基于虚拟现实与数字孪生技术的综采工作面直线度求解

闫泽文, 谢嘉成, 李素华, 沈卫东, 王怡荣, 王学文

闫泽文,谢嘉成,李素华,等. 基于虚拟现实与数字孪生技术的综采工作面直线度求解[J]. 工矿自动化,2023,49(2):31-37. DOI: 10.13272/j.issn.1671-251x.18066
引用本文: 闫泽文,谢嘉成,李素华,等. 基于虚拟现实与数字孪生技术的综采工作面直线度求解[J]. 工矿自动化,2023,49(2):31-37. DOI: 10.13272/j.issn.1671-251x.18066
YAN Zewen, XIE Jiacheng, LI Suhua, et al. Straightness solution of the fully mechanized working face based on VR and DT technology[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(2):31-37. DOI: 10.13272/j.issn.1671-251x.18066
Citation: YAN Zewen, XIE Jiacheng, LI Suhua, et al. Straightness solution of the fully mechanized working face based on VR and DT technology[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(2):31-37. DOI: 10.13272/j.issn.1671-251x.18066

基于虚拟现实与数字孪生技术的综采工作面直线度求解

基金项目: 国家自然科学基金项目(52004174);中央引导地方科技发展资金项目(YDZJSX2022A014); 山西省科技重大专项计划“揭榜挂帅”资助项目(202101020101021)。
详细信息
    作者简介:

    闫泽文(1999—) ,男,山西朔州人,硕士研究生,研究方向为综采装备虚拟现实系统设计,E-mail: 812889972@qq.com

    通讯作者:

    谢嘉成(1989—) ,男,山西晋城人,副教授,研究方向为煤矿装备VR/AR/DT融合设计理论与方法,E-mail: xiejiacheng@ tyut.edu.cn

  • 中图分类号: TD679

Straightness solution of the fully mechanized working face based on VR and DT technology

  • 摘要: 直线度问题是综采工作面智能化建设的卡脖子问题之一,解决该问题的关键在于刮板输送机或者液压支架群的位姿获取。目前针对综采工作面直线度的研究大多是对液压支架和刮板输送机的直线度分别进行讨论,存在成本高、实现困难等问题。针对该问题,基于虚拟现实(VR)与数字孪生(DT)技术对综采工作面直线度求解方法进行探索,将液压支架、浮动连接机构、刮板输送机看作一个系统来进行整体考虑,搭建了综采工作面直线度求解框架,主要分为机理解析、模型构建、融合推演、重构监测、预测控制5个步骤。指出综采支运装备相对位置关系分析的关键在于连接液压支架底座与刮板输送机的浮动连接机构,根据浮动连接机构的运动特性将其简化为机器人模型,进行正逆向运动解析;依据真实的煤层环境,在Unity3D中建立基于关节的综采支运装备运动仿真模型,构建VR场景,实现虚实映射;通过非接触式视觉传感器、虚拟传感器、虚实融合等技术,融合传感器及点云信息进行支运装备位姿推演;利用虚实交互技术,联合真实物理场景构建DT系统,实现综采工作面虚拟监测;在虚拟场景中对保证直线度所需的推移行程进行预测,并将其反馈至物理场景中进行直线度控制。
    Abstract: The straightness problem is one of the neck problems in the intelligent construction of the fully mechanized working face. The key to solve this problem is to obtain the position and posture of the scraper conveyor or hydraulic support group. At present, most of the research on the straightness of fully mechanized working face is to discuss the straightness of hydraulic support and scraper conveyor separately. There are problems such as high cost and difficulty in implementation. In order to solve this problem, based on virtual reality(VR) and digital twin(DT) technology, the method to solve the straightness problem of the fully mechanized working face is explored. The hydraulic support, floating connection mechanism and scraper conveyor are considered as a whole system. The straightness solution framework of the fully mechanized working face is built. There are mainly five steps: mechanism analysis, model construction, fusion deduction, reconstruction monitoring and predictive control. It is pointed out that the key to the analysis of the relative position relationship of the fully mechanized supporting equipment is the floating connection mechanism connecting the hydraulic support base and the scraper conveyor. According to the motion characteristics of the floating connection mechanism, it is simplified into a robot model and solved by forward and reverse motion. According to the real coal seam environment, the motion simulation model of fully mechanized mining support equipment based on joints is established in Unity3D, and the VR scene is constructed to realize virtual and real mapping. Through non-contact visual sensor, virtual sensor, virtual-real fusion and other technologies, the information of sensor and point cloud are fused to perform the position and posture deduction of support equipment. Using the technology of virtual and reality interaction, combined with a real physical scenario, a DT system is constructed to achieve virtual monitoring of the fully mechanized working face. The travel distance required to ensure straightness is predicted in the virtual scene and fed back to the physical scene for straightness control.
  • 为了减少巷道掘进量,缓解采掘接替,提高煤炭采出率,近年来沿空留巷技术在很多煤矿得到广泛应用,并取得了较好的经济效益。但工作面连续回采过程中会形成多个相连采空区,使采空区瓦斯治理更加复杂[1-3]。在实际作业中,对于Y型通风连续回采工作面,沿空留巷设挡矸架控顶挂模,挡矸架置于采空区碎煤网兜和柔模墙之间,除朝工作面开口外,采空区和架尾均被碎煤网兜包裹,另一侧有柔模墙阻隔,呈“抽屉”状。挡矸架内风流不畅,瓦斯不仅容易积聚,还很难稀释吹散,导致超限报警频繁[4-6]

