一种采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种煤岩识别方法，特别涉及煤矿综采工作面的超声波相控阵识别煤 岩界面的方法。
【背景技术】
[0002] 采煤机是综合机械化采煤工作面的主要设备之一，实现采煤机滚筒自动调高不仅 是实现采煤工作面生产过程自动化的重要环节，而且对延长机器寿命、提高设备可靠性、智 能化采煤、减小残余煤层厚度而提高煤炭产量等具有重要意义。滚筒自动调高需要解决的 关键问题是煤岩界面的自动识别。因此，煤岩界面识别技术是实现采煤自动化的关键技术 之一，也是煤矿无人作业生产系统的重点和难点。煤岩界面识别方法主要分为两种：煤厚测 量型和煤岩界面测量型。
[0003] 目前较为成熟的技术有自然Y射线探测法，其原理是基于岩石中能够放射一定 量的y射线，而煤层中几乎没有放射量，并且煤层对岩石中放射的y射线具有衰减作用的 原理。探测传感器的传感器头接收Y射线，信号经由光电倍增管进一步放大，再经计数-煤 厚转换器将辐射量按指数关系转换为煤厚量。然而，这种方法在砂岩顶板几乎不能使用，只 能适用在我国18%具有放射性顶板的煤矿上。
[0004] 测力截齿法基于采煤机切割煤、岩时的振动频率存在差异，通过接收与辨别不同 截割状态下声振动信号实现煤岩识别。这种方法原理简单、实际应用却很复杂，因为接收的 声振动信号还与采煤机类型、开采工艺、截齿的强度状态、工作面地质结构有关，目前尚未 开发出实用的振动传感器。
[0005] 中国专利申请号201410444401. 6,公开日2014. 12. 17,公开了一种采煤机煤岩自 动识别的装置，通过采用无线电波、振动和扭矩传感器等手段相结合来进行煤岩分界面的 预见性识别与即时识别，提高煤岩界面识别的精度和效果。但是，这种方法需要在采煤机上 加装加速度、扭振和扭矩等传感器，装置结构复杂，改造成本高；采煤机滚筒在截割过程中 受力复杂、滚筒振动剧烈、磨损严重、粉尘大、传感器部署比较困难，容易导致机械构件、传 感器和电气线路受到损坏，装置可靠性差。
[0006] 中国专利申请号201410563527. 5,公开日2015. 3. 11，公开了一种基于采煤机感 知的煤岩界面分析方法，通过振动信号、采煤机截割和牵引电机电压电流及温度扭矩、采煤 机摇臂升降油缸压力、牵引电机速度信号组成的采煤机工作参数，分析采煤机滚筒截齿截 割煤、岩石不同顶底板情况下信号特征，运用小波包分析振动信号不同频段能量特征，运用 概率统计样本分析截割电机工作参数的特征分布、多传感器信息融合技术综合建立不同煤 岩性状数据库，通过模糊数学理论定义采煤机感知煤岩界面，根据采煤机感知多传感器信 息计算煤岩界面隶属度，作为煤岩界面识别依据。但是，由于煤矿工作现场工况复杂，干扰 信号多，传感器接受到的振动信号等并不可靠。
[0007] 因此，需要制定一种可靠有效的方法来检测煤层厚度，达到煤岩界面识别目的。
【发明内容】
[0008] 为了克服现有技术的不足，提供一种采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法， 可实时精确地检测煤层厚度，达到识别煤岩界面的目的，为调节采煤滚筒的高度提供依据， 从而减小残余煤层损失，最大限度地采掘煤炭资源，提高采煤产量，可广泛地用于综合化机 械化煤炭开采。
[0009] 为达到上述目的，本发明提供一种采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，所 述相控阵超声成像检测煤岩界面的方法通过一种采用相控阵超声成像检测煤岩界面的系 统装在采煤机上，由采煤机带动其前进来实现，所述检测煤岩界面的系统由超声波相控阵 换能器、耦合装置、后处理成像装置和支撑装置组成。所述相控阵超声成像检测煤岩界面的 方法以水作为超声波相控阵换能器与煤层表面之间的耦合剂，在水中的超声波相控阵换能 器向煤层发射超声波，超声波传播至水煤界面进入煤层，当超声波传播至煤岩界面时由于 煤与岩二者声阻抗存在较大差别则发生反射现象，超声波信号反射回煤层，再传播至水中 被超声波相控阵换能器接收。根据已知的超声波在煤层介质中的传播速度以及超声波相控 阵换能器发射超声波和接收到超声波首波的时间差，可计算煤层厚度，具体公式是：
[0010] h=ct/2
[0011] 上式中，C表示超声波在煤层中的传播速度；t表示超声波相控阵换能器发射超声 波和接收超声波首波的时间差；h表示煤层厚度。
[0012] 在煤岩分界面处，煤层和岩层存在较大的波阻抗差值，传播声波将产生反射波，反 射系数与煤和岩石的波阻抗有关，在入射声波垂直与煤岩界面的情况下，反射系数R具体 公式是：
[0013]
【主权项】
1. 一种采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，用于综合机械化采煤现场的煤层厚 度检测，以达到识别煤岩分界面的目的，其特征在于：所述相控阵超声成像检测煤岩界面的 方法将一种采用相控阵超声成像检测煤岩界面的系统装在采煤机上，由采煤机带动其前进 来实现，所述检测煤岩界面的系统由超声波相控阵换能器（7)、耦合装置（1)、后处理成像 装置（5)和支撑装置（3)组成；所述相控阵超声成像检测煤岩界面的方法以水作为超声波 相控阵换能器（7)与煤层表面之间的耦合剂，在水中的超声波相控阵换能器（7)向煤层发 射超声波（13)，超声波（13)传播至水煤分界面进入煤层，当超声波（14)传播至煤岩界面时 由于煤与岩二者声阻抗存在较大差别则发生反射现象，超声波信号（15)反射回煤层，再传 播至水中被超声波相控阵换能器（7)接收；根据已知的超声波在煤层介质中传播速度以及 超声波相控阵换能器（7)发射超声波（13)和接收到超声波首波（16)的时间差，计算煤层厚 度，具体公式是：
