CN110082307B - 模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置及方法，装置由两个相互嵌套的箱体、光纤架、样品数据采集识别模块、环境模拟模块、可变式照明模块和推尺组成。两个相互嵌套的箱体构成一个封闭的空间并能沿着箱体内带刻度的直线滑轨相对滑动，光纤架连接推尺，通过推拉推尺使光纤架也沿着该直线滑轨滑动，进而改变光纤探头距离样本的距离，探究距离对光谱识别煤岩的影响；环境模拟模块模拟了一个环境因素可控的井下环境，实现了单环境因素或者多环境因素综合对光谱识别的影响实验的开展；可变式照明模块通过改变卤素灯的功率及工作电流来改变照明的强度来实现井下低照度的模拟。
Description
技术领域
本发明公开了一种模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置及方法，属于煤炭智能化开采领域。
背景技术
地质灾害发生率高、偶然性强，伤亡率高、效率低的人工开采已不能满足现代开采的需要，无人采煤技术是未来采煤技术的核心。随着我国采矿技术和现代化采掘装备的出现，我国已经基本实现机械化采煤，但机械化采煤还不能实现环境的智能感知和开采装备的自主协同控制。
煤岩识别是采煤机对环境实现智能感知的关键技术，是采煤机能够自适应截割的“眼睛”。由于煤矿井下复杂恶劣的环境，导致目前已有的煤岩识别方法不能完全适用，而煤岩分界线的获取是煤矿开采领域急需得到解决的重大难题，也是阻碍煤矿“无人化”、“智能化”进程的一座大山。目前综采工作面的实验往往在工作面生产过程中进行的，由于煤矿的特殊性，导致实验成功率不高并且对工作面的生产效率造成影响，消耗了大量的资源，在井下的设备大型设备居多，对于高精度实验，误差较大，环境因素不可控。
井下环境仿真的多功能光谱识别实验装置是将井下环境在实验室条件下进行模拟，以井下环境单因素影响（粉尘、水雾、距离、照明）或者综合因素影响进行实验，验证光谱仪识别的有效性和环境适应性进行验证，为井下的实验做铺垫，减少井下实验大量的开支。
发明内容
本发明针对煤岩识别装置在井下现场进行实验的困难性，发明了一种能在实验室模拟井下环境工作的实验装置，以便于实现不同工作面的光谱识别试验，建立实验的数据库，为今后光谱仪的引入煤矿作铺垫。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置，包括：两个箱体单元，分别是第一箱体单元和第二箱体单元，第一箱体单元的底部和第二箱体单元的底部设有相互嵌套的直线滑轨，所述直线滑轨上设有刻度；
所述第一箱体单元底部的直线滑轨上滑动设置有光纤架，光纤架上固定设置有准直镜，所述准直镜通过光纤与设置在第一箱体单元外部的近红外光谱仪连接；
推尺，推尺的一端与第一箱体单元内的光纤架固定连接，另一端延伸出第一箱体单元设置；
所述第二箱体上与所述准直镜头发射的近红外光传输方向相垂直的一侧箱壁面板为待测样本面；
可变式照明模块，包括光源转盘架和卤素灯灯座，其中，光源转盘架设置在第一箱体单元上与所述准直镜头发射的近红外光传输方向相垂直的一侧面板上，光源转盘架上安装有至少三种功率卤素灯的卤素灯灯座，卤素灯座和单刀多掷开关、电位器以及开关电源串联；所述卤素灯座上安装卤素灯，所述卤素灯发出的光照能照射到光谱仪所对焦的待测样本面板上；
环境模拟模块，包括一个可调式鼓风机和一个雾化流量可调的雾化机，所述鼓风机通过风管和第二箱体单元的一侧箱壁相连；所述雾化机的喷头通过预留在第二箱体单元顶部箱壁上的孔与第二箱体单元相连；
