[發明專利]一種基于激光掃描的采煤工作面煤巖識別方法

有效

• 申請號: 202110777461.X
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113486817B
• 公開（公告）日: 2023-09-08
• 發明（設計）人: 司壘;王忠賓;譚超;閆海峰;劉新華;岳東;范智海;霍小泉;袁增云;雷鐵山;路根奎
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學;陜西陜煤煤銅川礦業有限公司
• 主分類號: G06V20/64
• 分類號: G06V20/64;G06V10/26;G06V10/762;G06N3/006
• 代理公司: 北京淮海知識產權代理事務所(普通合伙) 32205
• 代理人: 周淑淑

一種基于激光掃描的采煤工作面煤巖識別方法，獲取原始煤巖點云數據；用k?d樹法構建空間鄰域關系并用最小二乘法估計原始煤巖點云數據中各點的法向量和曲率值；用八叉樹法獲取K?Means聚類的初始聚類中心進行聚類；根據法向量和曲率值，提取每個聚類中的特征點；將所有特征點加入經過體素柵格精簡法初步精簡后的煤巖點云數據中；對精簡后的煤巖點云數據進行處理，獲取最佳強度閾值；從種子點選取準則和生長法則兩方面改進傳統區域生長算法，將滿足預設條件的點云數據分別聚集為煤、巖兩類，完成煤巖點云數據的分割，實現煤巖的精確識別。本發明能夠解決由于工作面煤塵大、光線暗、噪聲多等惡劣環境導致的煤巖識別精度不高的問題。

技術領域

本發明涉及一種煤巖識別方法，具體是一種基于激光掃描的采煤工作面煤巖識別方法，屬于煤巖識別技術領域。

背景技術

煤巖識別是煤炭開采領域中的世界性難題，是采煤機實現智能化的關鍵技術，是制約綜采工作面“無人化”或“少人化”發展的關鍵因素。在煤巖識別方法研究中，國內外學者主要以放射性射線探測法、振動探測法和圖像探測法等為主。但由于工作面煤巖性狀特征復雜多變，且煤塵大、光線暗、噪聲多，導致上述方法實際應用效果并不理想。因此，迫切需要提供新的技術和方法來解決綜采工作面的煤巖精準識別問題。

由于煤和巖的特性不同，在采煤機的滾筒截割過后，煤巖表面會留下不同的截割痕跡，煤質地較脆，截割過后，容易崩裂，而巖石質地堅硬，不易出現崩裂現象，且煤、巖對激光的反射強度不同；中國發明專利2014年11月5日公開的一種公開號為CN104134074B的“一種基于激光掃描的煤巖識別方法”，其是通過激光掃描來獲取煤巖特性，對煤巖特性進行預處理，建立特征數據庫，在現實生產中測量出未知煤或者巖石對象處于某一距離或者不同距離下對于激光的反射率，獲得實際煤或者巖石的特征數據庫，然后與煤樣品或者巖石樣品的特征數據庫進行計算判別，從而實現煤巖識別；其需要建立標準特征數據，并將掃描數據與標準特征數據進行比較后得出煤巖類型，但是實時掃描數據會受煤礦下各種環境數據的影響，導致實時掃描數據精度低，誤差較大，最后導致煤巖識別有誤，精確率不高。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于激光掃描的采煤工作面煤巖識別方法，能夠解決由于工作面煤塵大、光線暗、噪聲多等惡劣環境導致的煤巖識別精度不高的問題，進而為采煤機的智能控制提供技術支撐。

為了實現上述目的，本發明提供一種基于激光掃描的采煤工作面煤巖識別方法，包括以下步驟：

步驟1：利用安裝在采煤機機身上的激光掃描儀探測采煤機前滾筒截割后的煤巖表面，獲取原始煤巖截割表面點云數據，簡稱原始煤巖點云數據；

步驟2：利用k-d樹法構建空間鄰域關系并利用最小二乘法估計原始煤巖點云數據中各點的法向量和曲率值；同時，利用八叉樹法獲取K-Means聚類的初始聚類中心，進行聚類；根據法向量和曲率值，提取每個聚類中的特征點；將所有特征點加入經過體素柵格精簡法初步精簡后的煤巖點云數據中，實現煤巖截割表面點云數據的精簡；

步驟3：采用改進的二維大律法對精簡后的煤巖點云數據進行處理，獲取煤巖點云數據的最佳強度閾值I₀；從種子點選取準則和生長法則兩方面改進傳統區域生長算法，將滿足預設條件的煤巖點云數據分別聚集為煤、巖兩類，完成煤巖點云數據的分割，實現煤巖的精確識別。

本發明步驟2中利用k-d樹法構建空間鄰域關系的步驟如下：

步驟2.1：首先，在原始煤巖點云數據中構建k-d樹，利用公式(1)計算出原始煤巖點云數據在空間坐標系X軸、Y軸和Z軸上的方差和根據三軸上方差值的大小，選擇方差值最大的坐標軸維度作為切分依據；

式中：N為原始煤巖點云數據個數；

x_i、y_i、z_i分別為第i個原始煤巖點云數據的x坐標、y坐標和z坐標的值；