CN104948186A - 一种基于温度的煤岩界面识别装置及识别方法 - Google Patents

Abstract

一种基于温度的煤岩界面识别装置及识别方法，装置包括防爆壳体、设置在防爆壳体内的红外测温仪以及本安型电池，所述红外测温仪通过底座固定在壳体内，防爆壳体的一侧具有锗窗，防爆壳体的另一侧具有喇叭口；所述红外测温仪内部设有数据处理单元，数据处理单元与采煤机机载可编程控制器相连，采煤机控制器与采煤机液压系统执行单元相连。所述方法是将测量范围内的温度场划分为若干个温度点，形成温度矩阵，数据处理单元将接收到温度矩阵进行处理，获取采煤机当前截割滚筒位置与煤岩分界面的相对位置。本发明使用非接触式识别装置，可以减少识别装置的损耗，采用红外测温仪可以降低粉尘的影响，使识别方法更加可靠，适用于各种地质条件。

Description

一种基于温度的煤岩界面识别装置及识别方法

技术领域

本发明涉及一种煤岩界面的识别装置及识别方法，具体涉及一种基于温度的煤岩界面识别装置及方法，属于煤岩界面识别技术领域。

背景技术

随着综合机械化采煤工艺的不断发展，国内外学者相继提出“无人化”或“少人化”采煤工作面的构想。采煤机作为综采工作面“三机”配套中的重要设备，主要完成采煤和落煤的任务。在“无人化”或“少人化”的采煤工作面，必须解决采煤机滚筒适应煤层顶底板起伏而自动调节的问题，也就是分辨出煤层与岩石的分界面，并根据所识别出的煤岩界面实现滚筒的自动调高，进而实现采煤机的自动截割。解决该问题的关键在于如何准确判断顶底板煤层厚度，即识别煤岩界面。

美国专利US20020056809A1提出一种基于天然γ射线法的煤岩界面识别装置及方法，利用碘化钠等晶体制成的γ射线探测器接收顶底板所发出的γ射线，并通过变送器将其转换为电信号，传送至识别器，电信号的强度与探测器至顶底板的距离以及预留煤层厚度有关。然而该方法不适用于顶底板不含放射性元素或放射性元素含量较低的工作面，以及煤层中夹矸过多的工作面。

美国专利US4165460提出一种基于人工γ射线的煤岩界面识别装置，利用人工γ射线法射入密度不同的煤岩分界面，从而达到识别煤和岩石的目的。但是人工γ射线具有放射性，在井下难以管理，因此不能广泛运用。

美国专利US4968098提出一种截齿应力传感器用于煤岩界面识别，根据采煤机截割到岩石时，截齿所受到的应力与截割煤层时相比将发生显著变化而实现煤岩界面的辨别。然而该方法对截齿以及传感器的损耗较大，需要人工定时更换传感器，不适用于“无人化”或“少人化”的采煤工作面。

中国专利CN201010251520.1提出一种采用高压水射流的方法实现煤岩界面识别，利用煤层和岩石硬度的不同，高压水射流的反射力大小不同，识别煤层和岩石。然而该方法无法适用于煤、岩硬度比较接近，或者岩石硬度小于煤层硬度的情况。

中国专利CN201110377347.4提出了一种基于图像的煤岩界面识别方法，对多幅煤、岩的彩色图像进行特征提取，然后利用Fisher分类器进行分类，判断出煤岩分别界面。然而井下采集到的图像会受到粉尘的影响，图像中含有大量的背景噪声，影响图像特征提取的效果。另外Fisher分类器属于线性分类器，只能识别训练过程中已有的情况，对于未出现过的情况不能进行有效预测。

综上，上述方法适用范围较窄，或者对截齿以及识别装置损耗较大，识别方法可靠性较差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于温度的煤岩界面识别装置及方法，能够准确识别煤岩分界面，以此判断采煤机的相对截割位置并自动调整采煤机的动作，使其维持最大截割效率，降低粉尘的影响，使识别方法更加可靠，适用于各种地质条件，应用范围广。

为了实现上述目的所采用的技术方案：一种基于温度的煤岩界面识别装置，包括防爆壳体、设置在防爆壳体内的红外测温仪以及本安型电池，所述红外测温仪通过底座固定在壳体内，防爆壳体的一侧具有锗窗，防爆壳体的另一侧具有喇叭口；所述红外测温仪内部设有数据处理单元，数据处理单元通过传输介质与采煤机机载可编程控制器相连，采煤机机载可编程控制器与采煤机液压系统执行单元相连。

