一、概述
在采煤機自動控制過程中，遇到的最大難題就是如何使采煤機滾筒自動適應煤層起伏變化，即采煤機截割滾筒自動調高問題。該問題解決的關鍵是如何準確判斷頂?shù)装迕簩雍穸然蛘咦R別煤巖界面。為此國內外學者進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、應力截齒分析法、機械振動法、雷達探測法、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研究狀況
二、綜采煤巖識別方法
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換為電信號，傳送至識別器。電信號的強度與探測器至頂?shù)装宓木嚯x以及預留煤層厚度有關。美國專利Armored Rock Detector（專利號：US20020056809A1）中有關天然γ射線探測器的描述如圖1所示，其中編號1為巖石中的天然γ射線，編號7為探測器的隔爆殼，編號6和編號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80年代研究出了801型探測器，并將其應用在了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90年代初中國礦業(yè)大學北京校區(qū)和黑龍江科技學院等高校也對此方法進行了相關研究。并做了大量工業(yè)現(xiàn)場試驗，結果表明：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原理可知，當同位素射線穿過不均勻的介質時，射線將損失一部分能量并向各個方向散射，其散射的波長比入射的波長略大，散射的強度與介質的密度和厚度成正比。因此根據(jù)康普頓效應，可以利用人工γ射線法射入密度不同的煤巖分界面，從而達到識別煤和巖石的目的。當煤層厚度增加時，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射線強度將增大。因此散射的γ射線強度與煤層厚度成正比，設定一定強度的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：4165460）中有關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1為人工射線發(fā)射器，編號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)進行過大量試驗，結果表明：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.應力截齒分析法
根據(jù)截齒應力來進行煤巖界面分析的方法基于如下假設：當采煤機眼工作面正常截割煤層時，其滾筒上單個截齒在同一煤層中所受的連續(xù)作用力是相同的；因此當煤層發(fā)生變化時，滾筒上截齒所受到的截割應力將發(fā)生變化。尤其是當采煤機截割到巖石時，截齒所受到的應力與截割煤層時相比將發(fā)生顯著變化。因此根據(jù)截齒應力的變化情況，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：4968098）中有關截齒應力傳感器的描述如圖3所示，其中編號1為采煤機的截割齒，編號2和編號3為測量截齒在兩個方向上應力所需的應變片。
圖3 截齒應力傳感器
英國對于該方法的研究始于上世紀80年代，英國巴斯大學P.E.伊索爾對應力截齒分析法進行了深入的研究，分析了該方法的可行性，并在此基礎上研發(fā)出了應用于煤礦現(xiàn)場的系統(tǒng)裝備。通過在英國卡特格勒煤礦采煤機上的試驗，表明該裝備不是很完善，主要問題表現(xiàn)在截齒上的應力傳感器強度不夠和應力傳感器的信號輸出問題。國內方面，太原理工大學對該方法進行了較深入的研究，建立了模擬試驗臺，并在人造煤壁上進行了相關試驗，取得了一定的成果，在此基礎上提出了采用相似模型進行煤巖界面識別研究的理論方法。但由于該方法的應用需要較好的地質條件；對截齒以及傳感器的損耗較大；且截齒時常截割到巖石，不利于在要求預留頂煤或高瓦斯工作面中使用，因此未得到進一步的推廣。
4.機械振動法
機械振動法的原理在于采煤機截割煤層和巖石時的頻率、波形等振動特征存在明顯不同。在采煤機工作過程中，根據(jù)搖臂振動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：4143552）中有關利用檢測搖臂振動情況實現(xiàn)煤巖界面識別的描述如圖4所示，其中編號6為安裝在搖臂上的兩個加速度傳感器，用于采集水平和垂直兩個方向上的振動數(shù)據(jù)。
該方法雖然硬件方面僅需要振動傳感器、信號變送器、信號處理器等；但信號的提取、處理、分析實現(xiàn)起來比較困難，尤其考慮到煤層力學特性、采煤機功率型號、截割齒材料特性等因素的不同，將直接影響到振動信號的鑒別。由于該方法的對振動信號分析處理復雜且實時性要求高，因此至今未出現(xiàn)成熟的振動煤巖界面探測器。
圖4 振動法探測煤巖界面
5.雷達探測法
雷達探測法基于電磁波在不同介質中的傳播特性：首先發(fā)射器向煤層發(fā)射電磁波，當電磁波穿過煤層向頂板和底板傳播時，由于煤層和巖石兩種介質不同，將導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)射與接收的滯后時間差變可以計算出煤層的厚度。該滯后時間不僅與電磁波頻率、煤層和巖石的介質特性等可預測因素有關，還與電磁波在煤層中所穿過的路徑有關。美國專利Ground-penetrating Imaging and Detecting Radar（專利號：US006522285B2）中有關利用雷達波探測煤巖界面的描述如圖5所示，其中編號1為雷達信號的發(fā)射、接收、處理控制器，編號7為雷達波的發(fā)射接收天線用于探測上方的煤巖分布情況，編號3為鉆桿天線用于探測前方的煤巖分布情況。
圖5 雷達法探測煤巖界面
美國礦業(yè)局對該方法進行了較深入的研究，并研制了多種傳感器，均未得到滿意的效果。原因在于：雷達探測發(fā)的基礎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一步發(fā)展。另外，當煤層厚度增大時對電磁波信號的吸收作用也更為嚴重，因此該方法尚未達到實際應用的要求。
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，采煤機截割到巖石時的截齒溫度將高于正常截割煤層時的溫度，據(jù)此便可判斷出采煤機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：US20090212216A1）中有關利用紅外裝置檢測采煤機滾筒表面溫度來實現(xiàn)煤巖界面識別的描述圖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，還與采煤機的牽引速度和搖臂調高速度有關；另外，該方法依賴于截齒與煤層或巖石的相對運動，當煤與巖石的力學特性差異不大時則很難準確判別出煤巖界面，因此無法在夾矸較多的地質條件下應用。
由以上研究內容可以看出，煤巖界面識別以及頂?shù)装迕簩雍穸葴y量具有相當大的難度，目前尚無法滿足采煤工作現(xiàn)場的要求。
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