一、概述
在采煤機(jī)自動(dòng)控制過程中，遇到的最大難題就是如何使采煤機(jī)滾筒自動(dòng)適應(yīng)煤層起伏變化，即采煤機(jī)截割滾筒自動(dòng)調(diào)高問題。該問題解決的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確判斷頂?shù)装迕簩雍穸然蛘咦R(shí)別煤巖界面。為此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，先后提出過20余種方法，其中最具影響力的方法包括：天然γ射線法、人工γ射線法、應(yīng)力截齒分析法、機(jī)械振動(dòng)法、雷達(dá)探測法、紅外探測法、超聲波法、高壓水射流法等。如表1所示。
表1 世界各國煤巖分界技術(shù)研究狀況
二、綜采煤巖識(shí)別方法
1.天然γ射線法
該方法利用碘化鈉等晶體制成的γ射線探測器接收天然頂?shù)装逅l(fā)出的γ射線，并通過變送器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送至識(shí)別器。電信號(hào)的強(qiáng)度與探測器至頂?shù)装宓木嚯x以及預(yù)留煤層厚度有關(guān)。美國專利Armored Rock Detector（專利號(hào)：US20020056809A1）中有關(guān)天然γ射線探測器的描述如圖1所示，其中編號(hào)1為巖石中的天然γ射線，編號(hào)7為探測器的隔爆殼，編號(hào)6和編號(hào)8為頂板和底板的γ射線接收裝置。
圖1 天然射線探測器
英國采礦研究院利用該方法于20世紀(jì)80年代研究出了801型探測器，并將其應(yīng)用在了7000系統(tǒng)中，而后又研制出了功能更為完善的MDIAS，DIAM和PATHFINDER系統(tǒng)。上世紀(jì)90年代初中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)和黑龍江科技學(xué)院等高校也對此方法進(jìn)行了相關(guān)研究。并做了大量工業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明：該法方法不適用于頂?shù)装宀缓派湫栽鼗蚍派湫栽睾枯^低的工作面，以及煤層中夾矸過多的工作面；另外液壓支架頂梁、頂?shù)装鍘r石厚度及輻射角度都對γ射線強(qiáng)度有影響。因此利用自然γ射線探測方法難于精確測定頂板煤層厚度。
2.人工γ射線法
由射線同位素的康普頓效應(yīng)原理可知，當(dāng)同位素射線穿過不均勻的介質(zhì)時(shí)，射線將損失一部分能量并向各個(gè)方向散射，其散射的波長比入射的波長略大，散射的強(qiáng)度與介質(zhì)的密度和厚度成正比。因此根據(jù)康普頓效應(yīng)，可以利用人工γ射線法射入密度不同的煤巖分界面，從而達(dá)到識(shí)別煤和巖石的目的。當(dāng)煤層厚度增加時(shí)，入射的γ射線與碳原子中的電子碰撞后所損失的能量就減少，散射后所得到的γ射線強(qiáng)度將增大。因此散射的γ射線強(qiáng)度與煤層厚度成正比，設(shè)定一定強(qiáng)度的γ射線便可以得到一定厚度的煤層。美國專利Coal-rock Interface Detector（專利號(hào)：4165460）中有關(guān)利用人工射線探測煤巖界面裝置的描述如圖2所示，其中編號(hào)1為人工射線發(fā)射器，編號(hào)2為射線接收器。
圖2 射線發(fā)射器與接收器
德國的Eickhoff公司曾研制出同位素煤巖分界傳感器，并在英國、西德、波蘭和前蘇聯(lián)進(jìn)行過大量試驗(yàn)，結(jié)果表明：由于γ射線散射后的穿透能力有限，傳感器所能測得的煤層厚度不大于250mm；而且難于保證采煤機(jī)工作過程中傳感器與煤層間的良好接觸；并且煤層中的夾雜物會(huì)影響探測精度；另外具有放射性危害的γ射線源在井下不便管理，因此該方法未能得到廣泛使用。
3.應(yīng)力截齒分析法
根據(jù)截齒應(yīng)力來進(jìn)行煤巖界面分析的方法基于如下假設(shè)：當(dāng)采煤機(jī)眼工作面正常截割煤層時(shí)，其滾筒上單個(gè)截齒在同一煤層中所受的連續(xù)作用力是相同的；因此當(dāng)煤層發(fā)生變化時(shí)，滾筒上截齒所受到的截割應(yīng)力將發(fā)生變化。尤其是當(dāng)采煤機(jī)截割到巖石時(shí)，截齒所受到的應(yīng)力與截割煤層時(shí)相比將發(fā)生顯著變化。因此根據(jù)截齒應(yīng)力的變化情況，理論上便可以區(qū)分出煤層與巖石了。美國專利Coal Seam Discontinuity Sensor and Method for Coal Mining Apparatus（專利號(hào)：4968098）中有關(guān)截齒應(yīng)力傳感器的描述如圖3所示，其中編號(hào)1為采煤機(jī)的截割齒，編號(hào)2和編號(hào)3為測量截齒在兩個(gè)方向上應(yīng)力所需的應(yīng)變片。
圖3 截齒應(yīng)力傳感器
