[发明专利]一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合系统

说明书

本发明提供了一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合系统，通过在掘进设备上安装惯导装置、反射棱镜和测距传感器，利用全自动全站仪传导大地坐标实时标定反射棱镜，获取掘进设备精确的大地坐标定位数据、姿态数据和巷道截割数据；同时，构建基于统一大地坐标系的高精度三维动态地质和巷道设计综合模型，建立掘进设备和地质模型、巷道设计模型高度耦合的空间关系，通过数字孪生系统还原井下掘进现场环境；利用数据传输处理模块生成掘进设备的自适应规划截割模板，航向角、俯仰角纠偏模板，通过智能掘进远程管控系统指导掘进设备完成自适应规划截割和自动纠偏，为实现矿井的智能化掘进，提供了高度可行性、可靠性和实用化的解决方案。

技术领域

本申请实施例涉及矿山装备与煤矿智能化掘进技术领域，具体而言，涉及一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合系统。

背景技术

掘进工作是煤矿安全生产的一个重要环节，掘进工作是回采工作的紧前工作，其工作环境较回采更加恶劣，地质条件透明度更低，安全隐患的排查与治理更加困难。煤炭行业各重点煤炭企业积极响应国家号召，全面推动煤矿智能化建设，在掘进系统智能化建设方面做了大量有益工作，智能掘进系统也在减人、提效、增安及远程控制等方面取得了一定的成绩。但由于受掘进装备自动化、智能化与地质条件透明化研发实用水平，以及与物联网技术、导航定位技术、时态地理信息系统(TGIS)技术融合的限制，智能掘进领域仍存在以下问题：

(1)掘进设备在井下三维空间设计巷道中进行割煤或岩的进机或退机移动时，即使利用了导航定位技术，目前所监测到的掘进设备空间参数也仅是位姿参数和相对定位参数，没有很好地与大地坐标系统进行关联，不能监测到掘进设备移动过程中随时间变化的大地坐标数据，因此掘进设备在掘进过程中，不能将其纳入到与TGIS四维空间的地质模型和巷道设计模型融为一体的统一大地坐标系中。

(2)目前，巷道设计图纸或图形，虽然是依据煤矿最新地质资料设计出来的，但由于所用设计软件功能限制，基于统一的大地坐标系，与掘进巷道相关的三维地质和测量模型集成度不高，不能很好地依据探地层厚度数据、超前探测数据等新获取的地质信息及时动态更新和优化更接近实际的地质模型和巷道设计模型的综合模型。

(3)掘进设备在进机、退机移动过程中，由于没有与包含设计巷道信息和地质信息的综合模型进行关联，因而无法依据煤层在设计巷道空间上的形态变化，进行掘进设备空间姿态调整及循环截割的断面轮廓约束。因此，目前不少智能掘进工作面掘进时，经常出现时而破底板，时而丢底煤现象，对掘进设备截割时俯仰角控制缺乏依据，现有的无人掘进方式的自适应性和实用性都受到较大影响。

综上所述，掘进设备作为掘进工作面的核心掘进工具，其掘进依据是设计巷道+一定范围内的地质环境综合模型，只有在严格遵循掘进依据的前提下，掘进设备作用于煤层或岩层的掘进对象中，才能加工生产出合格的巷道工程产品，满足煤矿采掘衔接平衡和回采安全、高效的智能化建设要求。如果不能实现掘进设备与综合模型之间随时间推延在空间变化上进行高度耦合，则难以实现掘进设备依据可动态更新优化的综合模型，自适应截割掘进，自主定位导航、自动位姿纠偏的智能掘进工作面建设目标。另外，综合模型动态更新优化的及时性和准确性，决定着掘进设备截割、纠偏、导航的可靠性和系统方法的适应性和实用性。

发明内容

本申请实施例在于提供一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合系统，旨在解决掘进设备与综合模型之间随时间推延在空间变化上不能耦合，掘进设备数据的动态更新及时性和准确性低，无法实现矿井的智能化掘进的问题。

本申请实施例第一方面提供一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合系统，包括：

通过网络设备实现通信的掘进设备监测监控模块、数据存储处理模块和智能掘进管控平台模块，其中：

掘进设备监测监控模块包括掘进设备、惯导装置、反射棱镜、全自动全站仪、测距传感器、信息传输设备、规划截割模块和姿态调控模块；