基于煤层地理信息系统的采煤机姿态控制方法技术领域
本发明涉及采煤机滚筒调高控制与采煤机姿态控制方法，属于采煤装备自动控制
技术领域。
背景技术
基于记忆截割技术的采煤机滚筒自动调高控制方法是目前自动化综采工作面常
用的调高控制方法。它的原理是：由采煤机司机根据工作面煤层条件操作采煤机先割一刀，
控制系统将行程位置与对应的截割高度等信息存入计算机，以后在某一行程位置的截割高
度均由计算机根据存储器记忆的工作参数自动调整，如果煤层条件尤其是煤层倾角发生较
大变化，则必须由采煤机司机手动操作对高度重新进行调整，并自动记忆调整过的工作参
数，作为下一刀滚筒调高的参数。记忆截割法实现简单，但是对于地质条件有一定的要求，
只能适用于近水平工作面，不能很好的适用于煤层倾角发生变化的工作面，而记忆截割不
能适用于煤层倾角发生变化的工作面的根本原因是采煤机姿态中的翻滚角与煤层倾角不
一致。
专利号为:ZL 201310353737.7的中国专利公开了融合地质环境信息的采煤机绝
对定位技术，该技术不但可以测量采煤机的位置、姿态，还利用工作面煤层地理信息系统
(GIS)将地理、地质、环境信息以及采煤机姿态、速度、位置信息统一于同一时空体系下，实
现了采煤机在煤层地质环境信息下的精确定位。
发明内容
发明目的：为了克服记忆截割在煤层倾角发生变化的工作面使用的局限性，本发
明提供一种基于煤层地理信息系统的采煤机姿态自动控制方法，以使采煤机姿态中的翻滚
角与煤层倾角保持一致。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种基于煤层地理信息系统
的采煤机姿态控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据长壁综采工作面采煤机、液压支架和刮板输送机三机技术参数和配套关
系，建立采煤机下滚筒截割卧底调整量与采煤机姿态信息中翻滚角变化量关联模型，即Δ
γ＝arctan(Δh/d)，Δh为采煤机下滚筒截割卧底调整量，Δγ为采煤机姿态信息中翻滚
角变化量，d为采煤机截割一刀时工作面推进距离；
2)利用钻探、巷探以及精细物探数据建立工作面煤层地理信息系统，工作面煤层
地理信息系统包括煤层顶底板曲面，顶底板曲面以三维栅格存储，煤层地理信息系统坐标
系以煤层底板开采起始位置处为坐标原点，X轴方向沿工作面方向，Y轴方向沿工作面推进
方向，Z轴的方向与采煤机重力加速度的方向相反；
3)以采煤机下滚筒卧底最小可控调整量δh为控制参数，找出煤层底板曲线上的斜
率变化点，实现煤层底板曲线的分段线性化，具体步骤如下：
31)在工作面煤层地理信息系统中沿Y轴做截面，提取沿工作面推进方向的煤层底
板曲线，以采煤机截割一刀时工作面推进距离d为间距，在提取煤层底板曲线上用插值算法
获取n个数据点，分别为A1、A2......An，同时获取A1-An各个数据点的YZ平面坐标，其中，煤层
底板曲线起始点为第一个数据点A1，煤层底板曲线末尾点为最后一个数据点An；
32)将第一个数据点A1作为煤层底板曲线的第一个斜率变化点，最后一个数据点
An做为煤层底板曲线的最后一个斜率变化点，以第一个斜率变化点作为第二个斜率变化点
的计算参考点，计算第一个斜率变化点和与第一个斜率变化点相邻的第二个数据点A2的连
线的斜率k12，并以斜率k12作延长线计算出第三个数据点A3的坐标预测值，如果第三个数据
点A3的坐标预测值与真实值之差的绝对值小于δh，则继续计算第二个数据点A2和与第二个
数据点A2相邻的第三个数据点A3的连线的斜率k23，并以斜率k23作延长线计算出第四个数据
点A4的坐标预测值，依次类推，直至某一个数据点的坐标预测值与真实值之差的绝对值大
于等于δh，则将该数据点作为煤层底板曲线的第二个斜率变化点，然后按照上述计算方法，
以上一个确定的斜率变化点作为下一个斜率变化点的计算参考点，依次确定煤层底板曲线
上的其余各个斜率变化点；
33)根据得到的煤层底板曲线上的所有斜率变化点构成煤层底板的分段线性化曲
线；
4)采用融合地质环境信息的采煤机定位技术获取采煤机实时位置和姿态信息，根
据采煤机实时位置信息确定采煤机所在的煤层底板的分段线性化曲线的直线段，并由该直
线段斜率的反正切值得到煤层倾角α，根据采煤机实时姿态信息中的翻滚角γ，利用采煤机
下滚筒截割卧底调整量与采煤机姿态信息中翻滚角变化量关联模型，计算出采煤机下滚筒
卧底调整量Δh＝d tan(γ-α)，从而控制采煤机姿态，使采煤机翻滚角与煤层倾角保持一
致。
