專利名稱：采掘機(jī)及采掘方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采掘機(jī)及其方法，由此能控制采掘機(jī)沿所開采的含有產(chǎn)品的礦層移動(dòng)。本發(fā)明在煤的長(zhǎng)壁開采中具有特殊性，但這不是唯一的應(yīng)用。
本申請(qǐng)基于并要求以下專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/203901，2000年5月12日提交；澳大利亞申請(qǐng)PQ7131，2000年4月26日提交。
這樣，通過(guò)每經(jīng)過(guò)一道次后向前朝礦層移動(dòng)軌道適當(dāng)?shù)木嚯x，就可以逐漸地以每次大致相同的掘進(jìn)深度移入礦層。
實(shí)際上，由于移動(dòng)軌道的動(dòng)力頂支架前進(jìn)系統(tǒng)的滑動(dòng)造成每一隨后道次的不準(zhǔn)確前進(jìn)，導(dǎo)致礦層開采工作面上掘進(jìn)深度的變化。這又造成產(chǎn)量的降低，以及對(duì)軌道和動(dòng)力頂支架前進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)械負(fù)荷和應(yīng)力。這種不準(zhǔn)確性在很大程度上歸因于動(dòng)力頂支架前進(jìn)系統(tǒng)每道次向前移動(dòng)軌道的設(shè)定增量。這樣，由于動(dòng)力頂支架前進(jìn)系統(tǒng)的滑動(dòng)，經(jīng)過(guò)很多機(jī)械道次后誤差累積。所希望的是，軌道能按預(yù)想的沿直線前進(jìn)，但是由于滑動(dòng)，軌道逐漸移動(dòng)使其最終具有曲線或蛇狀的路徑。這又導(dǎo)致在隨后的時(shí)間里重新定位軌道，校正這些累積誤差。
已經(jīng)發(fā)展了很多系統(tǒng)用于重新定位并保持軌道在礦層開采工作面上處于所需的直線上。簡(jiǎn)單的系統(tǒng)使用線繩。其它系統(tǒng)使用能產(chǎn)生光束的光學(xué)裝置，光束由處于礦層側(cè)面關(guān)鍵位置的反射器反射。有的也提出了雷達(dá)系統(tǒng)。但仍沒(méi)有滿意的方案，因?yàn)檫@其中的每一個(gè)都需要時(shí)間進(jìn)行建立，并且需要手動(dòng)調(diào)節(jié)某些或全部的動(dòng)力頂支架。
除了上述提到的之外，煤層有一定的曲線形狀并且在地層結(jié)構(gòu)中有褶皺，從而煤層的形狀不可預(yù)測(cè)。這樣又導(dǎo)致剪切頭在每一道次在可預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確跟蹤礦層的困難。如果剪切頭試圖剪切煤層邊界進(jìn)入更堅(jiān)硬的頂和底石層，這將對(duì)剪切頭的驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生不需要的和不希望的負(fù)荷，導(dǎo)致無(wú)效的生產(chǎn)以及產(chǎn)品的稀釋。
因此希望知道每一道次的下次剪切時(shí)在礦層開采工作面足夠點(diǎn)上的采掘機(jī)的絕對(duì)位置，能預(yù)測(cè)垂直形狀(即層位)并且能控制剪切頭的垂直上下移動(dòng)并能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使采掘機(jī)跟蹤波浪起伏的煤層(層位控制)。層位控制的當(dāng)前方法包括反應(yīng)法，即當(dāng)剪切頭升降超出煤層時(shí)檢測(cè)切削鼓形電機(jī)上增大的負(fù)荷并對(duì)之作出反應(yīng)。因?yàn)榛烊肓朔敲何镔|(zhì)，這種反應(yīng)技術(shù)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力以及產(chǎn)品的稀釋。另一種方法稱為“模擬切削”，使用傳感器記錄手動(dòng)控制下剪切頭在通過(guò)煤層開采工作面一個(gè)完整道次時(shí)的垂直極限。接著系統(tǒng)在下一道次中自動(dòng)重復(fù)這個(gè)剪切狀態(tài)。這個(gè)方法沒(méi)考慮在長(zhǎng)壁前進(jìn)方向上礦層的波浪起伏。也提出了用雷達(dá)和天然γ傳感器作為檢測(cè)煤層邊界的裝置。但是，這些系統(tǒng)不總是適合，并在某些情況下需要人為干預(yù)。
發(fā)明的目的和說(shuō)明因此，本發(fā)明實(shí)施例的目的是試圖克服現(xiàn)有技術(shù)機(jī)械的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。
因此，根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)廣泛的方面，提供了一種采掘機(jī)，其剪切頭裝在可移動(dòng)的小車上，當(dāng)所述可移動(dòng)小車在軌道上從所述礦層開采工作面的一側(cè)到另一側(cè)橫向移動(dòng)時(shí)，所述剪切頭用于從礦層中開采產(chǎn)品，所述軌道橫過(guò)礦層從一側(cè)延伸到另一側(cè)；
