CN105758757B - 一种煤岩截割试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种煤岩截割试验装置及方法，试验装置包括升降台，升降台设有顶板、底板，顶板与底板之间设有支撑液压缸和支撑板组，顶板上设有工作台，工作台上设有红外热像仪，工作台的一侧铰接有摇臂，摇臂上设有声发射信号传感器，摇臂的末端固定有截割机构，截割机构包括滚筒，滚筒的外周设有截齿，用于截割煤壁，截齿上设有应变片，煤壁内设有三向内应力传感器，本发明利用声发射信号传感器、红外热像仪、应变片及三向内应力传感器来采集截割过程中的信号，并对不同信号进行处理，进而分析得知所截割区的煤岩分布，当遇到岩石时，控制升降台的升降，进而调节截割机构的高度，从而使截割机构在煤的区域正常截割，而不会截割到岩石造成截齿损坏。

Description

一种煤岩截割试验装置及方法

技术领域

本发明涉及煤岩截割技术领域，特别是涉及一种煤岩截割试验装置及方法。

背景技术

目前，滚筒采煤机的高度控制，普遍以人工控制为主，即采煤机司机用视力和听力判断采煤机的工作状态，以对滚筒的垂直高度进行控制。由于采煤机的工作环境恶劣，严重的煤尘及噪声使采煤机司机很难准确且及时地判断采煤机的截割状态，更不用说及时调整滚筒高度了。此时，如果是在薄煤层工作面，采煤机在工作过程中很容易就会截割到顶底板岩石，造成滚筒截齿磨损及其他零部件的损坏；对于高瓦斯矿井极易引起瓦斯爆炸，形成恶性事故。另外，如果滚筒的位置调整太保守，则容易造成顶底煤剩留过多，降低回采率，造成很大的资源浪费。

因此采煤机自动调高是实现采煤工作自动化的关键技术之一，实现采煤机滚筒的自动调高可以减轻滚筒的磨损、增加煤矿生产安全系数。但是采煤机滚筒截割过程及其复杂，工作环境相当恶劣，并限于测试仪器的防爆要求，对采煤机上的信号进行采集始终是一个难以解决的问题。现在一些科研单位经常会采用试验的方法来模拟采煤机滚筒截割过程，从而测得试验数据，指导实际生产。目前存在的整机试验装置，所用采煤机、煤壁试件及配套设备要花费大量资金，进行一次试验周期较长，且建造试验场所必然占用大量场地，对于一般科研单位难以办到。因此，有必要设计一种更好的采煤机截割试验装置，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟煤岩截割过程，采集煤岩截割时的数据信号，分析所截割区域煤岩分布的煤岩截割试验装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤岩截割试验装置，包括升降台，所述升降台设有顶板、底板，所述顶板与所述底板之间设有支撑液压缸和支撑板组，所述支撑液压缸顶在所述顶板上，可带动所述顶板升降，所述支撑板组枢接于所述顶板与所述底板之间，所述顶板上设有工作台，所述工作台的底部设有滑块，所述滑块装设于所述顶板上设置的导轨上，所述工作台的一侧设有驱动电机，所述驱动电机连接于丝杠，所述丝杠装设于所述工作台，通过所述驱动电机驱动所述丝杠，进而驱动所述工作台沿所述导轨移动，所述工作台上设有红外热像仪，所述工作台的一侧铰接有摇臂，所述摇臂上设有声发射信号传感器，所述摇臂的末端固定有截割机构，所述截割机构包括滚筒，所述滚筒的外周设有截齿，用于截割煤壁，所述截齿上设有应变片，所述煤壁内设有三向内应力传感器，所述滚筒远离煤壁的一侧设有截割电机。

进一步，所述支撑板组设有多个，每个所述支撑板组包括交叉呈X形设置的第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板和所述第二支撑板的交叉处设有支撑轴，所述第一支撑板的两端铰接连接于所述顶板和所述底板，所述第二支撑板的两端设有滑轮，可在所述顶板和所述底板上设置的滑轨上运动。