    许多学者针对回风隅角和挡矸架内瓦斯积聚问题进行了研究。孙荣军等[7]提出大直径一次成孔技术,以进一步提高高位定向钻孔的一次成孔直径、钻进效率、钻孔深度和钻孔利用时间,提高高位钻孔经济性和瓦斯抽采效果。许石青等[8]对贵州省六盘水市盘江煤矿23125工作面232石门钻场采空区垮落带、断裂带范围进行确认,并以此范围为参考对高位定向钻孔进行优化设计,优化后的垮落带和断裂带位置可以实现长距离定向抽采采空区瓦斯。邹炜[9]对大孔径钻孔合理布置间距进行了研究,通过优化钻孔布置间距解决了上隅角瓦斯浓度超限问题。年军等[10]探索了以孔代巷合理布孔间距,发现钻孔距离工作面太近或太远均不利于对上隅角瓦斯的控制。罗如强等[11]首次采用超大钻孔大流量低负压抽采采空区瓦斯,现场考察应用效果良好,有效解决了高瓦斯矿井上隅角瓦斯频繁超限和采空区瓦斯治理难题,可在条件适合的煤与瓦斯突出矿井中推广应用。

    目前针对回风隅角和挡矸架内瓦斯积聚问题的解决方案,抽采能力较为分散,无法实现对采空区的持续抽采,难以保证治理效果。Y型通风连续回采工作面由于采用沿空留巷节省了工作面之间的保护煤柱,随着工作面回采,采空区会扩大、连通,回风隅角和挡矸架内瓦斯积聚问题更加严峻。针对Y型通风连续回采工作面采空区瓦斯治理难题,本文以山西兰花集团有限公司东峰煤矿3号煤层二采区为研究背景,提出跨工作面采空区瓦斯抽采技术。在相邻工作面回风巷施工定向长钻孔,对回采工作面采空区进行跨工作面瓦斯抽采,可有效解决工作面瓦斯超限问题,保障工作面顺利回采,为采空区瓦斯抽采方式提供了新思路。

    东峰煤矿位于山西省高平市,矿井设计生产能力为120 Mt/a,属于高瓦斯矿井。全矿井划分为4个采区,矿井可采煤层共3层,现阶段主采3号煤层,采用综采放顶煤开采方法,采用全部垮落法管理顶板,通风方式为柔模留巷Y型通风。目前3201工作面已完成回采,3202工作面正在回采,由于采用沿空留巷节省了工作面之间保护煤柱,3202工作面采空区与3201工作面采空区仅有柔模墙体,采空区随着工作面回采会扩大、联通。在柔模墙体破坏失去承载能力后,3201工作面采空区顶板有可能进一步垮落,瓦斯被突然挤出而涌入3202回采工作面,造成3202回采工作面瓦斯超限。

    东峰煤矿3号煤层二采区沿底板等高线由低往高逐个布置工作面,全部沿空留巷放顶煤回采,沿空留巷连续回采工作面新老采空区瓦斯勾连涌出如图1所示。首采工作面回采结束,下一工作面开始回采后,受到二次采动影响,老采空区与新采空区勾连,形成大采空区。随着采空区范围越来越大,受初次来压和周期来压的采动影响,新老采空区及其顶板断裂带瓦斯在风流及瓦斯运移规律影响下,会瞬间大量涌入工作面及其回风流,造成瓦斯超限报警甚至酿成事故。

    图  1  沿空留巷连续回采工作面新老采空区瓦斯勾连涌出
    Figure  1.  Gas gushing in the new and old goaf in continuous working face of gob-side entry retaining

