改進的開采機和控制方法與流程

本發(fā)明涉及開采機(mining machine)和可以控制開采機跨含有待開采產(chǎn)品的礦層移動的方法。

背景技術：

在煤的開采中，已經(jīng)開發(fā)稱為長壁開采的處理。在這些處理中，其它部件當中，可移動軌道被放置為跨越煤礦層。開采機設置有至少一個挖礦頭(shearing head)，并且開采機被移動以從礦層的一側到另一側沿著軌道橫切，并且向上向下操縱挖礦頭，以從礦層的面挖煤。貫穿每次通過，在開采機的路徑后面朝礦層向前移動軌道。然后，為了重復挖礦過程，使得開采機沿相反方向在礦層上橫切。在該返回橫切期間，若需要，則還可以向上向下操縱挖礦頭，以從礦層進一步移除煤。重復該過程，直到完成所計劃的回采盤區(qū)中的所有煤為止。

由此，通過在各次通過之后使軌道朝礦層向前前進適當距離，可以隨著各次通過以近似相等的截割深度漸進地移動到礦層中。

在實踐中，由于使軌道移動的機動頂部支撐件前進系統(tǒng)的滑移而隨著各次隨后通過而逐漸產(chǎn)生不準確性，這導致截割深度在礦層面上變化。這反過來導致產(chǎn)品產(chǎn)量降低以及對軌道和機動頂部支撐件前進系統(tǒng)的不必要的機械負荷和應力。這種誤差在很大程度上可歸于機動頂部支撐件前進系統(tǒng)使軌道在各次通過時向前移動設置的增加量。由此，由于機動頂部支撐件前進系統(tǒng)的滑移，在機器的多次通過之后積累不準確性。期望的是，希望軌道沿直線延伸，但是由于滑移，軌道被漸進地移動成導致軌道最后具有曲線或蛇形路徑。這反過來在嘗試使軌道復位以校正這些所積累的不準確性時導致停工時間。

US6857705通過使用2D坐標確定定位裝置來隨著開采機在煤礦層的面上橫切移動而在多個位置處確定開采機的絕對位置來解決該問題。雖然該方法解決了由于機動頂部支撐件前進系統(tǒng)的滑移而產(chǎn)生的積累不準確性的問題，但在隨著開采機在煤礦層上橫切移動而控制開采機的對齊方面仍然存在進一步改進的余地。

技術實現(xiàn)要素：

在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種用于貫穿挖礦循環(huán)控制開采機的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

A.開采機，該開采機包括：

(i)挖礦頭，該挖礦頭安裝在可移動車架上，所述挖礦頭用于隨著所述可移動車架在穿過礦層從一側到另一側延伸的軌道上跨所述礦層的開采面從一側到另一側橫切移動而從礦層開采產(chǎn)品；

(ii)軌道致動器，該軌道致動器用于使軌道朝所述礦層移動；

(iii)挖礦機機頭(shearer head)致動器，該挖礦機機頭致動器用于使挖礦機機頭朝礦層邊界移動；

(iv)至少2D坐標位置確定裝置，該至少2D坐標位置確定裝置用于在沿著軌道的多個位置中的每個位置處確定開采機和/或軌道的空間中的絕對坐標位置，所述位置確定裝置從位置確定裝置提供當前絕對坐標位置輸出數(shù)據(jù)信號；

(v)處理器，該處理器被連接以接收輸出數(shù)據(jù)信號并產(chǎn)生進一步信號，該進一步信號用于：

a.啟動所述軌道致動器，以從而基于所確定的開采機或軌道的該部分與期望坐標位置不同的當前絕對坐標位置，朝所述礦層將所述軌道移位或嘗試移位一段距離，以取得預期截割曲線的坐標位置；和/或

b.啟動所述挖礦機機頭致動器，以基于所確定的開采機或軌道裝置與期望坐標位置不同的當前絕對坐標位置朝所述礦層邊界將所述挖礦機機頭移位或嘗試移位一段距離，以取得預期截割曲線的坐標位置。

所述處理器在沿著軌道的長度的不同位置處通過致動器中的至少一個致動器來操作，所以所述挖礦頭將截割或嘗試截割到預期截割曲線。

B.至少一個坐標基準點，該至少一個坐標基準點各提供至少2D坐標位置，各基準點設置在主采區(qū)順槽(gateroad)和/或尾采區(qū)順槽處；

其中，處理器被連接以接收與至少一個坐標基準點相關的數(shù)據(jù)。

開采機或軌道致動器優(yōu)選地朝所述礦層在大致水平面內(nèi)將所述開采機或軌道移位或嘗試移位一段距離。回采裝置(例如，挖礦機機頭)致動器優(yōu)選地在大致豎直平面內(nèi)將所述回采裝置(例如，挖礦機機頭)移位或嘗試移位一段距離。

本發(fā)明使得開采機和回采裝置能夠被更準確地定位并關于它相對于待開采礦層的位置具有更大的確定性。

基準點中的至少一個優(yōu)選地為絕對坐標基準點(或主基準點)。

本發(fā)明的系統(tǒng)能夠減少位置確定裝置中逐步形成的誤差的積累，并使得能夠通過提供更準確的預期截割曲線來建立更準確測量得的截割曲線。此外，可以在礦層模型中更好地對齊預期截割曲線，使得開采機可以基于回采裝置(例如，挖礦機機頭)對煤礦層以及周圍環(huán)境的特征而言處于哪里的更好理解來優(yōu)化操作設置。

為了提高預期截割曲線的準確性，可以校正位置確定裝置的輸入或輸出。在一個實施方式中，來自所述位置確定裝置的絕對坐標位置輸出信號參照一個或更多個主基準點來校正。在另選實施方式中，所述確定裝置的絕對坐標位置參照至少一個絕對坐標主基準點來校正。

至少2D坐標位置確定裝置可以位于允許確定開采機、可移動車架和/或軌道位置的任意適當?shù)奈恢弥小Ｖ辽?D坐標位置確定裝置優(yōu)選地由開采機、可移動車架和/或軌道來承載。至少2D坐標位置確定裝置優(yōu)選地為3D坐標位置確定裝置。

優(yōu)選的是，使用至少一個絕對坐標主基準點來對照一個或更多個基準點校正預期截割曲線?；鶞庶c優(yōu)選地為優(yōu)選地沿著主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽延伸的多個當前絕對坐標位置。

