大柳塔煤矿迟国铭矿长：基于全景视频拼接的自适应截割智能化工作面无人开采技术及应用

 神东煤炭集团是国家能源集团的主要煤炭生产企业，地处蒙、陕、晋3省区能源富集区，负责国家能源集团在神府东胜煤田主要矿井生产运营。大柳塔煤矿是国能神东煤炭集团有限责任公司下属的一座特大型现代化矿井，地处陕西省神木市大柳塔试验区境内。大柳塔煤矿22上303综采工作面采高1.9m，与大釆高工作面相比，工作面作业空间狭小，人员行走困难，劳动强度较大，长期以往会造成人员腰肌劳损、风湿性关节炎等，对作业人员的身体健康带来较大隐患。因此，智能化综采工作面建设具有重大意义。大柳塔煤矿秉承数据驱动、数字采矿的理念，基于沉浸式数字孪生、全景视频拼接、自适应规划截割等智能化无人开采技术，利用高带宽工业以太环网及矿井5G通信互为冗余的通信网络进行高速数据传输，建成1套集采集、感知、分析、自主学习、规划、控制、干预的一体化智能工作面集控系统。该系统布置音视频、数据、Web、应用四大服务，集中融合十六大子系统，采用20项先进技术，构建了智能化工作面无人化采煤＋地面远程干预的高效智能化生产模式。

 

文章来源：《智能矿山》2024年第3期重大进展特刊

作者简介：迟国铭，正高级工程师，主要从事煤矿安全生产技术及装备智能化相关研究，现任国能神东煤炭集团大柳塔煤矿党委书记、矿长兼大柳塔井矿长

作者单位：国能神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿

引用格式：迟国铭，郑铁华，刘孝军，等.基于全景视频拼接的自适应截割智能化工作面无人开采技术及应用[J].智能矿山，2024，5（3）：59-63.

 

关键技术突破与创新

 

首创“2+2+1”的开采模式

 

大柳塔煤矿开创了井下2人巡视，地面2人远控，跟班1人的开采模式，主要通过实施建立一体化地面分控中心、搭建全方位沉浸式监控系统、布置大宽带5G通信网络、创新性研究采煤机位置精准定位技术、综采工作面人员接近闭锁技术、搭载矿鸿系统的2类巡检机器人等先进技术，实现采煤机、液压支架、“三机”、泵站等设备的可视化远程控制。

 

模拟人体7大器官的物理架构模式

 

综采工作面智能化建设是一个复杂的系统工程，如同人体的7大器官，各自发挥不同的作用，且相互配合完成复杂、多变的割煤工艺，实现智能化无人采煤。

（1）透明地质协同数字孪生

用以实现无人开采的“人体CT”。透明地质保障、工作面数字孪生及三维惯导、巡检机器人三大系统实现了对综采工作面现场的实景还原。

（2）5G＋万兆环网高速通道

打通无人开采的“传输脉络”。5G网络实现应用后，通信延时可控制在5~10ms。

（3）智能采护工艺＋自适应截割

搭建无人开采的“心脏”。依托三维地质模型，协同网络版液压支架电液控制系统，共同打造工作面自适应、可编程一体化控制工艺。

（4）全景视频拼接及视频跟机识别

移植无人开采的“眼睛”。工作面每隔1台液压支架安装1台拼接摄像仪，突破了视频动态拼接算法等9项行业难题，将工作面拼接成一幅“全景画卷”。

（5）集群协同控制系统

强健无人开采的“筋骨”。笔者以采护工艺为核心，集中研发两端头自移设备及采运负荷联动的集群协同控制系统，实现了工作面整体智能化协同控制。

（6）远程集控系统

打造无人开采的“智慧大脑”。实现对综采工作面供电系统、供液系统、运输系统及采护设备的远程集中控制。

（7）人员定位＋接近保护一体化

构建无人开采的“免疫系统”。工作面采用UWB超宽带波作为无线信号源，精准度可达0.2m，人员进入危险区域，液压支架、“三机”立即闭锁急停，闭锁响应执行时间不超过50ms。

 

难题攻克与解决方案

 

