CN104820021A - 一种采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法

技术领域

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

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。

目前较为成熟的技术有自然γ射线探测法，其原理是基于岩石中能够放射一定量的γ射线，而煤层中几乎没有放射量，并且煤层对岩石中放射的γ射线具有衰减作用的原理。探测传感器的传感器头接收γ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。

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。

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。

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。

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

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。

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：

h＝ct/2

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。

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：

$R=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2-{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2+{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1}$

上式中，ρ₁为煤层密度；c₁为煤层声速；ρ₂为岩层密度；c₂为岩层声速。

具体地，所述超声相控阵通过控制各个独立阵元的延时，生成不同指向性的超声波波束，产生不同形式的声束效果，可以模拟各种斜聚焦探头的工作，并且可以电子扫描和动态聚焦，无需移动探头，检测速度快，探头放在一个位置就可以生成被检测物体的完整图像，实现了自动扫查；相控阵换能器发射的超声波遇到目标以后产生回波信号，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：

$t_{fn}=\frac{F}{c}\•\[1-\sqrt{1+{\left(\frac{nd}{F}\right)}^2}\]+t_0$

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；t₀表示足够大的时间常数，避免t_fn出现负的延时时间。

具体地，所述后处理成像装置处理超声波相控阵接受的回波信号，按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿,然后进行声束合成，就能将待定位置的回波信号通过叠加增强，而其他方向的回波信号减弱甚至抵消，根据波束合成的扫描线来成像。相控阵换能器在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即可得本次煤岩界面的超声图像，从而，为下次滚筒截割高度调节提供依据。

具体地，所述后处理成像装置最终的成像可形成常用的两种基本视图：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单个阵元接受的超声波回波信号分析，根据回波信号的时间-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对每个阵元接受的超声波回波信号分析，将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。

具体地，所述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位于所述耦合装置中，与所述后处理成像装置相连接，所述后处理成像装置位于控制室中，所述耦合装置一端与煤层表面直接接触，另一端与所述支撑装置联接，所述支撑装置一端与耦合装置通过螺栓联接，另一端通过螺栓固定在采煤机中间框架上，整个系统随采煤机运动。

具体地，所述耦合装置由橡胶水套、调节弹簧、支柱、外壳、调节支柱、进水管和出水管组成，所述橡胶水套中放有超声波相控阵换能器；所述支柱一端与橡胶水套连接，支柱上套有所述弹簧，另一端与水管连接；所述调节弹簧外罩有外壳；所述外壳和调节支柱相连。

具体地，所述耦合装置的橡胶水套在调节弹簧的作用下与煤层紧密接触，调节支柱可控制调节弹簧对橡胶水套压力的大小，水流经水管、支柱流入橡胶水套中，在超声波相控阵换能器和煤层表面之间形成耦合水层。水作为耦合剂有利于超声波顺利进入煤层而不散射掉，将超声波的衰减减至最小。耦合装置中的橡胶水套受到调节弹簧一定的力作用，防止水大量溢出影响耦合效果。

进一步地，所述支柱为中空杆件，支柱一端装有水管。水流经水管、支柱流入橡胶水套中，在超声波相控阵和煤层表面之间形成耦合水层。

优选地，所述超声波相控阵通过螺栓固定在橡胶水套中。

优选地，所述支撑装置一端通过螺栓固定在采煤机上，另一端通过螺栓将耦合装置固定住。

优选地，所述耦合装置的调节支柱和外壳通过螺纹连接。螺纹不仅起到连接作用，而且可以通过调节螺纹来调节弹簧对于橡胶水套压力的大小，保证耦合效果。

由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、综合机械化采煤现场的工况复杂、干扰噪声多，本发明的超声波具有指向性强、传播距离远、抗干扰强、测量精度高等优点，因此使用超声波检测煤岩界面不会受到现场噪声干扰，且精度高。

2、本发明的超声相控阵可以实现不同点的聚焦以提高信噪比，同时可以实现声束偏转等效果，因此得到的回波信号强，空间分辨力和灵敏度都大大提高。

3、本发明的超声相控阵接收的方式可对回波信号进行聚焦、变孔径、变迹等多种关键技术，通过后处理成像装置的信号图像重建可以得到煤岩界面的清晰均匀的高分辨率声成像，提供直观的图像。

4、本发明的耦合装置为超声相控阵和煤层表面之间提供了水耦合剂，使得相控阵与煤层表面完全耦合，将超声波的衰减减至最小，保证超声波从相控阵到煤层的传播而无散射。且考虑到综采工作面配有降尘水系统，以水为耦合剂也更加适应井下工作。

5、本发明的支撑装置安装在采煤机上，使得相控阵随采煤机一起运动，能够实时地测得煤层厚度。

6、仪器测量方法和人工测量比较测量精度高、效率高、速度快、劳动强度小、能进行大范围和连续测量。

综上所述，本发明的采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法适用于综合机械化采煤工作面，方法原理简单可靠，具有回波信号强、探测精度高、可靠性好等优点，能够应用于采煤现场实时地准确地探测煤岩界面。

