CN107575230B - 一种基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置及方法，属于煤岩截割技术领域。所述煤岩界面识别装置包括主动激励装置、红外热图像采集装置和第一电动推杆；主动激励装置包括第一调高曲臂、第一支撑箱体、主动激励源和第一行走部，第一调高曲臂的一端铰接在第一支撑箱体上，另一端与主动激励源连接，第一行走部安装在第一支撑箱体上；红外热图像采集装置包括第二调高曲臂、第二支撑箱体、红外热像仪、无线信号发射装置和第二行走部，第二调高曲臂的一端铰接在第二支撑箱体上，另一端与红外热像仪连接，第二行走部安装在第二支撑箱体上；无线信号发射器装置安装在第二支撑箱体上；第一电动推杆的一端与第一支撑箱体铰接，另一端与第二支撑箱体铰接。

Description

一种基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置及方法

技术领域

本发明涉及煤岩截割技术领域，具体涉及一种基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置及方法。

背景技术

煤岩界面的精确识别是实现井下自动化、无人化开采的重要基础和前提，在开采前实现煤岩界面的准确识别，能够保证采煤机根据煤岩识别轨迹自动调整位姿，有效的避开岩石截割，对降低工人的劳动强度、提高开采效率、节约采煤机能耗，延长采煤机的使用寿命具有重要意义。

在现有的采煤机截割过程中，煤岩界面的区分主要通过人工视觉分辨来完成，即依靠现场采煤机操作人员的视觉观察和截割噪音来判断当前采煤机滚筒的截割介质情况。然而在实际截割过程中，工作面中会产生大量煤尘，大大降低能见度，且采煤机械自身产生很大噪音，现场工作人员很难及时、准确的判断出滚筒当前的截割状态。尤其是在薄煤层工作面上，现场操作人员行走不便，很难及时对滚筒的截割高度进行调节，此时一旦遇到岩层，滚筒常常会截割进入岩石，造成截齿的严重磨损。截割岩石产生的粉尘既影响现场操作人员的身体健康，又遮挡工作视线；如果矿井中瓦斯浓度较高，岩石截割过程中产生的火花易引发爆炸等恶性事故；如果振动非常剧烈，则会引起大面积的顶岩崩塌，顶岩的大量崩落会使岩石混入原煤中，造成原煤质量下降；如果滚筒调高控制不当会造成留煤过厚，降低回采率。

目前对于煤岩识别技术的研究有电流监测法、振动监测法、声发射监测法、雷达探测法以及自然γ射线探测法等多种方法。其中，英国提出的采用具有辐射特性的煤岩自然伽玛射线NGR传感器法，更适用于高瓦斯煤矿，且该方法受采煤工艺的限制，即要求预留一定厚度的顶煤，且顶、底板围岩必须同时具有放射性元素，很大程度的降低了煤炭的输出率，且适用性较差，50％的英国矿井以及90％的美国矿井采用了这一技术，而在我国适用此方法的矿井仅有20％，因而这种方法在我国的推广使用具有很大的局限性。而后，英国与美国合作研究出一种天然γ射线法，其原理是根据顶底板岩石中钾、砷、铀三大系放射性元素含量的差异而导致放射出的γ射线能量和强度不同。由于射线能量在煤层中不断衰减，通过煤层中射线能量的变化来判断煤层的厚度。此方法具有无放射源、便于管理、探测范围比较大以及传感器不易损坏等优点。但该方法不适用于顶板无放射性元素、放射性元素含量较低或煤层中夹矸太多的开采工况。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，一方面，本发明提供了一种基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，所述基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置包括主动激励装置、红外热图像采集装置和第一电动推杆；

主动激励装置包括第一调高曲臂、第一支撑箱体、主动激励源和第一行走部，第一调高曲臂的一端铰接在第一支撑箱体上，另一端与主动激励源连接，第一行走部安装在第一支撑箱体上且能带动第一支撑箱体在刮板输送机上往复行走；

红外热图像采集装置包括第二调高曲臂、第二支撑箱体、红外热像仪、无线信号发射装置和第二行走部，第二调高曲臂的一端铰接在第二支撑箱体上，另一端与红外热像仪连接，第二行走部安装在第二支撑箱体上且能带动第二支撑箱体在刮板输送机上往复行走；无线信号发射器装置安装在第二支撑箱体上且与红外热像仪电连接；第一电动推杆的一端与第一支撑箱体铰接，另一端与第二支撑箱体铰接。

所述第一调高曲臂包括第一曲臂、第二电动推杆和第二曲臂，第一曲臂的一端铰接在所述第一支撑箱体上，另一端与第二曲臂的一端铰接，第二曲臂的另一端与所述主动激励源连接，第二电动推杆的一端与第一曲臂的中部铰接，另一端与第二曲臂的中部铰接。