至少一個回采裝置/挖礦頭優(yōu)選地包括旋轉截割裝置。

開采機

開采機可以包括長壁采礦機(miner)(包括所關聯(lián)的軌道、頂部支撐件、驅動器、輸送機、分段裝載機以及破碎機)、連續(xù)采礦機、掘進機、梭車、柔性輸送機列車(flexible conveyor train)、刨礦機或具有從礦層移除材料的回采裝置的任意其他機器設備。

預期截割曲線

預期截割曲線包括可以分別以(x,y)和(x,z)平面內(nèi)的3D笛卡爾坐標表示的水平平面和豎直平面。優(yōu)選的是，水平平面內(nèi)的預期截割曲線為直線，這使得能夠實現(xiàn)采煤增加(例如，對于長壁開采，可移動車架沿主采區(qū)順槽與尾采區(qū)順槽之間的直線行進)。然而，將理解，在一些實施方式中，根據(jù)礦層構造而優(yōu)選非線性預期截割曲線。因為開采機或軌道致動器可能無法在單個循環(huán)內(nèi)將實際曲線有效地校正為直線曲線，所以預期截割曲線可以為實際截割曲線與直線之間的中間物。在豎直平面內(nèi)，預期截割曲線可以是直的，或者可以跟隨煤礦層的頂部和/或底部邊界。標識礦層邊界的傳感器輸出優(yōu)選地輸入到礦層模型中，以使得處理器能夠產(chǎn)生用于挖礦頭致動器在所標識的礦層邊界內(nèi)控制挖礦頭的信號。這確保在回采裝置(例如，挖礦頭)不越過目標煤礦層外部的情況下提高采煤效率。預期截割曲線還可以參照由連續(xù)采礦機和掘進機進行的巷道開拓來使用。

內(nèi)插和外推

優(yōu)選的是，至少一個基準點用于在目標礦層的一端或兩端處(即，在目標礦層的主采區(qū)順槽端或尾采區(qū)順槽端處)校正預期截割曲線。預期截割曲線的中間位置優(yōu)選地借助內(nèi)插或外推來確定。更優(yōu)選的是，使用一個或更多個絕對坐標主基準點來在目標礦層的各端處直接校正預期截割曲線，并且借助外推來間接校正預期截割曲線的中間位置。

可以使用線性內(nèi)插或外推，或者可以如本領域技術人員所知的采用較復雜的分析技術。

輔基準點

系統(tǒng)優(yōu)選地包括一個或更多個輔基準點。輔基準點為通過參照主基準點而產(chǎn)生的基準點。輔基準點可以包括由開采機、軌道或頂部支撐件系統(tǒng)上的一個或更多個傳感器檢測的截割礦層面的標識特征。例如，與位置確定裝置組合的紅外檢測器提供到處理器中的輸入，以產(chǎn)生形成礦層模型的一部分的特征熱圖像。然后，借助拖曳挖礦機機頭產(chǎn)生的熱圖像符合下一截割循環(huán)中借助引導挖礦機機頭產(chǎn)生的熱圖像。兩個熱圖像之間的任意空間匹配誤差以及它們的絕對坐標位置可以在軌道移動控制和/或回采裝置(例如，挖礦機機頭)移動控制中用作到校正算法中的輸入。

輔基準點可以在主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽和/或礦截割面處(即，沿著所測量的截割曲線)產(chǎn)生。

預期截割曲線的校正優(yōu)選地引起對軌道移動致動器和/或回采裝置(例如，挖礦機機頭)致動器的調整。

在一個實施方式中，一個或更多個絕對坐標主基準點的校正包括反饋和前饋校正這兩者。反饋校正優(yōu)選地從一個或更多個基準點(主和/或輔)導出，并且前饋校正優(yōu)選地從多個截割循環(huán)期間校正的趨勢導出。前饋校正為依賴于時間的因素(諸如位置確定裝置中的蠕變或系統(tǒng)誤差漂移)提供校正補償。前饋校正的使用克服僅依賴內(nèi)插或外推技術校正截割曲線內(nèi)的中間點(intermediate point)時的缺陷。

校正還可以包括從所測量的沿著采區(qū)順槽探測距離的主基準點之間的距離變化導出的輸入。任一個截割循環(huán)中所測量的初始探測值的變化或一系列循環(huán)期間的所述變化的趨勢可以分別用作到反饋和前饋校正中的輸入。

與至少一個基準點相關的數(shù)據(jù)優(yōu)選地為已知的基準點的絕對空間坐標(即，主基準點)或從主基準點導出的空間坐標(例如，輔基準點)。通過確定開采機與一個或更多個基準點的相對位置，處理器能夠比較通過使用至少一個基準點確定的開采機空間位置并比較由位置確定裝置確定的空間位置。

在優(yōu)選實施方式中，使用激光測距傳感器來確定開采機與一個或更多個基準點的相對位置。但本領域技術人員將理解，其他適當?shù)难b置也可以用于從主基準點中的一個或更多個收集數(shù)據(jù)，以輸入到處理器中。在另選實施方式中，基準點與開采機的相對位置的確定借助截割模型的了解(例如，每一回采循環(huán)所估計的軌道前進)來估算。基準點可以經(jīng)由至少2D坐標位置確定裝置來確定，或者可以獨立地探測基準點。源于不同方法的兩個空間位置之間的差異性可以用于校正開采機的預期截割曲線。這通常在開采機完成跨開采礦層橫切移動時(即，在主采區(qū)順槽或尾采區(qū)順槽處)執(zhí)行。此時，處理裝置在沿著校正后的路徑跨開采面返回之前計算預期截割曲線(長壁開采實施方式)。優(yōu)選地在各循環(huán)期間(即，在同一采區(qū)順槽處)或半循環(huán)期間(即，在各相對采區(qū)順槽處)重復該方法。

數(shù)據(jù)優(yōu)選地為主基準點的2D或3D空間位置。主基準點還可以包括使得能夠附著其他信息的標識件(諸如射頻標識(RFID)標簽)。另選地，主基準點可以為可以與激光測距傳感器組合使用的反光標識件(例如，附著到采區(qū)順槽壁的反光盤或反光板)。在使用反光標識件的實施方式中，所探測的坐標優(yōu)選地在所探測的坐標內(nèi)的開采活動開始之前(例如，在完成探測之后且在開始開采活動之前)輸入到處理器中。

