基础模型构建完成后，需要开发1 套地质可视化系统；综合利用包括地面、钻孔、井下等多种探测手段以及煤矿采掘活动所获得的地质信息，查明影响开采的构造条件、煤层变化及其他地质异常体，利用点数据（如钻孔、探煤点、导线点、实际煤层底板修改数据等）和边界数据（如断层、矿区边界、富水区、高瓦斯区、突水区、老空区、采空区等），快速生成各个煤层、标志层、含水层的三维模型，并连接形成体模型；结合地层岩性、结构、沉积相等相关参数，综合精细三维地震解释资料，建立矿井多地层真三维地质模型。

2 基于大数据分析的智能决策平台

2.1 自适应开采技术

工作面采煤工艺需要工作面关键设备之间的配合，如采煤机采用记忆割煤进行自动割煤，而液压支架根据采煤机的位置信息进行自动跟机作业，整个生产过程无须人员操作，完全由这2 套设备的控制系统自主完成。由于液压支架系统是由多台液压支架组成，每1 台液压支架都既是1个独立的作业单元，也是整个支架系统1 个子系统，通过大量数据样本决策出最优的跟机作业工艺，不仅能提升工作面的自动化与智能化水平，同时也能发挥工作面设备的最大效能。

因此，在基于地质模型的开采数据模型基础上，提取顶底板高度、推进度和俯仰角度、工作面走向的倾角，建立开采数据样本库。对融合后的地质及开采数据进行影响因素的分析，采集推进过程中各相关设备的运行状态、故障情况、生产工艺调整特别是运输机的直线度、俯仰角度等进行大数据样本分析，可以为基于地质模型的智能化、自适应开采工艺最优决策提供支撑。基于地质模型的开采工艺大数据决策路线如图3。

图3 基于地质模型的开采工艺大数据决策路线Fig.3 Decision route of mining technology big data based on geological model

2.2 协同开采技术

根据多维度地质CT 网格地质信息，生成工作面的地理模型，并将采煤机、支架等设备三维模型，按照实际位置摆放至多维度地质三维可视化模型中。功能架构设计如图4。

图4 功能架构设计图Fig.4 Functional architecture design

通过实时获取设备开采数据，实现与多维度工作面三维可视化模型的交互融合，利用综采工作面主要设备的实时数据采集和开采工艺脚本设计，可以直观地将多维度地质工作面CT 切片模型和采煤机位置、速度、牵引方向，以及全部支架的姿态动作信息展示出来，从而实现综采设备智能感知、设备定位及采煤过程中采煤机、支架、运输三机的协同开采及展示功能，实现多维度可视化模型与工作面精准控制的协同开采。

基于多维度地质三维CT 的模型、煤层结构网格化数据的坐标定位和转换，通过各设备实时开采数据，设计每个设备独立的开采三维模型和驱动脚本，在大数据逻辑处理模块内处理各个设备之间的关系，实现数据驱动的工作面三维模型协同开采。

2.3 模型修正技术

在基于地质模型的开采数据模型基础上，提取顶底板高度，结合雷达、惯导数据实时反馈的采高卧底位置，同时结合开采数据及辅助校准（惯导、雷达的精准测量系统）建立数据样本库，并根据设备姿态及辅助测量数据对多维度地质模型进行优化修正。

1）设备感知融合技术。视频系统为智能视频图像处理提供了视觉数据基础，工作面设计位置安装部署雷达，按照工作面雷达垂直方向大角度、水平方向270°扫描的激光，此激光脉冲在到达工作面挡板和采煤机的摇臂上经过反射，通过计算各个点反射光返回的时间，计算工作面和摇臂的姿态信息，并进行数据融合计算和数字建模，基于视频技术对综采设备安全感知、定位的雷达测量系统进行辅助校准控制；智能惯导系统安装在采煤机上，采用精度不低于1.0×10-3rad 的惯性定位装置，实现精确到±50 mm 的工作面对齐调直控制。通过采煤机推移行程数据、采煤机自身编码器、图像识别和惯性导航对数据同时进行校准，系统生成刮板运输机位置曲线。电液控制器执行控制平台发出的调直指令，通过精准推移，达到工作面调直的目的。

2）开采模型修正技术。根据建立的三维地质模型设计开采系统，开采过程中分析采煤机、液压支架、刮板输送机对工作面推进的影响，结合惯导系统测出的数据，建立系统学习程序，通过对运行逻辑的学习实现系统自身更新与修正。模型修正具体实施方案如图5。

图5 模型修正技术路线图Fig.5 Model revision technology roadmap

3 基于模块控制的自主规划及高效开采

3.1 系统设备优化

为实现安全高效规划开采方法，首先对采煤机的工作方式进行优化，在已建立的地质保障系统基础上录入修正信息，同步优化采煤机工作方式。通过在电控箱内安装惯性导航，对采煤机在工作面的相对位置进行实时检测和分析，实现采煤机自主定位与断电记忆功能。利用姿态定位，采用CAN 总线和5G 远程通信，对采煤机升级改造，远程控制时增加了通信距离与响应速率。加装采煤机摇臂、行星头的油温、油位、温度、震动、绝缘传感器，利用在线监测系统实现采煤机运行工况的在线监测，通过煤机记忆截割系统加装“22 象限”记忆截割、远程数据传输软件与第三方数据通信软件后，实现工作面自动割煤与两个端头的自动斜切、割三角煤、清浮煤等功能，以及各个割煤动作的自由切换，采煤机实现自动化思路如图6。