所述機(jī)器具有坐標(biāo)位置確定裝置，用于確定機(jī)器在沿軌道多個(gè)位置中每個(gè)位置的坐標(biāo)位置，多個(gè)位置中每個(gè)位置的坐標(biāo)位置至少是二維坐標(biāo)位置信息，裝置用于提供代表這些信息的數(shù)據(jù)信號(hào)，所連接的處理裝置用于接收代表二維坐標(biāo)位置信息的數(shù)據(jù)信號(hào)，并產(chǎn)生其處理后的輸出信號(hào)，應(yīng)用于控制與所述機(jī)器相連的軌道移動(dòng)裝置，因此所述軌道移動(dòng)裝置根據(jù)當(dāng)前軌道導(dǎo)軌部分的坐標(biāo)位置將所述軌道導(dǎo)軌部分向著所述礦層移動(dòng)一段距離，移動(dòng)到下一道次預(yù)定外形的坐標(biāo)位置，所述處理裝置操作沿軌道長(zhǎng)度方向不同位置處的所述軌道移動(dòng)裝置，從而在所述可移動(dòng)小車的下一道次，所述剪切頭能夠切削出預(yù)定的外形。
最優(yōu)選的是，預(yù)定的外形是基本水平延伸平面中的直線。
最優(yōu)選的是，所述處理裝置包括存儲(chǔ)器裝置，用于存儲(chǔ)所述坐標(biāo)位置確定裝置提供的在所述多個(gè)位置中每一個(gè)位置的二維坐標(biāo)電信號(hào)。
最優(yōu)選的是，所述信號(hào)能被所述處理裝置應(yīng)用于計(jì)算軌道在不同位置所要求的移動(dòng)距離。
最優(yōu)選的是，所述坐標(biāo)位置確定裝置提供X、Y和Z平面中每個(gè)平面的三維坐標(biāo)位置信號(hào)。
最優(yōu)選的是，所述處理裝置存儲(chǔ)剪切頭在沿軌道位置上的上或下位置的水平外形或者同時(shí)存儲(chǔ)上下位置的水平外形，從而在下一道次，剪切頭位置控制裝置能預(yù)先控制所述剪切頭移動(dòng)到位，使所述剪切頭越過(guò)前一道次確定的預(yù)定水平外形，由此剪切頭能移動(dòng)到礦層預(yù)定的褶皺或彎曲(contours)。
一種控制具有可移動(dòng)小車的采掘機(jī)的方法，所述可移動(dòng)小車上載有剪切頭，所述剪切頭能切削出預(yù)定的外形，所述方法包括將所述小車安裝到從開采礦層的一側(cè)橫越到另一側(cè)的軌道上，隨著所述機(jī)器從礦層一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，將在軌道上多個(gè)位置中每個(gè)位置的所述軌道二維坐標(biāo)位置的位置信號(hào)提供給處理裝置，
處理所述位置信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)用于控制軌道移動(dòng)裝置，根據(jù)軌道當(dāng)前坐標(biāo)位置，操作所述軌道移動(dòng)裝置使所述軌道的導(dǎo)軌部分向著所述礦層向前移動(dòng)一段距離，操作沿軌道各個(gè)位置處的所述軌道移動(dòng)裝置使所述軌道能移動(dòng)到所述預(yù)定外形，從而在所述可移動(dòng)小車的下一道次，所述剪切頭能沿預(yù)定外形切削。
最優(yōu)選的是，所述軌道移動(dòng)裝置是一系列獨(dú)立的可移動(dòng)裝置，在所述軌道長(zhǎng)度方向上互相間隔開，其中的一端連接到各個(gè)礦頂支撐裝置，在支撐礦頂時(shí)每個(gè)頂支撐裝置為每個(gè)移動(dòng)裝置的一端提供固定位置，并且其中所述移動(dòng)裝置的另一端連接到所述軌道，從而當(dāng)所述移動(dòng)裝置的另一端離開所述頂支撐裝置時(shí)，軌道能朝所述礦層向前移動(dòng)。
最優(yōu)選的是，每個(gè)所述移動(dòng)裝置是獨(dú)立可移動(dòng)的，因此當(dāng)所述移動(dòng)裝置向前移動(dòng)所述軌道，以及各個(gè)礦頂支撐裝置從支撐所述礦頂松開時(shí)，所述移動(dòng)裝置朝所述軌道向前移動(dòng)各個(gè)頂支撐裝置，并且其中所述軌道接著為每個(gè)移動(dòng)裝置的另一端提供固定位置。
最優(yōu)選的是，所述處理裝置確定所述頂支撐裝置向前移動(dòng)的數(shù)量，從而所述采掘機(jī)沿所述軌道結(jié)束一個(gè)道次時(shí)，越過(guò)礦層是一面基本直線的壁，因此所有頂支撐裝置隨后排成直線，所述直線基本平行于所述軌道。
優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述首先參看

圖1，其中表示在X、Y和Z平面中的煤層1。圖1是示意性地表示向上傾斜的礦層1以及礦層1中的褶皺和彎曲。礦層上下的地層沒(méi)有示出。礦層1具有長(zhǎng)壁開采工作面3和垂直深度或厚度，由厚度5表示。深度或厚度5通常在整個(gè)礦層1中非常均勻。
當(dāng)開采礦層1時(shí)，采掘機(jī)橫過(guò)礦層進(jìn)行連續(xù)地一側(cè)到另一側(cè)地切削。每次切削由礦層1上的窄線標(biāo)記表示。換句話說(shuō)，長(zhǎng)壁開采工作面3在每次連續(xù)一側(cè)到另一側(cè)的切削中逐漸露出?？梢钥闯?，隨著一側(cè)到另一側(cè)的切削沿基本垂直長(zhǎng)壁開采工作面3的方向(即Z向)的繼續(xù)進(jìn)行，水平形貌向上變化。這僅是一個(gè)示例，在其它實(shí)例中水平形貌可向下延伸。另外，圖中的礦層1沿X軸具有一個(gè)基本的水平形貌。礦層1沿X軸可能具有一個(gè)傾斜。換句話說(shuō)，圖1僅表示了礦層1結(jié)構(gòu)的一種可能。這種變化需要預(yù)測(cè)，以增大采掘過(guò)程的效率。