所述主动激励源固连第一连接板，第一连接板与所述第二曲臂的另一端铰接，且第一连接板与第一调节电机的输出轴固连。

所述第二调高曲臂包括第三曲臂、第三电动推杆和第四曲臂，第三曲臂的一端铰接在所述第二支撑箱体上，另一端与第四曲臂的一端铰接，第四曲臂的另一端与所述红外热像仪连接，第三电动推杆的一端与第三曲臂的中部铰接，另一端与第四曲臂的中部铰接。

所述红外热像仪固连第二连接板，第二连接板与所述第四曲臂的另一端铰接，且第二连接板与第二调节电机的输出轴固连。

所述第一行走部包括第一齿轮驱动电机、第一齿轨轮和第一行走滑靴；第一齿轮驱动电机位于所述第一支撑箱体内，第一齿轨轮位于所述第一支撑箱体外，第一齿轮驱动电机的输出轴穿过所述第一支撑箱体与第一齿轨轮连接，第一齿轨轮与所述刮板输送机的销排啮合，第一行走滑靴与所述第一支撑箱体的底部连接且架设在所述刮板输送机的销排之上。

所述第二行走部包括第二齿轮驱动电机、第二齿轨轮和第二行走滑靴；第二齿轮驱动电机位于所述第二支撑箱体内，第二齿轨轮位于所述第二支撑箱体外，第二齿轮驱动电机的输出轴穿过所述第二支撑箱体与第二齿轨轮连接，第二齿轨轮与所述刮板输送机的销排啮合，第二行走滑靴与所述第二支撑箱体的底部连接且架设在所述刮板输送机的销排之上。

所述基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置还包括红外测距装置，红外测距装置安装在所述第一支撑箱体上。

另一方面，本发明提供了所述基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置的使用方法，所述方法包括：

将所述主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置沿着采煤机的前进方向置于刮板输送机上，第一行走部带动第一支撑箱体、第二行走部带动第二支撑箱体在刮板输送机的销排上行走，使主动激励源行走至第1测试位，调整主动激励源和红外热像仪，使主动激励源和红外热像仪保持水平，主动激励源对煤壁进行光照形成第1主动激励区，主动激励源对第1主动激励区光照加温的时间大于或等于设定时间后，第一行走部带动第一支撑箱体、第二行走部带动第二支撑箱体在刮板输送机的销排上行走，红外热像仪到达第1测试位，第1主动激励区的煤壁开始降温，红外热像仪对第1主动激励区的煤壁降温红外热图像进行采集并通过无线信号发射装置将煤壁降温红外热图像发送给计算机；当红外热像仪行走至第1测试位时，主动激励源行走至第2测试位，对煤壁进行光照形成第2主动激励区，第2主动激励区加温结束后，红外热像仪对第2主动激励区的煤壁降温红外热图像进行采集并发送给计算机；当红外热像仪行走至第2测试位时，主动激励源行走至下一测试位继续对煤壁进行光照加温，直至对所有测试位的煤壁进行光照加温以及热图像采集完毕，计算机对接收到的所有煤壁降温红外热图像进行去燥处理以及提取煤岩界面轨迹，得到煤岩界面识别结果。

本发明提供的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别的装置及方法，对煤壁进行主动红外热激励后，通过对采集到的煤壁的降温红外热图像能够提取煤岩的温度分层特征，预先捕捉开采面的煤岩界面轨迹，使得采煤机采煤的过程中根据煤岩界面轨迹对采煤高度进行自动调节，实现采煤机沿着煤岩界面轨迹进行截割，降低采煤机截齿损耗和整机能耗，提高采煤机整机的稳定性，延长采煤机的使用寿命，提高自动化程度，减少开采面作业人员数量；所采用的主动红外热像技术性能稳定，同时抗干扰能力强，对于矿井光线较暗等复杂、恶劣的环境适应性好，且通用性较好，适合对各种类型的煤壁的煤岩界面进行识别。

附图说明

图1是本发明的煤岩界面识别装置安装在刮板输送机上的结构示意图；

图2是本发明的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置的结构示意图；

图3是本发明的计算机与无线信号接收装置的示意图；

图4是本发明的煤岩界面识别装置的识别方法流程图。

其中，

1第一电动推杆，2第一调高曲臂，3第一支撑箱体，4主动激励源，5第一行走部，6刮板输送机，7第二调高曲臂，8第二支撑箱体，9红外热像仪，10无线信号发射装置，11第二行走部，12煤壁，13第一曲臂，14第二电动推杆，15第二曲臂，16第一连接板，17第一调节电机，18第三曲臂，19第三电动推杆，20第四曲臂，21第二连接板，22第二调节电机，23第一齿轮驱动电机，24第一齿轨轮，25第一行走滑靴，26销排，27计算机，28第二齿轨轮，29第二行走滑靴，30主动激励区，31红外热图像采集区，32红外测距装置，33无线信号接收装置。