    3号煤层二采区平均厚度为5.93 m,预计垮落带最大高度为29.65 m。泥岩、砂岩互层顶板的断裂带高度为[12]

    $$ {H_{\text{f}}} = \frac{{100M}}{{3.3n + 3.8}} + 5.1 $$ (1)

    式中:M为累计采厚,M=5.93 m;n为煤分层数,n=1。

    理论分析表明,裂隙带中下部横向、竖向裂隙发育,渗透率增加最为明显,是高位钻孔布置的最佳区域。受到卸压影响,裂隙带越靠近下方渗透率越高[13-15]。因此,钻孔终孔层位可设置在垮落带上部、断裂带下部,即高度为30~50 m,东峰煤矿3号煤层顶板上方30~40 m范围主要为中粒、细粒砂岩,可满足定向长钻孔施工要求。

    在3202工作面辅助进风巷开展高位钻孔试验,对5号、6号和7号3个钻场的走向高位钻孔抽采瓦斯浓度进行统计,如图2所示,其中,1号、2号、3号、4号钻孔终孔层位高度分别为35,30 ,25,20 m,向3202工作面内错距离分别为28,20,15,10 m。可看出钻孔距煤层顶板高度为30~35 m时的抽采效果明显优于20~25 m的抽采效果。

    图  2  高位钻孔抽采瓦斯体积分数
    Figure  2.  Gas volume fraction extracted from high boreholes

    在水平方向上,采场覆岩采动裂隙发育区域集中在类似“O”型的椭圆断裂带内。由于回风巷风压低,采空区瓦斯向低压端运移,瓦斯相对富集[16-18]。因此,高位抽采钻孔布置在工作面中上部、靠近回风巷的位置抽采效果好。

    3202工作面回风侧卸压角为80~90°,3号煤层倾角较小,卸压角为80°,距离3202工作面轨道巷40 m时,卸压线距回风巷为7.1 m,钻孔向3202工作面内错距离过小时,容易导致钻孔通过裂隙与风巷贯通,钻孔无法发挥有效抽采作用。由图2可知,3202工作面1号、2号走向高位钻孔瓦斯抽采浓度相对较高,其内错距离分别为28,20 m。

    综上可知,跨工作面定向长钻孔终孔位置在水平方向上距轨道巷20~40 m。

    采空区由于煤体回采会产生空隙空间[16-18],对于长度为135 m、采放高度为5.93 m的回采工作面,每推进100 m,预计产生采空区空隙空间80 055 m3。假设在采空区遗煤开始瓦斯解吸之前,工作面风流漏风将此空隙空间充满,则100 m范围采空区含空气80 055 m3

    根据3201工作面瓦斯含量实测结果和现场实际抽采情况可知,煤层瓦斯含量为4.7 m3/t,瓦斯抽采率为0.35,则采空区遗煤瓦斯含量为3.1 m3/t。取3号煤层不可解吸瓦斯量为2 m3/t,则采空区遗煤可解吸瓦斯量为1.1 m3/t。取工作面回采率为0.87,煤体密度为1.42 t/m3,则回采方向长度为100 m、工作面长度为135 m、煤层厚度为5.93 m的采空区遗煤为14 778 t,可解吸瓦斯量为16 256 m3。则100 m推进长度的采空区内瓦斯量达16 256 m3

    在3202工作面回采时可能造成柔模墙体破坏、支撑应力改变,诱发顶板大面积垮落。采空区瓦斯抽采的目的是将混合瓦斯气体尽量抽取,在顶板大面积垮落后减少可扇出气体体积[19-21]。3201采空区两侧同时存在支撑体,假设柔模墙体破坏造成空隙空间压缩,取影响范围可达采空区一半,即压缩空间为采空区空隙空间一半,则需抽采瓦斯量为(80 055+16 256)×0.5=48 156 m3。3201工作面高位钻孔抽采量变化如图3所示。

    图  3  3201工作面高位钻孔抽采量变化
    Figure  3.  Change of extraction amount of high borehole in 3201 working face

    图3可看出,高位钻孔一般抽采量在10~60 m3/min,即每个钻孔抽采量达2.5~15 m3/min。由于采空区岩体在工作面回采之后有压实趋势,渗透率减小,取钻孔抽采量低值作为跨工作面抽采采空区瓦斯定向长钻孔抽采量,即为2.5 m3/min。由3201工作面高位钻孔抽采浓度变化可知,其高浓度抽采期可持续1个月以上。钻孔有效抽采时间为1个月时,取采空区混合气体抽采率为50%,抽采总量为2.5×60×12×30×2=108 000 m3。则100 m推进长度范围的采空区所需钻孔数量为48 156/108 000≈0.5个,即每个钻孔可抽采范围为200 m。

