一種采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種煤巖識別方法，特別涉及煤礦綜采工作面的超聲波相控陣識別煤 巖界面的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 采煤機是綜合機械化采煤工作面的主要設(shè)備之一，實現(xiàn)采煤機滾筒自動調(diào)高不僅 是實現(xiàn)采煤工作面生產(chǎn)過程自動化的重要環(huán)節(jié)，而且對延長機器壽命、提高設(shè)備可靠性、智 能化采煤、減小殘余煤層厚度而提高煤炭產(chǎn)量等具有重要意義。滾筒自動調(diào)高需要解決的 關(guān)鍵問題是煤巖界面的自動識別。因此，煤巖界面識別技術(shù)是實現(xiàn)采煤自動化的關(guān)鍵技術(shù) 之一，也是煤礦無人作業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的重點和難點。煤巖界面識別方法主要分為兩種：煤厚測 量型和煤巖界面測量型。
[0003] 目前較為成熟的技術(shù)有自然Y射線探測法，其原理是基于巖石中能夠放射一定 量的y射線，而煤層中幾乎沒有放射量，并且煤層對巖石中放射的y射線具有衰減作用的 原理。探測傳感器的傳感器頭接收Y射線，信號經(jīng)由光電倍增管進一步放大，再經(jīng)計數(shù)-煤 厚轉(zhuǎn)換器將輻射量按指數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為煤厚量。然而，這種方法在砂巖頂板幾乎不能使用，只 能適用在我國18%具有放射性頂板的煤礦上。
[0004] 測力截齒法基于采煤機切割煤、巖時的振動頻率存在差異，通過接收與辨別不同 截割狀態(tài)下聲振動信號實現(xiàn)煤巖識別。這種方法原理簡單、實際應(yīng)用卻很復(fù)雜，因為接收的 聲振動信號還與采煤機類型、開采工藝、截齒的強度狀態(tài)、工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，目前尚未 開發(fā)出實用的振動傳感器。
[0005] 中國專利申請?zhí)?01410444401. 6,公開日2014. 12. 17,公開了一種采煤機煤巖自 動識別的裝置，通過采用無線電波、振動和扭矩傳感器等手段相結(jié)合來進行煤巖分界面的 預(yù)見性識別與即時識別，提高煤巖界面識別的精度和效果。但是，這種方法需要在采煤機上 加裝加速度、扭振和扭矩等傳感器，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改造成本高；采煤機滾筒在截割過程中 受力復(fù)雜、滾筒振動劇烈、磨損嚴重、粉塵大、傳感器部署比較困難，容易導(dǎo)致機械構(gòu)件、傳 感器和電氣線路受到損壞，裝置可靠性差。
[0006] 中國專利申請?zhí)?01410563527. 5,公開日2015. 3. 11，公開了一種基于采煤機感 知的煤巖界面分析方法，通過振動信號、采煤機截割和牽引電機電壓電流及溫度扭矩、采煤 機搖臂升降油缸壓力、牽引電機速度信號組成的采煤機工作參數(shù)，分析采煤機滾筒截齒截 割煤、巖石不同頂?shù)装迩闆r下信號特征，運用小波包分析振動信號不同頻段能量特征，運用 概率統(tǒng)計樣本分析截割電機工作參數(shù)的特征分布、多傳感器信息融合技術(shù)綜合建立不同煤 巖性狀數(shù)據(jù)庫，通過模糊數(shù)學(xué)理論定義采煤機感知煤巖界面，根據(jù)采煤機感知多傳感器信 息計算煤巖界面隸屬度，作為煤巖界面識別依據(jù)。但是，由于煤礦工作現(xiàn)場工況復(fù)雜，干擾 信號多，傳感器接受到的振動信號等并不可靠。
[0007] 因此，需要制定一種可靠有效的方法來檢測煤層厚度，達到煤巖界面識別目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法， 可實時精確地檢測煤層厚度，達到識別煤巖界面的目的，為調(diào)節(jié)采煤滾筒的高度提供依據(jù)， 從而減小殘余煤層損失，最大限度地采掘煤炭資源，提高采煤產(chǎn)量，可廣泛地用于綜合化機 械化煤炭開采。