样品数据采集识别模块，包括一台光纤光谱仪和一台计算机，所述光纤光谱仪利用光纤接收样品反射卤素灯的光谱信号，获取被测样品的光谱信息并识别样品；
所述计算机中安装有煤岩识别软件，通过光谱信息同光谱库进行对比，即可对煤岩进行识别。
第一箱体上与所述准直镜头发射的近红外光传输方向相垂直的一侧面板上设有容纳卤素灯座前部凸起放置的定位通孔，并且所述定位通孔用于入射光线的射入。
第一箱体单元底部的直线滑轨为沿第一箱体单元长度方向延伸设置的第一矩形凸条，第二箱体单元底部的直线滑轨为沿第二箱体单元长度方向延伸设置的第二矩形凸条，其中，第一矩形凸条嵌套设置在第二矩形凸条的上部。
一种基于所述的模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置的试验方法：包括如下步骤：
实验前准备：
近红外光谱仪安装与调整：近红外光谱仪置放于箱体单元外部，通过光纤和准直镜相连，并固定在光纤架上，光纤架的底部与第一箱体单元底部的直线滑轨相固定，然后根据准直镜镜头到待测样品面板的距离调整焦距来对焦并通过白板来完成近红外光谱仪的存白操作，作为100%反射率的参考，紧接着遮挡准直镜镜头，完成存黑操作作为0反射率参考，在计算机上设置合适的光谱仪积分时间，存白存黑和积分时间的设置保证了光谱仪所采集数据准确；
样本的制备：从不同的煤矿取典型的顶板岩石样本及煤层上部样本，为保证样本所含成分均匀，利用锤型粉碎机粉碎样本，用标准筛筛选出0.2mm的样本，均匀的粘贴到薄板上模拟岩石和煤块，并把该薄板粘贴到待测样本面板上；
实验的设置：根据实验的要求，井下环境的各种参数，改变实验装置的状态以对井下环境进行仿真，进行多种实验的测试，具体进行的实验为：0mm距离实验模式、光强度实验模式、130mm水雾实验模式、250mm水雾和粉尘实验模式；
1）0mm距离实验模式：把开启距离设置为0mm距离实验模式，通过电位器控制卤素灯座的光照度，使得待测样本面板的光照度恒定为20000lux；通过推拉推尺带动光纤架在轨道上滑动，使准直镜镜头到待测样本面板的距离从0~1500mm变化，为该距离为实验变量，每隔100mm进行一次实验，探究距离对光谱识别的影响；
2）光强度实验模式：把开启距离设置为0mm光强度实验模式，通过推尺调整准直镜到待测样本面板的距离为500mm，通过转动光源转盘架架（并配合电位器实现待测样本面板的光照度从0~50000lux变化，每隔1000lux采集一次光谱数据，探究光照度对光谱识别的影响；
3）水雾实验模式：把开启距离设置为130mm，即水雾实验模式，通过推尺调整准直镜到待测样本面板的距离为500mm；通过电位器控制卤素灯座的光照度，使得待测样本面板的光照度恒定为20000lux；调整雾化机的档位控制雾化水雾流量大小，根据流量计计量水雾的流量，探究不同水雾流量对光谱识别的影响；
4）粉尘实验模式：把开启距离设置为250mm，即水雾和粉尘实验模式，通过推尺调整准直镜到待测样本面板的距离为500mm；通过电位器控制卤素灯座的光照度，使得待测样本面板的光照度恒定为20000lux；在鼓风机出风口处放入粒径为0.2mm的煤粉或岩粉，打开鼓风机扬尘，然后静置1min再进行光谱数据的采集，通过改变放入煤粉或岩粉。
有益效果：
本发明把不可控的环境因素变成了可控的实验室变量，对复杂的井下环境进行了实验室的建模，建立了井下环境仿真实验装置，从而确定光谱仪在粉尘、水雾、距离、光强度条件下煤岩识别的阈值，为矿井下光谱仪的引用提供最基础的数据支持。该装置结构简单、易于加工制作、可行性高、数据可靠，精简了矿井下现场实验繁琐的步骤，大大降低实验成本，对无人采掘的实现具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明装置的装配图；
