CN111239841A - 一种用于煤矸智能识别的探测器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于煤矸智能识别的探测器，反射罩设置在溴化镧铈闪烁体的表面外侧，同时反射罩将溴化镧铈闪烁体产生的闪烁光子通过光导传输至光电倍增器中，在光电倍增器中，光阴极吸收闪烁光子并产生光电子，光电子通过光电倍增器中的倍增级后由光阳极吸收，并形成电流脉冲，电流脉冲通过套管传输至前置放大电路中，由前置放大电路进行放大，并将放大后的电流脉冲传送至内置计算机中。本发明通过检测煤岩流中放射性核素铀、钍、钾的含量确定煤岩流中岩石比例，并由电液控制器控制放煤口的动作，实现了煤矸识别，使放顶煤工作面无人、自动化放煤的实现成为可能，同时也为井下煤矸分选提供了良好的技术基础。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种用于煤矸智能识别的探测器及使用方法。
背景技术
我国自2002年开始研究煤岩识别到目前，已经提出许多煤岩识别理论，包括使用声波、图像、红外线等原理。目前，利用γ射线进行煤岩识别已渐渐成熟，包括利用双能γ射线以及识别自然γ射线强度的原理来实现煤岩识别。
在实际的测量中发现，在顶板岩石和煤层中都存在含有天然放射性核素的物质，顶板岩石中天然γ射线量比煤中高的多，对页岩顶板，其γ射线辐射量是煤层的20倍，对砂岩顶板，其γ射线辐射量量也要高出煤层10倍。因此，页岩或砂岩可以作为天然γ射线放射源。同时，对于同一煤/岩层，其辐射特征基本一致。因煤是放射性很弱的岩石，对煤灰分物质的分析鉴定可以发现灰分中不含放射性物质，因此煤的放射性可以忽略不计，而在岩石中产生大量γ射线且能被检测到的放射性核素在于铀、钍、钾。因此根据测量得到煤矸混合物中的放射性核素铀、钍、钾的含量可以计算出煤矸混合物中的矸石量，基于此可以实现自动化放顶煤开采。
闪烁体探测器的工作原理如下：入射辐射在闪烁体内损耗并沉积能量，引起闪烁体中原子或离子、分子的电离激发，之后受激粒子退激放出波长接近于可见光的闪烁光子。闪烁光子通过光导射入光电倍增管的光阴极并打出光电子，光电子受打拿级之间强电场的作用加速运动并轰击下一打拿级，打出更多光电子，由此实现光电子的倍增，直到最终到达阳极并在输出回路中产生信号。
溴化镧铈LaBr3(Ce)闪烁晶体是射线探测器探头的主要组成部件。闪烁探头可用来探测X光和γ射线等电离辐射。溴化镧铈闪烁晶体具有光产额高、能量分辨率好、衰减时间短、非线性响应小等优点。可更好的对煤矸中的射线强度差异做出响应。闪烁体选取依据如图1所示。
经研究发现，对于不同煤/岩层，其放射性核素含量存在明显差异。铀、钍、钾三种核素具有显著不同的能谱特征，这成为了检测煤矸流中铀、钍、钾三种放射性核素良好的基础条件。经实验得到某沉积岩样品能谱图，能谱图指出核素钾的能量峰为1.46Mev，铀的能量峰为1.76Mev和2.20Mev，钍的能量峰为2.62Mev，可将能量峰作为特征值。实验时检测规定采样时间内能量峰出现的频率来判断核素是否存在及其含量，进而确定煤矸流中煤炭和矸石含量的比例，实现煤矸智能识别。
发明内容
发明目的：针对现有综采工作面放顶煤开采的工作面生产效率低的问题，本发明提出一种用于煤矸智能识别的探测器及使用方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于煤矸智能识别的探测器，所述探测器包括有溴化镧铈闪烁体、反射罩、光电倍增器、套管和前置放大电路，所述反射罩设置在溴化镧铈闪烁体的表面外侧，同时所述反射罩将溴化镧铈闪烁体产生的闪烁光子通过光导传输至光电倍增器中，在所述光电倍增器中，所述光阴极吸收闪烁光子并产生光电子，所述光电子通过光电倍增器中的倍增级后由光阳极吸收，并形成电流脉冲，所述电流脉冲通过套管传输至前置放大电路中，由所述前置放大电路进行放大，并将所述放大后的电流脉冲传送至内置计算机中。
进一步地讲，所述探测器还包括有分压器，所述分压器与光电倍增器电性连接，为所述光电倍增器提供高压。