进一步，所述支撑板组设有四个，对称分布于所述顶板与所述底板之间，所述第一支撑板的底端位于所述底板的四个角落，所述第二支撑板的顶端位于所述顶板的四个角落。

进一步，所述第一支撑板与所述第二支撑板之间设有第一电动推杆，当所述支撑液压缸升降时，所述第一电动推杆推动所述第一支撑板与所述第二支撑板之间收起或叉开，当所述支撑液压缸停止时，所述第一电动推杆停止以锁定所述第一支撑板与所述第二支撑板的位置。

进一步，所述导轨的底部安装于所述顶板，其顶部向上凸出成弧形，所述滑块套设于所述导轨上，可沿所述导轨运动。

进一步，所述丝杠设于所述工作台的底面中部，所述丝杠的两端分别被支撑块支撑。

进一步，所述工作台的侧面横向凸出设有第二电动推杆，所述第二电动推杆的末端竖向设有升降板，所述升降板抵顶于所述摇臂的底面，所述摇臂底面设为弧形，所述第二电动推杆工作时推动所述升降板横向移动，所述升降板的顶面沿所述摇臂底面运动，控制所述摇臂的转动。

进一步，所述滚筒通过连接轴连接于所述摇臂，所述连接轴的一端设有减速器，所述减速器连接于所述截割电机，所述连接轴的另一端连接于所述滚筒。

一种采用上述煤岩截割试验装置的方法，包括：

步骤一：模拟截割材料的配置，设置所述煤壁，并在所述煤壁内布置三向内应力传感器；

步骤二：在所述摇臂靠近所述截割机构处布置声发射传感器，所述截齿上安装应变片，所述工作台顶部设置红外热像仪，所述红外热像仪、所述应变片、所述声发射传感器及所述三向内应力传感器均连接于计算机；

步骤三：启动所述试验装置，所述截割电机驱动所述滚筒转动，使所述截齿截割煤壁，所述驱动电机驱动所述丝杠转动，进而驱动所述工作台沿所述导轨移动，所述摇臂及所述截割机构也随之移动，所述声发射传感器测量截割过程产生的声发射信号，所述红外热像仪测量截割过程产生的红外信号，所述应变片测量截割过程中所述截齿的应变，所述三向内应力传感器测量截割过程中煤壁内的应力波。

进一步，所述滚筒对所述煤壁无法截割时，调节所述升降台的高度，启动所述支撑液压缸，所述支撑液压缸带动所述顶板升降，所述工作台也随之升降，当调好高度后，所述支撑液压缸自动锁定。

本发明的有益效果：

本发明利用声发射信号传感器、红外热像仪、应变片及三向内应力传感器来采集截割过程中的信号，并对不同信号进行处理，进而分析得知所截割区的煤岩分布，当遇到岩石时，控制升降台的升降，调节截割机构的高度，从而使截割机构在煤的区域正常截割，而不会截割到岩石造成截齿损坏。

附图说明

图1为本发明煤岩截割试验装置的整体结构示意图；

图2为图1中升降台的结构示意图；

图3为图1中工作台及截割机构的结构示意图；

图4为图3中截齿的结构示意图；

图5为本发明三向内应力传感器的结构示意图；

图6为本发明三向内应力传感器设置于煤壁内的示意图；

图中，1—煤壁、2—滚筒、3—截齿、4—应变片、5—减速器、6—截割电机、7—摇臂、8—声发射信号传感器、9—工作台、10—红外热像仪、11—滑块、12—导轨、13—丝杠、14—支撑块、15—驱动电机、16—第二电动推杆、17—升降板、18—顶板、19—底板、20—支撑液压缸、21—第一支撑板、22—第二支撑板、23—滑轮、24—滑轨、25—支撑轴、26—第一电动推杆、27—三向内应力传感器。

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，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作出创造性劳动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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1，本发明提供一种煤岩截割试验装置，包括支撑机构，行走机构及截割机构，所述截割机构用于截割煤壁1，通过上述试验装置模拟煤矿开采，通过支撑机构调节截割机构的高度，行走机构调节截割机构的前进，进行连续采煤试验。

