一种煤矿井下综放工作面的煤岩性状识别方法与系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种能够用于煤矿井下综放工作面的煤岩性状识别方法。通过对采集到的综放液压支架的振动信号、声压信号进行时域和小波包频带能量分析，以及对综放液压支架放煤口采集到的图像信号进行灰度和纹理特征的提取从而得到真实工况下未知煤岩性状的特征参数，并通过特征匹配识别模块与已知煤岩的特征数据库进行匹配达到未知煤和岩的性状识别，然后通过控制阀组对液压支架放煤口的打开或关闭进行控制，从而实现综放工作面的煤岩性状自动识别，为综放工作面放顶煤开采过程的自动化和智能化提供了解决方法和技术途径，同时为煤矿井下综放工作面的少人化甚至无人化开采奠定了理论和技术基础。
【专利说明】一种煤矿井下综放工作面的煤岩性状识别方法与系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种能够用于煤矿井下煤岩性状识别的方法与系统，尤其是能用于 综放工作面的煤岩性状识别的方法与系统。
【背景技术】
[0002] 煤炭是我国一次能源的主体，综合机械化放顶煤开采方法是实现厚煤层（一般煤 层厚度>3. 5m)开采的高产、高效的有效方法之一，并在国内外得到普遍推广，其实质就是 在厚煤层中，沿煤层（或分段）底部布置一个采高2-3米的长壁工作面，用常规方法进行回 采，利用矿山压力的作用或辅以人工松动方法，使液压支架上方的顶煤破碎成散体后由支 架后方（或上方）放出，并经由刮板输送机运出工作面。
[0003] 该方法虽然成倍地提高了综放工作面的产量，但顶煤放落程度即煤岩性状的识 另IJ，却依然全部要依靠现场放煤工人的目测和耳听来判断，进而控制液压支架放煤口的关 闭时机。然而综放工作面的工作环境恶劣，粉尘量大，能见度低，工作空间狭窄，仅仅依靠人 工监测很难准确地判断顶煤的放落程度，而且工作质量的随机性大，很难达到理想的控制 效果。因此不可避免地导致放顶过程中的"欠放"状况和"过放"状况，"欠放"会造成煤炭 回收率的降低；"过放"则会因大量矸石的混入而造成煤炭质量的下降，更严重的是综放工 作面恶性事故的发生。因此，发展无人值守，最大程度上实现综放工作面的少人化，甚至无 人化，有助于提高生产过程的安全性，同时也是煤矿机械发展的一个方向。因此如何根据顶 煤放落程度来控制放煤口的开关时间，是综放开采过程中的一大难题。
[0004] 因此人们希望能够通过某些方法实现放顶过程中煤和岩石的自动识别以便控制 放煤 口的打开或关闭。这样，便可有效提高煤炭回采率，降低煤炭的含矸率，改善煤质，实 现顶煤放落的高效生产，在放顶煤煤岩性状识别理论基础上进行相关设备的研制，可实现 综放工作面的少人或无人化，避免不必要的人员伤亡，创造巨大的社会效益和经济效益。
【发明内容】
[0005] ( -）技术问题 本发明要解决的技术问题首先是针对现有煤岩识别方法中存在的不足，提供一种准确 度高、安全可靠、效果好的综放工作面放顶煤过程中煤岩性状的自动识别方法；其次是根据 该方法实现对综放工作面液压支架顶煤放落的自动控制。
[0006] (二）技术方案 为此本发明提供了一种基于振动信号、声压信号、图像信号的煤矿井下综放工作面煤 岩性状识别方法与系统。包括：振动传感器、声压传感器、图像传感器、信号采集装置、高速 处理器、控制器、控制阀组，其中振动传感器、声压传感器安装在综放工作面液压支架后尾 梁处，图像传感器安装在综放工作面液压支架放煤口处。