进一步地讲，所述探测器还包括有外壳，所述溴化镧铈闪烁体、反射罩、光电倍增器、套管、分压器和前置放大电路均设置在外壳的内部。
一种用于煤矸智能识别的探测器的使用方法，所述使用方法具体包括如下步骤：
S1：在每台放顶煤液压支架上均设置探测器、护板和信号分析装置；
S2：测定所述放顶煤液压支架放置区域内的工作面的本底辐射，确定出所述探测器中的数据过滤区间和信号分析装置中的预先设定的强度特征值；
S3：通过所述探测器，获取得到煤矸流对应的实际强度值；
S4：将所述煤矸流对应的实际强度值与预先设定的强度特征值进行比较，所述放顶煤液压支架中的电液控制阀根据比较结果，控制所述放顶煤液压支架中放煤口的动作。
进一步地讲，在所述步骤S1中，在每台所述放顶煤液压支架上均设置探测器、护板和信号分析装置，具体为：
所述探测器设置在放顶煤液压支架下侧放煤口帮板上，所述护板设置在探测器的上方，所述信号分析装置设置在放顶煤液压支架上，同时所述探测器和信号分析装置之间电性连接。
进一步地讲，在所述步骤S2中，确定出所述探测器中的数据过滤区间和信号分析装置中的预先设定的强度特征值，具体如下：
S2.1：测定所述放顶煤液压支架放置区域内的工作面的本底辐射，确定出能量捕捉区间；
S2.2：确定出所述煤矸流中矸石比例，并将所述矸石比例进行转换，得到检测信号中单位采样时间间隔能量捕捉区间内信号出现的数量；
S2.3：将所述能量捕捉区间作为探测器的数据过滤区间，将所述检测信号中单位采样时间间隔能量捕捉区间内信号出现的数量作为信号分析装置向电液控制器发送的预先设定的强度特征值。
进一步地讲，在所述步骤S2.1中，确定出所述能量捕捉区间，具体如下：
S2.1.1：测定所述放顶煤液压支架放置区域内的工作面的本底辐射，并计算出工作面本底辐射的平均值，将所述平均值作为工作面的本底辐射；
S2.1.2：取所述工作面的岩样，测定出所述岩样中放射性核素铀、钍、钾的单能γ射线能量峰值；
S2.1.3：将所述铀、钍、钾的单能γ射线能量峰值和工作面的本底辐射进行比较，选出与所述工作面的本底辐射相差值最大的核素作为检测对象，并将所述检测对象的单能γ射线能量峰值作为检测特征值，同时将所述检测特征值作为能量捕捉区间。
进一步地讲，在所述步骤S3中，获取得到所述煤矸流对应的实际强度值，具体如下：
S3.1：所述溴化镧铈闪烁体根据煤矸流中的γ射线产生闪烁光子，并通过所述反射罩将闪烁光子发送至光电倍增器中进行倍增；
S3.2：所述光阴极吸收倍增后的闪烁光子，并产生光电子，所述光阳极吸收所述光电子，并形成电流脉冲；
S3.3：所述前置放大电路接收电流脉冲，并将所述电流脉冲进行放大，同时将所述放大后电流脉冲发送至内置计算机中，通过所述内置计算机识别出煤矸流对应的实际强度值。
进一步地讲，在所述步骤S4中，控制所述放顶煤液压支架中放煤口的动作，具体为：
当所述煤矸流对应的实际强度值大于预先设定的强度特征值时，所述信号分析装置将向电液控制阀发送关闭指令，所述电液控制阀根据关闭指令控制放煤口停止放煤；
当所述煤矸流对应的实际强度值不大于预先设定的强度特征值时，则返回步骤S3中，同时所述放煤口继续放煤。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)本发明以岩石中天然放射性物质所发射出的γ射线辐射量远远大于煤炭中天然放射性物质发射出的γ射线辐射量为基础，通过检测煤岩流中放射性核素铀、钍、钾的含量来确定煤岩流中岩石比例，并由电液控制器来智能控制放煤口的动作，实现放顶煤智能无人操作化放煤，精准高效的实现了煤矸识别，使放顶煤工作面无人、自动化放煤的实现成为可能，同时也为井下煤矸分选提供了良好的技术基础；
(2)本发明采用无机闪烁体溴化镧铈晶体作为探测器闪烁体材料，溴化镧铈闪烁晶体具有光产额高、能量分辨率好、衰减时间短的特点，使得探测器具有优秀的信号捕捉效果，进而提高了探测器信号捕捉的灵敏度，同时由于极短的衰减时间，为实现动态识别、实时检测奠定了基础；