图6 采煤机自动化总体思路Fig.6 General idea of shearer automation

液压支架作为采煤工艺过程的重要组成设备之一，其自身性能的优化至关重要，利用电液控制系统提高液压支架工作效率。通过在液压支架控制器之间采用UART 传输协议，实现数据上传自动化平台时间小于100ms。电液控制系统使用modbus TCP 通信协议，以太网、RJ45 接口，通过系统实现液压支架状态测量功能、数据双向传输功能、无线遥控功能、自适应控制能力、跟机智能化和自动补压功能。

3.2 工作面自动化控制

依托于地质模型进行设计，工作面自动规划具体设计方法为：利用综采设备负荷平衡控制模型控制采煤机的运行速度，以综采工作面装备状态正常为基本条件，以采煤机、刮板输送机速度为控制对象，以产量-能耗比最大化为控制目标，实现综采设备的负荷平衡控制。在综采工作面装备进入协同控制模式之前，综采设备应处于正常运行状态。根据地质保障系统提供的综采设备历史数据，对下一时间范围内的装备运行参数进行预测；根据预测结果，计算预测时间范围内的产量/能耗比指标。如果计算结果满足已有综采设备性能约束条件下的最优解，则采煤机的运行速度不变；反之，则对采煤机运行速度进行优化。具体过程包括：判断当前刮板输送机负载状态，使得刮板输送机的性能状态在节约能量和负载保护之间实现平衡；判断采煤机牵引部和截割部的负载状态，使得采煤机牵引部和截割部的性能状态在能量消耗和负载保护之间实现平衡。

3.3 模块的统计与分析

使用IMS 平台的数据处理模块，进行开采数据采集分析模型，实现工况数据格式转换和关联。统计分析服务架构模型如图7。

图7 统计分析服务架构Fig.7 Statistical service architecture

利用Haproxy+Keepalived 高可用数据接收处理框架，进行工况数据的接收和分类存储。采用EMQ 实现分布式集群模式，灵活部署多个节点，抗压能力强稳定性强、可确保7∗ 24 运行，依靠与Haproxy+Keepalived 实现负载均衡与高可用，解决数据延迟和并发的问题。

IMS 安全服务解析对所接收到的数据进行解析，过滤XSS、ARP、SQL 注入等，将解析后的数据再次发布导基于MQTT5.0 的消息队列服务。系统采取微服务节点访问模式运行，通过对数据服务访问控制，实现数据隔离与功能隔离，即只需要进行用户级别的软配置即可使用，对数据访问控制、功能的访问控制有着严谨的规则和匹配模式。

系统的各类报表统计、生产情况统计、矿压统计、矿压统计等利用算法系统提供的庞大算力进行支持，可以高效生成结果数据及多维度报表。

统计分析模块是以多个算法执行计算，最终展示给用户的直观方法。报表以日、月、年为周期，定时上报各种数据。

3.4 设备空间导航技术

系统主要由惯性导航模块、传输系统、工作面的设备空间导航系统等部分组成。系统组成示意图如图8。

图8 系统组成示意图Fig.8 Schematic diagram of system composition

将惯导系统的煤机行进路线曲线计算结果，与预切割路线进行比对，对预切割曲线进行加权修正，并将惯导系统记录的切割曲线信息打包、封存，通过网络协议发送至地面大数据中心，大数据运算中心将切割曲线信息与预切割曲线、煤机工况数据、增强可视化数据模型等进行反复迭代计算，判定惯导数据对预切割曲线修正的权值，综合惯导曲线数据、工况数据进行迭代加权修正。

综采工作面直线度测量系统由高精度惯性导航系统、里程计、不间断电源、上位机及软件组成。其中，导航系统和不间断电源在煤机的电控箱内安装，里程计安装于煤机的驱动机构中，上位机安装于控制室内，也可以直接使用控制室内的上位机。系统的信号通过煤机的CAN 总线进行传输。

3.5 工程应用

目前该系统已应用于陕煤集团黄陵矿业公司二号煤矿，运行成果表明：在实际应用过程中，对矿方的地测管理、机电管理、通防管理、生产设计、智能开采和指挥决策提供了应用支撑，降低了开采当中因地质灾害可能造成的人员设备的损伤风险和停工停产损失。

4 结 语

1）通过巷道揭露、钻孔勘探、槽波地震3 种方式对地层地质构造进行探测，对地质信息的收集与汇总建立数据库，利用数据分析绘制等高线图等二维地质信息图，搭建了三维地质模型。

2）通过将现有的自动化集成系统收集的数据与地质模型收集等多源信息融合，构建智能开采模型，进行智能决策，将这些决策不断迭代与完善，生成了大数据精准决策平台，实现了对采煤过程的精准控制。

3）通过对采煤机、液压支架等设备及其控制系统进行优化，利用自动化控制系统控制不同模块，实现了工作面开采精准控制与各模块统计与分析，并通过惯导系统提高控制精度、对数据迭代修正，完成了安全规划与高效开采的目的。