gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2022-09-22gscience-395Research ArticleMINERAL RESOURCES EXPLOITATIONРАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХMeasurement of feeder performance during coal discharge from an underroof seam using machine visionИзмерение производительности питателя при выпуске угля из подкровельной толщи на основе технологии машинного зренияhttps://orcid.org/0000-0001-8752-1332НикитенкоМ. С.NikitenkoM. S.

Михаил Сергеевич Никитенко – кандидат технических наук, заведующий лабораторией

Scopus ID 55748886500

ResearcherID E-3893-2014

г. Кемерово

Mikhail S. Nikitenko – Cand. Sci. (Eng.), Head of Laboratory

Scopus ID 55748886500

ResearcherID E-3893-2014

Kemerovo

ltd.mseng@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-2554-1383КизиловС. А.KizilovS. A.

Сергей Александрович Кизилов – научный сотрудник

Scopus ID 57203142801

г. Кемерово

Sergey A. Kizilov – Researcher

Scopus ID 57203142801

Kemerovo

sergkizilov@gmail.comЗахаровЮ. Н.ZakharovYu. N.

Юрий Николаевич Захаров – доктор физико-математических наук, профессор

Scopus ID 56825350700

г. Кемерово

Yuri N. Zakharov – Dr. Sci. (Phys. and Math.), Professor

Scopus ID 56825350700

Kemerovo

zaxarovyn@yandex.ruХудоноговД. Ю.KhudonogovD. Yu.

Данила Юрьевич Худоногов – научный сотрудник

г. Кемерово

Danila Yu. Khudonogov – Researcher

Kemerovo

admolv@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8061-8684ИгнатоваА. Ю.IgnatovaA. Yu.

Алла Юрьевна Игнатова – кандидат биологических наук, доцент кафедры химической технологии твердого топлива и экологии

Scopus ID 6701747560

г. Кемерово

Alla Yu. Ignatova – Cand. Sci. (Biol.), Associate Professor of the Department of Chemical Technology of Solid Fuels and Ecology

Scopus ID 6701747560

Kemerovo

allaignatova@rambler.ruФедеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук (ФИЦ УУХ СО РАН)РоссияFederal Research Centre of Coal and Coal Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (FRC CCC SB RAS)Russian FederationКемеровский государственный университет (КемГУ)РоссияKemerovo State University (KemSU)Russian FederationКузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. ГорбачеваРоссияKuzbass State Technical University named after T.F. GorbachevRussian Federation20222612202274264–273Copyright © Nikitenko M.S., Kizilov S.A., Zakharov Y.N., Khudonogov D.Y., Ignatova A.Y., 20222022Никитенко М.С., Кизилов С.А., Захаров Ю.Н., Худоногов Д.Ю., Игнатова А.Ю.Nikitenko M.S., Kizilov S.A., Zakharov Y.N., Khudonogov D.Y., Ignatova A.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/395

The technology for extracting and discharging coal from an underroof seam uses the so-called gravitational extraction method in which coal is extracted and discharged from under the roof by gravity. Here, coal can be discharged onto the main conveyor (face conveyor, located in the supported area), central conveyor (rear conveyor in Western literature), and tail conveyor (discharge conveyor, located in the unsupported area). The most common facilities used currently are longwall sets of equipment providing discharge onto tail conveyors. The purpose of this study is to measure the performance of a motorised plate feeder supplying coal from the outlet port of a roof support to a conveyor during the extraction of thick seams with discharge onto the face conveyor. To achieve the goal, it is proposed to measure the coal volume using machine vision. Methods for calculating a unit volume in a measuring section using a three-dimensional model were investigated. Laboratory studies were carried out to estimate the relative errors of the methods. The research allowed properly defining: a method for collecting data to calculate the unit volume of coal; a method for calculating the unit volume in the measuring section; a method for calculating the feeder performance using machine vision, and approaches for physically simplifying the video scene examined by machine vision. A relative error of less than 10 % with the existing measurement accuracy for constructing a coal layer surface height map indicates the sufficiency of the proposed calculation method for engineering use. The developed mathematical apparatus for calculating the unit volume of coal at the measuring section and measuring the feeder performance allows creating algorithmic software using the elementary mathematical functions of addition, subtraction, multiplication, and division. This aspect is important because it lower sights for the software development environment, and therefore expands the range of hardware suitable for calculating the feeder performance.