图2为实验原理图；
图3为本发明中的光源转盘架结构示意图；
图4为本发明准直镜镜头结构示意图；
图5为开关电源的结构示意图；
图6为本发明第一箱体单元的结构示意图；
图7为本发明的工作流程图。
图中：1、第一箱体单元；2、第二箱体单元；3、可调式雾化机喷头通孔；4、待测样品面板；5、鼓风机通风口；6、光纤架；7、准直镜；8、直线滑轨；9、光纤；10、光源转盘架；11、推尺；12、推尺通孔；13卤素灯座；14、雾化机；15、可调式雾化喷口；16、鼓风机；17、近红外光谱仪；18、计算机；19、光源转盘定位孔；20、电位器；21、开关电源；22、准直镜镜头；23、卤素灯座定位孔。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明一种模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置的技术方案作进一步详细说明。
本发明一种模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置，该装置主要由两个相互嵌套的箱体、光纤架6、样品数据采集识别模块、环境模拟模块、可变式照明模块和推尺组成。
井下环境模拟的多功能光谱实验装置用于把综采工作面的粉尘、水雾、距离、光照强度运用实验装置仿真，达到环境因素的可控，条件能在某个或者某几个环境因素的影响下进行，探究光谱仪识别的可行性。
本发明公开的一种模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置主要由两个相互嵌套的箱体，光纤架、样品数据采集识别模块、环境模拟模块、可变光源照明模块和可读式刻度标尺构成。
两个相互嵌套能相对滑动的可封闭箱体分别是第一箱体单元1500*1000*750和第二箱体单元500*1000*750，刻度刻在直线滑轨上；
第二箱体单元上的顶部、侧面分别开有直径为50mm、100mm的通孔，分别安装可调式雾化机喷头、鼓风机风道；
第一箱体单元设有供光纤架移动的直线滑轨，并开有210mm*3mm的通孔使推尺能从中通过，样品测试面板为第二箱体单元上的一个底面。
光纤架上有固定准直镜装置，准直镜和光谱仪光纤通过螺纹连接，光纤架后端螺栓固定推尺用于推拉光纤座及计算光纤到被测样品的距离。
环境模拟模块包括一个可调式的鼓风机和一个雾化流量可调的雾化机，鼓风机通过风管和第二箱体单元相连，雾化机喷头安装在预留的箱体孔上。
可变式照明模块包括光源转盘架、卤素灯灯座、开关电源、电位器、单刀三掷开关。
样品数据采集识别模块包括一台光纤光谱仪和一台计算机构成。它们都固定在箱体之外，光谱仪利用光纤接受样品反射卤素灯的光谱信号，获取被测样品的光谱信息并识别样品；计算机中安装有煤岩识别软件，通过光谱信息同光谱库进行对比，即可对煤岩进行识别。
利用本发明装置进行试验的方法是：
实验前准备：
近红外光谱仪17安装与调整：近红外光谱仪17置放于箱体外，通过光纤9和准直镜7相连，并固定在光纤架6上，然后根据探头到待测样品面板4的距离调整焦距来对焦并通过白板来完成近红外光谱仪17的存白操作，作为100%反射率的参考，紧接着遮挡准直镜镜头22，完成存黑操作作为0反射率参考，在带有煤岩识别软件的计算机18上设置合适的光谱仪积分时间，存白存黑和积分时间的设置保证了光谱仪所采集数据准确。
