CN105842304A - 一种新型的煤岩识别装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对目前煤岩识别装置复杂，不能广泛使用等问题，提供了一种新型的煤岩识别装置及方法，能够快速，便捷，准确的识别煤矿中的煤层和岩壁。该装置及方法利用不同物质介电常数ε不同的特性，根据平行板电容器的电容变化，得到相位差的变化，进而识别当前开采区域的煤样是否为可挖掘的煤层。这种煤岩识别装置及方法的优点是操作简单，便捷，能够实时反应矿井下煤岩识别情况。

Description

一种新型的煤岩识别装置及方法
技术领域
本发明涉及一种适用于煤矿井下的检测装置及方法，尤其是一种新型的煤岩识别装置及方法。
背景技术
煤炭是我国的重要资源之一，随着煤矿开采技术水平的不断发展，传统的煤矿开采工作面的作业过程正朝着少人化和无人化的方向发展。在采煤时，需要进行煤岩识别，提高识别煤层和岩石层分界面的准确度对于准确地掌握割煤力度、保证煤质、准确计算回收率以及节约煤资源具有重要意义，传统方法通过人工方式进行煤岩识别，存在劳动强度大，生产效率低的弊端。因此，通过科学的方法自动进行煤岩识别成为研究的一大热点。
一种实用可靠地煤岩识别装置可以实现采煤工作面的自动化，延长采煤机等采煤设备的使用年限，提高矿山装备的可靠性，也能进一步的保证矿井下工作人员的人身安全。煤岩识别装置的关键在于实现对煤层和岩壁的识别，根据识别结果，调整采煤机的高度，尽可能的采掘煤层，保证煤层的整体回采率，提高效益；同时可以避免坚硬的岩石顶，地板，防止采煤机的刀面被损坏。
目前，应用最多的手段还是依靠矿井下工作人员进行人工打眼识别，识别精度低，危险性较大。除了人工识别以外，近些年，不少学者也在研究自动识别的手段，比如：基于红外线的煤岩界面探测法，利用震动传感器获取煤层岩层不同频率的震动的方法，基于煤岩自然伽马射线辐射特性的传感器法等，但大多数得到的结果不太理想，从而不能大规模推广使用。
现有技术的上述问题亟需解决。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种新型的煤岩识别装置，快速，便捷，准确的煤层与岩壁界面。该方法利用装置与采煤机挖掘处的良好接触，能够对采掘区域的煤样进行采样和测量，根据测量结果识别煤层与岩壁界面。这种装置测试方法的优点是测量系统容易实现，操作便捷，简单，测量准确，适应范围广，便于大范围推广。
本发明提供了一种新型的煤岩识别装置，该装置包括煤样收集装置、电容值检测模块、相位差检测模块，其中：
煤样收集装置,包括破碎机，摇臂，电动机，装置主体，平行板电容器，传送皮带，转叶，煤样装载器等部分；
破碎机为截割滚筒，截割滚筒在装置与采煤挖掘处良好接触时，旋转从采煤面的煤层面破碎出缺口，并能够通过钻头的旋转得到煤样；
摇臂与破碎机相连，它的高低和角度由电动机控制，用于确定截割滚筒施力的方向；
煤样装载器安装在装置截割滚筒的下方，为装载煤样的容器；经过截割滚筒开采得到的煤样，能够直接被煤样装载器收集，便于后续检测；
转叶安装于煤样装载器上方，用于将落在装载器上的煤样拨向传送皮带；
皮带用于将煤样运送到电容检测模块的平行板电容器中；
装置主体用于承载整个装置结构；
电容检测模块，包括平行板电容器，电容检测芯片及外围电路；
平行板电容器，可用于填充煤样收集装置获得的煤样；
外围电路，包括电感L，电阻R和信号源Vs，与平行板电容器组成一个RLC串联电路；
电容检测芯片，用于检测和计算电容值，并将电容值的变化传送到相位差检测模块；
其中，电容值的计算公式：
其中，ε是电容极板间介质的介电常数；d代表两平行极板间距离；S代表两平行极板相对面积；