在透明矿井的智能化无人开采模式总体方案的指导下，大柳塔煤矿22上303工作面进行了大量的创新实践，取得了多项创新成果，其中首创基于全景视频拼接的自适用截割技术，基于智能编程的工作面直线度控制技术，基于网络版电液控制系统的工作面自移设备协同控制技术均处于行业先进水平。

 

图1 全景沉浸式视频监控系统效果

 

首创基于全景视频拼接的自适用截割技术

 

传统视频跟机功能可保证实时观察采煤机的截割情况，但其局限性则在于将视角与采煤机绑定，无法观测到工作面的全貌，无法判断采煤机割煤之后液压支架的支护情况、刮板输送机的平直情况以及设备的运行情况，导致远程干预割煤工程质量因视线问题时好时坏，无法常态化运用。综采工作面全景沉浸式视频拼接系统研究了动态环境下视频实时拼接技术、自清洁技术以及视频质量增强技术，较好地解决了上述问题。

动态环境下视频实时拼接技术解决了短物距、重复纹理、大视差区域特征点匹配（AI）、重叠区域大视差融合算法、低时延多路视频拼接、相机相对位置变化场景下的拼接算法；自清洁技术通过对视窗玻璃的表面处理（材料创新）和整机结构优化（机械设计），实现摄像头在高粉尘浓度使用过程中智能自清洁，保证摄像头在工作面采煤过程中有更好的成像质量；视频质量增强技术通过改进传感器硬件、图像底层处理算法调优，以获得更佳的视频图像画质。

通过AI技术与应用场景的深度融合，实现工作面全景视频拼接，为远程操控人员提供以下3种便利：

（1）整体看得全

实现工作面全景可视，远程控制采煤机司机可一次性看全工作面全貌，整体掌握工作面起伏和采场情况。

（2）细节看得清

摄像机动态跟踪采煤机前后滚筒，结合采煤机俯仰角传感器数据，参考割煤基准线，对滚筒抬卧刀进行有效干预，采煤机转矩轴断轴数量减少57%。

（3）异常看得准

实时感知工作面人员违章、大块煤识别、煤壁片帮等异常情况，并自动触发报警提醒。该系统累计捕捉工作面人员违章21次，并及时提醒，全队再未发生人员受伤的情况。

通过对视频拼接技术的应用，取得了以下效果：

（1）通过远程精准干预煤机动作，得到修正截割曲线，并与三维地质模型进行深度融合，自动计算截割滚筒抬刀量、挖底量，形成采煤机最佳截割曲线，下发给采煤机控制系统，指导采煤机自适应截割，修正精度达96.7%。

（2）将工作面巡视人员转移至地面，实现工作面无人化开采。自动化率整体提升12.1%，干预率降低18.5%。

 

基于智能编程的工作面直线度控制技术

 

（1）工作面直线度控制

传统自适应截割工艺数据来源于结合一定算法的历史X刀采高＋挖底数据＋人工实地写实（无法有效得到底板数据），进而修正数据曲线，并未真正达到自适应。笔者团队从“自适应”出发，提出三维透明地质＋双惯导模式替代人工实地写实，实现“自适应”截割。机载惯导采集上1刀数据（底板起伏＋推移刮板输送机直线度）进行运算、下发、存储；三维惯导一体化机器人运行在刮板输送机轨道上，验证当前刀找直效果，并采集当前刀数据（底板起伏＋推移刮板输送机直线度＋顶板扫描＋煤壁扫描）进行运算、存储。通过二次滤波，计算出每台液压支架下1刀拉架的理论数据进行下发。当自动拉架执行不到位时，可通过远程干预进行调整，液压支架干预率降低3.2%。

（2）两端头直线度控制

由于巷道起伏大，两端头与巷道的自动推移刮板输送机会因过渡不平，阻力增大而滞后，每月都会发生4~5次因过渡段折死弯损坏哑铃销或出现刮板输送机错茬事故，而且采煤机在两端头割三角煤时，人工干预率最高。

因此，当采煤机向机尾割煤至第23架时，触发机头1~6号架成组推移刮板输送机动作，推到位动作时间为38s，在命令执行到第11s时，开始触发7~20号架成组推移刮板输送机动作，保证两端头刮板输送机平缓过渡。工艺改进后过渡段再未发生断哑铃销和错茬事故，煤机在两端头割三角煤时干预率降低7.9%。