红外测温仪具有一定的粉尘穿透能力，利用红外测温技术且根据粉尘的物理特性，选择调整合适的红外线发射波长，红外测温仪可以直接测量截齿与煤岩界面的温度分布情况，并将温度参数输送至数据处理单元；所述数据处理单元包括供电模块、RAM、ROM、调制解调电路、TCP/IP数据传输接口以及隔离变压器等模块，具有数据处理、逻辑判断、数据传输等功能，数据处理单元分析处理红外测温仪传输的温度数据，并发出控制指令至采煤机液压系统执行单元，使采煤机滚筒上升或者下降，保证截齿始终在煤岩界面附近截割，维持最大截割效率。

进一步的，所述数据处理单元是基于DSP开发的温度矩阵处理单元。

将测量范围内的温度场划分为若干个温度点，形成一个温度矩阵，将上述的温度矩阵数据传输给数据处理单元，并按照设定的时间间隔记录温度情况，其中时间间隔可调；数据处理单元根据温度矩阵参数可以获取采煤机当前截割滚筒与煤岩分界面的相对位置，并作出相应的控制策略，然后发出控制指令。

更进一步的，数据处理单元内设有与采煤机牵引机电机的主电路相连的比较电路模块。

该比较电路是判断采煤机牵引电机电流是否大于0，进而得知采煤机是否前进。如果采煤机当前为停止状态，则关闭煤岩界面识别装置，以节约能耗；如果采煤机当前为前进状态，则开启煤岩界面识别装置，开始记录温度矩阵。

进一步的，所述红外测温仪为在线式红外测温仪；红外测温仪的壳体外侧具有网络接口，数据处理单元通过矿用阻燃网线与采煤机机载可编程控制器相连。

与普通的红外测温仪相比，在线式红外测温仪稳定性可靠，测量精度更高，还可以在线把测量温度作对比分析并直接参与闭环控制；本发明采用TCP/IP数据接口协议传输数据，且数据处理单元与采煤机机载控制器之间通过阻燃网线连接，实现数据传输，将识别装置的判断结果传输给控制器。

本安型电池为充电式锂电池，红外测温仪的壳体上设有电源接口以及电源指示灯。

所述防爆壳体的锗窗一侧采用加厚锗板制成，其余的五个面采用钢板制成。所述红外测温仪发射的红外线透过锗板投射至采煤机截割位置。

一种基于温度的煤岩界面识别方法，包括以下步骤：

第一步、将煤岩界面识别装置分别安装在采煤机前、后摇臂上，并将锗窗对准采煤机滚筒的上方；

第二步、采煤机自动切割之前，预先采用人工示教的方式进行采煤机的第一刀切割，使采煤机的截割齿在不割到顶板岩石的情况下，尽可能的贴合煤岩分界面；

第三步、所述煤岩界面识别装置中的红外测温仪全程测量截割齿与煤岩分界面接触时的初始温度参数，并将数据通过传输介质输送至数据处理单元存储，所获取的第一刀温度矩阵表示为[x₁y₁z₁],[x₂y₂z₁],...[x_ky_kz₁],...[x_Ky_Kz₁]，每个矩阵中的温度最高数值点记为t₁₁,t₁₂,...t_1k,...t_1K；

第四步、采煤机自动切割后，红外测温仪将获取的温度矩阵参数通过传输介质输送至数据处理单元，并获取当前位置下温度矩阵中数值最大的点t_jk；

第五步、比较t_jk与t_1k的大小关系，如果t_jk>t_1k，则当前截割位置过高，采煤机液压系统执行单元14控制下调采煤机滚筒；如果0.8t_1k<t_jk<t_1k，则当前位置合适，继续保持切割；如果t_jk<0.8t_1k，则判定为采煤机当前处于异常位置或煤岩界面识别系统出现异常状况，应及时停机检修，或者煤层分布出现大的改变，需要重新设定初始温度。

本发明采用非直接接触式的红外测温装置，避免测量装置与煤岩界面的直接接触，可以极大限度的减少测量装置的损耗；非接触式红外测温装置可以直接测量采煤机截齿与煤岩作用的温度，从而准确识别煤岩界面控制采煤机截割动作；采用本安型可充电电池供电，无需配置单独的动力电缆，且在数据处理单元中加入比较电路，在采煤机前进时才开启该装置，采煤机停止时关闭该装置，节约能耗；本装置及方法可以降低粉尘的影响，使识别方法更加可靠，适用于各种地质条件，应用范围广。