常規(guī)激光測距傳感器具有與防止常規(guī)激光測距傳感器有效用于地下煤礦的安全要求有關的缺點。優(yōu)選的是，本發(fā)明中所用的激光測距傳感器遵循國際標準IEC60079-0、IEC 60079-1、美國標準：ANSI/UL 1203:2006、英國標準BS EN 60079-1:2007以及澳大利亞標準AS60079.1:2007中的一個或更多個。

優(yōu)選的是，系統(tǒng)還包括全部由可移動車架和軌道裝置中的一個承載的、收集饋送到礦層模型中的礦層數(shù)據(jù)的一個或更多個傳感器。

將理解，根據(jù)本發(fā)明的其他方面的用于控制開采機的系統(tǒng)的可選特征在適當情況下對于根據(jù)第一方面的系統(tǒng)也是可選的。

在本發(fā)明的第二方面中，提供了一種用于控制如之前所定義的開采機的方法，該方法包括以下步驟：

A.穿過礦層的開采面橫切移動開采機；

B.根據(jù)至少一個坐標基準點向處理器提供至少2D坐標位置，各基準點設置在主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽處；以及

C.參照至少一個坐標基準點校正來自所述位置確定裝置的當前絕對坐標位置輸出信號；或者參照至少一個坐標基準點校正當前絕對坐標位置。

優(yōu)選的是，在開采機完成穿過礦層的開采面的橫切移動時，處理器根據(jù)至少一個坐標基準點被提供至少2D坐標位置。

在本發(fā)明的第三方面中，提供了一種用于控制開采機的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

(i)至少2D坐標位置確定裝置，該至少2D坐標位置確定裝置用于確定在以下項的空間中的絕對坐標位置：

所述開采機；和/或

軌道，所述開采機的回采裝置沿著該軌道穿過礦層的開采面從一側到另一側橫切移動，

所述絕對坐標位置沿著礦層的開采面在所述開采機和/或所述軌道的多個位置中的每個位置處確定；

(ii)至少一個坐標基準點，該至少一個坐標基準點各提供至少2D坐標位置；以及

(iii)處理器，該處理器被連接以接收與以下各項相關的數(shù)據(jù)：所確定的所述開采機和/或軌道的絕對坐標位置；以及所述至少一個坐標基準點，

其中，參照所述至少一個坐標基準點來校正與所確定的所述開采機和/或所述軌道的所述絕對坐標位置相關的數(shù)據(jù)，并且其中，所述處理器被連接以產(chǎn)生進一步信號，該進一步信號用于：

a.啟動開采機或軌道致動器，該開采機或軌道致動器用于使所述開采機或軌道朝所述礦層移動，以從而基于所述校正后的所述開采機或軌道的絕對坐標位置朝所述礦層將所述開采機或軌道移位或嘗試移位一段距離，以取得預期截割曲線的坐標位置；和/或

b.啟動回采裝置致動器，該回采裝置致動器用于使所述回采裝置朝礦層邊界移動，以基于所述校正后的所述開采機或軌道的絕對坐標位置朝所述礦層邊界將所述回采裝置移位或嘗試移位一段距離，以取得預期截割曲線的坐標位置，

所述處理器通過致動器中的至少一個致動器來操作，因而所述回采裝置將截割或嘗試截割到所述預期截割曲線。

優(yōu)選的是，各基準點設置在主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽處。

優(yōu)選的是，絕對坐標位置在沿著軌道(即，沿著礦層的開采面)的多個位置中的每個位置處確定。

在一個實施方式中，所述至少一個基準點包括一個或更多個主基準點。另外地或另選地，至少一個基準點包括一個或更多個輔基準點。

優(yōu)選的是，所述至少一個坐標基準點用于校正所述預期截割曲線。

優(yōu)選的是，至少一個基準點用于在目標礦層的一端或兩端處(即，在目標礦層的主尾采區(qū)順槽端處或尾采區(qū)順槽端處)校正預期截割曲線。預期截割曲線的中間位置優(yōu)選地借助內(nèi)插和外推來確定。更優(yōu)選的是，一個或更多個絕對坐標基準點用于在目標礦層的各端處直接校正預期截割曲線，并且借助外推來間接地校正預期截割曲線的中間位置。

可以使用線性內(nèi)插和外推，或者可以如本領域技術人員所知的采用較復雜的分析技術。

優(yōu)選的是，所確定的所述開采機和/或所述軌道的所述絕對坐標位置參照至少兩個坐標基準點來校正。

在一些實施方式中，所確定的所述開采機和/或所述軌道的所述絕對坐標位置可以參照沿著所述主采區(qū)順槽定位的至少一個坐標基準點和沿著所述尾采區(qū)順槽定位的至少一個坐標基準點來校正。優(yōu)選的是，所確定的所述開采機和/或所述軌道的所述絕對坐標位置可以參照沿著主采區(qū)順槽定位的至少兩個坐標基準點和沿著尾采區(qū)順槽定位的至少兩個坐標基準點來校正。

在一個實施方式中，所確定的所述開采機和/或所述軌道的所述絕對坐標位置的校正包括反饋和前饋控制機制這兩者。反饋校正優(yōu)選地從一個或更多個基準點(主和/或輔)導出，并且前饋校正優(yōu)選地從多個截割循環(huán)期間校正的趨勢導出。前饋控制機制可以從至少一個當前坐標位置與多個截割循環(huán)期間參照所述至少一個坐標基準點而進行的當前坐標位置的校正之間的比較。前饋校正為依賴于時間的因素(諸如位置確定裝置中的蠕變或系統(tǒng)誤差漂移)提供校正補償。前饋校正的使用克服僅依賴內(nèi)插或外推技術校正截割曲線內(nèi)的中間點時的缺陷。

優(yōu)選的是，在開采機完成穿過礦層的開采面的橫切移動時，與由位置確定裝置確定的絕對坐標位置相關的數(shù)據(jù)被校正。

在實施方式中，使用激光測距傳感器來確定開采機、回采裝置、可移動車架和/或軌道與至少一個基準點的相對位置。但本領域技術人員將理解，其他適當?shù)难b置也可以用于從至少一個基準點中的一個或更多個收集數(shù)據(jù)，以輸入到處理器中。