[0009] 為達到上述目的，本發(fā)明提供一種采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，所 述相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法通過一種采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的系 統(tǒng)裝在采煤機上，由采煤機帶動其前進來實現(xiàn)，所述檢測煤巖界面的系統(tǒng)由超聲波相控陣 換能器、耦合裝置、后處理成像裝置和支撐裝置組成。所述相控陣超聲成像檢測煤巖界面的 方法以水作為超聲波相控陣換能器與煤層表面之間的耦合劑，在水中的超聲波相控陣換能 器向煤層發(fā)射超聲波，超聲波傳播至水煤界面進入煤層，當超聲波傳播至煤巖界面時由于 煤與巖二者聲阻抗存在較大差別則發(fā)生反射現(xiàn)象，超聲波信號反射回煤層，再傳播至水中 被超聲波相控陣換能器接收。根據(jù)已知的超聲波在煤層介質(zhì)中的傳播速度以及超聲波相控 陣換能器發(fā)射超聲波和接收到超聲波首波的時間差，可計算煤層厚度，具體公式是：
[0010] h=ct/2
[0011] 上式中，C表示超聲波在煤層中的傳播速度；t表示超聲波相控陣換能器發(fā)射超聲 波和接收超聲波首波的時間差；h表示煤層厚度。
[0012] 在煤巖分界面處，煤層和巖層存在較大的波阻抗差值，傳播聲波將產(chǎn)生反射波，反 射系數(shù)與煤和巖石的波阻抗有關(guān)，在入射聲波垂直與煤巖界面的情況下，反射系數(shù)R具體 公式是：
[0013]
【主權(quán)項】
1. 一種采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，用于綜合機械化采煤現(xiàn)場的煤層厚 度檢測，以達到識別煤巖分界面的目的，其特征在于：所述相控陣超聲成像檢測煤巖界面的 方法將一種采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的系統(tǒng)裝在采煤機上，由采煤機帶動其前進 來實現(xiàn)，所述檢測煤巖界面的系統(tǒng)由超聲波相控陣換能器（7)、耦合裝置（1)、后處理成像 裝置（5)和支撐裝置（3)組成；所述相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法以水作為超聲波 相控陣換能器（7)與煤層表面之間的耦合劑，在水中的超聲波相控陣換能器（7)向煤層發(fā) 射超聲波（13)，超聲波（13)傳播至水煤分界面進入煤層，當超聲波（14)傳播至煤巖界面時 由于煤與巖二者聲阻抗存在較大差別則發(fā)生反射現(xiàn)象，超聲波信號（15)反射回煤層，再傳 播至水中被超聲波相控陣換能器（7)接收；根據(jù)已知的超聲波在煤層介質(zhì)中傳播速度以及 超聲波相控陣換能器（7)發(fā)射超聲波（13)和接收到超聲波首波（16)的時間差，計算煤層厚 度，具體公式是：
上式中，c表示超聲波在煤層中的傳播速度；t表示超聲波換能器發(fā)射超聲波（13)和接 收到超聲波首波（16)的時間差；h表示煤層厚度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，其特征在于：所 述超聲波相控陣換能器（7)通過控制其各個獨立陣元的延時，生成不同指向性的超聲波波 束；超聲波相控陣換能器（7)發(fā)射的超聲波遇到巖石后產(chǎn)生回波信號，其到達各陣元的時 間存在差異，按照回波到達各陣元的時間差對各陣元接收到的信號進行延時補償，然后合 成相加，根據(jù)信號處理的結(jié)果判斷出回波聲源的位置，激勵信號延時時間具體公式為：
上式中，d表示陣元中心距；F表示焦距；n表示陣元序號；c表示超聲波在煤層中的傳 播速度；h表示足夠大的時間常數(shù)，避免t fn出現(xiàn)負的延時時間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1-2任意一項所述的采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，其特 征在于：所述后處理成像裝置（5 )處理超聲波相控陣換能器（7 )接收的回波信號，根據(jù)波束 合成的掃描線成像，超聲波相控陣換能器（7)換能器沿著采煤機行進方向移動對本次截割 殘留的煤界面的掃描與探測，得到多條掃描聲線，對掃描聲線進行成像處理得到煤巖界面 的超聲圖像。