CN104330836A - 采煤机应力截齿煤岩分界检测装置 - Google Patents

Abstract

一种采煤机应力截齿煤岩分界检测装置，包括截齿切割装置、压力传感器、运算放大器、A/D转换模块、无线发射模块、无线接收模块和数据处理与显示模块；截齿切割装置包括截齿座、应力截齿和导向截齿，应力截齿和导向截齿均安装在截齿座上，导向截齿位于应力截齿前方，且导向截齿的顶端低于应力截齿的顶端；压力传感器安装在截齿切割装置的底部；压力传感器、运算放大器、A/D转换模块和无线发射模块依次连接；无线发射模块与无线接收模块无线连接，无线接收模块与数据处理与显示模块连接。该装置能够在现场快速准确地直接测量应力截齿受到的应力，得出应力值，准确识别煤岩分界，测量精度高，实现采煤工作面无人化。

Description

采煤机应力截齿煤岩分界检测装置

技术领域

本发明涉及一种采煤机应力截齿煤岩分界检测装置，该装置根据采煤机工作时应力截齿在截割不同性质岩层时受到应力大小不同的原理来检测煤岩分界，属于煤岩分界检测技术领域。

背景技术

目前，采煤机滚筒高度的控制绝大部分靠人工操作。即操作工人靠视力观察及截割声音来判断采煤机滚筒是割煤还是在割顶、底板岩层，以便调节切割滚筒的垂直位置。然而，由于采煤工作面条件恶劣，煤尘大、能见度低、机器本身噪声大，使操作司机很难准确地判断采煤机的截割状态。因此，采煤机在工作过程中难免截割到顶、底板岩石，由此造成一系列问题：(1)加剧采煤机截齿磨损，缩短截齿寿命，有时出现断齿现象，同时动载荷过大会导致机器零件破坏；(2)切割坚硬顶底板可能会产生火花，从而导致瓦斯爆炸等恶性事故发生；(3)大量崩落的岩石混入原煤中，造成煤质下降和运输量增大，降低运输能力；(4)滚筒位置调节不当还可能造成顶、底煤剩留不均匀，顶底板表面不平整而使液压支架和溜子推移困难，降低生产效率；(5)不能实现无人工作面，机采无法实现高水平自动化控制。这些问题的解决途径有赖于采煤机滚筒能够自动识别煤岩分界。

对煤岩分界进行检测和自动识别虽已进行很多研究，如人工γ射线检测，自然γ射线检测、振动法检测、雷达探测法检测和红外探测方法检测等方法，但是由于其检测精度低、干扰因素多、在煤矿井下使用范围有限等原因，都无法满足现场测试。

CN103207999A公开的《一种基于煤岩图像特征抽取以及分类识别的煤岩分界方法》，首先在采煤工作面拍摄煤岩图像，然后抽取煤岩图像的纹理特征信息并构造成特征向量；纹理特征信息包括原图像和每个Daubechies小波分解尺度的低频系数图像的角二阶矩、对比度、相关、均值、方差，还包括计算水平、垂直和对角三个方向的高频系数图像的总均值和总方差；最后创建最佳分类器，实现对煤岩界面的识别。该方法操作复杂，不具快速性。

发明内容

本发明针对现有煤岩分界进行检测识别技术存在的不足，提供一种能够实时精确测量采煤机应力、实现煤岩分界的识别和判定的采煤机应力截齿煤岩分界检测装置。

本发明的采煤机应力截齿煤岩分界检测装置，包括：

(1)截齿切割装置，安装在采煤机的滚筒上，该装置包括截齿座、应力截齿和导向截齿，应力截齿和导向截齿均安装在截齿座上，导向截齿位于应力截齿前方，且导向截齿的顶端低于应力截齿的顶端；

导向截齿的顶端低于应力截齿的顶端10mm-15mm。

(2)压力传感器，安装在截齿切割装置的底部，与运算放大器连接，用于测量截齿应力(应力截齿截割煤层时所受的应力)；

(3)运算放大器，与压力传感器和A/D转换模块连接，用于将截齿应力的模拟信号放大；

(4)A/D转换模块，与运算放大器和无线发射模块连接，接收运算放大器放大的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输至无线接收模块；