    根据采空区渗流场变化规律和高位钻孔抽采效果分析可知,跨工作面抽采采空区瓦斯的定向长钻孔终孔位置距煤层顶板高度为30~40 m,向3202工作面内错距离为20~40 m。根据煤层标高、地质条件影响及钻孔终孔目标位置,设计定向长钻孔钻进轨迹。根据钻孔密度分析,为在3202工作面回采初期保障采空区瓦斯抽采能力,缩短了钻孔间距,试验钻孔间距分别为50,50,100,100 m,为了提高钻孔利用率,减少施工工程量,采用1个主孔、1个分支孔的布置方式。

    由于跨工作面定向长钻孔在不受采动影响的相邻工作面旁边回风巷开口,即使工作面回采之后形成采空区,也无需撤管,可实现持续抽采新老采空区中上部顶板断裂带积聚瓦斯,为Y型通风连续回采工作面瓦斯治理开辟新的通道。持续抽采上部断裂带瓦斯,能有效减少采空区、挡矸架和回风隅角瓦斯浓度,避免挡矸架瓦斯积聚造成超限报警及其他瓦斯事故。Y型通风工作面钻孔抽采布置如图4所示。

    图  4  Y型通风工作面钻孔抽采布置
    Figure  4.  Borehole extraction arrangement of Y-type ventilation working face

    在3203工作面回风巷开展跨工作面定向长钻孔的试验,以回风5号钻场为例,钻场内布置2个跨工作面高位钻孔(1号孔、2号孔),每个跨工作面高位钻孔包括1个主孔和1个分支孔,采用低负压管路抽采,抽采负压达28.5 kPa,钻孔布置参数见表1

    表  1  高位抽采钻孔布置参数表
    Table  1.  Layout parameters of high level extraction boreholes

    开孔高度/m孔深/m方位角/(°)终孔层位高度/m钻孔内错距离/m
    146392864035
    1−145613253830
    245732743528
    2−145103543025
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    每个跨工作面抽采采空区的定向长钻孔施工完成后,每天观测其瓦斯体积分数、流量,得到抽采瓦斯体积分数、抽采纯量随时间变化曲线,如图5所示。

    图  5  抽采瓦斯体积分数和纯量随时间变化曲线
    Figure  5.  Change curve with time of volume fraction and pure volume of extracted gas

    图5可看出,1号钻孔瓦斯抽采体积分数达3.9%~16.8%,瓦斯抽采纯量达0.26~2.84 m3/min;2号钻孔瓦斯抽采体积分数达1.8%~19.2%,瓦斯抽采纯量达0.09~2.65 m3/min。

    现场对采空区瓦斯抽采后,挡矸架的瓦斯体积分数由0.67%降至0.22%,回风流瓦斯体积分数由0.47%降至0.18%,回采期间3202工作面瓦斯体积分数保持在0.6%以下,符合安全标准,如图6所示。跨工作面采空区瓦斯抽采技术有效降低了挡矸架与回风流的瓦斯浓度,对采空区瓦斯治理有明显的效果。

    图  6  回采期间瓦斯体积分数变化曲线
    Figure  6.  Change curve of gas volume fraction during mining

    1) 在东峰煤矿现场进行跨工作面采空区抽采工程试验,当高位定向钻孔距离巷道顶板30~40 m,水平方向距离轨道巷20~40 m时抽采效果理想。

    2) 定向长钻孔持续抽采上部断裂带瓦斯,挡矸架瓦斯体积分数由0.67%降至0.22%,回风流瓦斯体积分数由0.47%降至0.18%,3202回采工作面瓦斯体积分数保持在0.6%以下,瓦斯治理效果显著。

    3) 跨工作面采空区瓦斯抽采技术能有效减小采空区、挡矸架和回风隅角瓦斯浓度,避免挡矸架瓦斯积聚造成超限报警及其他瓦斯事故。

  • 图  1   基于VR与DT技术的综采工作面直线度求解框架

    Figure  1.   A framework for solving the straightness of fully mechanized working face based on VR and DT technology

    图  2   浮动连接机构简化

    Figure  2.   Simplification of floating connection mechanism

    图  3   虚拟应用模型构建

    Figure  3.   Construction of virtual application model

    图  4   DT系统

    Figure  4.   Digital twin system

    图  5   基于DT系统的综采工作面调直架构

    Figure  5.   Straightening architecture for fully mechanized working face based on DT system

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-11
  • 修回日期:  2023-02-02
  • 网络出版日期:  2023-02-26
  • 刊出日期:  2023-02-24

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