至少一個坐標基準點可以包括使得能夠附著其他信息的標識件(諸如射頻標識(RFID)標簽)。另選地，基準點可以為可以與激光測距傳感器組合使用的反光標識件(例如，附著到采區(qū)順槽壁的反光盤或反光板)。在使用反光標識件的實施方式中，所探測的坐標優(yōu)選地在所探測的坐標內(nèi)的開采活動開始之前(例如，在完成探測之后且在開始開采活動之前)輸入到處理器中。

優(yōu)選的是，所述至少一個基準點為3D坐標位置。

該開采機或該軌道致動器優(yōu)選地朝所述礦層在大致水平面內(nèi)將所述開采機或軌道移位或嘗試移位一段距離。回采裝置致動器優(yōu)選地在大致豎直平面內(nèi)將所述回采裝置移位或嘗試移位一段距離。

系統(tǒng)還可以包括用于收集饋送到礦層模型中的礦層數(shù)據(jù)的一個或更多個傳感器。一個或更多個傳感器可用于產(chǎn)生輔基準點。輔基準點可以借助從一個或更多個傳感器以及至少2D坐標位置確定裝置檢測的標識特征來產(chǎn)生。所述一個或更多個傳感器可以從由紅外光譜儀、探地雷達、伽馬射線發(fā)射檢測器以及測距傳感器組成的組選擇。

至少一個坐標基準點還可以用于對齊截割模型與礦層模型。

所述開采機優(yōu)選地為長壁采礦機、連續(xù)采礦機或巷道掘進機。所述回采裝置優(yōu)選地為挖礦機機頭或截割滾筒。

所述處理器優(yōu)選地在沿著所述軌道或開采面的不同位置處通過致動器中的至少一個致動器來操作。

將理解，根據(jù)本發(fā)明的其他方面的用于控制開采機的系統(tǒng)的可選特征在適當情況下對于根據(jù)第三方面的系統(tǒng)也是可選的。

在本發(fā)明的第四方面中，提供了一種用于使用根據(jù)第三方面的系統(tǒng)來控制開采機的處理，該處理包括以下步驟：

A.使所述開采機穿過礦層的開采面橫切移動；

B.向所述處理器提供與至少一個坐標基準點相關的數(shù)據(jù)，該至少一個坐標基準點各提供至少2D坐標位置；以及

C.參照所述至少一個坐標基準點來校正與由位置確定裝置確定的絕對坐標位置相關的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的是，各基準點設置在主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽處。

優(yōu)選的是，在開采機完成穿過礦層的開采面的橫切移動時，與由位置確定裝置確定的絕對坐標位置相關的數(shù)據(jù)被校正。

在本發(fā)明的第五方面中，提供了一種用于控制開采機的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

(i)至少2D坐標位置確定裝置，該至少2D坐標位置確定裝置用于確定在以下項的空間中的絕對坐標位置：

所述開采機；和/或

軌道，所述開采機的回采裝置沿著該軌道穿過礦層的開采面從一側到另一側橫切移動，

所述絕對坐標位置在所述開采機和/或所述軌道沿著礦層的開采面的多個位置中的每個位置處確定；

(ii)至少一個坐標基準點，該至少一個坐標基準點各提供至少2D坐標位置；

(iii)一個或更多個傳感器，該一個或更多個傳感器用于收集礦層數(shù)據(jù)，其中，至少一個輔基準點借助從與至少2D坐標位置確定裝置組合的一個或更多個傳感器檢測的標識特征并參照至少一個坐標基準點來產(chǎn)生；以及

(iv)處理器，該處理器被連接以接收與以下項相關的數(shù)據(jù)：所確定的所述開采機和/或軌道的絕對坐標位置、至少一個坐標基準點以及至少一個輔基準點，

其中，與所確定的所述開采機和/或軌道的所述絕對坐標位置相關的數(shù)據(jù)參照所述至少一個輔基準點來校正，并且其中，所述處理器被連接以產(chǎn)生進一步信號，該進一步信號用于：

a.啟動開采機或軌道致動器，該開采機或軌道致動器用于使所述開采機或軌道朝所述礦層移動，以從而基于所述校正后的所述開采機或軌道的絕對坐標位置朝所述礦層將所述開采機或軌道移位或嘗試移位一段距離，以取得預期截割曲線的坐標位置；和/或

b.啟動回采裝置致動器，該回采裝置致動器用于使所述回采裝置朝礦層邊界移動，以基于所述校正后的所述開采機或軌道的絕對坐標位置朝所述礦層邊界將所述回采裝置移位或嘗試移位一段距離，以取得預期截割曲線的坐標位置，

所述處理器通過致動器中的至少一個致動器來操作，因此所述回采裝置將截割或嘗試截割到所述預期截割曲線。

優(yōu)選的是，絕對坐標位置在沿著軌道(即，沿著礦層的開采面)的多個位置中的每個位置處確定。

處理器優(yōu)選地在沿著所述軌道或開采面的不同位置處通過致動器中的至少一個致動器來操作。

輔基準點借助礦層內(nèi)的標識特征的產(chǎn)生為開采機校準更多頻率提供可能性，由此，減小來自沒有校準的作業(yè)延長期的空間定位誤差。

優(yōu)選的是，各基準點設置在主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽處。

在一個實施方式中，隨著開采機(諸如軌道上的長壁采礦機)沿著礦層橫切移動，貫穿挖礦/截割循環(huán)控制開采機。在另選實施方式中，在開拓巷道(包括主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽的建設)時控制開采機。

回采裝置可以為從礦層回采材料的任意適當裝置，包括挖礦機機頭或截割滾筒。

標識特征優(yōu)選地為標志帶的一部分。該標志帶為可以產(chǎn)生區(qū)別地質組成或結構(諸如不同的煤素質)的區(qū)別材料層。

另選地，標識特征可以為地質斷層。這可以借助礦層中的不連續(xù)性來標識。

標識特征優(yōu)選地包括幾何上隔開的多個幾何或地質標識特征。幾何上隔開的幾何標識特征的示例可以包括開采面與采區(qū)順槽的交叉。幾何上隔開的地質標識特征的示例可以包括標志帶，該標志帶包括不同于相鄰層的組成的材料層。