參看圖2，示意性地表示帶有剪切頭9的采掘機(jī)7是怎樣沿礦層1的長(zhǎng)壁開采工作面3移動(dòng)的。因此采掘機(jī)7在礦層1下的地層11的上表面上移動(dòng)，并在礦層1上的地層13的下表面之下。當(dāng)機(jī)器經(jīng)過(guò)一側(cè)到另一側(cè)的每一道次后沿箭頭15所示的方向前進(jìn)，從礦層1中逐漸開采出煤或其它物質(zhì)。
圖3放大詳細(xì)表示了這種結(jié)構(gòu)。其中表示出的采掘機(jī)7包括可移動(dòng)的小車17，裝在鋼軌形式的軌道19上，使小車17能在其上面沿礦層1的長(zhǎng)壁開采工作面3從一側(cè)到另一側(cè)橫向移動(dòng)?？梢苿?dòng)的小車17帶有可擺動(dòng)的臂21，臂21支撐可移動(dòng)小車17每個(gè)端部的剪切頭9。在可移動(dòng)小車17橫越軌道19的同時(shí)臂21能上下擺動(dòng)。圖3也表示多臺(tái)動(dòng)力礦頂支撐裝置23位于上地層13和下地層11之間，用于支撐礦頂。頂支撐裝置23是公知的頂支撐裝置。頂支撐裝置23中的每一臺(tái)與能移動(dòng)軌道19的移動(dòng)裝置25相連。每臺(tái)移動(dòng)裝置25是獨(dú)立可移動(dòng)的，動(dòng)力頂支撐裝置在沿軌道19長(zhǎng)度的方向上相互離開。在圖3中，幾臺(tái)頂支撐裝置23有意地沒(méi)有示出，以便將采掘機(jī)7更清楚的露出。但應(yīng)該理解的是，在使用過(guò)程中，頂支撐裝置23沿長(zhǎng)壁開采工作面3的長(zhǎng)度方向以基本相同的間隔距離延伸并提供對(duì)上地層13的支撐。當(dāng)機(jī)器7一道次接一道次地進(jìn)入礦層1時(shí)，頂支撐裝置23從支撐上地層13中逐個(gè)松開并向前移。頂支撐裝置23之后的上地層13可以塌陷在開采后留下的自由空間內(nèi)。這樣，每臺(tái)頂支撐裝置23的移動(dòng)裝置25，其一端連接到頂支撐裝置23，另一端連接到軌道19。當(dāng)采掘機(jī)7通過(guò)一臺(tái)頂支撐裝置23時(shí)，移動(dòng)裝置25開始將軌道19的一部分導(dǎo)軌向礦層1移動(dòng)一定距離。頂支撐裝置23作為移動(dòng)裝置一端的固定點(diǎn)。所移動(dòng)的距離在圖3中表示為距離27。當(dāng)軌道19向前移向礦層1時(shí)，頂支撐裝置23能從支撐頂?shù)貙?3中松開并且移動(dòng)裝置25接著將頂支撐裝置23拉向軌道19。在此移動(dòng)過(guò)程中所有其它的頂支撐裝置23保持在它們?cè)瓉?lái)的位置支撐頂部。對(duì)于每臺(tái)頂支撐裝置23重復(fù)上述過(guò)程，從而當(dāng)采掘機(jī)7通過(guò)時(shí)軌道19向前移向礦層1。通過(guò)每臺(tái)頂支撐裝置將軌道7移動(dòng)完后，軌道接著作為固定點(diǎn)用于將頂支撐裝置23移向軌道19。按照這種方式，當(dāng)機(jī)器7橫過(guò)長(zhǎng)壁開采工作面3時(shí)，頂支撐裝置23支撐頂部或礦層1上的地層13，接著頂支撐裝置23作為固定點(diǎn)，利用它移動(dòng)裝置25能將軌道19向礦層1移動(dòng)。軌道19移向礦層1后，頂支撐裝置23能從支撐頂部或地層13中松開，從而頂支撐裝置23能移向軌道19。接著軌道作為固定點(diǎn)，用于將頂支撐裝置拉向軌道。
參看圖4，示出了一系列平面圖4a-4h，表示典型的長(zhǎng)壁采礦過(guò)程。圖4a-4h的每一個(gè)用于表示機(jī)器7通過(guò)長(zhǎng)壁3的不同階段。圖4h表示現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的極端狀態(tài)，其中在很多道次后隨著軌道在很多道次中移動(dòng)多次，由于不準(zhǔn)確地確定軌道的位置以及頂支撐裝置的滑動(dòng)形成曲線或蛇狀路線。過(guò)去使用的用于定位軌道19和控制采掘機(jī)7的各種系統(tǒng)導(dǎo)致采礦技術(shù)的低效率，如同本說(shuō)明書中介紹部分中討論的。本發(fā)明的實(shí)施方式通過(guò)確定軌道的二維坐標(biāo)位置并接著計(jì)算在下一道次將軌道移動(dòng)到所需位置需要的移動(dòng)，精確確定軌道的位置，試圖克服現(xiàn)有技術(shù)的困難。
參看圖5a-5c解釋本發(fā)明實(shí)施方式的簡(jiǎn)化的實(shí)施例。在圖5a-5c中，一系列的平面圖表示煤層1，與圖4中的相似。
軌道19沿長(zhǎng)壁開采工作面3延伸，采掘機(jī)沿軌道19橫向移動(dòng)。圖5a-5c中的每一個(gè)視圖表示礦層1和軌道19處于大致水平的延伸面。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，煤層通常在基本水平的延伸面橫向延伸，但存在波浪起伏和傾斜，如圖1和圖2所示。
圖5a表示在用采掘機(jī)7開采之前的礦層1的長(zhǎng)壁開采工作面3?？梢钥闯觯壍?9在長(zhǎng)壁開采工作面3之前延伸。通常，軌道19的外形是直線。圖中的采掘機(jī)7在開始向礦層右手側(cè)的一個(gè)道次之前位于礦層1的最左手側(cè)?？梢钥闯?，煤的長(zhǎng)壁開采工作面3具有的外形難以定位軌道19的外形。
圖5b表示采掘機(jī)7進(jìn)行第一道次后的狀態(tài)。這里可以看出，長(zhǎng)壁開采工作面3的外形與軌道19的外形相同。