(3)本发明利用煤矸流中自然γ射线辐射量差异的特点，以放射性核素铀、钍、钾为监测目标，依据监测元素信号出现频率作为强度值作为放煤口开、关的特征参数，在工作前对探测器设置能量监测区间、对信号分析装置设定强度特征值阀值，通过探测器对放煤口处检测煤矸流得到的能量特征值频率发送至信号分析装置中，并将监测到的强度值与预先设定的阈值进行对比，当测定的强度值大于原来设定的阈值，则将信号传输给电液控制阀控制放煤口关闭，从而具有较高的识别精度，对环境适应能力强，且能达到实时监测的效果。
附图说明
图1是闪烁体选取依据图；
图2是用于煤矸智能识别的探测器的结构示意图；
图3是用于煤矸智能识别探测器的识别过程流程图；
图4是放顶煤工作面装置安装示意图；
图中标号对应部件名称：
1、溴化镧铈闪烁体；2、反射罩；3、光电倍增器；4、光阴极；5、光阳极；6、套管；7、分压器；8、前置放大电路；9、外壳；10、探测器；11、信号分析装置；12、刮板输送机；13、放顶煤液压支架。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。
实施例1
参考图2，本实施例提供了一种用于煤矸智能识别的探测器，该探测器包括有溴化镧铈闪烁体1、反射罩2、光电倍增器3、套管6、分压器7、前置放大电路8和外壳9。其中溴化镧铈闪烁体1、反射罩2、光电倍增器3、套管6、分压器7和前置放大电路8均设置在外壳9的内部，由外壳9对溴化镧铈闪烁体1、反射罩2、光电倍增器3、套管6、分压器7和前置放大电路8进行保护。
具体地讲，反射罩2设置在溴化镧铈闪烁体1的表面外侧，同时反射罩2会将溴化镧铈闪烁体1产生的闪烁光子通过光导传输至光电倍增器3中。为了保证光电倍增器3的正常运行，光电倍增器3与分压器7电性连接，由分压器7为光电倍增器3各级提供高压，以实现光电倍增器3的正常工作。
而在光电倍增器3中，光电倍增器3的光阴极4吸收溴化镧铈闪烁体1产生的闪烁光子，并根据该闪烁光子产生光电子。该产生的光电子会通过光电倍增器3中的倍增级后由光电倍增器3的光阳极5吸收，并形成电流脉冲。其中电流脉冲经与光电倍增器3各接头相连接的套管6输出至前置放大电路8中，并由前置放大电路8进行放大，同时将放大后的电流脉冲传送至内置计算机中，由内置计算机识别出，在能量捕捉区间内的电流脉冲信号并进行计数，将单位采样时间间隔中能量捕捉区间内信号出现的频率，即实测强度，实时发送至位于支架上的用于实测强度值与强度特征值对比的信号分析装置中。
本实施例基于煤炭与岩石中天然放射性物质所发出的γ射线的强度的差异，针对性检测煤岩流中放射性核素铀、钍、钾含量来识别煤岩流中的含岩量，在放顶煤开采过程中，通过对煤岩流中岩石量的识别来实现放顶煤支架的智能控制。参考图3，本实施例还提供了一种用于煤矸智能识别的探测器的使用方法，该使用方法具体包括如下步骤：
步骤S1：在每台放顶煤液压支架(13)上均设置探测器(10)、护板和信号分析装置(11)。电液控制器控制放煤时，放落的顶煤(11)从探测器(10)表面滑过，落在刮板输送机(12)上，从而完成放煤过程。
参考图4，在每台放顶煤液压支架(13)中，探测器(10)均设置在放顶煤液压支架(13)下侧的放煤口帮板上，用于捕捉指定γ射线能量区间内数据出现的频率，同时为了保护探测器(10)，在探测器(10)的上方设置有护板。其中信号分析装置(11)设置在放顶煤液压支架(13)上，同时探测器(10)和信号分析装置(11)之间电性连接，并且信号分析装置(11)也和控制放煤口的电液控制阀之间电性连接。
步骤S2：测定放顶煤液压支架(13)放置区域内的工作面的本底辐射，确定出探测器(10)中的数据过滤区间和信号分析装置(11)中的预先设定的强度特征值，具体如下：
步骤S2.1：测定放顶煤液压支架(13)放置区域内的工作面的本底辐射，进而确定出能量捕捉区间，具体如下：
步骤S2.1.1：在放煤工作开始之前，先测定放顶煤液压支架(13)放置区域内的工作面的本底辐射，其中工作面指放顶煤液压支架(13)放置区域内正在采煤的区域。
在测定了工作面的本底辐射后，计算出工作面本底辐射的平均值，并将该计算得到的平均值作为工作面的本底辐射。
