（1）提出了综放支架空间运动姿态感知方法。通过建立综放支架空间姿态数学模型求解得到各部件相对空间姿态，明确了综放支架各部件运动耦合关系；在此基础上进一步引入了工作面底板、顶煤倾角，建立工作面全局感知模型求解得到了综放支架绝对空间位姿数据，实现了综放支架多维度空间姿态动态感知。
（2）量化分析了综放支架主动控顶空间及立柱对支架姿态的调控范围。通过计算综放支架对顶煤的主动触支空间，明确了综放支架主动控顶范围，进行了综放支架主动触顶空间姿态调控研究，明确了通过立柱对各部件姿态主动调控的有效驱动行程。
（3）搭建了综放支架姿态数据采集系统，实时采集了支架运动过程中真实空间姿态参数数据，通过井上、井下分别展开试验采集支架姿态数据，对比发现理论姿态数据与传感器数据重合率达98.26%，验证了所提出支架姿态求解方法的正确性与可行性。
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基于运动姿态感知的综放支架主动控顶空间研究
我国资源赋存具有典型的多煤、少油、贫气特征，煤炭是我国重要的基础能源和工业原料，保障煤炭工业高质量发展对我国能源安全和经济稳定具有重要支撑作用。在我国丰富的煤层资源赋存中，厚煤层约占40%以上，如何安全、高效、智能地实施厚煤层开采是我国煤炭行业需长期探索的重大难题。国家能源局在2023年颁布了《关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》，以期科学有序地推进煤矿智能化建设进程。
目前我国针对厚煤层开采主要有分层开采、综放开采及大采高一次采全厚等方式，其中综放开采方法因其前期投入少、回报率高等优势，是我国厚及特厚煤层开采主流解决方案之一。由于综放开采天然条件限制，顶煤通常在顶板压力、重力及支架反复支撑载荷联合作用下自然垮落，这一过程可控性差且较坚硬煤层难以及时破碎（冒放性差），因此为提升综放开采智能化水平，亟需提出主动扰控顶煤的方法，以提高综放开采顶煤冒放行为的可控性。综放支架是综放开采技术的核心支护装备，一方面其需要支护采场顶板，维护工作面安全作业空间；另一方面其主动支撑−触碰顶煤，直接影响顶煤碎落进程。随综放支架触顶区域、触顶姿态、触顶速度变化，其会对顶煤形成不同的扰动效果，因此通过研究限定空间条件下综放支架对顶煤的扰动机制，可有助于综放支架主动引导顶煤有序放落，提高综放工作面开采效率。基于此，笔者提出综放支架空间支护姿态动态感知方法，以期实现对综放支架姿态的实时感知以及明确支架对顶煤的主动调控空间，从而为综放支架智能、主动调控顶板提供理论支撑，以保障综放工作面的安全、高效生产。
为明确综放支架有效控顶区域，必须研究综放支架各部件的空间姿态。鉴于综放支架运行姿态对其智能化管控具有重要意义，国内外众多专家学者针对支架位姿监测在参数解析、视觉感知、虚拟监测、多信号融合感知等领域开展了大量有益研究。在参数解析领域，庞义辉等基于液压支架骨架模型，提出了基于千斤顶行程驱动的液压支架姿态与高度解析方法。路绪良等提出一种液压支架逆向运动学分析方法，并采用粒子群算法求解出液压支架各驱动部件运动轨迹。柳华杰等利用传感器获取立柱位移参数，并通过GA-Broyden算法求解液压支架姿态来驱动虚拟样机模型，实时显示液压支架运动状态。王国法等基于支架与围岩的强度、刚度以及稳定性耦合关系，提出以支架围岩适应性综合评价指数为核心的评价模型。杜毅博研究了快速获取液压支架支护状态及模糊综合评价方法，确定评价关键参数，建立了模糊综合评价模型。ZHANG等建立了液压支架自主跟机模型，求解支架支护位姿和推移位姿，并基于BP神经网络实现了支架位姿空间向驱动空间的转换。陈冬方等提出了一种基于液压支架倾角的采煤高度测量方法，通过改变倾角传感器的安装位置以及使用卡尔曼滤波方法提高了测量精度。LIANG等建立了两柱掩护式液压支架姿态监测系统，通过设计光纤布拉格光栅倾角传感器，获得了液压支架生产过程中的动态姿态。YANG等提出了一种“动态复位”的液压支架姿态和直线度监测方法，通过激光雷达测量液压支架相对于检测机器人的位姿。在视觉感知领域，WANG等用3台RGB-D相机获取液压支架群不同角度的点云数据，使用SAC-IA与ICP相结合的方法计算单个液压支架的姿态。任怀伟等通过在液压支架顶梁上安装深度相机，利用视觉和图像处理技术获得液压支架的实时支撑高度和顶梁姿态角。张旭辉等在液压支架上安装红外LED标识板并利用安装在采煤机上的防爆相机进行图像采集，通过解算获得支架底座姿态。CHEN等提出基于视觉的液压支架位移和姿态角检测方法，通过双目摄像机对支架进行图像采集与立体校正，以获取液压支架姿态。