圖5c表示通過(guò)適當(dāng)移動(dòng)采掘機(jī)7后面不同位置的軌道19，將軌道19的外形調(diào)節(jié)到所需的形狀，在這種情況下是直線。通過(guò)知道采掘機(jī)7在軌道19不同位置處的坐標(biāo)位置，可以假定所需的軌道19的外形，以及長(zhǎng)壁開采工作面3相應(yīng)的外形。這是因?yàn)檐壍莱休d著采掘機(jī)，采掘機(jī)的坐標(biāo)位置直接與此位置的軌道位置相關(guān)。這樣，坐標(biāo)位置是從采掘機(jī)固定點(diǎn)優(yōu)選確定的，軌道的當(dāng)前位置與固定點(diǎn)相關(guān)。在一個(gè)變化中，可以使用直接裝在軌道上而不在可移動(dòng)的采掘機(jī)上的坐標(biāo)確定裝置確定坐標(biāo)位置。這些位置可以與動(dòng)力頂支撐裝置連接軌道19的位置準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，或者可以存在很多中間位置。換句話說(shuō)，沿軌道19確定采掘機(jī)7坐標(biāo)位置的位置數(shù)量可以遠(yuǎn)大于動(dòng)力頂支撐裝置的數(shù)量。因此，當(dāng)采掘機(jī)7橫過(guò)軌道19并且剪切頭9切入礦層1時(shí)，長(zhǎng)壁開采工作面3重復(fù)軌道19的外形。換句話說(shuō)，從軌道19到煤層開采工作面3的距離沿著礦層1是等距離。因?yàn)檐壍?9的位置根據(jù)不同位置處的坐標(biāo)位置是已知的，就可以計(jì)算向前移動(dòng)軌道19所需的移動(dòng)，用于將軌道19放在預(yù)定所需外形的位置。通常，這個(gè)所需的外形是直線。還假定使軌道達(dá)到預(yù)定的所需外形，每臺(tái)頂支撐裝置向前移動(dòng)的距離是頂支撐裝置沒(méi)有任何滑動(dòng)時(shí)所需的距離。實(shí)際上，一些滑動(dòng)可以出現(xiàn)，但是，系統(tǒng)總是能確定處于不同位置的采掘機(jī)的當(dāng)前位置(即軌道19)，從而對(duì)達(dá)到預(yù)定所需外形所需的移動(dòng)距離的任何計(jì)算總是基于當(dāng)前位置，而不是預(yù)計(jì)的位置。這樣，使用本發(fā)明的技術(shù)，經(jīng)過(guò)很多道次后軌道19出現(xiàn)不希望的曲線或蛇狀路線的問(wèn)題能降低到最低程度。并且，不需要在很多道次后停止采掘機(jī)7校直軌道19；而在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，當(dāng)軌道的外形需要與所需外形相同或者與所需外形近似時(shí)，這就是一個(gè)問(wèn)題。另外，由于可以將軌道19移動(dòng)到預(yù)定的所需外形，所以系統(tǒng)可以做出小的調(diào)節(jié)，以傾斜方式向上或向下移動(dòng)整個(gè)軌道19和采掘機(jī)7，使軌道19相對(duì)煤層開采工作面3傾斜，補(bǔ)償從礦層1的一側(cè)到另一側(cè)采掘機(jī)7和軌道19的任何逐漸滑動(dòng)，在機(jī)器開采圖1所示的顯著向上傾斜的礦層1時(shí)，特別是當(dāng)?shù)V層右手側(cè)相對(duì)左手側(cè)傾斜或者左手側(cè)相對(duì)于右手側(cè)傾斜時(shí)，這種滑動(dòng)的情況將會(huì)產(chǎn)生。
在圖5a中，在開始開采之前首先確定機(jī)器的二維坐標(biāo)位置。這通常是機(jī)器的北向和東向坐標(biāo)位置。這為機(jī)器設(shè)定了一個(gè)數(shù)據(jù)。上述簡(jiǎn)單系統(tǒng)能確定第一道次中軌道19的外形。在此過(guò)程中，長(zhǎng)壁開采工作面3重復(fù)軌道19的外形，如圖5b所示。在下一道次中，軌道19能移動(dòng)到預(yù)定的所需外形。如前所述，這個(gè)所需的外形通常是直線，但也可以是任何其它所需的外形。
也可以在幾個(gè)道次和相應(yīng)的軌道移動(dòng)中達(dá)到所需的外形，因?yàn)轫斨窝b置23每次移動(dòng)時(shí)移動(dòng)的能力有限。
圖5d表示軌道19的外形(與圖5a中的相似)。圖5d也示出了沿著軌道19的長(zhǎng)度測(cè)量坐標(biāo)時(shí)的多個(gè)位置X1X2X3...Xn。
圖5e表示軌道19所需的外形19’以及相應(yīng)的多個(gè)位置Y1Y2Y3...Yn，其位置間隔與圖5d中X1X2等的相同。假設(shè)兩個(gè)相鄰位置間的距離差為ΔX和ΔY，則ΔX和ΔY都為常數(shù)。接著，在由向量X1X2X3X4...Xn表示的位置處，機(jī)器的進(jìn)向能確定這些位置處的坐標(biāo)，如下所示Xn＝Xn-1+ΔX∠θn式中ΔX∠θn是以極坐標(biāo)形式表示的向量，其大小為ΔX，角度為θn，其中θn是一個(gè)合適的常數(shù)，表示機(jī)器通過(guò)位置Xn-1和Xn之間的實(shí)際路徑的進(jìn)向值。優(yōu)選地，坐標(biāo)確定為東向和北向。接著，確定位移A1A2A3...An的長(zhǎng)度，移動(dòng)軌道19到所需的位置，從而達(dá)到所需的外形。這表示在圖5f和5g中。
在任何給定點(diǎn)可用下式表示AnAn＝|Yn-Xn|式中|X|表示向量X的大小。