英國對于該方法的研究始于上世紀(jì)80年代，英國巴斯大學(xué)P.E.伊索爾對應(yīng)力截齒分析法進(jìn)行了深入的研究，分析了該方法的可行性，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場的系統(tǒng)裝備。通過在英國卡特格勒煤礦采煤機(jī)上的試驗(yàn)，表明該裝備不是很完善，主要問題表現(xiàn)在截齒上的應(yīng)力傳感器強(qiáng)度不夠和應(yīng)力傳感器的信號(hào)輸出問題。國內(nèi)方面，太原理工大學(xué)對該方法進(jìn)行了較深入的研究，建立了模擬試驗(yàn)臺(tái)，并在人造煤壁上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，取得了一定的成果，在此基礎(chǔ)上提出了采用相似模型進(jìn)行煤巖界面識(shí)別研究的理論方法。但由于該方法的應(yīng)用需要較好的地質(zhì)條件；對截齒以及傳感器的損耗較大；且截齒時(shí)常截割到巖石，不利于在要求預(yù)留頂煤或高瓦斯工作面中使用，因此未得到進(jìn)一步的推廣。
4.機(jī)械振動(dòng)法
機(jī)械振動(dòng)法的原理在于采煤機(jī)截割煤層和巖石時(shí)的頻率、波形等振動(dòng)特征存在明顯不同。在采煤機(jī)工作過程中，根據(jù)搖臂振動(dòng)的頻率特性和幅值特性便可區(qū)分出煤巖界面。美國專利Coal Seam Sensor（專利號(hào)：4143552）中有關(guān)利用檢測搖臂振動(dòng)情況實(shí)現(xiàn)煤巖界面識(shí)別的描述如圖4所示，其中編號(hào)6為安裝在搖臂上的兩個(gè)加速度傳感器，用于采集水平和垂直兩個(gè)方向上的振動(dòng)數(shù)據(jù)。
該方法雖然硬件方面僅需要振動(dòng)傳感器、信號(hào)變送器、信號(hào)處理器等；但信號(hào)的提取、處理、分析實(shí)現(xiàn)起來比較困難，尤其考慮到煤層力學(xué)特性、采煤機(jī)功率型號(hào)、截割齒材料特性等因素的不同，將直接影響到振動(dòng)信號(hào)的鑒別。由于該方法的對振動(dòng)信號(hào)分析處理復(fù)雜且實(shí)時(shí)性要求高，因此至今未出現(xiàn)成熟的振動(dòng)煤巖界面探測器。
圖4 振動(dòng)法探測煤巖界面
5.雷達(dá)探測法
雷達(dá)探測法基于電磁波在不同介質(zhì)中的傳播特性：首先發(fā)射器向煤層發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波穿過煤層向頂板和底板傳播時(shí)，由于煤層和巖石兩種介質(zhì)不同，將導(dǎo)致電磁波在煤巖界面處發(fā)生反射；而后被反射的電磁波將傳輸?shù)浇邮掌?，根?jù)電磁波發(fā)射與接收的滯后時(shí)間差變可以計(jì)算出煤層的厚度。該滯后時(shí)間不僅與電磁波頻率、煤層和巖石的介質(zhì)特性等可預(yù)測因素有關(guān)，還與電磁波在煤層中所穿過的路徑有關(guān)。美國專利Ground-penetrating Imaging and Detecting Radar（專利號(hào)：US006522285B2）中有關(guān)利用雷達(dá)波探測煤巖界面的描述如圖5所示，其中編號(hào)1為雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射、接收、處理控制器，編號(hào)7為雷達(dá)波的發(fā)射接收天線用于探測上方的煤巖分布情況，編號(hào)3為鉆桿天線用于探測前方的煤巖分布情況。
圖5 雷達(dá)法探測煤巖界面
美國礦業(yè)局對該方法進(jìn)行了較深入的研究，并研制了多種傳感器，均未得到滿意的效果。原因在于：雷達(dá)探測發(fā)的基礎(chǔ)是電磁波在煤層中的傳輸，電磁波穿透煤層的極限厚度正比于其波長，而煤層厚度的測量精度卻又反比于其波長，這種難以徹底解決的矛盾限制了該方法的進(jìn)一步發(fā)展。另外，當(dāng)煤層厚度增大時(shí)對電磁波信號(hào)的吸收作用也更為嚴(yán)重，因此該方法尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。
6.紅外探測法
紅外探測法利用靈敏度極高的紅外溫度傳感器定向測量截割齒及其附近的溫度變化，由于煤層和巖石的物理特性不同，采煤機(jī)截割到巖石時(shí)的截齒溫度將高于正常截割煤層時(shí)的溫度，據(jù)此便可判斷出采煤機(jī)截割到煤層還是巖石。
該紅外傳感器可有效穿透煤塵，并具有0.1攝氏度的高分辨率。美國專利Mining Methods and Apparatus（專利號(hào)：US20090212216A1）中有關(guān)利用紅外裝置檢測采煤機(jī)滾筒表面溫度來實(shí)現(xiàn)煤巖界面識(shí)別的描述圖6所示。
圖6 紅外線法探測煤巖界面
美國礦業(yè)局利用該方法分析了截割滾筒在煤巖分界面處的溫度變化情況，結(jié)果表明該截齒處的溫度變化不僅與被截割物的物理特性相關(guān)，還與采煤機(jī)的牽引速度和搖臂調(diào)高速度有關(guān)；另外，該方法依賴于截齒與煤層或巖石的相對運(yùn)動(dòng)，當(dāng)煤與巖石的力學(xué)特性差異不大時(shí)則很難準(zhǔn)確判別出煤巖界面，因此無法在夾矸較多的地質(zhì)條件下應(yīng)用。
由以上研究內(nèi)容可以看出，煤巖界面識(shí)別以及頂?shù)装迕簩雍穸葴y量具有相當(dāng)大的難度，目前尚無法滿足采煤工作現(xiàn)場的要求。
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