具体实施方式

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图2所示，本发明提供了一种基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，该基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置包括主动激励装置、红外热图像采集装置和第一电动推杆1；

主动激励装置包括第一调高曲臂2、第一支撑箱体3、主动激励源4和第一行走部5，第一调高曲臂2的一端铰接在第一支撑箱体3上，另一端与主动激励源4连接，第一行走部5安装在第一支撑箱体3上且能带动第一支撑箱体3在刮板输送机6上往复行走；

红外热图像采集装置包括第二调高曲臂7、第二支撑箱体8、红外热像仪9、无线信号发射装置10和第二行走部11，第二调高曲臂7的一端铰接在第二支撑箱体8上，另一端与红外热像仪9连接，第二行走部11安装在第二支撑箱体8上且能带动第二支撑箱体8在刮板输送机6上往复行走；无线信号发射装置10安装在第二支撑箱体8上且与红外热像仪9电连接；第一电动推杆1的一端与第一支撑箱体3铰接，另一端与第二支撑箱体8铰接。

在本发明中，主动激励源4可以为光源激发装置，通过对煤壁12进行光照使煤壁升温，因此煤层和岩石层的温度均会升高，当对煤壁的加热时间大于或等于到设定时间后，停止对其激励加温，此时煤层和岩石层的温度均会降低，但是两者的降温速率是不同的，红外热像仪9能够将物体发出的不可见红外能力转变为可见的热图像，热图像上的不同颜色代表被测物体的不同温度，因此使用红外热像仪9对煤壁降温红外热图像进行采集，通过采集的红外热图像，可以观察到煤壁的温度分布情况，进而识别出煤岩界面。

在本发明中，第一调高曲臂2包括第一曲臂13、第二电动推杆14和第二曲臂15，第一曲臂13的一端铰接在第一支撑箱体3上，另一端与第二曲臂15的一端铰接，第二曲臂15的另一端与主动激励源4连接，第二电动推杆14的一端与第一曲臂13的中部铰接，另一端与第二曲臂15的中部铰接。通过调节第二电动推杆14的伸长与缩短来调整主动激励源4的高度，通过调整第一曲臂13与第一支撑箱体3之间的角度来调整主动激励源4与煤壁之间的距离；

为了更加灵活的调整主动激励源4对煤壁的照射角度，在本发明中，在主动激励源4上固连第一连接板16，第一连接板16与第二曲臂15的另一端铰接，且第一连接板16与第一调节电机17的输出轴固连，如此，可以通过第一调节电机17带动第一连接板16围绕第二曲臂15进行旋转，进而使得主动激励源4围绕第二曲臂15进行旋转。

在本发明中，第二调高曲臂7包括第三曲臂18、第三电动推杆19和第四曲臂20，第三曲臂18的一端铰接在第二支撑箱体8上，另一端与第四曲臂20的一端铰接，第四曲臂20的另一端与红外热像仪9连接，第三电动推杆19的一端与第三曲臂18的中部铰接，另一端与第四曲臂20的中部铰接。通过调节第三电动推杆19的伸长与缩短来调整红外热像仪9的高度，通过调整第三曲臂18与第二支撑箱体8之间的角度来调整红外热像仪9与煤壁之间的距离；

为了更加灵活的调整红外热像仪9对煤壁12的采集角度，在本发明中，在红外热像仪9上固连第二连接板21，第二连接板21与第四曲臂20的另一端铰接，且第二连接板21与第二调节电机22的输出轴固连，如此，可以通过第二调节电机22带动第二连接板21围绕第四曲臂20进行旋转，进而使得红外热像仪9围绕第三曲臂18进行旋转。

在本发明中，第一行走部5包括第一齿轮驱动电机23、第一齿轨轮24和第一行走滑靴25；第一齿轮驱动电机23位于第一支撑箱体3内，第一齿轨轮24位于第一支撑箱体3外，第一齿轮驱动电机23的输出轴穿过第一支撑箱体3与第一齿轨轮24连接，第一齿轨轮24与刮板输送机6的销排26啮合，第一行走滑靴25与第一支撑箱体3的底部连接且架设在销排26之上；第二行走部11包括第二齿轮驱动电机、第二齿轨轮28和第二行走滑靴29；第二齿轮驱动电机位于第二支撑箱体8内未在图中示出，第二齿轨轮28位于第二支撑箱体8外，第二齿轮驱动电机的输出轴穿过第二支撑箱体8与第二齿轨轮28连接，第二齿轨轮28与刮板输送机的销排26啮合，第二行走滑靴29与第二支撑箱体8的底部连接且架设在销排26之上；