接著將上述簡(jiǎn)單系統(tǒng)擴(kuò)展到3維坐標(biāo)系統(tǒng)，確定機(jī)器7在每個(gè)不同位置X1X2X3...Xn的的高度。這樣，在此系統(tǒng)中，優(yōu)選地用北向、東向和高度確定了坐標(biāo)并定義了機(jī)器(和軌道19)的位置，每個(gè)位置向量Xn都是三維的。通過(guò)獲知每個(gè)位置X1X2X3...Xn的三維坐標(biāo)，就可以存儲(chǔ)煤層的三維外形。
參看圖6，圖6是圖5a-5c中所示的采掘機(jī)實(shí)例的側(cè)視圖，采掘機(jī)7的位置在三維坐標(biāo)中確定，并由此確定軌道19的位置。剪切頭9裝在可擺動(dòng)臂21上并且也確定剪切頭9移動(dòng)的上/下限。這樣，當(dāng)采掘機(jī)7在軌道19上移動(dòng)時(shí)，剪切頭9在臂21上在上下限之間擺動(dòng)并且將與上/下擺動(dòng)程度有關(guān)的每個(gè)位置X1X2X3...Xn或其它位置的信息記錄下來(lái)。此信息的記錄使礦層1上限或下限的外形或者二者同時(shí)被存儲(chǔ)下來(lái)。這些在采掘機(jī)7的隨后道次中用于預(yù)測(cè)剪切頭9上下移動(dòng)的范圍，用以開采特定的礦層1。
除了存儲(chǔ)沿軌道在一系列的從一側(cè)到另一側(cè)的道次中的所有位置或選定位置的坐標(biāo)外，也存儲(chǔ)礦層自身的外形。
在本發(fā)明的實(shí)例中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用于確定三維空間的位置和方向。優(yōu)選地，每個(gè)三維空間的位置基于X、Y和Z坐標(biāo)。通常陀螺儀用于測(cè)量每個(gè)三維坐標(biāo)的角速度。陀螺儀可以與測(cè)量相同坐標(biāo)系空間三維加速度(線性)的加速度計(jì)一起使用。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性能通過(guò)并入的系統(tǒng)線性位移的信息進(jìn)一步提高，系統(tǒng)的線性位移可以從裝在采掘機(jī)上的計(jì)程儀獲得。接著處理每個(gè)位置處的信號(hào)，算出線性位置和旋轉(zhuǎn)角度。這就能唯一確定機(jī)器7和軌道在空間中的精確位置。也可以確定機(jī)器7的姿態(tài)以及軌道19的相應(yīng)位置，所述的姿態(tài)表示機(jī)器7的方位、傾斜和擺動(dòng)。
這樣，當(dāng)按照上述過(guò)程通過(guò)三維定位裝置完成位置的精確確定時(shí)，接著請(qǐng)求處理裝置確定軌道19和剪切頭9所需移動(dòng)的距離。在典型的實(shí)例中，X方向所需的移動(dòng)，即橫過(guò)礦層1從一側(cè)到另一側(cè)，由裝在采掘機(jī)7上的線性橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制。Y方向(垂直)所需的移動(dòng)僅能通過(guò)調(diào)節(jié)剪切頭的下限控制。下限是底面，是軌道隨后達(dá)到的位置，因此這在Y方向上確定了軌道外形。上限的重要性僅在于最大的開采量方面。
下限的確定可以通過(guò)不同方法實(shí)現(xiàn)，例如電機(jī)扭矩、伽瑪探測(cè)、模擬切削、視覺(jué)參照等等。在這一方面，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可用于提高這些技術(shù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和綜合效率。一旦確定了下限，在機(jī)器7隨后的一側(cè)到另一側(cè)的道次中，適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)裝置，例如液壓電機(jī)，可用于擺動(dòng)臂21，從而剪切頭9在每個(gè)道次中從礦層1上切削所有可能相關(guān)的物質(zhì)，而不過(guò)度地開采地層11或13。Z方向移動(dòng)的測(cè)量，即開采前進(jìn)的方向，由慣性移動(dòng)傳感器測(cè)量。這樣，已知采掘機(jī)7所需的三維絕對(duì)位置并已知沿軌道19的移動(dòng)距離以及Y方向上礦層的上下限后，處理裝置就能根據(jù)這些位置信號(hào)相對(duì)軌道19適當(dāng)?shù)匾苿?dòng)采掘機(jī)7，相對(duì)采掘機(jī)7適當(dāng)移動(dòng)剪切頭9，從而達(dá)到精確控制采礦過(guò)程。進(jìn)一步講，一旦對(duì)于特定的頂支撐裝置23獲知機(jī)器7的精確位置和軌道19的位移，頂支撐裝置23接著根據(jù)當(dāng)前的坐標(biāo)位置能向前前進(jìn)確定的距離，從而每個(gè)頂支撐裝置23在采掘機(jī)沿軌道19完成一道次時(shí)排成直線。換句話說(shuō)，處理裝置能定位軌道19，使其穿過(guò)礦層1基本成直線，并且處理裝置也能控制剪切頭9的定位，使開采達(dá)到最大。另外，處理裝置能使每個(gè)頂支撐裝置23移動(dòng)，使其基本排成直線，與軌道19基本平行。
這樣，處理裝置可提供輸出信號(hào)，使軌道向前移動(dòng)到預(yù)選的絕對(duì)位置。另外，可以提供頂支撐裝置23的輸出信號(hào)，使采掘機(jī)按照預(yù)選的絕對(duì)測(cè)量進(jìn)向或相對(duì)于剪切頭的角度切削，因此它們按照預(yù)選的絕對(duì)測(cè)量進(jìn)向或相對(duì)于軌道向礦層前進(jìn)的角度切削。