(5)无线发射模块，与A/D转换模块连接，接收数字信号，并与无线接收模块无线连接，将数字信号传输到无线接收模块；

(6)无线接收模块，与无线发射模块无线连接，接收数字信号，并与数据处理与显示模块连接，将数字信号传输到数据处理与显示模块；

(7)数据处理与显示模块，与无线接收模块连接，将信号进行处理，得到截齿应力值，并将该值显示出来。

截齿应力值根据以下公式得到：

$F=\frac{F_E{V}_O}{\mathrm{\μ}{V}_{I}K},$

其中：

F-截齿应力，N；

F_E-传感器额定压力，N；

V_O-输出压力信号，mV；

μ-传感器灵敏度，mV/V；

V_I-传感器的激励电压，V；

K-运算放大器放大倍数。

截齿应力值(应力截齿所受到的应力值)高出正常截割煤层应力30％-50％时，判断采煤机截割到了岩石，实现煤岩分界的识别和判定。

所述截齿切割装置、A/D转换模块和无线发射模块安装在采煤机滚筒上。在采煤机工作时，截齿切割装置对切割煤层，通过压力传感器、无线发射模块和无线接收模块可以快速的将实时采集到的应力截齿所受应力值精确传输到数据处理与显示模块上，然后通过软件对信号进行处理，最后在显示模块显示出来。信号的传输介质与采煤机互不影响，能够在煤矿井下恶劣的现场环境进行测试，实现采煤工作面无人化。

本发明基于截齿应力检测，直接将截齿切割装置、A/D转换模块和无线发射模块安装在采煤机滚筒上，可以在现场快速准确地直接测量应力截齿受到的应力，得出应力值，测量精度高，受到的干扰因素少，能够适应90％的煤层，能够在煤矿井下恶劣的现场环境进行测试，实现采煤工作面无人化，快速准确识别煤岩分界。

附图说明

图1是本发明采煤机应力截齿煤岩分界检测装置的原理框图。

图2是本发明中截齿切割装置和传感器安装位置示意图。

图中：1、截齿座，2、应力截齿，3、滚筒中心线，4、基板，5、基板销，6、导向截齿，7、压力传感器，8、A/D转换与无线发射模块。

具体实施方式

本发明的采煤机应力截齿煤岩分界检测装置，以微型计算机为平台。如图1所示，主要包括截齿切割装置、压力传感器7、A/D转换和无线发射模块8、无线接收模块和数据处理与显示模块。

(1)截齿切割装置，直接安装在采煤机的滚筒上(具体是滚筒外边缘的基座内)。其结构如图2所示，包括截齿座1、应力截齿2和导向截齿6，截齿座1中通过基板销5设置有基板4，基板销5的轴线与采煤机滚筒轴线重合(图2中基板销5截面的中心线与滚筒中心线3重合)。应力截齿2和导向截齿6安装在基板4上，导向截齿6超前应力截齿2安装(导向截齿6位于应力截齿2的前方，以采煤机滚筒转动方向为前)，且低于应力截齿10mm-15mm(导向截齿6的顶端低于应力截齿2的顶端)。导向截齿6超前安装的主要作用是在应力截齿2截割煤层前，先让导向截齿6进行截割，保证应力截齿2每次割煤或岩石的厚度相同，这种方法可以确保压力传感器测量的准确性。

(2)压力传感器7，安装在截齿切割装置中基板4上的底部，位于应力截齿2的下方，与运算放大器连接，实时采集应力截齿2受到的应力。煤层发生变化，应力截齿2受到的应力将发生变化，尤其是当采煤机截割到岩石时，应力截齿2所受到的应力与截割煤层时相比将发生显著变化，此时压力传感器7可以直接测量到应力截齿2受到的应力，数据测量准确。

压力传感器7为差动全桥类型的电阻应变片测量电路。实际测量时，应力截齿2受到煤岩的作用力通过基板4使压力传感器7内部应变电阻受压变形，应变电阻大小发生与变化，则电桥的输出电压发生变化，从而实现对截齿所受应力的实时检测。