附图说明

图1是本发明中基于温度的煤岩界面识别装置的示意图；

图2是图1的A向局部视图；

图3是基于温度的煤岩界面识别装置安装在采煤机上的示意图；

图4是本发明中基于温度的煤岩界面识别方法的控制流程图。

图中：1、防爆壳体；2、红外测温仪；3、锗窗；4、底座；5、本安型电池；6、数据处理单元；7、电源接口；8、电源指示灯；9、网络接口；10、喇叭口；11、煤岩分界面；12、截割齿；13、煤岩界面识别装置；14、采煤机液压系统执行单元；15、采煤机机载可编程控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种基于温度的煤岩界面识别装置，包括防爆壳体1、设置在防爆壳体内的红外测温仪2以及本安型电池5，所述红外测温仪3通过底座4固定在壳体内，防爆壳体的一侧具有锗窗3，防爆壳体的另一侧具有喇叭口10；所述红外测温仪2内部设有数据处理单元6，数据处理单元6通过传输介质与采煤机机载可编程控制器15相连，采煤机机载可编程控制器15与采煤机液压系统执行单元14相连。

红外测温仪具有一定的粉尘穿透能力，利用红外测温技术且根据粉尘的物理特性，选择调整合适的红外线发射波长，红外测温仪可以直接测量截齿与煤岩界面的温度分布情况，并将温度参数输送至数据处理单元；所述数据处理单元包括供电模块、RAM、ROM、调制解调电路、TCP/IP数据传输接口以及隔离变压器等模块，具有数据处理、逻辑判断、数据传输等功能，数据处理单元分析处理红外测温仪传输的温度数据，并发出控制指令至采煤机液压系统执行单元14，使采煤机滚筒上升或者下降，保证截齿始终在煤岩界面附近截割，维持最大截割效率。

进一步的，所述数据处理单元6是基于DSP开发的温度矩阵处理单元。

将测量范围内的温度场划分为若干个温度点，形成一个温度矩阵，将上述的温度矩阵数据传输给数据处理单元，并按照设定的时间间隔记录温度情况，其中时间间隔可调；数据处理单元根据温度矩阵参数可以获取采煤机当前截割滚筒与煤岩分界面的相对位置，并作出相应的控制策略，然后发出控制指令。

更进一步的，数据处理单元内设有与采煤机牵引机电机的主电路相连的比较电路模块。

该比较电路是判断采煤机牵引电机电流是否大于0，进而得知采煤机是否前进。如果采煤机当前为停止状态，则关闭煤岩界面识别装置，以节约能耗；如果采煤机当前为前进状态，则开启煤岩界面识别装置，开始记录温度矩阵。

进一步的，所述红外测温仪2为在线式红外测温仪；红外测温仪2的壳体外侧具有网络接口9，数据处理单元6通过矿用阻燃网线与采煤机机载可编程控制器15相连。采煤机机载可编程控制器15还可以与地面监控系统之间通过井下环网相连。

与普通的红外测温仪相比，在线式红外测温仪稳定性可靠，测量精度更高，还可以在线把测量温度作对比分析并直接参与闭环控制；本发明采用TCP/IP数据接口协议传输数据，且数据处理单元与采煤机机载控制器之间通过阻燃网线连接，实现数据传输，将识别装置的判断结果传输给控制器。

本安型电池5为充电式锂电池，红外测温仪2的壳体上设有电源接口7以及电源指示灯8。

所述防爆壳体的锗窗3一侧采用加厚锗板制成，其余的五个面采用钢板制成。所述红外测温仪发射的红外线透过锗板投射至采煤机截割位置。

如图3和图4所示，一种基于温度的煤岩界面识别方法，包括以下步骤：

第一步、将煤岩界面识别装置13分别安装在采煤机前、后摇臂上，并将锗窗对准采煤机滚筒的上方和前方；当采煤机向前切割时，前摇臂上的煤岩界面识别装置发挥作用，当采煤机反方向切割时，后摇臂升至煤岩顶板处进行截割，后摇臂上的煤岩界面识别装置发挥作用；

第二步、采煤机自动切割之前，预先采用人工示教的方式进行采煤机的第一刀切割，使采煤机的截割齿12在不割到顶板岩石的情况下，尽可能的贴合煤岩分界面；

第三步、所述煤岩界面识别装置中的红外测温仪2全程测量截割齿12与煤岩分界面11接触时的初始温度参数，并将数据通过传输介质输送至数据处理单元6存储，所获取的第一刀温度矩阵表示为[x₁y₁z₁],[x₂y₂z₁],...[x_ky_kz₁],...[x_Ky_Kz₁]，每个矩阵中的温度最高数值点记为t₁₁,t₁₂,...t_1k,...t_1K；

建立综采工作面的坐标如下：以垂直向下的方向为y轴正方向、以面朝煤壁的右方且垂直于y轴正方向为x轴正方向、以指向煤壁且垂直于xoy平面为z轴正方向。采煤机割煤的过程就是采煤机沿着x轴方向来回截割，称为截割方向；采煤机沿着z轴不断向前推进的方向称为进刀方向。