在虚拟监测领域，XIE等提出在虚拟现实环境下对液压支架姿态进行感知和预测，通过模型预测数据与传感器实测数据相对比确定液压支架运行状态。李娟莉等提出分布式液压支架群虚拟监测方法，实时进行驱动数据的运算和传输，增加了系统的稳定性和计算效率。韩哲等提出了一种基于LoRaWAN液压支架状态监测系统，提高了现有监测系统的稳定性和抗干扰能力。王学文等基于VR和AR技术融合，搭建了综采工作面智能监控体系，实现综采装备识别跟踪、虚实融合等功能。谢嘉成等运用虚拟运动仿真方法研究了销轴间隙对于液压支架横向稳定性的影响，并为含间隙液压支架位姿求解提供了参考。在多信号融合感知领域，CHEN等提出了基于超声波传感器与倾角传感器融合的液压支架姿态监测方法，并搭建实验台实现了液压支架姿态的监测。赵校朋等采用多传感器数据融合技术，实时监控液压支架运行状态，实现了支架的故障自诊断和自适应控制。LU等基于陀螺仪、加速度传感器、磁强计等内置传感器的的互补特点设计了一套微机电惯性导航系统组成的液压支架姿态测量系统。张坤等提出一种基于超声波测距传感器和九轴姿态传感器信息融合的超前液压支架组姿态感知方法，实现了对超前液压支架组空间姿态的动态融合感知。
上述学者通过在液压支架不同位置布置角度传感器、行程传感器、超声波传感器、深度相机等智能感知装置，研究了液压支架的位姿求解与支护状态感知方法，为液压支架姿态智能感知提供了大量有益借鉴，但现有研究基本未定量分析综放支架空间位姿的实时变化以及支架对顶煤的有效触支空间。基于此，笔者提出综放支架空间姿态动态感知方法研究，通过求解支架在综放工作面的绝对位姿，分析支架的触顶空间和支护空间，并探究支架对顶煤的主动调控机理，明确支架的有效调控驱动行程。
图 1 综放支架与围岩空间位置关系
图 2 综放支架连杆坐标系
图 3 综放工作面全局坐标系
图 4 “本体”−“全局”坐标系转换关系
图 5 综放支架杆系结构
图 6 各部件几何约束角度随前、后排立柱长度变化情况
图 7 各相对转角随立柱及尾梁千斤顶长度变化图
图 8 顶梁前端点M工作空间点云图
图 9 尾梁末端点Q工作空间点云图
图 10 各关键部件倾角随前排立柱驱动变化
图 11 各关键部件倾角随后排立柱驱动变化图
图 12 数据采集系统各部件图
图 13 综放支架位姿检测试验系统
图 14 综放支架下降−上升过程中各部件姿态变化
图 15 解算数据与传感器数据对比
曾庆良，男，汉族，1965年1月生，山东高密人，二级教授，博士生导师。教育部创新团队带头人、山东煤炭安全高效开采技术与装备协同创新中心负责人。百千万人才工程国家级人选，享受国务院政府特殊津贴，国家有突出贡献中青年专家，山东省泰山学者攀登计划专家，山东省有突出贡献的中青年专家。
研究方向
智能开采技术与装备、智能综放开采技术、液压传动与控制
主要成果
在《煤炭学报》、《煤炭科学技术》、Int. J. Mech. Sci.、Eng. Fail. Anal.、P. I. Mech. Eng. K-J. Mul.、Int. J. Simul. Model. 等国内外学术期刊发表论文150余篇，其中SCI、EI收录60余篇；作为第一发明人，取得国际和国内发明专利20余项。作为第一完成人，获得国家科技进步二等奖1项，山东省科技进步一等奖1项、二等奖2项，中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖1项、中国机械工业联合会科学技术二等奖1项。先后主持国家科技支撑计划、国家863计划、国家自然科学基金联合基金重点项目/面上项目、山东省科技发展计划重大课题、山东省杰出青年基金及企业合作等60余项课题的研究工作。
来源：
曾庆良，雷小万，孟昭胜，等. 基于运动姿态感知的综放支架主动控顶空间研究[J]. 煤炭学报，2025，50(1)：645−660.
ZENG Qingliang，LEI Xiaowan，MENG Zhaosheng，et al. Research on active roof control space of fully mechanized caving support based on motion posture perception[J]. Journal of China Coal Society，2025，50(1)：645−660.
策划丨郭晓炜
责编丨宫在芹
编辑丨李莎
审核丨郭晓炜
煤科总院出版传媒集团成立于2015年，拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。
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