如图1及图2，支撑机构包括升降台，升降台设有顶板18和底板19，顶板18与底板19之间设有支撑液压缸20和支撑板组，支撑液压缸20顶在顶板18上，带动顶板18升降，支撑液压缸20内带有自锁机构，当升降台上升或下降到所需高度后，支撑液压缸20自动锁紧。支撑板组枢接于顶板18与底板19之间，支撑板组设有多个，每个支撑板组包括交叉呈X形设置的第一支撑板21和第二支撑板22，第一支撑板21和第二支撑板22的交叉处设有支撑轴25，面对彼此的两个支撑板组共用同一支撑轴25。第一支撑板21的两端铰接连接于顶板18和底板19，第二支撑板22的两端设有滑轮23，可在顶板18和底板19上设置的滑轨24上运动。在本实施例中，支撑板组设有四个，对称分布于顶板18与底板19之间，第一支撑板21的底端位于底板19的四个角落，第二支撑板22的顶端位于顶板18的四个角落，通过第一支撑板21铰接，第二支撑板22在滑轨24上滑动，可以实现支撑板组叉开或收起，从而配合支撑液压缸20控制顶板18的升降。第一支撑板21与第二支撑板22之间设有第一电动推杆26，第一电动推杆26与支撑液压缸20同时工作，帮助升降台整体升高或降低，同时协助完成锁紧功能，当支撑液压缸20升降时，第一电动推杆26推动第一支撑板21与第二支撑板22之间收起或叉开，当支撑液压缸20停止时，第一电动推杆26停止以锁定第一支撑板21与第二支撑板22的位置。

如图1及图3，行走机构包括工作台9，工作台9位于顶板18上方，工作台9的底部设有滑块11，顶板18的顶面安装有导轨12，导轨12呈Ω形，导轨12的底部通过螺栓安装于顶板18，其顶部向上凸出成弧形，滑块11套设于导轨12上，可沿导轨12运动，在本实施例中，导轨12设有两条，分别位于工作台9的底面两侧。两条导轨12之间设有丝杠13，即丝杠13装设于工作台9底面中部，可驱动工作台9移动，丝杠13的两端分别被支撑块14支撑，丝杠13的一端连接驱动电机15，通过驱动电机15驱动丝杠13转动，进而驱动滑块11沿导轨12移动，从而使得工作台9整体移动。工作台9的顶面设有红外热像仪10，用于对截割过程中产生的红外信号进行测量，并传输至计算机。

工作台9的一侧铰接有摇臂7，截割机构设于摇臂7的末端，摇臂7的下方设有第二电动推杆16，第二电动推杆16沿横向凸出于工作台9的侧壁，第二电动推杆16的末端竖向设有升降板17，升降板17抵顶于摇臂7的底面，摇臂7底面设为弧形，第二电动推杆16工作时推动升降板17横向移动，升降板17的顶面沿摇臂7底面弧形运动，从而控制摇臂7在一定范围内的转动，可以辅助调节截割机构的高度。摇臂7靠近截割机构的一端，即上端，设有两枚声发射传感器8，用于测量截割过程中产生的声发射信号。

如图3、图4及图5，截割机构包括滚筒2，滚筒2通过连接轴连接于摇臂7，连接轴的一端设有减速器5，减速器5连接于截割电机6，连接轴的另一端连接于滚筒2，滚筒2的外周设有截齿3，用于截割煤壁1，截齿3上设有应变片4，用于测量截齿3在截割过程中应变变化情况，煤壁1内设有三向内应力传感器27，测量截割过程中的应力波，进而分析截割区域内煤岩的分布情况。当截割电机6工作时，滚筒2转动对煤壁1截割，滚筒2截割煤壁1下方时，如果滚筒2对煤壁1截割不便或角度调整不到理想位置时，可通过第二电动推杆16来调节摇臂7的摆动，进而调节滚筒2的位置，若需调整高度较大时，可通过升降台来调节高度，以便更好的完成截割工作。