通常，幾何或地質標識特征的數(shù)量越大，一個或更多個傳感器錯誤標識該標識特征的可能性就越低。

標識特征可以位于礦層的開采面上或下方，或者位于巷道(例如，尾采區(qū)順槽或主采區(qū)順槽)的壁或頂部上或下方。

雖然標識特征優(yōu)選地為自然發(fā)生的礦層特征，但在一些實施方式中，標識特征為人為構造的礦層特征(諸如，借助與回采裝置的相互作用而產(chǎn)生的礦層的幾何構造)。

在其他實施方式中，標識特征可以包括開采過程期間引入的人工標識特征。

開采機優(yōu)選地為長壁采礦機、連續(xù)采礦機或巷道掘進機?；夭裳b置優(yōu)選地為挖礦機機頭或截割滾筒。

一個或更多個傳感器優(yōu)選地從由IR傳感器、視覺照相機、激光測距儀、密度計以及探地探針組成的組選擇。

將理解，根據(jù)本發(fā)明的其他方面的用于控制開采機的系統(tǒng)的可選特征在適當情況下對于根據(jù)第五方面的系統(tǒng)也是可選的。

在本發(fā)明的第六方面中，提供了一種用于使用根據(jù)第五方面的系統(tǒng)來控制開采機的方法，該方法包括以下步驟：

A.使所述開采機穿過礦層的開采面橫切移動；

B.向所述處理器提供與至少一個輔坐標基準點相關的數(shù)據(jù)，至少一個輔基準點借助從與至少2D坐標位置確定裝置組合的一個或更多個傳感器檢測的標識特征并參照至少一個坐標基準點來產(chǎn)生；以及

C.參照所述至少一個輔基準點校正與由位置確定裝置確定的完全坐標位置相關的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的是，各基準點設置在主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽處。

優(yōu)選的是，在開采機完成穿過礦層的開采面的橫切移動時，與由位置確定裝置確定的絕對坐標位置相關的數(shù)據(jù)被校正。

在本發(fā)明的第七方面中，提供了一種用于控制開采機的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

(i)至少2D坐標位置確定裝置，該至少2D坐標位置確定裝置用于確定在以下項的空間中的絕對坐標位置：

所述開采機；和/或

軌道，所述開采機的回采裝置沿著該軌道穿過礦層的開采面從一側到另一側橫切移動，

所述絕對坐標位置在所述開采機和/或所述軌道沿著礦層的開采面的多個位置中的每個位置處確定；

(ii)至少一個坐標基準點，該至少一個坐標基準點各提供至少2D坐標位置；

(iii)待截割礦層的礦層模型

(iv)已截割礦層的截割模型；以及

(v)處理器，該處理器被連接以接收與所確定的所述開采機和/或軌道的絕對坐標位置、至少一個坐標基準點、礦層模型以及截割模型相關的數(shù)據(jù)，

其中，與所確定的所述開采機和/或軌道的所述絕對坐標位置相關的數(shù)據(jù)參照所述至少一個坐標基準點來校正，并且礦層模型和截割模型參照校正后的絕對坐標位置來對齊，并且其中，所述處理器被連接以產(chǎn)生進一步信號，該進一步信號用于：

a.啟動開采機或軌道致動器，該開采機或軌道致動器用于使所述開采機或軌道朝所述礦層移動，以從而基于所述校正后的所述開采機或軌道的絕對坐標位置朝所述礦層將所述開采機或軌道移位或嘗試移位一段距離，以取得預期截割曲線的坐標位置；和/或

b.啟動回采裝置致動器，該回采裝置致動器用于使所述回采裝置朝礦層邊界移動，以基于所述校正后的所述開采機或軌道的絕對坐標位置朝所述礦層邊界將所述回采裝置移位或嘗試移位一段距離，以取得預期截割曲線的坐標位置，

所述處理器通過致動器中的至少一個致動器來操作，因此所述回采裝置將截割或嘗試截割到所述預期截割曲線

優(yōu)選的是，各基準點設置在主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽處。

優(yōu)選的是，絕對坐標位置在沿著軌道(即，沿著礦層的開采面)的多個位置中的每個位置處確定。

處理器優(yōu)選地在沿著所述軌道或開采面的不同位置處通過上述致動器中的至少一個致動器來操作。

優(yōu)選的是，絕對坐標位置確定裝置的校正在開采面與主采區(qū)順槽或尾采區(qū)順槽交叉的地點發(fā)生。

優(yōu)選的是，絕對坐標位置確定裝置的校正在沿著主采區(qū)順槽或尾采區(qū)順槽的一個或更多個點處發(fā)生。

通過參照校正后的開采機或軌道的絕對坐標位置對齊截割模型與礦層模型，知道截割模型相對于礦層模型的空間定位，由此可見，可以憑借更大的確定度來知道開采機的空間位置。

礦層模型和截割模型的對齊優(yōu)選地在一個采區(qū)順槽處實現(xiàn)，并且更優(yōu)選地在兩個采區(qū)順槽(即，主采區(qū)順槽和尾采區(qū)順槽)處實現(xiàn)。

因為截割模型為從礦層回采材料之后的礦層模型的表示，所以截割模型與礦層模型之間的對齊使得開采機能夠基于開采機之前與礦層的相互作用來定向并調整它將來的路徑。

當預期截割曲線與所測量的截割曲線和共同的空間或地質基準點一致時，與所確定的所述開采機和/或軌道的所述絕對坐標位置確定裝置相關的數(shù)據(jù)優(yōu)選地參照至少一個坐標基準點來校正。

對于使用共同空間對齊的實施方式，截割模型與礦層模型的對齊優(yōu)選地發(fā)生在開采機的位置可以參照優(yōu)選地被定位于沿著采區(qū)順槽的主基準點(諸如探測標志)來校正的主采區(qū)順槽或尾采區(qū)順槽處或與該主采區(qū)順槽或尾采區(qū)順槽相鄰處。此時，剛剛完成的所測量的截割曲線(開采機針對預期截割曲線的實際截割曲線)與預期截割曲線共享共同邊界，開采機將沿著該邊界前進。