光源转盘架10的安装：用螺栓通过光源转盘架定位孔19和卤素灯座定位孔23与第一箱体单元1连接。安装3个不同带凹面镜的不同功率的卤素灯座13，并使其发出的光能照射到光谱仪所对焦的待测样本面板4上，卤素灯座13和单刀三掷开关、电位器20、开关电源21串联。
第二箱体单元2的安装：首先把可调式雾化机喷头15和可调式雾化机喷头通孔3连接密封固定，然后把鼓风机16的出风口通过通风管与鼓风机通风口5密封固定。
样本的制备：从不同的煤矿取典型的顶板岩石样本及煤层上部样本，为保证样本所含成分均匀，利用锤型粉碎机粉碎样本，用标准筛筛选出0.2mm的样本，均匀的粘贴到薄板上模拟岩石和煤块，并把该薄板粘贴到待测样本面板4上。
实验的设置：根据实验的要求，井下环境的各种参数，改变实验装置的状态以对井下环境进行仿真，可以进行多种实验的测试。具体可以进行的实验为：0mm距离实验模式或光强度实验模式、130mm水雾实验模式、250mm水雾和粉尘实验模式。
1）距离实验模式：把开启距离设置为0mm距离实验模式，通过电位器控制卤素灯座13的光照度，使得待测样本面板4的光照度恒定为20000lux；通过推拉推尺11使得光纤架6在第一箱体单元底部的直线滑轨轨道上滑动，使准直镜7镜头到待测样本面板4的距离从0~1500mm变化，为该距离为实验变量，每隔100mm进行一次实验，探究距离对光谱识别的影响。
2）光强度实验模式：把开启距离设置为0mm光强度实验模式，通过推尺调整准直镜7到待测样本面板4的距离为500mm，通过转动光源转盘架10并配合电位器实现待测样本面板4的光照度从0~50000lux变化，每隔1000lux采集一次光谱数据，探究光照度对光谱识别的影响。
3）水雾实验模式：把开启距离设置为130mm，即水雾实验模式，通过推尺调整准直镜7到待测样本面板4的距离为500mm；通过电位器控制卤素灯座13的光照度，使得待测样本面板4的光照度恒定为20000lux；调整雾化机的档位控制雾化水雾流量大小，根据流量计计量水雾的流量，探究不同水雾流量对光谱识别的影响。
4）粉尘实验模式：把开启距离设置为250mm，即水雾和粉尘实验模式，通过推尺调整准直镜7到待测样本面板4的距离为500mm；通过电位器控制卤素灯座13的光照度，使得待测样本面板4的光照度恒定为20000lux；在鼓风机出风口5处放入粒径为0.2mm的煤粉或岩粉，打开鼓风机扬尘，然后静置1min再进行光谱数据的采集，通过改变放入煤粉或岩粉的质量从而改变粉尘的浓度，探究粉尘对光谱识别的影响。
Claims (2)
1.一种模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置，其特征在于，包括：两个箱体单元，分别是第一箱体单元和第二箱体单元，第一箱体单元的底部和第二箱体单元的底部设有相互嵌套的直线滑轨，所述直线滑轨上设有刻度；
所述第一箱体单元底部的直线滑轨上滑动设置有光纤架，光纤架上固定设置有准直镜，所述准直镜通过光纤与设置在第一箱体单元外部的近红外光谱仪连接；
推尺，推尺的一端与第一箱体单元内的光纤架固定连接，另一端延伸出第一箱体单元设置；
所述第二箱体上与所述准直镜头发射的近红外光传输方向相垂直的一侧箱壁面板为待测样本面；
可变式照明模块，包括光源转盘架和卤素灯灯座，其中，光源转盘架设置在第一箱体单元上与所述准直镜头发射的近红外光传输方向相垂直的一侧面板上，光源转盘架上安装有至少三种功率卤素灯的卤素灯灯座，卤素灯座和单刀多掷开关、电位器以及开关电源串联；所述卤素灯座上安装卤素灯，所述卤素灯发出的光照能照射到光谱仪所对焦的待测样本面板上；