本发明煤岩截割试验装置，利用声发射信号传感器8、红外热像仪10、应变片4及三向内应力传感器27来采集截割过程中的信号，并对不同信号进行处理，进而分析得知所截割区的煤岩分布，当遇到岩石时，控制工作台9的升降，以调节摇臂7及截割机构的高度，从而使截割机构在煤的区域正常截割，而不会截割到岩石造成截齿损坏。

采用上述煤岩截割试验装置的方法包括：

步骤一：模拟截割材料的配置，设置煤壁1，并在煤壁1内布置三向内应力传感器27。在本实施例中，煤壁材料分别为煤粉和砂石，进行模拟截割材料的配置，具体为，将浇筑材料搅拌均匀后放入模具中进行塑形和晒干处理，待凝固后布置三向内应力传感器27。

步骤二：在摇臂7靠近截割机构处布置两枚声发射传感器8，在截齿3上安装应变片4，且在工作台9的顶部设置红外热像仪10，并使红外热像仪10、应变片4、声发射传感器8及三向内应力传感器27均连接于计算机，可以通过无线的方式将信号输出到计算机，也可以通过导线直接连接到计算机。

步骤三：启动试验装置，截割电机6驱动滚筒2转动，使截齿3截割煤壁1，同时驱动电机15驱动丝杠13转动，进而驱动工作台9沿导轨12移动，摇臂7及截割机构也随之移动，持续向前截割，声发射传感器8测量截割过程产生的声发射信号，红外热像仪10测量截割过程产生的红外信号，应变片4测量截割过程中截齿3的应变，三向内应力传感器27测量截割过程中煤壁内的应力波。滚筒2对煤壁1无法截割时，调节升降台的高度，启动支撑液压缸20，支撑液压缸20带动顶板18升降，工作台9也随之升降，当调好高度后，支撑液压缸20自动锁定，截割机构可正常截割。

如图6，根据上述试验采集煤壁1内的信号，进行分析。由理论可知，介质中的应力波在传播过程中，到达不同位置的三向内应力传感器27的时间不同，这与应力波的传播速度有关。根据平面应变条件下纵波在介质中的传播速度公式，可以计算应力波在煤、岩石中的速度为

式中：E，u，p分别为煤、岩石的弹性模量、泊松比和密度，g为重力加速度。查阅资料可知砂石与煤粉的物理力学性能如下表所示：

分类	弹性模量E(MPa)	泊松比	密度/(kg·m-3)
				煤	0.53e4	0.32	1300
砂石	1.35e4	0.123	2540

通过计算可知：C_煤＝241m/s，C_砂石＝234m/s，所需时间分别为

t_煤＝s/C_煤，t_砂石＝s/C_砂石。

设滚筒与三向内应力传感器27之间距离为s₁，滚筒2截割煤壁1时产生的应力波传递到三向内应力传感器时，测得实际时间为t_实，若t_实＝t_煤，则可说明在以半径为s₁、圆心为滚筒与煤壁接触点范围内的圆内都是煤块；若测得t_实＝t_砂石，则说明在以半径为s₁、圆心为滚筒与煤壁接触点范围内的圆内都是砂石；若测得t_煤<t_实<t_砂石，则说明在以半径为s₁、圆心为滚筒与煤壁接触点范围内的圆内既有煤块又有砂石；同理，根据所测时间可以判断出图6中下一个三向内应力传感器s₂范围内煤与岩石的实际分布情况。