對于長壁開采實施方式，絕對坐標位置確定裝置的該校正優(yōu)選地發(fā)生在沿著預期截割曲線回采材料的循環(huán)完成時(例如，在開采面與主采區(qū)順槽或尾采區(qū)順槽交叉的地點)發(fā)生。對于連續(xù)采礦機和巷道掘進機實施方式，校正優(yōu)選地在開采機在沿著主采區(qū)順槽或尾采區(qū)順槽的一個或更多個基準點處后退時發(fā)生?；鶞庶c可以為主基準點或輔基準點，并且可以表示開采機之前行進到的且校正了開采機的位置的空間位置。

優(yōu)選的是，截割曲線被更新以校正所測量的截割曲線的位置。然后，校正后的所測量的截割曲線可以與它基于的預期截割曲線進行比較。

預期截割曲線與產(chǎn)生的所測量的截割曲線之間的偏差優(yōu)選地用作到更新后的預期截割曲線和/或礦層模型中的輸入。兩個曲線之間的偏差可以引起預期截割曲線被更新以在隨后的截割循環(huán)期間預先降低曲線之間的偏差。

借助沿著開采面礦層的順序截割，截割模型包括可以用于確定預期截割曲線的增加的信息基礎，使得可以改善回采效率。

優(yōu)選的是，截割模型包括至少一個所測量的截割曲線，優(yōu)選地包括至少兩個所測量的截割曲線，并且更優(yōu)選地包括至少五個所測量的截割曲線。表示跨開采面橫切移動的所測量的截割曲線越多，可以用于借助外推或其他數(shù)據(jù)處理技術更新礦層模型的信息源就越大。

優(yōu)選的是，截割模型包括標記到空間坐標或從空間坐標偏移的表征礦層數(shù)據(jù)和/或開采機性能數(shù)據(jù)。

在一個實施方式中，截割模型包括開采面的標志帶的空間位置，并且其中，截割模型中的標志帶的特征(即，地質基準點)用于對齊截割模型與礦層模型。這樣做時，可以針對正在被截割礦層中的標志帶特征以及截割模型的標志帶特征參照沿著預期截割曲線的開采機的空間位置。優(yōu)選的是，在跨開采面的等效點處參照礦層和截割模型中的標志帶。具體地，正在被截割礦層的標志帶的豎直高度可以與之前跨開采面橫切移動時等效位置處的標志帶的豎直高度比較。

標志帶特征可以包括沿著礦層面的標志帶的路徑，開采機上的這種傳感器可以能夠登記開采機針對將要開采的礦層的定位(例如，從截割模型/礦層模型接口開始)并登記標志帶針對預期截割曲線上的開采機位置的相對位置。區(qū)別特征(諸如標志帶不連續(xù)性或拐點或地質變化)可以從截割模型用到礦層模型上，使得可以更新預期截割曲線。

將理解，根據(jù)本發(fā)明的其他方面的用于控制開采機的系統(tǒng)的可選特征在適當情況下對于根據(jù)第七方面的系統(tǒng)也是可選的。

在第八方面中，提供了一種用于使用根據(jù)第七方面的系統(tǒng)來控制開采機的方法，該方法包括以下步驟：

A.使所述開采機穿過礦層的開采面橫切移動；

B.向所述處理器提供與至少一個坐標基準點相關的數(shù)據(jù)，該至少一個坐標基準點各提供至少2D坐標位置；

C.參照所述至少一個坐標基準點校正與由位置確定裝置確定的絕對坐標位置相關的數(shù)據(jù)；以及

D.基于校正后的絕對坐標位置對齊待截割礦層的礦層模型與已截割的礦層的截割模型。

優(yōu)選的是，各基準點設置在主采區(qū)順槽和/或尾采區(qū)順槽處。

在本發(fā)明的第九方面中，提供了一種軟件，該軟件在由計算機執(zhí)行時使所述計算機執(zhí)行根據(jù)第二方面、第四方面、第六方面或第八方面的方法。

在本發(fā)明的第十方面中，提供了一種設備，該設備包括：

(i)根據(jù)第一方面、第三方面、第五方面或第七方面的系統(tǒng)；和(ii)開采機。

開采機可以包括回采裝置，該回采裝置安裝在可移動車架上；所述挖礦頭，該挖礦頭用于隨著所述可移動車架穿過礦層從一側到另一側橫切移動而從礦層開采產(chǎn)品。

開采機還可以包括軌道致動器、開采機致動器和/或回采裝置致動器。開采機或軌道致動器優(yōu)選地朝所述礦層在大致水平面內(nèi)將所述開采機或軌道移位或嘗試移位一段距離?；夭裳b置致動器優(yōu)選地在大致豎直平面內(nèi)將所述回采裝置移位或嘗試移位一段距離。

開采機可以為長壁采礦機、連續(xù)采礦機或巷道掘進機。回采裝置可以為挖礦機機頭或截割滾筒。

定義

為了本發(fā)明的目的，對單個特征的參照還涵蓋多個。例如，開采機包括挖礦頭還涵蓋開采機包括兩個挖礦頭的實施方式。

預期截割曲線基于位置確定裝置(例如，INS)的輸入的、沿著或跨當前開采面的回采裝置(例如，挖礦機)的預定路徑。預期截割曲線優(yōu)選地從礦層模型導出。預期截割曲線優(yōu)選地對于長壁開采應用延伸達開采面的長度并且延伸至少10米，并且更優(yōu)選地在其他應用(例如，巷道開拓)中延伸至少50米。

所測量的截割曲線回采裝置(例如，挖礦機)跨開采面前進或橫切移動后所測量的回采裝置(例如，挖礦機)的路徑。

截割模型已開采的開采礦層的空間坐標的至少2D(優(yōu)選地為3D)模型或圖。模型還可以包括標記到空間坐標(空間地登記礦層表征數(shù)據(jù))或從空間坐標偏移的表征礦層數(shù)據(jù)和/或開采機特征/性能數(shù)據(jù)。

該截割模型優(yōu)選地表示所回采的材料(即，開采機的歷史路徑)的至少50％，更優(yōu)選地至少80％，并且最優(yōu)選地100％。優(yōu)選的是，截割模型表示機器后面(即，不是在回采的方向上)至少2米所回采的材料，更優(yōu)選地表示機器后面至少5米所回采的材料，并且甚至更優(yōu)選地表示機器后面至少50米所回采的材料。