在此實(shí)例的修改中，處理裝置可包括存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)與位置確定裝置提供的電信號(hào)相關(guān)的信息，其中位置確定裝置位于機(jī)器7道次長(zhǎng)度方向上的不同點(diǎn)處。這樣，處理裝置可使用這些信息作為數(shù)據(jù)用于計(jì)算所需的軌道移動(dòng)。
在本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的實(shí)施例中，確定裝置提供每個(gè)X、Y和Z平面的信號(hào)，并在剪切頭9沿軌道7移動(dòng)的每個(gè)道次中存儲(chǔ)位置的曲線，從而在隨后的道次中剪切頭位置控制裝置(液壓電機(jī)或之類的裝置)能控制剪切頭9上下移動(dòng)定位，使剪切頭9在最后的道次中越過(guò)相似的曲線，但剪切深度由軌道向前的位置確定。這使得對(duì)剪切頭9在任何下一道次可能的或預(yù)期的位置可以做出預(yù)測(cè)，從而剪切頭9能跟蹤預(yù)先發(fā)現(xiàn)的礦層1的褶皺或彎曲。雖然每一道次出現(xiàn)的外形很可能改變，但對(duì)于下一次切削或隨后連續(xù)切削中能預(yù)測(cè)這種改變。從而與公知的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相比，達(dá)到更嚴(yán)格地控制采礦過(guò)程。
上述位置確定裝置僅是可以使用的典型位置確定裝置的一個(gè)示例，不能認(rèn)為是限定性的。
圖7是電路的框圖，表示使用三維定位裝置處理的電子部分功能元件。在此實(shí)施方式中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用于確定采掘機(jī)7的位置。計(jì)程儀用作簡(jiǎn)單裝置測(cè)量采掘機(jī)7在軌道19上的移動(dòng)的距離，并用于穩(wěn)定和提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。這可以沿煤層開采工作面3確定采掘機(jī)7的位置，即確定位置X1X2X3...Xn。
接著將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和計(jì)程儀的輸出信號(hào)傳送到采掘機(jī)7上的數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元處理輸入的信號(hào)，將之存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并且當(dāng)需要計(jì)算軌道19移動(dòng)的距離時(shí)將之取出用于隨后的處理。
接著將采掘機(jī)7上的數(shù)據(jù)處理單元的距離輸出傳送到固定在采掘機(jī)7之外位置上的數(shù)據(jù)處理單元，從而獨(dú)立于采掘機(jī)7處理器之外，能處理頂支撐裝置23移動(dòng)所需的信號(hào)。接著將電信號(hào)輸出到與每個(gè)頂支撐裝置23相連的移動(dòng)裝置25，從而移動(dòng)軌道19，隨后移動(dòng)頂支撐裝置23。將支撐礦層1之上的頂和地層13的頂支撐裝置23有效移動(dòng)的單個(gè)控制電路適當(dāng)?shù)剡B接在此數(shù)據(jù)處理裝置中。
圖8表示系統(tǒng)處理步驟的功能流程圖?？梢钥闯?，數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)自慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和計(jì)程儀，并且這些數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到坐標(biāo)處理模塊。此模塊確定沿軌道19不同位置X1X2X3...Xn處的坐標(biāo)并將這些信息存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器。除了上面提到的以外，剪切頭9的上下移動(dòng)也存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。當(dāng)采掘機(jī)7沿軌道19前進(jìn)時(shí)，軌道19的導(dǎo)軌部分向前移向礦層。接著另外的軟件模塊從存儲(chǔ)器取出將要移動(dòng)的所需頂支撐裝置23的坐標(biāo)并確定向前移動(dòng)的距離。接著將這些信息傳送到機(jī)器7的外部處理器，從而在采掘機(jī)7處理器的外部指揮頂支撐裝置23的移動(dòng)。
圖9是一個(gè)軟件流程圖，表示開采過(guò)程中從長(zhǎng)壁開采過(guò)程的開始到長(zhǎng)壁開采過(guò)程結(jié)束的軟件流程。僅僅除了功能“退出鍵按下了嗎”外，此過(guò)程的步驟是自解釋的。這個(gè)功能是用于確定已經(jīng)按下采掘機(jī)上的停止按鈕(退出鍵)，從而中止開采過(guò)程。
雖然結(jié)合采煤的長(zhǎng)壁采掘機(jī)描述了優(yōu)選實(shí)施例的采掘機(jī)，但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的原理可應(yīng)用于其它采礦應(yīng)用，并不限于長(zhǎng)壁開采本身或者采煤本身。