相位差检测模块，包括相位差检测芯片，根据电容检测芯片发送的平行板电容器的电容值变化，检测出电容变化前与变化后的相位差变化，根据相位差变化的正负，判定RLC串联电路的容性与感性；相位差为负，则向容性变化，相位差为正，向感性变化，进而判定当前采煤区域是否为煤层，识别煤层与岩壁。
进一步的，所述相位差检测芯片采用的是AD8302型号。
本发明还提供了一种应用如权利要求1所述的装置的煤岩识别方法，该方法包括如下步骤：
S101,计算可接受的最低含煤量样品的谐振频率，计算煤岩识别装置的信号源频率；
在矿井开采时，首先利用采煤机，采掘出一部分煤层和岩石的样品，按照可接受的最低含煤量将其进行混合，将混合物填充进平行板电容器，根据公式设定煤岩识别装置的信号源的频率；
S102,测量填充纯煤和纯岩石后的相位差变化，为后期测量建立数据基础；
在使用煤岩识别装置之前，需要清楚的掌握相位差的正负变化对应的煤含量的增减状况。通过测试填充纯煤和纯岩石的相位差变化，得到煤含量增减对应相位差正负变化的关系。
S103,开启煤岩识别装置的电动机，利用截割滚筒得到当前开采区域的煤样；
当截割滚筒运行时，随着截割滚筒的旋转，其下方的煤样装载器能收集当前开采区域的煤样，并通过转叶将煤样拨入传送皮带的入口；
S104,将煤样填充进平行板电容器，根据公式C＝εS/d，利用电容值检测模块得到电容值的变化，进一步利用相位差检测模块得到相位差正负变化；
S105,利用得到的相位差正负变化，与步骤2)得到的数据进行比对，根据相位差正负判定当前开采区域是否为可挖掘的煤层；
S106,检测结束，关闭装置电源。
本发明的有益效果在于：
基于介电常数的煤岩识别装置能够实现矿井下煤层与岩壁的识别，操作简单，能够进行连续测量，适用范围广泛，能够根据当前开采区域的相位差变化判定是否为可以开采的煤层。根据装置得到的结果，进行采煤机高低的调整，有利于避免坚硬的岩壁，保护采煤机刀面，同时保证采煤效率。
附图说明
图1为本煤岩识别装置发明的整体结构示意图；
图中：1-破碎机，2-摇臂，3-电动机，4-装置主体，5-平行板电容器，6-传送皮带，7-转叶，8-煤样装载器。
图2为本煤岩识别装置发明的俯视图；
图3为本发明装置的简化模型图；
图4是本发明装置的电容检测原理图；
图5是本发明装置的相位差检测原理图；
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
技术原理：平行板电容器电容量的计算公式为:
C＝εS/d (公式1)
其中，ε是电容极板间介质的介电常数；d代表两平行极板间距离；S代表两平行极板相对面积。
RLC串联电路谐振频率计算公式:
其中，L为串联电路的电感值，C为串联电路的电容值。
可以看出，平行板电容器的输出电容C与极板间距d成反比，与极板间正对面积S成正比，即当平行板电容器之间的中间介质发生改变，因为每一种物质的介电常数ε均不同，电容值C会改变，进而导致RLC串联电路不再谐振，电路特性向着容性或者感性变化。
本发明即利用平行板电容器电容特性和RLC串联谐振电路，发明一种新型的煤岩识别装置。在采煤机大范围采掘时，这种煤岩识别装置中的平行板电容器的中间介质会先发生改变，由于中间物质介电常数ε发生改变，引起电容值变化，导致RLC串联电路不再谐振，电路特性变为容性或者感性，相位差检测模块检测出相位差的正负变化，进而识别当前开采区域的煤样是否为可挖掘的煤层。
以下通过图1-5对本发明的一种新型的的煤岩识别装置作进一步的介绍。
本发明请求保护一种新型的煤岩识别装置，该装置包括煤样收集装置、电容值检测模块、相位差检测模块，其中：
煤样收集装置，如图1所示，包括(1)破碎机，(2)摇臂，(3)电动机，(4)装置主体，(5)平行板电容器，(6)传送皮带，(7)转叶，(8)煤样装载器等其他部分；
破碎机(1)为截割滚筒，截割滚筒在装置与采煤挖掘处良好接触时，旋转从采煤面的煤层面破碎出缺口，并能够通过钻头的旋转得到煤样，这部分煤样即待检测煤样；