[0007] 所述的振动传感器、声压传感器分别拾取顶煤放落过程中煤或顶板岩石垮落时冲 击液压支架后尾梁时的振动信号、声压信号，将其转换为电信号，送入信号采集装置；信号 采集装置将输入的信号转换为数字信号送入高速处理器；高速处理器进行分析和处理后提 取其特征数据，特征匹配识别模块将提取的未知煤岩的特征数据与已知煤岩的特征数据库 进行匹配，完成煤岩性状的识别，并将识别结果送入控制器；控制器根据接收到的信息进 行运算处理后，发出控制指令，由控制阀组控制液压支架放煤口的打开或关闭。
[0008] 所述的图像传感器采集液压支架顶煤放落过程中放煤口处的煤和岩石的图像信 号，并将采集到的信号传送到高速处理器进行煤岩信号识别处理与特征提取，由特征匹配 识别模块将提取的未知煤岩的特征数据与已知煤岩的特征数据库进行匹配，完成煤岩性 状的识别，并将识别结果送入控制器；控制器将接收到的信息进行运算处理后，发出控制指 令，由控制阀组控制液压支架放煤口的打开或关闭。
[0009] (三）有益效果 本发明提供的技术方案具有如下优点： (1) 本发明选取的测试参数多，包括振动信号、声压信号、图像信号，且所选参数对煤岩 性状敏感，这样可避免现场设备故障导致的误差，保证高速处理器分析信息时的准确性； (2) 设备易于部署、适应性强、识别率高，可进行实时自动识别； (3) 系统响应速度快，检测结果准确、可靠； (4) 该方法和系统应用面广，可用于任何能安装该系统的工作面。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是本发明系统结构图
[0011] 图2是本发明系统流程图
[0012] 图3是振动、声压信号时域特征的提取流程图
[0013] 图4是振动、声压信号小波包频带能量值的提取流程图
[0014] 图5是图像灰度的提取流程图
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施 例用于说明，但不用来限制本发明的范围。
[0016] 图1是本发明系统结构图，包括振动传感器、声压传感器、图像传感器、信号采集 装置、高速处理器、控制器、电液控制阀，其中振动传感器、声压传感器安装在综放工作面液 压支架后尾梁处，图像传感器安装在综放工作面液压支架放煤口处。
[0017] 所述的振动传感器、声压传感器分别拾取顶煤放落过程中煤或顶板岩石垮落时冲 击液压支架时产生的振动信号、声压信号，将其转换为电信号，送入信号采集装置；信号采 集装置将输入的信号转换为数字信号送入高速处理器；高速处理器进行分析和处理后提取 其特征数据，特征匹配识别模块将提取的未知煤岩的特征数据与已知煤岩的特征数据库进 行匹配，完成煤岩性状的识别，并将识别结果送入控制器；控制器根据接收到的信息进行运 算处理后，发出控制指令，由控制阀组控制液压支架放煤口的打开或关闭。
[0018] 所述的图像传感器采集液压支架顶煤放落过程中放煤口处的煤和岩石的图像信 号，并将采集到的信号传送到高速处理器进行煤岩信号识别处理与特征提取，特征匹配识 别模块将提取的未知煤岩的特征数据与已知煤岩的特征数据库进行匹配，完成煤岩性状 的识别，并将识别结果送入控制器；控制器将接收到的信息进行运算处理后，发出控制指 令，由控制阀组控制液压支架放煤口的打开或关闭。
[0019] 图3是本发明系统流程图，具体步骤包括： 1. 在相同条件（传感器类型、安装方式、工作面环境、光照等）下，分别采集已知煤样本 和已知岩样本的振动、声压、图像信号，并截取一定点数的数据进行时域特征分析、小波包 频带能量分析以及提取图像信号的灰度共生矩阵； 2. 计算基于振动信号、声压信号的时域特征分析和小波包频带能量分析的时域特征 指标和频带能量指标以及基于图像灰度共生矩阵的图像特征值，为了进一步提高识别准确 度，可以分别对已知煤样本和已知岩样本采集多组数据，运用相同的处理方法提取多个特 征值后求取平均值，最后将特征指标作为综放工作面液压支架顶煤放落过程中煤岩识别的 固定参数保留下来； 3. 在相同条件下采集真实工况下的综放工作面液压支架放顶过程中的未知煤岩样本 的振动、声压、图像信号，并通过与前面相同方法对数据进行分析处理从而得到该未知煤岩 样本的特征指标； 4. 根据特征值之间的关系进行数值匹配从而判别该未知样本为煤或者岩石，进而达到 综放工作面顶煤放落过程中煤岩识别的目的。