優(yōu)選實(shí)施例中所示的長(zhǎng)壁開采過(guò)程在工業(yè)在稱為雙向(Bi-di)。其它方式也稱為單向(Uni-di)和半網(wǎng)(Half-web)。毋庸置疑，將來(lái)能開發(fā)出其它方式。本發(fā)明可以被所有這些方式廣泛采用，而不認(rèn)為僅可應(yīng)用于雙向(Bi-di)模式。這樣，無(wú)論采用何種方式，本發(fā)明可應(yīng)用于將軌道移動(dòng)為礦山可利用空間中的所需幾何形狀。并且，雖然在描述中軌道基本從礦層的一側(cè)延伸到另一側(cè)，但軌道可以僅在礦層的一部分通道中延伸，并且在開采的隨后階段中移動(dòng)到礦層寬度的不同部分。所有這些修改都在本發(fā)明的范圍以及所附權(quán)利要求的限制內(nèi)。
對(duì)于在采礦和/或電子/液壓電路控制技術(shù)方面熟知的人員來(lái)說(shuō)，對(duì)本發(fā)明的修改是顯而易見的。在不偏離本發(fā)明界限的情況下可以做出這些和其它的修改，其本質(zhì)由前面的描述所確定。
權(quán)利要求
1.一種采掘機(jī)，具有裝在可移動(dòng)小車上的剪切頭，當(dāng)所述可移動(dòng)小車在軌道上從所述礦層開采工作面的一側(cè)到另一側(cè)橫向移動(dòng)時(shí)，所述剪切頭用于從礦層中開采產(chǎn)品，所述軌道橫過(guò)礦層從一側(cè)延伸到另一側(cè)，坐標(biāo)位置確定裝置，用于確定在沿軌道長(zhǎng)度方向的多個(gè)位置中每個(gè)位置的軌道坐標(biāo)位置，多個(gè)位置中每個(gè)位置的坐標(biāo)位置至少是二維坐標(biāo)位置信息，所述裝置用于提供代表這些信息的數(shù)據(jù)信號(hào)，連接的處理裝置，用于接收代表二維坐標(biāo)位置信息的數(shù)據(jù)信號(hào)，并產(chǎn)生其處理后的輸出信號(hào)，應(yīng)用于控制與所述機(jī)器相連的軌道移動(dòng)裝置，因此所述軌道移動(dòng)裝置根據(jù)當(dāng)前軌道導(dǎo)軌部分的坐標(biāo)位置將所述軌道導(dǎo)軌部分向著所述礦層移動(dòng)一段距離，移動(dòng)到下一道次預(yù)定外形的坐標(biāo)位置，所述處理裝置操作沿軌道長(zhǎng)度方向不同位置處的所述軌道移動(dòng)裝置，從而在所述可移動(dòng)小車的下一道次，所述剪切頭能夠切削出預(yù)定的外形。
2.權(quán)利要求1所述的采掘機(jī)，其特征在于預(yù)定的外形是基本水平延伸平面中的直線。
3.如權(quán)利要求1所述的采掘機(jī)，其特征在于所述處理裝置包括存儲(chǔ)器裝置，用于存儲(chǔ)所述坐標(biāo)位置確定裝置提供的在所述多個(gè)位置中每一個(gè)位置的二維坐標(biāo)電數(shù)據(jù)信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的采掘機(jī)，其特征在于所述處理裝置應(yīng)用所述數(shù)據(jù)信號(hào)計(jì)算軌道在不同位置所要求的移動(dòng)距離。
5.如權(quán)利要求1所述的采掘機(jī)，其特征在于所述坐標(biāo)位置確定裝置提供X、Y和Z平面中每個(gè)平面的三維坐標(biāo)位置信號(hào)。
6.如權(quán)利要求1所述的采掘機(jī)，其特征在于所述處理裝置存儲(chǔ)剪切頭在沿軌道位置上的上或下位置的水平外形或者同時(shí)存儲(chǔ)上下位置的水平外形，從而在下一道次，剪切頭位置控制裝置能預(yù)先控制所述剪切頭移動(dòng)到位，使所述剪切頭越過(guò)前一道次確定的預(yù)定水平外形，由此剪切頭能移動(dòng)到礦層預(yù)定的褶皺或彎曲。
7.如權(quán)利要求1所述的采掘機(jī)，其特征在于所述軌道移動(dòng)裝置是一系列獨(dú)立的可移動(dòng)裝置，在所述軌道長(zhǎng)度方向上互相間隔開，其特征在于每個(gè)可移動(dòng)裝置的一端連接到各個(gè)礦頂支撐裝置，在支撐礦頂時(shí)每個(gè)頂支撐裝置為每個(gè)移動(dòng)裝置的一端提供固定位置，并且其特征在于所述移動(dòng)裝置的另一端連接到所述軌道，從而當(dāng)所述移動(dòng)裝置的另一端離開所述頂支撐裝置時(shí)，軌道能朝所述礦層向前移動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的采掘機(jī)，其特征在于每個(gè)所述移動(dòng)裝置是獨(dú)立可移動(dòng)的，因此當(dāng)所述移動(dòng)裝置向前移動(dòng)所述軌道，以及各個(gè)礦頂支撐裝置從支撐所述礦頂松開時(shí)，所述移動(dòng)裝置朝所述軌道向前移動(dòng)各個(gè)頂支撐裝置，其特征在于所述軌道接著為每個(gè)移動(dòng)裝置的另一端提供固定位置。
9.如權(quán)利要求1所述的采掘機(jī)，其特征在于所述處理裝置確定所述頂支撐裝置向前移動(dòng)的數(shù)量，從而所述采掘機(jī)沿所述軌道結(jié)束一個(gè)道次時(shí)，越過(guò)礦層是一面基本直線的壁，因此所有頂支撐裝置隨后排成直線，所述直線基本平行于所述軌道。
10.如權(quán)利要求1所述的采掘機(jī)，其特征在于所述坐標(biāo)位置確定裝置裝在所述采掘機(jī)的一個(gè)固定點(diǎn)上，軌道的當(dāng)前位置與此固定點(diǎn)的位置有關(guān)。