摇臂(2)与破碎机相连，它的高低和角度由电动机(3)控制，用于确定截割滚筒施力的方向；
煤样装载器(8)安装在装置截割滚筒的下方，为装载煤样的容器；经过截割滚筒开采得到的煤样，能够直接被煤样装载器(8)收集，便于后续检测；
转叶(7)安装于煤样装载器(8)上方，用于将落在装载器上的煤样拨向传送皮带(6)；
皮带(6)用于将煤样运送到电容检测模块的平行板电容器中；
装置主体(4)用于承载整个装置结构；
电容检测模块，包括平行板电容器，电容检测芯片及外围电路；
平行板电容器，可填充煤样收集装置获得的煤样；
外围电路，包括电感L，电阻R和信号源Vs，与平行板电容器组成一个RLC串联电路；
电容检测芯片，用于检测和计算电容值，并将电容值的变化传送到相位差检测模块；
根据平行板电容器，电容值的计算公式：
其中，ε是电容极板间介质的介电常数；d代表两平行极板间距离；S代表两平行极板相对面积；
从公式可以看出，平行板电容器的输出电容与极板间距成反比，与极板间正对面积成正比；
进一步，如果保证两平行极板间距离d和两平行极板相对面积S不变，那么电容值与介电常数ε具有一定的函数关系。将当前采掘区域采掘的物质充满到平行板电容器中，由于不同物质的介电常数不同，平行板电容器的电容C会发生改变。
如图4所示，是一个差分式电容大小比较电路原理图，其主要是由两个集成运放LM324组成，Bus1是接收本地信号发生器产生的信号，两个LM324具有相同的输入信号，但当两个集成运放的负反馈电路中的电容值发生变化，则会导致两个集成运放的第1号引脚的输出电压发生变化，测量出其电压值，进而判断变化后的电容大小。
相位差检测模块，包括相位差检测芯片，根据电容检测芯片发送的平行板电容器的电容值变化，检测出电容变化前与变化后的相位差变化，根据相位差变化的正负，判定RLC串联电路的容性与感性，相位差发生变化，相位差为负，则向容性变化，相位差为正，向感性变化，进而判定当前采煤区域是否为煤层，识别了煤层与岩壁。
本装置设计时，相位差检测芯片采用的是AD8302型号。如图5所示为AD8302的测量模式连接电路原理图。VINA与VINB分别为AD8302的A、B两通道的输入信号幅度，AD8302利用了对数放大器的对数压缩原理，根据幅度与相位的测量公式：
VMAG＝VSLP log(VINA/VINB)
VPHS＝VΦ[Φ(VINA)-Φ(VINB)]
得到VMAG为幅度比较输出，VPHS为相位比较输出。
本发明还提供了一种应用于上述的检测装置中的煤岩识别方法，该方法包括如下步骤：
S101，计算可接受的最低含煤量的样品的谐振频率，计算煤岩识别装置的信号源频率；
在矿井开采时，首先利用采煤机，采掘出一部分煤层和岩石的样品，按照可接受的最低含煤量将其进行混合，将混合物填充进平行板电容器，根据公式设定煤岩识别装置的信号源的频率；
本发明实例中，设定的信号源频率为含煤量60％的煤样的谐振频率49.5MHz，当填充的煤样含量不是含煤量60％，一定会导致整个电路不再谐振，电路特性偏向容性或者感性。
S102，测量填充纯煤和纯岩石后的相位差变化，为后期测量建立数据基础；
在使用煤岩识别装置之前，需要清楚的掌握相位差的正负变化对应的煤含量的增减状况。通过测试填充纯煤和纯岩石的相位差变化，得到煤含量增减对应相位差正负变化的关系。
本发明实例中，设定的信号源基准频率为含煤量60％时的谐振频率49.5MHz，当含煤量增加，大于60％时，电容值变小，相位差为负值；当含煤量减少，小于60％时，电容值变大，相位差为正值。
在本发明实例，有空气和10种不同含煤量物质，电容-相位差的表格如下：
例如：使用该装置检测出相位差为负值，证明当前区域含煤量一定大于60％，可以开采，反之，含煤量过低，达不到要求，不需要耗费人力财力去开采。