[0020] 图3是振动信号、声压信号的时域特征提取流程图，具体步骤包括： 1. 时域特征分析，对选取的振动和声压信号进行预处理以去除趋势项和粗大误差，之 后对其进行时域特征的分析； 2. 通过对振动和声压信号进行时域特征分析，得到不同工况下的综放液压支架后尾梁 振动和声压信号时域统计指标及指标的统计值； 3. 为了更加清晰地显示出不同工况下综放液压支架后尾梁振动和声压信号的时域统 计指标在统计值大小的差异性，因此选择比较不同工况下综放液压支架后尾梁振动和声压 信号时域指标统计倌的变化率，并通过以下公式对其讲行说明
【权利要求】
1. 一种煤矿井下综放工作面的煤岩性状识别方法与系统，用于控制放煤设备，实现放 顶煤的自动化和智能化； 其特征在于，包括：振动传感器、声压传感器、图像传感器、信号采集装置、高速处理器、 控制器、控制阀组，其中振动传感器、声压传感器安装在综放工作面液压支架后尾梁处，图 像传感器安装在综放工作面液压支架放煤口处； 所述的振动传感器、声压传感器分别拾取顶煤放落过程中煤或顶板岩石垮落时冲击液 压支架后尾梁时的振动信号、声压信号，将其转换为电信号，送入信号采集装置；信号采集 装置将输入的信号转换为数字信号送入高速处理器；高速处理器进行分析和处理后提取其 特征数据，与已知煤岩的特征数据库进行匹配，完成煤岩性状的识别，并将识别结果送入 控制器；控制器根据接收到的信息进行运算处理后，发出控制指令，通过控制阀组控制液压 支架放煤口的打开或关闭； 所述的图像传感器采集液压支架顶煤放落过程中煤和岩石的图像信号，并将采集到的 信号传送到高速处理器进行煤岩信号识别处理与特征提取，与已知煤岩的特征数据库进行 匹配，完成煤岩性状的识别，并将识别结果送入控制器；控制器将接收到的信息进行运算 处理后，发出控制指令，通过控制阀组控制液压支架放煤口的打开或关闭。
2. 根据权利要求1所述的煤矿井下综放工作面的煤岩性状识别方法与系统，其特征在 于，所述的高速处理器包括信号分析处理模块和特征匹配识别模块； 其中所述的信号分析处理模块用于对现场采集的未知煤岩性状的振动信号、声压信号 进行时域和小波包频带能量特征以及对现场采集的未知煤岩性状的图像信号进行灰度和 纹理特征的提取； 所述的特征匹配识别模块用于将信号分析处理模块得到的振动信号、声压信号、图像 信号特征指标与已知煤样本和已知岩样本的特征数据库进行匹配，得出现场采集的未知样 本为煤或者岩石。
3. 根据权利要求1所述的煤矿井下综放工作面的煤岩性状识别方法与系统，其特征在 于，所述的控制器接收和存放高速处理器发出的命令和参数，并对所接收的命令进行译码 发出控制命令。
4. 根据权利要求1所述的煤矿井下综放工作面的煤岩性状识别方法与系统，其特征在 于，所述的控制阀组根据控制器给出的指令，控制所属液压支架放煤口的打开或关闭。
【文档编号】E21F17/18GK104373153SQ201410490462
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】薛光辉, 柳二猛, 赵新赢, 胡保华, 丁伟健, 李一鸣, 焦亚博, 吉晓冬, 吴淼 申请人:中国矿业大学(北京)