（3）工作面调斜控制

基于机载惯导及三维惯导机器人直线度保障的控制逻辑如图2所示。众所周知，采煤机本刀跑过的路径为上一刀（N－1）推移刮板输送机后路径，所以机载惯导给出的调直曲线中间隔了本刀（N）推移刮板输送机动作，从趋势上判断滞后一刀；机器人惯导通过程序设置跑在本刀推移刮板输送机之后可以得到本刀（N）推移刮板输送机后路径；调取机器人当前刀（N）、机载惯导前一刀（N－1）横向刮板输送机直线度数据结合内插，二次滤波算法计算每个液压支架下一刀（N＋1）拉架数据。

 

图2　基于机载惯导及三维惯导机器人直线度保障的控制逻辑

 

笔者团队在综采工作面两端头安装了矿用本安型毫米波雷达测距传感器，精度毫米级，实时上传至电液控系统，当安全出口小于0.8m时，自动推送报警信息，并上传至集控中心，集控中心统一指挥，将存储好加甩刀模型下同时发给采煤机和液压支架，液压支架按照下发的调斜工艺触发液压支架跟机移架及推移刮板输送机动作，煤机按照调斜工艺进行斜切进刀，达到了协同作业、动态调斜目的。

对测量结果大于2m，如两端头遇到联络巷的特殊情况，集控中心将统一算法，进行减法运算，减去巷道深度，以此作为最终的测量结果。为对调斜过程进行远程监管，在两端头加装了云台摄像仪，实时监视端头支架的调斜动作，达不到理想的调斜效果时，及时进行远程干预，保障了自动化调斜的持续常态化运行，解决了刮板输送机“上窜下移”问题，支架人工干预率降低2.6%。

 

基于网络版电液控系统的工作面自移设备协同控制技术

 

笔者团队从采护（采煤机＋液压支架）一体角度出发，建立了1套一体化远程工艺自编程平台。远程集控平台依据统一网关数据，针对井下不同工况结合采护一体匹配关系，设备配置成多种采煤工艺（全向三角煤、加甩刀等），通过地面主控平台工艺动画模拟仿真，确认工艺适配性，工艺确认后进行存储，井下工况需要随时调用下发，实现采护协同工艺远程可视一体化。

 

图3　基于智能编程的工作面直线度控制工艺

 

（1）工作面机头自移设备协同控制

在采煤机割三角煤时，当端头支架推移刮板输送机动作完成后，采煤机向机头方向割煤至12架时，服务器第1次触发推移马蒂尔指令；当煤机割完机头三角煤向机尾方向割煤至23架时，服务器第2次触发推移马蒂尔指令。收到马蒂尔指令后将按照设定时间完成自移，实现刮板输送机、转载机、自移机尾和液压支架协同作业，彻底取消马蒂尔司机。

（2）工作面机尾与超前支架协同控制

采煤机在机尾割三角煤时，液压支架推移机尾后，网络版电液控系统触发巷道3台超前支架依次完成自动移架动作，实现机尾超前自动移架，取消超前支护工作。

（3）自移式落地防倾倒缆车组协同控制

基于“矿鸿”远程控制系统的综釆落地防倾倒缆车组，实现井下综釆工作面巷道电缆、液管吊挂与移动的专用装置。该缆车组通过托缆架、逆止器、防倒装置进行协同作业，成功使综采工作面巷道缆车组实现落地推拉，同时配置采用电液控系统接入中央控制单元，可通过远程控制终端一键操作缆车自移、高低调节等功能，大幅降低工人劳动强度。

 

应用效果

 

（1）减人：井下单班生产人数由7人减少至2人，减幅达72%；全队人数由68人减为53人，减幅达22%，全年减少用工成本675万元。

（2）提效：建设完成后，每班割煤刀数由原来的4刀，增加至现在的5刀，设备开机率提高15.3%，直接工效提高50%，完全成本降低16.8%。

（3）增安：自从智能化建设以来10余年无人身伤害事故，职业病发病率为零，实现矿井综采工作面“无人则安”的终极目标。 

 

来源：智能矿山杂志