通过第一齿轮驱动电机23带动第一齿轨轮24在销排26上行走，通过第二齿轮驱动电机带动第二齿轨轮28在销排26上行走，第一行走滑靴25和第二行走滑靴29能够起到支撑和导向的作用，防止第一齿轨轮24和第二齿轨轮28脱离销排26，通过第一电动推杆1来调整主动激励装置和红外热图像采集装置之间的距离，避免主动激励装置对煤壁的主动激励区30以及红外热图像采集装置对煤壁的红外热图像采集区31重合，使得采集结果更加精确。

在本发明中，优选地，可以在第一支撑箱体3上安装红外测距装置32，红外测距装置32能够测量销排26与煤壁12之间的距离，当煤岩界面识别装置在销排26的转弯处时，通过红外测距装置32测量的销排26与煤壁12之间的距离，合理的调节第一电动推杆1的伸缩，保证主动激励装置对煤壁的主动激励区30以及红外热图像采集装置对煤壁的红外热图像采集区31不重合。

如图1至图4所示，本发明中的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置的使用方法如下：

沿着采煤机的前进方向，共设置多个测试位，将本发明中的煤岩界面识别装置沿着采煤机的前进方向置于刮板输送机6上，第一行走部5带动第一支撑箱体3、第二行走部11带动第二支撑箱体8在销排26上行走，使主动激励源4行走至第1测试位，调整主动激励源4和红外热像仪9，使主动激励源4和红外热像仪9保持水平，主动激励区的上、下边界与红外热图像采集区的上、下边界接近或重合，对主动激励源4、红外热像仪9和无线信号发射装置10供电，主动激励源4对煤壁12进行光照形成第1主动激励区，主动激励源4对第1主动激励区光照加温的时间大于或等于设定时间后，即热激励时间t≥设定时间t0后，第一行走部5带动第一支撑箱体3、第二行走部11带动第二支撑箱体8在销排26上行走，主动激励源4达到第2测试位，对煤壁进行光照形成第2主动激励区，主动激励源4对第2主动激励区光照加温，红外热像仪9到达第1测试位，第1主动激励区的煤壁开始降温，此时第1主动激励区即为第1红外热图像采集区，红外热像仪9对第1红外热图像采集区的煤壁降温红外热图像进行多次采集并通过无线信号发射装置10发送给无线信号接收装置33，无线信号接收装置33将煤壁降温红外热图像发送给计算机27；

当主动激励源4对第2主动激励区的热激励时间t≥设定时间t0后，主动激励源4行走至第3主动激励区对第3主动激励区的煤壁进行光照加温，同时，红外热像仪9行走至第2主动激励区，第2主动激励区的煤壁开始降温，此时第2主动激励区即为第2红外热图像采集区，红外热像仪9对第2红外热图像采集区的煤壁降温红外热图像进行多次采集并发送给计算机27；

如此，当主动激励源4在对当前测试位的煤壁进行热激励时，红外热像仪9同时对上一测试位的煤壁进行降温热图像采集，在对所有测试位的煤壁进行光照加温以及热图像采集完毕后，根据煤层、岩石层的降温速率差异性，计算机27对煤壁降温红外热图像进行去燥处理以及提取出煤岩界面轨迹，得到煤岩界面的识别结果。

本发明提供的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别的装置及方法，对煤壁进行主动红外热激励后，通过对采集到的煤壁的降温红外热图像能够提取煤岩的温度分层特征，预先捕捉开采面的煤岩界面轨迹，使得采煤机采煤的过程中根据煤岩界面轨迹对采煤高度进行自动调节，实现采煤机沿着煤岩界面轨迹进行截割，降低采煤机截齿损耗和整机能耗，提高采煤机整机的稳定性，延长采煤机的使用寿命，提高自动化程度，减少开采面作业人员数量；所采用的主动红外热像技术性能稳定，同时抗干扰能力强，对于矿井光线较暗等复杂、恶劣的环境适应性好，且通用性较好，适合对各种类型的煤壁的煤岩界面进行识别。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置包括主动激励装置、红外热图像采集装置和第一电动推杆；