附图说明

为了能更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法安装在采煤机上的连接示意图；

图2是本发明采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法安装在采煤机上的侧视连接示意图；

图3是本发明采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法的局部结构示意图；

图4是本发明采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法的局部结构俯视示意图；

图5是本发明采用相控阵超声成像检测煤岩界面的方法的超声波在介质中传播示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

参见图1和图2，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用于采煤现场检测煤层厚度，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构成。参见图3和图4，所述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，通过电线4与超声波相控阵换能器7相连。超声波相控阵换能器7接受的回波信号由电线4传入后处理装置5中，耦合装置1一端与煤层表面直接接触，另一端与所述支撑装置3联接，支撑装置3一端与耦合装置1通过螺栓联接，另一端通过螺栓固定在采煤机中间框架上。整个系统可随着采煤机一起运动，实时检测煤层厚度。

参见图3和图4，其中所述耦合装置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。所述橡胶水套6中放有超声波相控阵换能器7，所述支柱9上套有所述调节弹簧10，支柱9一端与橡胶水套6连接，另一端与水管连接，所述调节弹簧10外罩有外壳11，所述外壳11通过螺纹连接于调节支柱12相连，其中支柱9为中空。耦合装置的橡胶水套6在调节弹簧10的作用下与煤层紧密接触，调节支柱12可控制调节弹簧10对橡胶水套压力6的大小；水流经进水管2和支柱9从出水管8流入橡胶水套6中，在超声波相控阵换能器7和煤层表面之间形成耦合水层。水使得相控阵换能器与煤层表面完全耦合，将超声波的衰减减至最小，保证超声波从相控阵到煤层的传播而无散射，考虑到综采工作面配有降尘水系统，以水为耦合剂也更加适应矿下工作。

参见图5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，超声波传播至水煤界面进入煤层，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的传播速度以及超声波相控阵换能器7发射超声波13和接收超声波反射首波16的时间差即可算出煤层厚度，具体公式是：

h＝ct/2

上式中，c代表超声波在煤层中的传播速度；t表示超声波相控阵换能器7发射超声波13和接收超声波反射首波16的时间差；h表示煤层厚度。

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：

$R=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2-{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2+{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1}$

上式中，ρ₁为煤层密度；c₁为煤层声速；ρ₂为岩层密度；c₂为岩层声速。

所述超声相控阵换能器7通过控制各个独立阵元的延时，生成不同指向性的超声波波束，产生不同形式的声束效果，可以模拟各种斜聚焦探头的工作，并且可以电子扫描和动态聚焦，无需移动探头，检测速度快，探头放在一个位置就可以生成被检测物体的完整图像，实现了自动扫查；换能器发射的超声波遇到目标以后产生回波信号，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。超声相控阵换能器7可以实现不同点的聚焦以提高信噪比，同时可以实现声束偏转等效果，因此得到的回波信号强，空间分辨力和灵敏度都大大提高。激励信号延时时间具体公式为：

$t_{fn}=\frac{F}{c}\•\[1-\sqrt{1+{\left(\frac{nd}{F}\right)}^2}\]+t_0$

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；t₀表示足够大的时间常数，避免t_fn出现负的延时时间。

所述后处理成像装置5处理超声波相控阵接受的回波信号，按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿,然后进行声束合成，就能将待定位置的回波信号通过叠加增强，而其他方向的回波信号减弱甚至抵消，根据波束合成的扫描线成像。超声波相控阵换能器7沿着采煤机行进方向移动实现对本次截割残留的煤界面的扫描与探测，可得到多条扫描声线，对扫描声线进行成像处理即可得煤岩界面的超声图像。通过后处理成像装置5的信号图像重建可以得到煤岩界面的清晰均匀的高分辨率声成像，提供直观的图像，从而，为下次滚筒截割高度调节提供依据。

所述后处理成像装置5最终的成像可形成常用的两种基本视图：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，根据回波信号16的时间-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对每个阵元接受的超声波回波信号16分析，将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。

参见图1，在综合机械化煤矿采掘现场，支撑装置3带动整个检测煤岩界面系统随采煤机运动，综采工作面的降尘水系统通过耦合装置1的进水管2以一定的水流速度往橡胶水套6中注水，水在煤层和超声波相控阵换能器7之间形成一层薄薄的耦合剂，保证超声波能顺利进入煤层。启动探测装置，超声波相控阵换能器7往煤层发射超声波13，超声波13从水中传播至水与煤界面，在煤岩界面发生折射后进入煤层内传播，至煤与岩界面反射后传播回煤层，再至水中相控阵换能器7接收成为回波信号。后处理成像系统记下发射超声波13和接受超声波16的时间差t，根据公式计算出煤层厚度h，并根据相控阵成像原理给出煤岩界面图。

以上所揭露的仅为本发明的几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

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；t-₀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）一端与耦合装置（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）一端与支柱（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）一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。