上式中，c表示超声波在煤层中的传播速度；t表示超声波换能器发射超声波（13)和接 收到超声波首波（16)的时间差；h表示煤层厚度。
2. 根据权利要求1所述的采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，其特征在于：所 述超声波相控阵换能器（7)通过控制其各个独立阵元的延时，生成不同指向性的超声波波 束；超声波相控阵换能器（7)发射的超声波遇到岩石后产生回波信号，其到达各阵元的时 间存在差异，按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收到的信号进行延时补偿，然后合 成相加，根据信号处理的结果判断出回波声源的位置，激励信号延时时间具体公式为：
上式中，d表示阵元中心距；F表示焦距；n表示阵元序号；c表示超声波在煤层中的传 播速度；h表示足够大的时间常数，避免t fn出现负的延时时间。
3. 根据权利要求1-2任意一项所述的采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，其特 征在于：所述后处理成像装置（5 )处理超声波相控阵换能器（7 )接收的回波信号，根据波束 合成的扫描线成像，超声波相控阵换能器（7)换能器沿着采煤机行进方向移动对本次截割 残留的煤界面的扫描与探测，得到多条扫描声线，对扫描声线进行成像处理得到煤岩界面 的超声图像。
4. 根据权利要求3所述的采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，其特征在于：所 述后处理成像装置（5)形成两种基本视图，一维扫描视图和二维扫描视图；所述一维扫描 视图对超声波相控阵换能器（7)单个阵元接受的超声波回波信号（16)分析，根据超声波回 波信号（16)时间-幅值曲线得到一维厚度视图；所述二维扫描视图对超声波相控阵换能器 (7)每个阵元接受的超声波回波信号（16)分析，各个阵元的一维扫描视图合成得到二维扫 描视图，二维扫描视图横坐标表示检测对象位置，纵坐标表示检测对象深度。
5. 根据权利要求1-3所述任意一项采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，其特 征在于：所述的采用相控阵超声成像检测煤岩界面的系统的超声波相控阵换能器（7)位于 所述耦合装置（1)中，与所述后处理成像装置（5 )相连接；所述后处理成像装置（5 )位于控 制室中；所述耦合装置（1) 一端与不平煤层表面直接接触，另一端固定在所述支撑装置（3) 上；所述支撑装置（3) -端与耦合装置（1)连接，另一端固定在采煤机中间框架上。
6. 根据权利要求5所述的采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，其特征在于：所 述耦合装置（1)由橡胶水套（6)、调节弹簧（10)、支柱（9)、外壳（11)、调节支柱（12)、进水 管（2 )、出水管（8 )组成；所述支柱（9 ) 一端与橡胶水套（6 )连接，另一端与进水管（2 )连接， 支柱（9)上套有所述调节弹簧（10);所述调节弹簧（10)外罩有外壳（11);所述调节支柱 (12)与外壳（11)相连。
7. 根据权利要求5-6所述的任意一项采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，其特 征在于：所述橡胶水套（6)中安装有超声波相控阵换能器（7);所述橡胶水套（6) -端与支 柱（9)连接，另一端通过调节弹簧（10)产生的力与煤面紧密接触；所述超声波相控阵换能 器（7)与煤面间有一层耦合水层。
8. 根据权利要求6所述的采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，其特征在于：所 述支柱（9)为中空杆件，支柱（9) 一端装有进水管（2)，另一端装有出水管（8)。
9. 根据权利要求6所述的采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法，其特征在于：所 述支撑装置（3) -端通过螺栓固定在采煤机上，另一端通过螺栓将耦合装置（1)固定住。
10. 根据权利要求5-6所述所述的任意一项采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方 法，其特征在于：所述耦合装置（1)的调节支柱（12 )和外壳（11)通过螺纹连接。
【专利摘要】本发明涉及煤岩界面识别方法，具体是一种采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法。该方法通过采用一种相控阵超声成像检测煤岩界面的系统实现，所述系统由支撑装置、耦合装置、超声相控阵换能器和成像装置构成。在水中的相控阵换能器向煤层发射超声波，超声波传播至水和煤界面后进入煤层内，再传播至煤岩分界面而反射回煤层，再传回至水中被相控阵换能器接收。根据相控阵换能器发射和接收时间差等参数计算出煤层厚度，可判别煤岩界面。本发明利用相控阵超声波指向性好、能量强、测量精度高、偏转聚焦等优点，及超声波在水中无散射的特点，实时精确地识别煤岩界面，可用于采煤机滚筒截割深度调节，减小残余煤层，从而减少煤炭损失而提高煤炭开采量。
【IPC分类】G01N29-07
【公开号】CN104820021
【申请号】CN201510256329
【发明人】李力, 唐汝琪, 魏伟
【申请人】中南大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月19日