步骤S2.1.2：取工作面直接顶的顶板岩样，并将取得的顶板岩样进行破碎，进而得到工作面的岩样，通过能谱仪测定出工作面岩样中放射性核素铀、钍、钾的单能γ射线能量峰值。
步骤S2.1.3：将步骤S2.1.2：中得到的铀、钍、钾的单能γ射线能量峰值均和工作面的本底辐射进行比较，为了排除本底辐射影响，将影响最小的核素为检测对象，即从中选出与工作面的本底辐射相差值最大的核素作为检测对象，并将检测对象的单能γ射线能量峰值作为检测特征值，同时将检测特征值作为能量捕捉区间。
步骤S2.2：根据工作面的围岩性质、煤质及开采要求、市场需求等条件，确定出停止放煤时煤矸流中的矸石比例，并将该矸石比例进行转换，从而得到检测信号中单位采样时间间隔能量捕捉区间内信号出现的数量。
步骤S2.3：将步骤S2.1.3中确定的能量捕捉区间作为探测器(10)的数据过滤区间，将步骤S2.2中得到的检测信号中单位样时间间隔能量捕捉区间内信号出现的数量作为信号分析装置(11)向电液控制器发送的预先设定的强度特征值。
步骤S3：通过探测器(10)，获取得到煤矸流对应的实际强度值，具体如下：
步骤S3.1：探测器(10)通过放顶煤液压支架(13)中的放煤口帮板与煤矸流接触，煤矸流中的γ射线在溴化镧铈闪烁体(1)内损耗并沉积能量，进而引起溴化镧铈闪烁体(1)产生相应能量的闪烁光子，并通过反射罩(2)将闪烁光子发送至光电倍增器(3)中进行倍增。
步骤S3.2：闪烁光子通过与探头相连接的光电倍增管(3)，实现光子的倍增并在输出回路中产生电流脉冲信号。也就是说，光阴极(4)吸收了倍增后的闪烁光子后，产生光电子，光阳极(5)吸收光电子，并形成电流脉冲。
步骤S3.3：电流脉冲信号由前置放大电路(8)接收并将其整体成倍放大，然后将放大后的电流脉冲信号发送至用于计算单位采样时间间隔能量捕捉区间内信号出现的频率的内置计算机中，内置计算机将工作时实时测得的频率，实时发送至位于支架上的用于实测强度值与强度特征值对比的信号分析装置(11)中。
也就是说，前置放大电路(8)接收电流脉冲，并将电流脉冲进行放大，同时将放大后电流脉冲发送至内置计算机中，通过内置计算机识别出煤矸流对应的实际强度值。
步骤S4：当放煤进行时，放顶煤通过放顶煤液压支架(13)后挡板落到下方的刮板输送机(12)上。此时，探测器(10)收集顶煤中煤矸流辐射的γ射线能量信号，通过内置结构将其转换为电信号，并将能量特征值出现频率即强度值实时发送至位于放顶煤液压支架(13)上的信号分析装置(11)中，信号分析装置(11)将煤矸流对应的实际强度值与预先设定的强度阈值进行比较，放顶煤液压支架(13)中的电液控制阀则会根据该比较结果，控制放顶煤液压支架(13)中放煤口的动作，具体为：
当煤矸流对应的实际强度值大于预先设定的强度特征值时，信号分析装置(11)将向电液控制阀发送关闭指令，电液控制阀根据关闭指令控制放煤口停止放煤。
当煤矸流对应的实际强度值不大于预先设定的强度特征值时，则返回步骤S3中，同时放煤口继续放煤。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于煤矸智能识别的探测器，其特征在于，所述探测器包括有溴化镧铈闪烁体(1)、反射罩(2)、光电倍增器(3)、套管(6)和前置放大电路(8)，所述反射罩(2)设置在溴化镧铈闪烁体(1)的表面外侧，同时所述反射罩(2)将溴化镧铈闪烁体(1)产生的闪烁光子通过光导传输至光电倍增器(3)中，在所述光电倍增器(3)中，所述光阴极(4)吸收闪烁光子并产生光电子，所述光电子通过光电倍增器(3)中的倍增级后由光阳极(5)吸收，并形成电流脉冲，所述电流脉冲通过套管(6)传输至前置放大电路(8)中，由所述前置放大电路(8)进行放大，并将所述放大后的电流脉冲传送至内置计算机中。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤矸智能识别的探测器，其特征在于，所述探测器还包括有分压器(7)，所述分压器(7)与光电倍增器(3)电性连接，为所述光电倍增器(3)提供高压。