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，其特征在于：所 述后處理成像裝置（5)形成兩種基本視圖，一維掃描視圖和二維掃描視圖；所述一維掃描 視圖對超聲波相控陣換能器（7)單個陣元接受的超聲波回波信號（16)分析，根據(jù)超聲波回 波信號（16)時間-幅值曲線得到一維厚度視圖；所述二維掃描視圖對超聲波相控陣換能器 (7)每個陣元接受的超聲波回波信號（16)分析，各個陣元的一維掃描視圖合成得到二維掃 描視圖，二維掃描視圖橫坐標表示檢測對象位置，縱坐標表示檢測對象深度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3所述任意一項采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，其特 征在于：所述的采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的系統(tǒng)的超聲波相控陣換能器（7)位于 所述耦合裝置（1)中，與所述后處理成像裝置（5 )相連接；所述后處理成像裝置（5 )位于控 制室中；所述耦合裝置（1) 一端與不平煤層表面直接接觸，另一端固定在所述支撐裝置（3) 上；所述支撐裝置（3) -端與耦合裝置（1)連接，另一端固定在采煤機中間框架上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，其特征在于：所 述耦合裝置（1)由橡膠水套（6)、調(diào)節(jié)彈簧（10)、支柱（9)、外殼（11)、調(diào)節(jié)支柱（12)、進水 管（2 )、出水管（8 )組成；所述支柱（9 ) 一端與橡膠水套（6 )連接，另一端與進水管（2 )連接， 支柱（9)上套有所述調(diào)節(jié)彈簧（10);所述調(diào)節(jié)彈簧（10)外罩有外殼（11);所述調(diào)節(jié)支柱 (12)與外殼（11)相連。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5-6所述的任意一項采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，其特 征在于：所述橡膠水套（6)中安裝有超聲波相控陣換能器（7);所述橡膠水套（6) -端與支 柱（9)連接，另一端通過調(diào)節(jié)彈簧（10)產(chǎn)生的力與煤面緊密接觸；所述超聲波相控陣換能 器（7)與煤面間有一層耦合水層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，其特征在于：所 述支柱（9)為中空桿件，支柱（9) 一端裝有進水管（2)，另一端裝有出水管（8)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法，其特征在于：所 述支撐裝置（3) -端通過螺栓固定在采煤機上，另一端通過螺栓將耦合裝置（1)固定住。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5-6所述所述的任意一項采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方 法，其特征在于：所述耦合裝置（1)的調(diào)節(jié)支柱（12 )和外殼（11)通過螺紋連接。
【專利摘要】本發(fā)明涉及煤巖界面識別方法，具體是一種采用相控陣超聲成像檢測煤巖界面的方法。該方法通過采用一種相控陣超聲成像檢測煤巖界面的系統(tǒng)實現(xiàn)，所述系統(tǒng)由支撐裝置、耦合裝置、超聲相控陣換能器和成像裝置構(gòu)成。在水中的相控陣換能器向煤層發(fā)射超聲波，超聲波傳播至水和煤界面后進入煤層內(nèi)，再傳播至煤巖分界面而反射回煤層，再傳回至水中被相控陣換能器接收。根據(jù)相控陣換能器發(fā)射和接收時間差等參數(shù)計算出煤層厚度，可判別煤巖界面。本發(fā)明利用相控陣超聲波指向性好、能量強、測量精度高、偏轉(zhuǎn)聚焦等優(yōu)點，及超聲波在水中無散射的特點，實時精確地識別煤巖界面，可用于采煤機滾筒截割深度調(diào)節(jié)，減小殘余煤層，從而減少煤炭損失而提高煤炭開采量。
【IPC分類】G01N29-07
【公開號】CN104820021
【申請?zhí)枴緾N201510256329
【發(fā)明人】李力, 唐汝琪, 魏偉
【申請人】中南大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月19日