一、概述
在采煤机自动控制过程中,遇到的最大难题就是如何使采煤机滚筒自动适应煤层起伏变化,即采煤机截割滚筒自动调高问题。该问题解决的关键是如何准确判断顶底板煤层厚度或者识别煤岩界面。为此国内外学者进行了大量的研究工作,先后提出过20余种方法,其中最具影响力的方法包括:天然γ射线法、人工γ射线法、应力截齿分析法、机械振动法、雷达探测法、红外探测法、超声波法、高压水射流法等。如表1所示。
表1 世界各国煤岩分界技术研究状况
二、综采煤岩识别方法
1.天然γ射线法
该方法利用碘化钠等晶体制成的γ射线探测器接收天然顶底板所发出的γ射线,并通过变送器将其转换为电信号,传送至识别器。电信号的强度与探测器至顶底板的距离以及预留煤层厚度有关。美国专利Armored Rock Detector(专利号:US20020056809A1)中有关天然γ射线探测器的描述如图1所示,其中编号1为岩石中的天然γ射线,编号7为探测器的隔爆壳,编号6和编号8为顶板和底板的γ射线接收装置。
图1 天然射线探测器
英国采矿研究院利用该方法于20世纪80年代研究出了801型探测器,并将其应用在了7000系统中,而后又研制出了功能更为完善的MDIAS,DIAM和PATHFINDER系统。上世纪90年代初中国矿业大学北京校区和黑龙江科技学院等高校也对此方法进行了相关研究。并做了大量工业现场试验,结果表明:该法方法不适用于顶底板不含放射性元素或放射性元素含量较低的工作面,以及煤层中夹矸过多的工作面;另外液压支架顶梁、顶底板岩石厚度及辐射角度都对γ射线强度有影响。因此利用自然γ射线探测方法难于精确测定顶板煤层厚度。
2.人工γ射线法
由射线同位素的康普顿效应原理可知,当同位素射线穿过不均匀的介质时,射线将损失一部分能量并向各个方向散射,其散射的波长比入射的波长略大,散射的强度与介质的密度和厚度成正比。因此根据康普顿效应,可以利用人工γ射线法射入密度不同的煤岩分界面,从而达到识别煤和岩石的目的。当煤层厚度增加时,入射的γ射线与碳原子中的电子碰撞后所损失的能量就减少,散射后所得到的γ射线强度将增大。因此散射的γ射线强度与煤层厚度成正比,设定一定强度的γ射线便可以得到一定厚度的煤层。美国专利Coal-rock Interface Detector(专利号:4165460)中有关利用人工射线探测煤岩界面装置的描述如图2所示,其中编号1为人工射线发射器,编号2为射线接收器。
图2 射线发射器与接收器
德国的Eickhoff公司曾研制出同位素煤岩分界传感器,并在英国、西德、波兰和前苏联进行过大量试验,结果表明:由于γ射线散射后的穿透能力有限,传感器所能测得的煤层厚度不大于250mm;而且难于保证采煤机工作过程中传感器与煤层间的良好接触;并且煤层中的夹杂物会影响探测精度;另外具有放射性危害的γ射线源在井下不便管理,因此该方法未能得到广泛使用。
3.应力截齿分析法
根据截齿应力来进行煤岩界面分析的方法基于如下假设:当采煤机眼工作面正常截割煤层时,其滚筒上单个截齿在同一煤层中所受的连续作用力是相同的;因此当煤层发生变化时,滚筒上截齿所受到的截割应力将发生变化。尤其是当采煤机截割到岩石时,截齿所受到的应力与截割煤层时相比将发生显著变化。因此根据截齿应力的变化情况,理论上便可以区分出煤层与岩石了。美国专利Coal Seam Discontinuity Sensor and Method for Coal Mining Apparatus(专利号:4968098)中有关截齿应力传感器的描述如图3所示,其中编号1为采煤机的截割齿,编号2和编号3为测量截齿在两个方向上应力所需的应变片。
图3 截齿应力传感器