3.根据权利要求2所述的一种用于煤矸智能识别的探测器，其特征在于，所述探测器还包括有外壳(9)，所述溴化镧铈闪烁体(1)、反射罩(2)、光电倍增器(3)、套管(6)、分压器(7)和前置放大电路(8)均设置在外壳(9)的内部。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的用于煤矸智能识别的探测器的使用方法，其特征在于，所述使用方法具体包括如下步骤：
S1：在每台放顶煤液压支架(13)上均设置探测器(10)、护板和信号分析装置(11)；
S2：测定所述放顶煤液压支架(13)放置区域内的工作面的本底辐射，确定出所述探测器(10)中的数据过滤区间和信号分析装置(11)中的预先设定的强度特征值；
S3：通过所述探测器(10)，获取得到煤矸流对应的实际强度值；
S4：将所述煤矸流对应的实际强度值与预先设定的强度特征值进行比较，所述放顶煤液压支架(13)中的电液控制阀根据比较结果，控制所述放顶煤液压支架(13)中放煤口的动作。
5.根据权利要求4所述的一种用于煤矸智能识别的探测器的使用方法，其特征在于，在所述步骤S1中，在每台所述放顶煤液压支架(13)上均设置探测器(10)、护板和信号分析装置(11)，具体为：
所述探测器(10)设置在放顶煤液压支架(13)下侧放煤口帮板上，所述护板设置在探测器(10)的上方，所述信号分析装置(11)设置在放顶煤液压支架(13)上，同时所述探测器(10)和信号分析装置(11)之间电性连接。
6.根据权利要求4或5所述的一种用于煤矸智能识别的探测器的使用方法，其特征在于，在所述步骤S2中，确定出所述探测器(10)中的数据过滤区间和信号分析装置(11)中的预先设定的强度特征值，具体如下：
S2.1：测定所述放顶煤液压支架(13)放置区域内的工作面的本底辐射，确定出能量捕捉区间；
S2.2：确定出所述煤矸流中矸石比例，并将所述矸石比例进行转换，得到检测信号中单位采样时间间隔能量捕捉区间内信号出现的数量；
S2.3：将所述能量捕捉区间作为探测器(10)的数据过滤区间，将所述检测信号中单位采样时间间隔能量捕捉区间内信号出现的数量作为信号分析装置(11)向电液控制器发送的预先设定的强度特征值。
7.根据权利要求6所述的一种用于煤矸智能识别的探测器的使用方法，其特征在于，在所述步骤S2.1中，确定出所述能量捕捉区间，具体如下：
S2.1.1：测定所述放顶煤液压支架(13)放置区域内的工作面的本底辐射，并计算出工作面本底辐射的平均值，将所述平均值作为工作面的本底辐射；
S2.1.2：取所述工作面的岩样，测定出所述岩样中放射性核素铀、钍、钾的单能γ射线能量峰值；
S2.1.3：将所述铀、钍、钾的单能γ射线能量峰值和工作面的本底辐射进行比较，选出与所述工作面的本底辐射相差值最大的核素作为检测对象，并将所述检测对象的单能γ射线能量峰值作为检测特征值，同时将所述检测特征值作为能量捕捉区间。
8.根据权利要求6所述的一种用于煤矸智能识别的探测器的使用方法，其特征在于，在所述步骤S3中，获取得到所述煤矸流对应的实际强度值，具体如下：
S3.1：所述溴化镧铈闪烁体(1)根据煤矸流中的γ射线产生闪烁光子，并通过所述反射罩(2)将闪烁光子发送至光电倍增器(3)中进行倍增；
S3.2：所述光阴极(4)吸收倍增后的闪烁光子，并产生光电子，所述光阳极(5)吸收所述光电子，并形成电流脉冲；
S3.3：所述前置放大电路(8)接收电流脉冲，并将所述电流脉冲进行放大，同时将所述放大后电流脉冲发送至内置计算机中，通过所述内置计算机识别出煤矸流对应的实际强度值。
9.根据权利要求8所述的一种用于煤矸智能识别的探测器的使用方法，其特征在于，在所述步骤S4中，控制所述放顶煤液压支架(13)中放煤口的动作，具体为：
当所述煤矸流对应的实际强度值大于预先设定的强度特征值时，所述信号分析装置(11)将向电液控制阀发送关闭指令，所述电液控制阀根据关闭指令控制放煤口停止放煤；
当所述煤矸流对应的实际强度值不大于预先设定的强度特征值时，则返回步骤S3中，同时所述放煤口继续放煤。
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