环境模拟模块，包括一个可调式鼓风机和一个雾化流量可调的雾化机，所述鼓风机通过风管和第二箱体单元的一侧箱壁相连；所述雾化机的喷头通过预留在第二箱体单元顶部箱壁上的孔与第二箱体单元相连；
样品数据采集识别模块，包括一台光纤光谱仪和一台计算机，所述光纤光谱仪利用光纤接收样品反射卤素灯的光谱信号，获取被测样品的光谱信息并识别样品；
所述计算机中安装有煤岩识别软件，通过光谱信息同光谱库进行对比，即可对煤岩进行识别；
第一箱体上与所述准直镜头发射的近红外光传输方向相垂直的一侧面板上设有容纳卤素灯座前部凸起放置的定位通孔，并且所述定位通孔用于入射光线的射入；
第一箱体单元底部的直线滑轨为沿第一箱体单元长度方向延伸设置的第一矩形凸条，第二箱体单元底部的直线滑轨为沿第二箱体单元长度方向延伸设置的第二矩形凸条，其中，第一矩形凸条嵌套设置在第二矩形凸条的上部。
2.一种基于权利要求1所述的模拟煤矿井下环境的煤岩反射光谱识别实验装置的试验方法：其特征在于，包括如下步骤：
实验前准备：
近红外光谱仪安装与调整：近红外光谱仪置放于箱体单元外部，通过光纤和准直镜相连，并固定在光纤架上，光纤架的底部与第一箱体单元底部的直线滑轨相固定，然后根据准直镜镜头到待测样品面板的距离调整焦距来对焦并通过白板来完成近红外光谱仪的存白操作，作为100%反射率的参考，紧接着遮挡准直镜镜头，完成存黑操作作为0反射率参考，在计算机上设置合适的光谱仪积分时间，存白存黑和积分时间的设置保证了光谱仪所采集数据准确；
样本的制备：从不同的煤矿取典型的顶板岩石样本及煤层上部样本，为保证样本所含成分均匀，利用锤型粉碎机粉碎样本，用标准筛筛选出0.2mm的样本，均匀的粘贴到薄板上模拟岩石和煤块，并把该薄板粘贴到待测样本面板上；
实验的设置：根据实验的要求，井下环境的各种参数，改变实验装置的状态以对井下环境进行仿真，进行多种实验的测试，具体进行的实验为：0mm距离实验模式、光强度实验模式、130mm水雾实验模式、250mm水雾和粉尘实验模式；
1）0mm距离实验模式：把开启距离设置为0mm距离实验模式，通过电位器控制卤素灯座的光照度，使得待测样本面板的光照度恒定为20000lux；通过推拉推尺带动光纤架在轨道上滑动，使准直镜镜头到待测样本面板的距离从0~1500mm变化，为该距离为实验变量，每隔100mm进行一次实验，探究距离对光谱识别的影响；
2）光强度实验模式：把开启距离设置为0mm光强度实验模式，通过推尺调整准直镜到待测样本面板的距离为500mm，通过转动光源转盘架，并配合电位器实现待测样本面板的光照度从0~50000lux变化，每隔1000lux采集一次光谱数据，探究光照度对光谱识别的影响；
3）水雾实验模式：把开启距离设置为130mm，即水雾实验模式，通过推尺调整准直镜到待测样本面板的距离为500mm；通过电位器控制卤素灯座的光照度，使得待测样本面板的光照度恒定为20000lux；调整雾化机的档位控制雾化水雾流量大小，根据流量计计量水雾的流量，探究不同水雾流量对光谱识别的影响；
4）粉尘实验模式：把开启距离设置为250mm，即水雾和粉尘实验模式，通过推尺调整准直镜到待测样本面板的距离为500mm；通过电位器控制卤素灯座的光照度，使得待测样本面板的光照度恒定为20000lux；在鼓风机出风口处放入粒径为0.2mm的煤粉或岩粉，打开鼓风机扬尘，然后静置1min再进行光谱数据的采集，通过改变放入煤粉或岩粉。
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