Технология выпуска угля из подкровельной пачки использует так называемый гравитационный выпуск, когда уголь выпускается из-под кровли «самотеком» под действием силы тяжести. Выпуск при этом можно производить на главный конвейер (забойный – расположенный в закрепленном пространстве), центральный (в западной литературе – задний) и хвостовой (завальный – расположенный в незакрепленном пространстве). Наиболее распространенными на данный момент времени являются комплексы с выпуском на завальный конвейер. Целью исследования является измерение производительности механизированного пластинчатого питателя, подающего уголь от выпускного окна крепи на конвейер в технологии отработки мощных пластов с выпуском на забойный конвейер. Для достижения цели предлагается осуществлять измерение объема с применением технологии машинного зрения. Исследованы способы расчета единичного объема на измерительном участке на трехмерной модели. Проведены лабораторные исследования, в рамках которых оценены относительные погрешности.Исследования позволили формализовать: способ сбора данных для расчета единичного объема угля; методику расчета единичного объема на измерительном участке; способ расчета производительно- сти питателя на основе системы машинного зрения, а также подходы для физического упрощения сцены, исследуемой машинным зрением. Относительная погрешность менее 10 % при имеющейся точности измерений для построения карты высот говорит о достаточности для инженерного использования предложенного способа расчета. Разработанный математический аппарат для расчетов единичного объема угля на измерительном участке и измерения производительности питателя позволяют создавать алгоритмическое обеспечение с использованием элементарных математических функций: сложение, вычитание, умножение и деление. Данный аспект важен, так как снижает планку требований к среде разработки программного обеспечения, а соответственно, расширяет номенклатуру аппаратных средств, пригодных для выполнения задач расчета производительности питателя.