礦層模型：有待開采的開采礦層的至少2D(優(yōu)選地為3D)模型或圖。該模型優(yōu)選地根據(jù)勘測數(shù)據(jù)來最初建立，并且可以經(jīng)由隨著從截割模型到尚未截割的礦層中的開采的信息的外推來完善。礦層數(shù)據(jù)可以包括源于基于將至少2D坐標位置確定裝置用于準確地定位地震源的絕對位置的地震信號而產(chǎn)生的勘測數(shù)據(jù)(諸如巖體缺陷和斷層結構、組成、硬度、塌方的傾向、表面和礦層內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)、地球物理測井數(shù)據(jù)和2D和3D地震數(shù)據(jù)以及開采之前的礦層的地形數(shù)據(jù))的表征礦層數(shù)據(jù)。礦層特征可以為表面特征，或者可以為可以表示開采機的一個或更多個回采循環(huán)的厚度的、礦層內(nèi)的層的特征。模型可以包括標記到空間坐標或與空間坐標偏離的表征礦層數(shù)據(jù)和/或機器表征/性能數(shù)據(jù)。模型還可以包括與鄰近于待開采礦層的材料(例如，下伏層、中間覆蓋層和/或上方覆蓋層)有關的空間表征數(shù)據(jù)。表征數(shù)據(jù)優(yōu)選地與確定隨著礦層被開采機開采而產(chǎn)生的礦層邊界和/或穩(wěn)定性有關。

優(yōu)選的是，礦層模型表示開采機前面(即，在回采的方向上)至少2米的礦層，更優(yōu)選地表示開采機前面至少5米的礦層，并且甚至更優(yōu)選地表示開采機前面至少50米的礦層。

要理解，貫穿本公開，除非另外敘述，預期截割曲線、所測量的截割曲線、截割模型、礦層模型等是指物理地存儲在數(shù)據(jù)存儲器上或由處理器處理的數(shù)據(jù)結構。

外推為了本發(fā)明的目的，指的是使用在截割面的主采區(qū)順槽和尾采區(qū)順槽這兩者處的校正后的空間位置經(jīng)由預測來確定沿著截割/礦層模型的中間空間位置。

內(nèi)插為了本發(fā)明的目的，指的是使用在截割面的主采區(qū)順槽端或者尾采區(qū)順槽端處的校正后的空間位置經(jīng)由預測來確定沿著截割/礦層模型的中間空間位置。

主基準點是絕對坐標位置的標識點。坐標位置優(yōu)選地為1D，更優(yōu)選地為2D，并且最優(yōu)選地為3D。基準點可以通過使用傳感器來標識。為此，基準點可以包括可以由開采機或軌道移動裝置的機載傳感器檢測的反光面、RFID標簽或空間位置獨特組成、物理或熱特征。

輔基準點是通過參照主基準點或位置確定裝置而確定的標識點。優(yōu)選的是，輔基準點參照主基準點來確定。

參照基準點為了本發(fā)明的目的，指的是使用基準點的空間坐標，優(yōu)選地在由處理器執(zhí)行的算法中使用。

附圖說明

圖1是根據(jù)自上而下視角的、截割主采區(qū)順槽與尾采區(qū)順槽之間的煤礦層的長壁采礦機的示意圖。

圖2是針對挖礦機機頭和軌道的控制輸入的示意圖。

圖3a和圖3b是朝主采區(qū)順槽前進(圖3a)和朝尾采區(qū)順槽后退(圖3b)的挖礦頭的示意圖，其中機載傳感器映射獨特煤礦層特征的空間坐標。

圖4是將礦層內(nèi)的標志帶(實線)連同之前截割循環(huán)期間的標志帶(虛線)的空間位置一起示出的示意圖。

圖5是從煤礦層開始截割主采區(qū)順槽的連續(xù)采礦機的示意圖。

具體實施方式

參照圖1，存在包括主采區(qū)順槽10和尾采區(qū)順槽15的地下煤礦床5。采區(qū)順槽限定要開采的目標煤礦層20。采區(qū)順槽包括可以為反光標志/標識件形式的若干基準點或標識件25?；鶞庶c的3D坐標可以通過在從目標礦層開始回采煤之前探測采區(qū)順槽來確定。探測通常從參照或零平面30開始執(zhí)行。

開采機35在頂部支撐件45漸進地向前移動以支撐新露出的礦層頂?shù)那闆r下在截割面40上漸進地橫切移動。開采機的路徑由形成包括待回采礦層的3D空間模型的礦層模型的一部分的預期截割曲線來控制。在開采機完成跨截割面的橫切移動時，開采機上所安裝的封閉式測距激光器通過確定開采機與一個或更多個基準點之間的距離來確定開采機的3D坐標空間位置(3D位置)。優(yōu)選的是，開采機的3D位置通過使用兩個基準點來確定。優(yōu)選地使用三角測量和/或三邊測量法來計算該3D位置。所測量的3D位置對照由也安裝在開采機35上的位置確定裝置確定的當前3D位置進行比較(圖2)。

位置確定裝置優(yōu)選地為包括陀螺儀和加速計在內(nèi)的慣性導航裝置(INS)。

所測量的3D位置與當前的3D位置之間的差異(Δ₁)被輸入到在處理器內(nèi)操作的校正算法中。校正算法的輸出被輸入到挖礦頭和/或軌道移動控制中，并且因此確定致動器移動，該致動器移動用于控制軌道或開采機(包括其部件在內(nèi))的空間坐標(例如，挖礦機機頭位置)。

隨著開采機完成截割面40的各橫切移動或各循環(huán)，包括已回采的礦層的3D空間模型在內(nèi)的截割模型被更新。該截割模型能夠存儲多個截割循環(huán)期間的空間和礦層表征數(shù)據(jù)，使得趨勢可以被分析以用于校正礦層模型。在一個實施方式中，所測量的3D位置與當前的3D位置之間的誤差的趨勢(Δ₁、Δ₂、Δ₃、Δ₄……)被用作到校正算法中的輸入。依賴于時間的空間誤差的趨勢的檢測可以用于減小由于INS中的蠕變和/或漂移而產(chǎn)生的誤差。例如，如果在采區(qū)順槽處所測量的開采機的空間誤差漸進地增大，則該觀察可以用于預先地校正該誤差。這可以借助學習算法來執(zhí)行。