根据以上所述，可以总结出一个权重函数：

t_实际＝t_煤＊a％+t_砂石＊b％，其中a表示煤所占权重，b表示岩石所占权重；

通过测量相邻传感器反馈的实际时间，可以分析出所截割区域煤岩比例,以便更好的对实验装置进行控制，通过反馈的信号及时间的不同，可以调整截割机构的高度，以避开岩石范围，避免损伤截齿。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种煤岩截割试验装置，其特征在于，包括：升降台，所述升降台设有顶板、底板，所述顶板与所述底板之间设有支撑液压缸和支撑板组，所述支撑液压缸顶在所述顶板上，可带动所述顶板升降，所述支撑板组枢接于所述顶板与所述底板之间，所述顶板上设有工作台，所述工作台的底部设有滑块，所述滑块装设于所述顶板上设置的导轨上，所述工作台的一侧设有驱动电机，所述驱动电机连接于丝杠，所述丝杠装设于所述工作台，通过所述驱动电机驱动所述丝杠，进而驱动所述工作台沿所述导轨移动，所述工作台上设有红外热像仪，所述工作台的一侧铰接有摇臂，所述摇臂上设有声发射传感器，所述摇臂的末端固定有截割机构，所述截割机构包括滚筒，所述滚筒的外周设有截齿，用于截割煤壁，所述截齿上设有应变片，所述煤壁内设有三向内应力传感器，所述滚筒远离煤壁的一侧设有截割电机，所述工作台的侧面横向凸出设有第二电动推杆，所述第二电动推杆的末端竖向设有升降板，所述升降板抵顶于所述摇臂的底面，所述摇臂底面设为弧形，所述第二电动推杆工作时推动所述升降板横向移动，所述升降板的顶面沿所述摇臂底面运动，控制所述摇臂的转动。

2.根据权利要求1所述的煤岩截割试验装置,其特征在于：所述支撑板组设有多个，每个所述支撑板组包括交叉呈X形设置的第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板和所述第二支撑板的交叉处设有支撑轴，所述第一支撑板的两端铰接连接于所述顶板和所述底板，所述第二支撑板的两端设有滑轮，可在所述顶板和所述底板上设置的滑轨上运动。

3.根据权利要求2所述的煤岩截割试验装置,其特征在于：所述支撑板组设有四个，对称分布于所述顶板与所述底板之间，所述第一支撑板的底端位于所述底板的四个角落，所述第二支撑板的顶端位于所述顶板的四个角落。

4.根据权利要求2所述的煤岩截割试验装置,其特征在于：所述第一支撑板与所述第二支撑板之间设有第一电动推杆，当所述支撑液压缸升降时，所述第一电动推杆推动所述第一支撑板与所述第二支撑板之间收起或叉开，当所述支撑液压缸停止时，所述第一电动推杆停止以锁定所述第一支撑板与所述第二支撑板的位置。

5.根据权利要求1所述的煤岩截割试验装置,其特征在于：所述导轨的底部安装于所述顶板，其顶部向上凸出成弧形，所述滑块套设于所述导轨上，可沿所述导轨运动。

6.根据权利要求1所述的煤岩截割试验装置,其特征在于：所述丝杠设于所述工作台的底面中部，所述丝杠的两端分别被支撑块支撑。

7.根据权利要求1所述的煤岩截割试验装置,其特征在于：所述滚筒通过连接轴连接于所述摇臂，所述连接轴的一端设有减速器，所述减速器连接于所述截割电机，所述连接轴的另一端连接于所述滚筒。

8.一种采用权利要求1所述的煤岩截割试验装置的方法，其特征在于，包括：

步骤一：模拟截割材料的配置，设置所述煤壁，并在所述煤壁内布置三向内应力传感器；

步骤二：在所述摇臂靠近所述截割机构处布置声发射传感器，所述截齿上安装应变片，所述工作台顶部设置红外热像仪，所述红外热像仪、所述应变片、所述声发射传感器及所述三向内应力传感器均连接于计算机；

步骤三：启动所述试验装置，所述截割电机驱动所述滚筒转动，使所述截齿截割煤壁，所述驱动电机驱动所述丝杠转动，进而驱动所述工作台沿所述导轨移动，所述摇臂及所述截割机构也随之移动，所述声发射传感器测量截割过程产生的声发射信号，所述红外热像仪测量截割过程产生的红外信号，所述应变片测量截割过程中所述截齿的应变，所述三向内应力传感器测量截割过程中煤壁内的应力波。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述滚筒对所述煤壁无法截割时，调节所述升降台的高度，启动所述支撑液压缸，所述支撑液压缸带动所述顶板升降，所述工作台也随之升降，当调好高度后，所述支撑液压缸自动锁定。