由于综采工作面采煤机采用来回割煤的方式，每个温度矩阵可以表示为[x_ky_kz_j]，代表第j次进刀中，第k个温度矩阵数据点。用J表示总的进刀次数，K表示一次进刀过程中煤岩界面识别装置记录温度矩阵的次数。

第四步、采煤机自动切割后，红外测温仪2将获取的温度矩阵参数通过传输介质输送至数据处理单元6，并获取当前位置下温度矩阵中数值最大的点t_jk；

第五步、比较t_jk与t_1k的大小关系，如果t_jk>t_1k，则当前截割位置过高，采煤机液压系统执行单元14控制下调采煤机滚筒；如果0.8t_1k<t_jk<t_1k，则当前位置合适，继续保持切割；如果t_jk<0.8t_1k，则判定为采煤机当前处于异常位置或煤岩界面识别系统出现异常状况，应及时停机检修，或者煤层分布出现大的改变，需要重新设定初始温度。

本发明采用非直接接触式的红外测温装置，避免测量装置与煤岩界面的直接接触，可以极大限度的减少测量装置的损耗；非接触式红外测温装置可以直接测量采煤机截齿与煤岩作用的温度，从而准确识别煤岩界面控制采煤机截割动作。降低粉尘的影响，使识别方法更加可靠，适用于各种地质条件，应用范围广。

Claims (7)

1.一种基于温度的煤岩界面识别装置，其特征在于，包括防爆壳体(1)、设置在防爆壳体内的红外测温仪(2)以及本安型电池(5)，所述红外测温仪(3)通过底座(4)固定在防爆壳体内，防爆壳体的一侧具有锗窗(3)，防爆壳体的另一侧具有喇叭口(10)；所述红外测温仪(2)内部设有数据处理单元(6)，数据处理单元(6)通过传输介质与采煤机机载可编程控制器(15)相连，采煤机机载可编程控制器(15)与采煤机液压系统执行单元(14)相连。

2.如权利要求1所述的基于温度的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述数据处理单元(6)是基于DSP开发的温度矩阵处理单元。

3.如权利要求2所述的基于温度的煤岩界面识别装置，其特征在于，数据处理单元内(6)设有与采煤机牵引机电机的主电路相连的比较电路模块。

4.如权利要求3所述的基于温度的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述红外测温仪(2)为在线式红外测温仪；红外测温仪(2)的壳体外侧具有网络接口(9)，数据处理单元(6)通过矿用阻燃网线与采煤机机载可编程控制器(15)相连。

5.如权利要求4所述的基于温度的煤岩界面识别装置，其特征在于，本安型电池(5)为充电式锂电池，红外测温仪(2)的壳体上设有电源接口(7)以及电源指示灯(8)。

6.如权利要求1至5任一权利要求所述的基于温度的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述防爆壳体的锗窗(3)一侧采用加厚锗板制成，其余的五个面采用钢板制成。

7.一种基于温度的煤岩界面识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将煤岩界面识别装置(13)分别安装在采煤机前、后摇臂上，并将锗窗(3)对准采煤机滚筒的上方；

第二步、采煤机自动切割之前，预先采用人工示教的方式进行采煤机的第一刀切割，使采煤机的截割齿(12)在不割到顶板岩石的情况下，尽可能的贴合煤岩分界面(11)；

第三步、所述煤岩界面识别装置中的红外测温仪(2)全程测量截割齿(12)与煤岩分界面(11)接触时的初始温度参数，并将数据通过传输介质输送至数据处理单元(6)存储，所获取的第一刀温度矩阵表示为[x₁y₁z₁],[x₂y₂z₁],...[x_ky_kz₁],...[x_Ky_Kz₁]，每个矩阵中的温度最高数值点记为t₁₁,t₁₂,...t_1k,...t_1K；

第四步、采煤机自动切割后，红外测温仪(2)将获取的温度矩阵参数通过传输介质输送至数据处理单元(6)，并获取当前位置下温度矩阵中数值最大的点t_jk；

第五步、比较t_jk与t_1k的大小关系，如果t_jk>t_1k，则当前截割位置过高，采煤机液压系统执行单元14控制下调采煤机滚筒；如果0.8t_1k<t_jk<t_1k，则当前位置合适，继续保持切割；如果t_jk<0.8t_1k，则判定为采煤机当前处于异常位置或煤岩界面识别系统出现异常状况，应及时停机检修，或者煤层分布出现大的改变，需要重新设定初始温度。