S103，开启煤岩识别装置的电动机，利用截割滚筒得到当前开采区域的煤样；
当截割滚筒运行时，随着截割滚筒的旋转，其下方的煤样装载器能收集当前开采区域的煤样，并通过转叶将煤样拨入传送皮带的入口；
S104，将煤样填充进平行板电容器，根据公式C＝εS/d，利用电容值检测模块得到电容值的变化，进一步利用相位差检测模块得到相位差正负变化；
S105，利用得到的相位差正负变化，与步骤2)得到的数据进行比对，根据相位差正负判定当前开采区域是否为可挖掘的煤层；
S106，检测结束，关闭装置电源。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种新型的煤岩识别装置，其特征在于，该装置包括煤样收集装置、电容值检测模块、相位差检测模块，其中：
煤样收集装置,包括破碎机，摇臂，电动机，装置主体，平行板电容器，传送皮带，转叶，煤样装载器等部分；
破碎机为截割滚筒，截割滚筒在装置与采煤挖掘处良好接触时，旋转从采煤面的煤层面破碎出缺口，并能够通过钻头的旋转得到煤样；
摇臂与破碎机相连，它的高低和角度由电动机控制，用于确定截割滚筒施力的方向；
煤样装载器安装在装置截割滚筒的下方，为装载煤样的容器；经过截割滚筒开采得到的煤样，能够直接被煤样装载器收集，便于后续检测；
转叶安装于煤样装载器上方，用于将落在装载器上的煤样拨向传送皮带；
皮带用于将煤样运送到电容检测模块的平行板电容器中；
装置主体用于承载整个装置结构；
电容检测模块，包括平行板电容器，电容检测芯片及外围电路；
平行板电容器，可用于填充煤样收集装置获得的煤样；
外围电路，包括电感L，电阻R和信号源Vs，与平行板电容器组成一个RLC串联电路；
电容检测芯片，用于检测和计算电容值，并将电容值的变化传送到相位差检测模块；
其中，电容值的计算公式：
其中，ε是电容极板间介质的介电常数；d代表两平行极板间距离；S代表两平行极板相对面积；
相位差检测模块，包括相位差检测芯片，根据电容检测芯片发送的平行板电容器的电容值变化，检测出电容变化前与变化后的相位差变化，根据相位差变化的正负，判定RLC串联电路的容性与感性；相位差为负，则向容性变化，相位差为正，向感性变化，进而判定当前采煤区域是否为煤层，识别煤层与岩壁。
2.如权利要求1所述的装置，所述相位差检测芯片采用的是AD8302型号。
3.一种应用如权利要求1所述的装置的煤岩识别方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S101，计算可接受的最低含煤量样品的谐振频率，计算煤岩识别装置的信号源频率；
在矿井开采时，首先利用采煤机，采掘出一部分煤层和岩石的样品，按照可接受的最低含煤量将其进行混合，将混合物填充进平行板电容器，根据公式设定煤岩识别装置的信号源的频率；
S102，测量填充纯煤和纯岩石后的相位差变化，为后期测量建立数据基础；
在使用煤岩识别装置之前，需要清楚的掌握相位差的正负变化对应的煤含量的增减状况。通过测试填充纯煤和纯岩石的相位差变化，得到煤含量增减对应相位差正负变化的关系。
S103，开启煤岩识别装置的电动机，利用截割滚筒得到当前开采区域的煤样；
当截割滚筒运行时，随着截割滚筒的旋转，其下方的煤样装载器能收集当前开采区域的煤样，并通过转叶将煤样拨入传送皮带的入口；
S104，将煤样填充进平行板电容器，根据公式C＝εS/d，利用电容值检测模块得到电容值的变化，进一步利用相位差检测模块得到相位差正负变化；
S105，利用得到的相位差正负变化，与步骤S102得到的数据进行比对，根据相位差正负判定当前开采区域是否为可挖掘的煤层；
S106，检测结束，关闭装置电源。
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