雖然開采機的3D位置可以在截割面與尾采區(qū)順槽和/或主采區(qū)順槽的交叉處來校正，但優(yōu)選地在沿著截割面的長度的多個位置處實現(xiàn)開采機位置的校正。這優(yōu)選地通過使用采區(qū)順槽校正與內(nèi)插或外推技術相結合來實現(xiàn)。截割模型和礦層模型也優(yōu)選地在校正了開采機位置的相同點處來更新。使用這些技術，產(chǎn)生更新后的預期截割曲線，其包含計算出的對單獨由INS確定的當前開采機位置的校正。

當開采機在尾采區(qū)順槽或主采區(qū)順槽處完成預期截割曲線時，頂部支撐件45執(zhí)行順序操縱(稱為“蛇行(snaking)”)，其中，依賴于更新后的預期截割曲線，將頂部支撐件向前推動完整腹板距離的一部分。頂部支撐件向前移動的距離用于確定截割模型(循環(huán)結束時的開采面)與礦層模型(開始預期截割曲線之后的開采面)之間的相對距離。通過建立截割模型與礦層模型的相對空間位置，截割模型可以用于更新礦層模型，并且預先調整預期截割曲線。例如，跨開采面的預期截割曲線與所測量的截割曲線之間的比較可以確認一個或更多個頂部支撐件反復地偏離它們期望的腹板推動距離。截割模型可以能夠檢測這種系統(tǒng)性的或依賴于時間的偏差，并且作為對算法的輸入，更新礦層模型，使得將來的預期截割曲線將這些頂部支撐件異?？紤]在內(nèi)。

另選地，或者附加地，沿著截割礦層面的中間點可以通過使用輔基準點來確定。如圖3a所例示，開采機50朝主采區(qū)順槽55橫切移動。隨著機器朝主采區(qū)順槽前進，與INS 65組合的傳感器60將拖曳截割煤礦層70的特征標出到礦層模型上。礦層模型可以包括礦層邊界，使得預期截割曲線可以包括路徑，使得處理器用信號通知挖礦機機頭移動致動器在礦層邊界內(nèi)移動挖礦機機頭。

循環(huán)結束時，參照一個或更多個主基準點80來對照封閉式激光測距儀75確定的所測量的3D空間位置比較由INS確定的當前3D空間位置。由機載處理單元(未示出)確定任意校正調整。隨著開采機朝尾采區(qū)順槽橫切移動(圖3b)，與INS 65組合的傳感器60在地圖上標出引導面上(即，在挖礦機的引導頭前面)的煤礦層特征。來自傳感器的數(shù)據(jù)被提供給礦層模型，特征標識件70的空間定位的差異被用作對處理單元內(nèi)的校正算法的輸入，作為結果，在需要的情況下對開采機的預期截割曲線進行調整。

輔基準點的使用還可以用于主基準點之間的中間位置(intermediate positions)處。

用于確定煤礦層特征的優(yōu)選傳感器60是IR傳感器或熱傳感器?？梢允褂靡粋€或更多個傳感器。該傳感器的位置可以變化，以確?？梢栽谕弦泛鸵龑恢眠@兩者中的煤礦層映射期間從礦層獲得足夠質量的數(shù)據(jù)。

US8622479中描述了一種適當?shù)腎R或熱傳感器，此處以引證的方式并入。在另選實施方式中，并且在環(huán)境許可的情況下，使用即時定位與地圖構建(SLAM)來將所定位的煤礦層的物理特征用作所參照的點/標識件。

圖4例示了表示煤礦層模型(待回采煤)與截割模型(已回采煤)之間的界面的煤礦層面中的標志帶195。該標志帶包括地質特征220。通過對齊截割模型與礦層模型，可以使用之前截割循環(huán)期間的地質特征的變化位置來更新礦層模型，使得可以在礦層模型中預測地質特征的位置。為了在礦層模型中準確地預測地質特征，應在各截割循環(huán)期間校正地質特征的空間位置。

圖5例示了形成巷道(諸如主采區(qū)順槽10)時回采材料的連續(xù)采礦機200。采區(qū)順槽可以形成長壁開采作業(yè)的一部分，或者可以形成柱式開采系統(tǒng)的一部分。連續(xù)采礦機的預期截割曲線根據(jù)包括來自礦層內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)的、礦層詳情的礦層模型來確定。連續(xù)采礦機包括通過參照提供絕對3D空間位置的探測標志25而校正了的INS。

為了形成主采區(qū)順槽，連續(xù)采礦機從采區(qū)順槽漸進地回采材料。連續(xù)采礦機的INS可以參照探測標志來被定期地校正。在校正了開采機的空間位置之后，包括預期截割曲線的礦層模型被更新。包括已回采的材料的所測量曲線的截割模型也被更新。

處理器向致動器提供輸出信號，以用信號通知截割滾筒朝礦層邊界向上移動。處理器通過計算截割滾筒在礦層模型內(nèi)的相對位置來參照來自礦層模型的虛擬礦層邊界位置。

定期地，連續(xù)采礦機可以沿著采區(qū)順槽后退并將自身定位在探測標志附近，以將從INS導出的和從探測標志導出的開采機的空間位置進行比較，并相應地校正INS。因為開采機將它的路徑折回到截割模型內(nèi)在到達礦層面之前已回采的曲線上方，其充當作為截割模型與礦層模型之間的界面的基準點，所以更新后的預期截割曲線優(yōu)選地與所測量的截割曲線部分交疊。

在相同或不同的實施方式中，在沿著采區(qū)順槽后退之前，連續(xù)采礦機優(yōu)選地對照探測標志(例如，通過使用測距傳感器)來校正，使得在返回到與礦層面相鄰的同一位置時，可以將INS讀取結果與之前校正時已知的INS的位置進行比較。所比較出的空間位置的偏差的重復測量可以用于測量INS的準確度與精密度，使得對取樣率的校準或調整可以用于改善INS性能。

類似于關于圖3a和圖3b中所例示的長壁采礦機而使用的方法，連續(xù)采礦機可以包括標志帶檢測傳感器(諸如IR傳感器)，使得連續(xù)采礦機可以標識礦層中的特征，該特征可以用作校正INS空間位置所比照的輔標志。