11.一種控制采掘機(jī)的方法，所述采掘機(jī)具有載有剪切頭的可移動(dòng)小車，使所述剪切頭能切削出預(yù)定的外形，所述方法包括將所述小車安裝到軌道上，使所述小車能從開采礦層的一側(cè)橫越到另一側(cè)，隨著所述機(jī)器從礦層一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，將在軌道上多個(gè)位置中每個(gè)位置的所述軌道的二維坐標(biāo)位置的位置信號(hào)提供給處理裝置，處理所述位置信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)用于控制軌道移動(dòng)裝置，根據(jù)軌道當(dāng)前坐標(biāo)位置，操作所述軌道移動(dòng)裝置使所述軌道的導(dǎo)軌部分向著所述礦層向前移動(dòng)一段距離，操作沿軌道長(zhǎng)度的各個(gè)位置處的所述軌道移動(dòng)裝置使所述軌道能移動(dòng)到所述預(yù)定外形，從而在所述可移動(dòng)小車的下一道次，所述剪切頭能沿預(yù)定外形切削。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，包括存儲(chǔ)多個(gè)位置中每個(gè)位置坐標(biāo)的電數(shù)據(jù)信號(hào)。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，包括根據(jù)每個(gè)特定位置處軌道的坐標(biāo)位置，在處理裝置中計(jì)算軌道導(dǎo)軌部分位移所需的距離。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，包括以X、Y和Z平面中每個(gè)平面三維坐標(biāo)位置信號(hào)的形式提供所述位置信號(hào)。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，包括存儲(chǔ)剪切頭在沿軌道位置上的上或下位置的水平外形或者同時(shí)存儲(chǔ)上下位置的水平外形，以及在下一道次，預(yù)先控制所述剪切頭橫越過(guò)前一道次確定的預(yù)定水平外形，使剪切頭移動(dòng)到礦層預(yù)定的褶皺或彎曲。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于移動(dòng)所述軌道使在每一道次后越過(guò)礦層是一面基本直線的壁，并且軌道基本平行于所述直線壁。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，包括利用裝在所述采掘機(jī)固定點(diǎn)上的位置確定裝置確定坐標(biāo)位置。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，包括根據(jù)下面的關(guān)系式通過(guò)處理坐標(biāo)位置信號(hào)確定軌道的移動(dòng)距離“An”An＝|Yn-Xn|式中|Yn|＝移動(dòng)后，相對(duì)于原點(diǎn)，由位置坐標(biāo)描述的向量|Xn|＝移動(dòng)前，相對(duì)于原點(diǎn)，由位置坐標(biāo)描述的向量并且其特征在于Xn＝Xn-1+ΔX∠θn，并且其特征在于ΔX∠θn是以極坐標(biāo)形式表示的向量。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于存儲(chǔ)所述三維坐標(biāo)位置信號(hào)，用于獲得礦層的三維存儲(chǔ)外形。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，包括通過(guò)遠(yuǎn)離開所述機(jī)器的處理器處理所述位置信號(hào)，為所述軌道移動(dòng)裝置提供所述的輸出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種采掘機(jī)(7)，在橫越過(guò)開采物質(zhì)礦層的連續(xù)道次中從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)。機(jī)器(7)裝在軌道(19)上，軌道(19)的坐標(biāo)位置在沿軌道長(zhǎng)度方向的不同位置處檢測(cè)。接著軌道移動(dòng)裝置(25)將軌道(19)的導(dǎo)軌部分移動(dòng)到下一道次的新位置，移動(dòng)的距離根據(jù)前一次檢測(cè)的坐標(biāo)位置確定。通過(guò)獲知位置的坐標(biāo)，軌道(19)能移動(dòng)到預(yù)定所需的外形，從而在機(jī)器(7)的下一道次能達(dá)到所需的礦層開采工作面外形。優(yōu)選的外形是直線。剪切頭(9)上下移動(dòng)的坐標(biāo)也能檢測(cè)并存儲(chǔ)沿軌道的位置坐標(biāo)，用于提供被切削礦層的外形，從而能預(yù)測(cè)并相應(yīng)地移動(dòng)到下一道次剪切頭(9)的預(yù)定位置。還提供了體現(xiàn)上述的采礦方法。
文檔編號(hào)E21D23/14GK1396982SQ01804450
公開日2003年2月12日 申請(qǐng)日期2001年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月26日
發(fā)明者大衛(wèi)·查爾斯·里德, 大衛(wèi)·威廉·海恩斯沃 申請(qǐng)人:聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織