有益效果：该方法将采煤机姿态控制与煤层倾角识别有效结合，可使采煤机姿态
中的翻滚角与煤层倾角保持一致；该方法提出了煤层分段线性表示的思路，压缩了煤层地
理信息系统的数据存储量，还可以方便的获得煤层倾角信息；该方法思路简单，运算合理，
可靠实用，可以有效提高采煤机在复杂地质条件煤层截割控制的自动化程度。
附图说明
图1是采煤机截割正面示意图；
图2是采煤机截割侧面示意图；
图3是本发明的工作面煤层地理信息系统坐标系示意图；
图4是采煤机卧底量调整示意图；
图5是采煤机姿态随卧底量调整变化示意图；
图6是沿采煤机推进方向的煤层顶板曲线和煤层底板曲线；
图7是本发明的煤层底板曲线分段线性表示算法流程示意图；
图8是本发明的煤层底板的分段线性化曲线与原始曲线对比图。
图中：1、煤层顶板；2、煤层底板；3、采煤机；4、采煤机下滚筒；5、采煤机上滚筒；6、
刮板输送机。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1和2所示，采煤机在煤层中截割，采煤机上滚筒截割靠近煤层顶板，采煤机下
滚筒截割靠近煤层底板。煤层底板与采煤机推进方向的夹角为煤层倾角α，采煤机的机身与
采煤机推进方向的夹角为采煤机翻滚角γ，在开采起始位置，采煤机翻滚角γ与煤层倾角α
保持一致，但在随后的工作面推进过程中煤层倾角α发生了变化，如果采煤机不调整姿态，
必然截割到煤层顶板。
本发明的一种基于煤层地理信息系统的采煤机姿态控制方法，该方法是通过调整
采煤机下滚筒截割卧底量的来控制采煤机翻滚角，该方法包括以下步骤：
1)根据长壁综采工作面采煤机、液压支架和刮板输送机三机技术参数和配套关
系，建立采煤机下滚筒截割卧底调整量与采煤机姿态信息中翻滚角变化量关联模型，即Δ
γ＝arctan(Δh/d)，如图3和4所示，Δh为采煤机下滚筒截割卧底调整量，Δγ为采煤机姿
态信息中翻滚角变化量，d为采煤机截割一刀时工作面推进距离；
2)利用钻探、巷探以及精细物探数据建立工作面煤层地理信息系统，如图1至3所
示，工作面煤层地理信息系统包括煤层顶底板曲面，顶底板曲面以三维栅格存储，煤层地理
信息系统坐标系以煤层底板开采起始位置处为坐标原点，X轴方向沿工作面方向，Y轴方向
沿工作面推进方向，Z轴的方向与采煤机重力加速度的方向相反；
3)以采煤机下滚筒卧底最小可控调整量δh为控制参数，找出煤层底板曲线上的斜
率变化点，实现煤层底板曲线的分段线性化，具体步骤如下：
31)如图3和6所示，在工作面煤层地理信息系统中沿Y轴做A-A截面，提取沿工作面
推进方向的煤层底板曲线，以采煤机截割一刀时工作面推进距离d为间距，在提取煤层底板
曲线上用插值算法获取n个数据点，分别为A1、A2......An，同时获取A1-An各个数据点的YZ
平面坐标，其中，煤层底板曲线起始点为第一个数据点A1，煤层底板曲线末尾点为最后一个
数据点An；
32)如图7所示，将第一个数据点A1作为煤层底板曲线的第一个斜率变化点，最后
一个数据点An做为煤层底板曲线的最后一个斜率变化点，以第一个斜率变化点作为第二个
斜率变化点的计算参考点，计算第一个斜率变化点和与第一个斜率变化点相邻的第二个数
据点A2的连线的斜率k12，并以斜率k12作延长线计算出第三个数据点A3的坐标预测值，如果
第三个数据点A3的坐标预测值与真实值之差的绝对值小于δh，则继续计算第二个数据点A2
和与第二个数据点A2相邻的第三个数据点A3的连线的斜率k23，并以斜率k23作延长线计算出
第四个数据点A4的坐标预测值，依次类推，直至某一个数据点的坐标预测值与真实值之差
的绝对值大于等于δh，则将该数据点作为煤层底板曲线的第二个斜率变化点，然后按照上
述计算方法，以上一个确定的斜率变化点作为下一个斜率变化点的计算参考点，依次确定
煤层底板曲线上的其余各个斜率变化点；
33)如图8所示，根据得到的煤层底板曲线上的所有斜率变化点构成煤层底板的分
段线性化曲线；
4)采用融合地质环境信息的采煤机定位技术获取采煤机实时位置和姿态信息，根
据采煤机实时位置信息确定采煤机所在的煤层底板的分段线性化曲线的直线段，并由该直
线段斜率的反正切值得到煤层倾角α，根据采煤机实时姿态信息中的翻滚角γ，利用采煤机
下滚筒截割卧底调整量与采煤机姿态信息中翻滚角变化量关联模型，计算出采煤机下滚筒
卧底调整量Δh＝d tan(γ-α)，从而控制采煤机姿态，使采煤机翻滚角与煤层倾角保持一
致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。