主动激励装置包括第一调高曲臂、第一支撑箱体、主动激励源和第一行走部，第一调高曲臂的一端铰接在第一支撑箱体上，另一端与主动激励源连接，第一行走部安装在第一支撑箱体上且能带动第一支撑箱体在刮板输送机上往复行走，主动激励源用于对煤壁进行光照使煤壁升温；

红外热图像采集装置包括第二调高曲臂、第二支撑箱体、红外热像仪、无线信号发射装置和第二行走部，第二调高曲臂的一端铰接在第二支撑箱体上，另一端与红外热像仪连接，第二行走部安装在第二支撑箱体上且能带动第二支撑箱体在刮板输送机上往复行走，红外热像仪用于对煤壁降温红外热图像进行采集；

无线信号发射器装置安装在第二支撑箱体上且与红外热像仪电连接；第一电动推杆的一端与第一支撑箱体铰接，另一端与第二支撑箱体铰接。

2.根据权利要求1所述的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述第一调高曲臂包括第一曲臂、第二电动推杆和第二曲臂，第一曲臂的一端铰接在所述第一支撑箱体上，另一端与第二曲臂的一端铰接，第二曲臂的另一端与所述主动激励源连接，第二电动推杆的一端与第一曲臂的中部铰接，另一端与第二曲臂的中部铰接。

3.根据权利要求2所述的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述主动激励源固连第一连接板，第一连接板与所述第二曲臂的另一端铰接，且第一连接板与第一调节电机的输出轴固连。

4.根据权利要求1所述的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述第二调高曲臂包括第三曲臂、第三电动推杆和第四曲臂，第三曲臂的一端铰接在所述第二支撑箱体上，另一端与第四曲臂的一端铰接，第四曲臂的另一端与所述红外热像仪连接，第三电动推杆的一端与第三曲臂的中部铰接，另一端与第四曲臂的中部铰接。

5.根据权利要求4所述的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述红外热像仪固连第二连接板，第二连接板与所述第四曲臂的另一端铰接，且第二连接板与第二调节电机的输出轴固连。

6.根据权利要求1所述的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述第一行走部包括第一齿轮驱动电机、第一齿轨轮和第一行走滑靴；第一齿轮驱动电机位于所述第一支撑箱体内，第一齿轨轮位于所述第一支撑箱体外，第一齿轮驱动电机的输出轴穿过所述第一支撑箱体与第一齿轨轮连接，第一齿轨轮与刮板输送机的销排啮合，第一行走滑靴与所述第一支撑箱体的底部连接且架设在刮板输送机的销排之上。

7.根据权利要求1所述的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述第二行走部包括第二齿轮驱动电机、第二齿轨轮和第二行走滑靴；第二齿轮驱动电机位于所述第二支撑箱体内，第二齿轨轮位于所述第二支撑箱体外，第二齿轮驱动电机的输出轴穿过所述第二支撑箱体与第二齿轨轮连接，第二齿轨轮与刮板输送机的销排啮合，第二行走滑靴与所述第二支撑箱体的底部连接且架设在所述销排之上。

8.根据权利要求1至7任一项权利要求所述的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置，其特征在于，所述基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置还包括红外测距装置，红外测距装置安装在所述第一支撑箱体上。

9.权利要求1中的基于主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置的使用方法，其特征在于，所述方法包括：

将所述主动激励红外热成像的煤岩界面识别装置沿着采煤机的前进方向置于刮板输送机上，第一行走部带动第一支撑箱体、第二行走部带动第二支撑箱体在刮板输送机的销排上行走，使主动激励源行走至第1测试位，调整主动激励源和红外热像仪，使主动激励源和红外热像仪保持水平，主动激励源对煤壁进行光照形成第1主动激励区，主动激励源对第1主动激励区光照加温的时间大于或等于设定时间后，第一行走部带动第一支撑箱体、第二行走部带动第二支撑箱体在刮板输送机的销排上行走，红外热像仪到达第1测试位，第1主动激励区的煤壁开始降温，红外热像仪对第1主动激励区的煤壁降温红外热图像进行采集并通过无线信号发射装置将煤壁降温红外热图像发送给计算机；当红外热像仪行走至第1测试位时，主动激励源行走至第2测试位，对煤壁进行光照形成第2主动激励区，第2主动激励区加温结束后，红外热像仪对第2主动激励区的煤壁降温红外热图像进行采集并发送给计算机；当红外热像仪行走至第2测试位时，主动激励源行走至下一测试位继续对煤壁进行光照加温，直至对所有测试位的煤壁进行光照加温以及热图像采集完毕，计算机对接收到的所有煤壁降温红外热图像进行去燥处理以及提取煤岩界面轨迹，得到煤岩界面识别结果。