(3)运算放大器，与压力传感器7和A/D转换模块连接，用于将截齿应力(应力截齿1所受到的应力)的模拟信号放大。

(4)A/D转换模块，与运算放大器和无线发射模块连接，接收运算放大器放大的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输至无线接收模块。

(5)无线发射模块，与A/D转换模块连接，接收数字信号，并与无线接收模块连接，将数字信号传输到无线接收模块。

如图2，A/D转换模块和无线发射模块(A/D转换和无线发射模块8)安装在截齿切割装置上，并与截齿切割装置一起安装在采煤机滚筒上，在采煤机工作时，可以快速的将实时采集到的结果精确传输到数据处理与显示模块上，输送介质与采煤机互不影响，能够在煤矿井下恶劣的现场环境进行测试，实现采煤工作面无人化。压力传感器7检测到的信号输送到安装在滚筒上的A/D转换与无线发射模块8上，由A/D转换模块将压力传感器7检测到的信号放大，再将模拟信号转换为数字信号，然后通过无线发射模块和无线接收模块将数据快速准确的输送。A/D转换与无线发射模块8为模块化设计，集成化程度高，外形小巧，坚固耐用，便于携带和使用。

(6)无线接收模块，用于接收无线发射模块发出的数字信号，并与数据处理与显示模块无线连接，将数字信号传输到数据处理与显示模块。

(7)数据处理与显示模块，与无线接收模块连接，对信号进行接收、分析和滤波等处理。从而可快速准确的计算出截齿应力值，识别煤岩分界，最后将数值通过显示模块显示出来。

数据处理与显示模块可采用现有的微型计算机。

根据以下公式得到截齿应力值：

$F=\frac{F_E{V}_O}{\mathrm{\μ}{V}_{I}K},$

其中：

F-截齿应力，N；

F_E-传感器额定压力，N；

V_O-输出压力信号，mV；

μ-传感器灵敏度，mV/V；

V_I-传感器的激励电压，V；

K-运算放大器放大倍数。

当采煤机在工作面正常截割煤层时，其滚筒上安装的截齿切割装置上的应力截齿2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，应力截齿所受到的应力会超出截割煤层应力的30％-50％。通过对应力截齿2的实时精确检测，实现分煤岩分界的识别和判定。

Claims (4)

1.一种采煤机应力截齿煤岩分界检测装置，其特征是，包括：

(1)截齿切割装置，安装在采煤机的滚筒上，该装置包括截齿座、应力截齿和导向截齿，应力截齿和导向截齿均安装在截齿座上，导向截齿位于应力截齿前方，且导向截齿的顶端低于应力截齿的顶端；

(2)压力传感器，安装在截齿切割装置的底部，与运算放大器连接，用于测量截齿应力；

(3)运算放大器，与压力传感器和A/D转换模块连接，用于将截齿应力的模拟信号放大；

(4)A/D转换模块，与运算放大器和无线发射模块连接，接收运算放大器放大的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输至无线接收模块；

(5)无线发射模块，与A/D转换模块连接，接收数字信号，并与无线接收模块无线连接，将数字信号传输到无线接收模块；

(6)无线接收模块，与无线发射模块无线连接，接收数字信号，并与数据处理与显示模块连接，将数字信号传输到数据处理与显示模块；

(7)数据处理与显示模块，与无线接收模块连接，将信号进行处理，得到截齿应力值，并将该值显示出来。

2.根据权利要求1所述的采煤机应力截齿煤岩分界检测装置，其特征是，所述导向截齿的顶端低于应力截齿的顶端10mm-15mm。

3.根据权利要求1所述的采煤机应力截齿煤岩分界检测装置，其特征是，所述截齿应力值根据以下公式得到：

$F=\frac{F_E{V}_O}{\mathrm{\μ}{V}_{I}K},$

其中：

F-截齿应力，N；

F_E-传感器额定压力，N；

V_O-输出压力信号，mV；

μ-传感器灵敏度，mV/V；

V_I-传感器的激励电压，V。

4.根据权利要求1所述的采煤机应力截齿煤岩分界检测装置，其特征是，所述截齿应力值高出正常截割煤层应力30％-50％时，判断采煤机截割到了岩石，实现煤岩分界的识别和判定。