горное делодобыча углялавный комплекспроизводительностьвыпуск углязабойный конвейеробъем горной массымашинное зрениераспознавание образовраспознавание видеоизображенийкарта высотminingcoal miningcoalfaceperformancecoal dischargeface conveyorrock mass volumemachine visionpattern recognitionvideo image recognitionheight mapРабота выполнена в рамках государственного задания ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук» проект FWEZ-2021-0017 «Разработка научных основ создания автономных и автоматизированных горных машин, оборудования, технических и управляющих систем на базе перспективных цифровых и роботизированных технологий» (рег. №121121000036-1) и грантов Минобрнауки России (Соглашения №075-15-2022-1199 и №075-15-2022-1190).This work was carried out within the framework of the government assignment for the Federal State Scientific Research Centre of Coal and Coal Chemistry, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences on the Project FWEZ-2021-0017 – “Development of Scientific Foundations for the Creation of Autonomous and Automated Mining Machinery, Equipment, and Technical and Control Systems Based on Advanced Digital and Robotic Technologies” (Reg. No. 121121000036-1) and grants of the Ministry of Education and Science of Russia (Agreement No. 075-15-2022-1199 and Agreement No. 075-15-2022-1190).ReferencesКлишин В. И., Анферов Б. А., Кузнецова Л. В. Направления совершенствования разработки мощных пластов с выпуском угля подкровельной толщи. В: Инновации в топливно-энергетическом комплексе и машиностроении (ТЭК-2017). Сборник трудов Международной научно-практической конференции. Кемерово: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева; 2017. С. 57–63.Klishin V. I., Afyorov B. A., Kuznetsova L. V. Areas of improving development of thick seams with drawing of the coal from under the roof strata. In: Innovations in Fuel and Energy Complex and Mechanical Engineering (FEC-2017). Proceedings of the International Scientific and Practical Conference. Kemerovo: T. F. Gorbachev State Technical University; 2017. Pp. 57–63. (In Russ.)Клишин В. И., Клишин С. В. Состояние и направление развития технологии разработки мощных угольных пластов механизированными крепями с выпуском. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019;(1):162–174.Klishin V. I., Klishin S. V. Current state and direction of development of thick coal seams exavation technology by powered roof supports with controlled coal discharge. Izvestija Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2019;(1):162–174. (In Russ.)Peng S. S. Longwall mining. 3rd edition. Leiden: CRC Press/Balkema; 2020. 562 p.Peng S. S. Longwall mining. 3rd edition. Leiden: CRC Press/Balkema; 2020. 562 p.Le T. D., Mitra R., Oh J., Hebblewhite B. A review of cavability evaluation in longwall top coal caving. International Journal of Mining Science and Technology. 2017;27(6):907–915. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2017.06.021Le T. D., Mitra R., Oh J., Hebblewhite B. A review of cavability evaluation in longwall top coal caving. International Journal of Mining Science and Technology. 2017;27(6):907–915. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2017.06.021Mundry S., Sandgathe C. Automated Cat longwall top coal caving. In: Efficient Mining of High Seams with Automated LTCC Operations. Caterpillar Inc.; 2018. Pp. 12-14. URL: http://s7d2.scene7.com/is/content/Caterpillar/CM20180716-40601-27335 (Дата обращения: 01.08.2022).Mundry S., Sandgathe C. Automated Cat longwall top coal caving. In: Efficient Mining of High Seams with Automated LTCC Operations. Caterpillar Inc.; 2018. Pp. 12-14. URL: http://s7d2.scene7.com/is/content/Caterpillar/CM20180716-40601-27335 (Accessed: 01.08.2022).Medhurst T., Rankine R., Kelly M. Development of a method for a longwall top coal caveability assessment. In: Coal operators’ conference. 12–14 February 2014. Wollongong: University of Wollongong; 2014. Pp. 42–50. URL: https://ro.uow.edu.au/cgi/viewcontent.cgi?article=2159&context=coalMedhurst T., Rankine R., Kelly M. Development of a method for a longwall top coal caveability assessment. In: Coal operators’ conference. 12–14 February 2014. Wollongong: University of Wollongong; 2014. Pp. 42–50. URL: https://ro.uow.edu.au/cgi/viewcontent.cgi?article=2159&context=coalLe T. D. Longwall Top Coal Caving mechanism and cavability assessment. [PhD thesis in Mining Engineering]. Sydney; 2018. https://doi.org/10.26190/unsworks/20236Le T. D. Longwall Top Coal Caving mechanism and cavability assessment. [PhD thesis in Mining Engineering]. Sydney; 2018. https://doi.org/10.26190/unsworks/20236Клишин В. И., Шундулиди И. А., Ермаков А. Ю., Соловьев А. С. Технология разработки запасов мощных пологих пластов с выпуском угля. Новосибирск: Наука; 2013. 248 с.Klishin V. I., Shundulidi I. A., Ermakov A. Yu., Soloviev A. S. Technique for development of reserves of thick shallow seams with coal discharge. Novosibirsk: Nauka Publ.; 2013. 