英国对于该方法的研究始于上世纪80年代,英国巴斯大学P.E.伊索尔对应力截齿分析法进行了深入的研究,分析了该方法的可行性,并在此基础上研发出了应用于煤矿现场的系统装备。通过在英国卡特格勒煤矿采煤机上的试验,表明该装备不是很完善,主要问题表现在截齿上的应力传感器强度不够和应力传感器的信号输出问题。国内方面,太原理工大学对该方法进行了较深入的研究,建立了模拟试验台,并在人造煤壁上进行了相关试验,取得了一定的成果,在此基础上提出了采用相似模型进行煤岩界面识别研究的理论方法。但由于该方法的应用需要较好的地质条件;对截齿以及传感器的损耗较大;且截齿时常截割到岩石,不利于在要求预留顶煤或高瓦斯工作面中使用,因此未得到进一步的推广。
4.机械振动法
机械振动法的原理在于采煤机截割煤层和岩石时的频率、波形等振动特征存在明显不同。在采煤机工作过程中,根据摇臂振动的频率特性和幅值特性便可区分出煤岩界面。美国专利Coal Seam Sensor(专利号:4143552)中有关利用检测摇臂振动情况实现煤岩界面识别的描述如图4所示,其中编号6为安装在摇臂上的两个加速度传感器,用于采集水平和垂直两个方向上的振动数据。
该方法虽然硬件方面仅需要振动传感器、信号变送器、信号处理器等;但信号的提取、处理、分析实现起来比较困难,尤其考虑到煤层力学特性、采煤机功率型号、截割齿材料特性等因素的不同,将直接影响到振动信号的鉴别。由于该方法的对振动信号分析处理复杂且实时性要求高,因此至今未出现成熟的振动煤岩界面探测器。
图4 振动法探测煤岩界面
5.雷达探测法
雷达探测法基于电磁波在不同介质中的传播特性:首先发射器向煤层发射电磁波,当电磁波穿过煤层向顶板和底板传播时,由于煤层和岩石两种介质不同,将导致电磁波在煤岩界面处发生反射;而后被反射的电磁波将传输到接收器,根据电磁波发射与接收的滞后时间差变可以计算出煤层的厚度。该滞后时间不仅与电磁波频率、煤层和岩石的介质特性等可预测因素有关,还与电磁波在煤层中所穿过的路径有关。美国专利Ground-penetrating Imaging and Detecting Radar(专利号:US006522285B2)中有关利用雷达波探测煤岩界面的描述如图5所示,其中编号1为雷达信号的发射、接收、处理控制器,编号7为雷达波的发射接收天线用于探测上方的煤岩分布情况,编号3为钻杆天线用于探测前方的煤岩分布情况。
图5 雷达法探测煤岩界面
美国矿业局对该方法进行了较深入的研究,并研制了多种传感器,均未得到满意的效果。原因在于:雷达探测发的基础是电磁波在煤层中的传输,电磁波穿透煤层的极限厚度正比于其波长,而煤层厚度的测量精度却又反比于其波长,这种难以彻底解决的矛盾限制了该方法的进一步发展。另外,当煤层厚度增大时对电磁波信号的吸收作用也更为严重,因此该方法尚未达到实际应用的要求。
6.红外探测法
红外探测法利用灵敏度极高的红外温度传感器定向测量截割齿及其附近的温度变化,由于煤层和岩石的物理特性不同,采煤机截割到岩石时的截齿温度将高于正常截割煤层时的温度,据此便可判断出采煤机截割到煤层还是岩石。
该红外传感器可有效穿透煤尘,并具有0.1摄氏度的高分辨率。美国专利Mining Methods and Apparatus(专利号:US20090212216A1)中有关利用红外装置检测采煤机滚筒表面温度来实现煤岩界面识别的描述图6所示。
图6 红外线法探测煤岩界面
美国矿业局利用该方法分析了截割滚筒在煤岩分界面处的温度变化情况,结果表明该截齿处的温度变化不仅与被截割物的物理特性相关,还与采煤机的牵引速度和摇臂调高速度有关;另外,该方法依赖于截齿与煤层或岩石的相对运动,当煤与岩石的力学特性差异不大时则很难准确判别出煤岩界面,因此无法在夹矸较多的地质条件下应用。
由以上研究内容可以看出,煤岩界面识别以及顶底板煤层厚度测量具有相当大的难度,目前尚无法满足采煤工作现场的要求。
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