248 p. (In Russ.)Клишин В. И., Опрук Г. Ю., Варфоломеев Е. Л., Борисов И. Л. Взаимодействие механизированных крепей с межслоевой толщей в системах с выпуском угля. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018;(S48):87–94. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-11-48-87-94Klishin V. I., Opruk G. Yu., Varfolomeev E. L., Borisov I. L. Interaction of mechanized support with interlayer thickness in systems with subvel caving. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2018;(S48):87–94. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-11-48-87-94Кизилов С. А., Никитенко М. С., Неоджи Б. и др. Автоматизация управления технологическими процессами при отработке мощных пластов с выпуском угля подкровельной толщи. Горная промышленность. 2017;(6):96–99. URL: https://mining-media.ru/en/articles/articleen/13196-automation-of-processcontrol-in-thick-seam-mining-with-top-coal-cavingKizilov S. A., Nikitenko M. S., Neodzhy B. et al. Automation of process control in thick seam mining with top coal caving. Russian Mining Industry. 2017;(6):96–99. (In Russ.) URL: https://mining-media.ru/en/articles/articleen/13196-automation-of-process-control-in-thick-seam-mining-with-top-coal-cavingNikitenko M. S., Kizilov S. A., Nikolaev P. I., Kuznetsov I. S. Technical devices of powered roof support for the top coal caving as automation objects. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. XI All-Russian Scientific and Practical Conference (with international participation) “Automation systems in education, science and production, 2017”. 14–16 December 2017, Novokuznetsk, Russian Federation. 2017;354:012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/354/1/012014Nikitenko M. S., Kizilov S. A., Nikolaev P. I., Kuznetsov I. S. Technical devices of powered roof support for the top coal caving as automation objects. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. XI All-Russian Scientific and Practical Conference (with international participation) “Automation systems in education, science and production, 2017”. 14–16 December 2017, Novokuznetsk, Russian Federation. 2017;354:012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/354/1/012014Nikitenko M. S., Kizilov S. A. Technical and technological platforms for creating robotized complexes for the development of thick seam deposits. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 377, International Scientific and Research Conference on Knowledge-based technologies in development and utilization of mineral resources. 4–7 June 2019, SibSIU, Novokuznetsk, Russia. 2019;377:012033. https://doi.org/10.1088/1755-1315/377/1/012033Nikitenko M. S., Kizilov S. A. Technical and technological platforms for creating robotized complexes for the development of thick seam deposits. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 377, International Scientific and Research Conference on Knowledge-based technologies in development and utilization of mineral resources. 4–7 June 2019, SibSIU, Novokuznetsk, Russia. 2019;377:012033. https:// doi.org/10.1088/1755-1315/377/1/012033Стародубов А. Н., Зиновьев В. В., Клишин В. И., Крамаренко В. А. Применение имитационного моделирования для исследования режимов выпуска угля подкровельной толщи. В: 9-я всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности. Екатеринбург; 2019. С. 540–547. URL: http://simulation.su/uploads/files/default/2019-immod-540-547.pdfStarodubov A. N., Sinoviev V. V., Klishin V. I., Kramarenko V. A. Application of simulating modeling for research of subvel caving modes. In: 9th All-Russian Scientific and Practical Conference on Simulation Modeling and its Application in Science and Industry. Yekaterinburg; 2019. Pp. 540–547. (In Russ.) URL: http://simulation.su/uploads/files/default/2019-immod-540-547.pdfStarodubov A., Sinoviev V., Totskiy A., Klishin V. Review of mining equipment with controlled robotized subvel caving with specialized software. In: E3S Web of Conferences. Vth International Innovative Mining Symposium. 2020;174:03012. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017403012Starodubov A., Sinoviev V., Totskiy A., Klishin V. Review of mining equipment with controlled robotized subvel caving with specialized software. In: E3S Web of Conferences. Vth International Innovative Mining Symposium. 2020;174:03012. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017403012Starodubov A. N., Sinoviev V. V., Klishin V. I. The development of simulating system of robotized technologies for thick and acute coal seams. Journal of Physics: Conference Series. 2021;1749(1):012040. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1749/1/012040Starodubov A. N., Sinoviev V. V., Klishin V. I. The development of simulating system of robotized technologies for thick and acute coal seams. Journal of Physics: Conference Series. 2021;1749(1):012040. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1749/1/012040Heyduk A. Bulk density estimation using a 3-dimensional image acquisition and analysis system. In: E3S Web of Conferences. Mineral Engineering Conference MEC2016. 2016;8:01060. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20160801060Heyduk A. Bulk density estimation using a 3-dimensional image acquisition and analysis system. In: E3S Web of Conferences. Mineral Engineering Conference MEC2016. 2016;8:01060. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20160801060Heyduk A. Laser triangulation in 3-dimensional granulometric analysis. Archives of Mining Sciences. 2016;61(1):15–27. https://doi.org/10.1515/amsc-2016-0002Heyduk A. Laser triangulation in 3-dimensional granulometric analysis. Archives of Mining Sciences. 2016;61(1):15–27. https://doi.org/10.1515/amsc-2016-0002Min F., Lou A., Wei Q. Design and experiment of dynamic measurement method for bulk material of large volume belt conveyor based on laser triangulation method. In: IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 7th Annual International Conference on Material Science and Environmental Engineering. 15–16 November 2019. Wuhan, Hubei, China. 2020;735(1):012029. https://doi.org/10.1088/1757-899X/735/1/012029Min F., Lou A., Wei Q. Design and experiment of dynamic measurement method for bulk material of large volume belt conveyor based on laser triangulation method. In: IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 7th Annual International Conference on Material Science and Environmental Engineering. 15–16 November 2019. Wuhan, Hubei, China. 2020;735(1):012029. https://doi.org/10.1088/1757-899X/735/1/012029Fojtík D. Measurement of the volume of material on the Conveyor Belt measuring of the volume of wood chips during transport on the Conveyor Belt using a laser scanning. In: Proceedings of the 2014 15th International Carpathian Control Conference (ICCC). 28–30 May 2014. Velke Karlovice, Czech Republic. Pp. 121–124. https:// doi.org/10.1109/CarpathianCC.2014.6843581Fojtík D. Measurement of the volume of material on the Conveyor Belt measuring of the volume of wood chips during transport on the Conveyor Belt using a laser scanning. In: Proceedings of the 2014 15th International Carpathian Control Conference (ICCC). 28–30 May 2014. Velke Karlovice, Czech Republic. Pp. 121–124. https://doi.org/10.1109/CarpathianCC.2014.6843581Amorim L. L., Mutz F., De Souza A. F. et al. Simple and effective load volume estimation in moving trucks using lidars. In: 32nd SIBGRAPI Conference on Graphics, Patterns and Images (SIBGRAPI). 28–30 October 2019. Rio de Janeiro, Brazil. Pp. 210–217. https://doi.org/10.1109/SIBGRAPI.2019.00036Amorim L. L., Mutz F., De Souza A. F. et al. Simple and effective load volume estimation in moving trucks using lidars. In: 32nd SIBGRAPI Conference on Graphics, Patterns and Images (SIBGRAPI). 28–30 October 2019. Rio de Janeiro, Brazil. Pp. 210–217. https://doi.org/10.1109/SIBGRAPI.2019.00036Zeng F., Wu Q., Chu X., Yue Z. Measurement of bulk material flow based on laser scanning technology for the energy efficiency improvement of belt conveyors. Measurement. 2015;75:230–243. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2015.05.041Zeng F., Wu Q., Chu X., Yue Z. Measurement of bulk material flow based on laser scanning technology for the energy efficiency improvement of belt conveyors. Measurement. 2015;75:230–243. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2015.05.041Dunn M., Reid P., Malos J. Development of a protective enclosure for remote sensing applications—case study: laser scanning in underground coal mines. Resources. 2020;9(5):56. https://doi.org/10.3390/resources9050056Dunn M., Reid P., Malos J. Development of a protective enclosure for remote sensing applications—case study: laser scanning in underground coal mines. Resources. 2020;9(5):56. https://doi.org/10.3390/resources9050056Macpherson T., Churchland A., Sejnowski T. et al. Natural and artificial intelligence: a brief introduction to the interplay between AI and neuroscience research. Neural Networks. 2021;144:603–613. https://doi.org/10.1016/j.neunet.2021.09.018Macpherson T., Churchland A., Sejnowski T. et al. Natural and artificial intelligence: a brief introduction to the interplay between AI and neuroscience research. Neural Networks. 2021;144:603–613. https://doi.org/10.1016/j.neunet.2021.09.018Акулов М. С., Гладких С. А., Ланкина М. Ю., Бакланов А. Н. Обработка фото и видеоизображений с помощью нейронных сетей в программе LABVIEW. Современные наукоемкие технологии. 2019;(3–1):12–17. URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37434Akulov M. S., Gladkikh S. A., Lankina M. Yu., Baklanov A. N. Processing photos and videos by using neural networks in the LABVIEW program. Sovremennyye Naukoyemkiye Tekhnologii. 2019;(3–1):12–17. (In Russ.) URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37434

The authors declare that there are no conflicts of interest present.