一、概述
在采煤機(jī)自動(dòng)控制過(guò)程中，遇到的最大難題就是如何使采煤機(jī)滾筒自動(dòng)適應(yīng)煤層起伏變化，即采煤機(jī)截割滾筒自動(dòng)調(diào)高問(wèn)題。該問(wèn)題解決的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確判斷頂?shù)装迕簩雍穸然蛘咦R(shí)別煤巖界面。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，先后提出過(guò)20余種方法，其中最具影響力的方法包括：天然γ射線法、人工γ射線法、應(yīng)力截齒分析法、機(jī)械振動(dòng)法、雷達(dá)探測(cè)法、紅外探測(cè)法、超聲波法、高壓水射流法等。如表1所示。
表1 世界各國(guó)煤巖分界技術(shù)研究狀況
二、綜采煤巖識(shí)別方法
1.天然γ射線法
該方法利用碘化鈉等晶體制成的γ射線探測(cè)器接收天然頂?shù)装逅l(fā)出的γ射線，并通過(guò)變送器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送至識(shí)別器。電信號(hào)的強(qiáng)度與探測(cè)器至頂?shù)装宓木嚯x以及預(yù)留煤層厚度有關(guān)。美國(guó)專利Armored Rock Detector（專利號(hào)：US20020056809A1）中有關(guān)天然γ射線探測(cè)器的描述如圖1所示，其中編號(hào)1為巖石中的天然γ射線，編號(hào)7為探測(cè)器的隔爆殼，編號(hào)6和編號(hào)8為頂板和底板的γ射線接收裝置。
圖1 天然射線探測(cè)器
英國(guó)采礦研究院利用該方法于20世紀(jì)80年代研究出了801型探測(cè)器，并將其應(yīng)用在了7000系統(tǒng)中，而后又研制出了功能更為完善的MDIAS，DIAM和PATHFINDER系統(tǒng)。上世紀(jì)90年代初中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)和黑龍江科技學(xué)院等高校也對(duì)此方法進(jìn)行了相關(guān)研究。并做了大量工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：該法方法不適用于頂?shù)装宀缓派湫栽鼗蚍派湫栽睾枯^低的工作面，以及煤層中夾矸過(guò)多的工作面；另外液壓支架頂梁、頂?shù)装鍘r石厚度及輻射角度都對(duì)γ射線強(qiáng)度有影響。因此利用自然γ射線探測(cè)方法難于精確測(cè)定頂板煤層厚度。
2.人工γ射線法
由射線同位素的康普頓效應(yīng)原理可知，當(dāng)同位素射線穿過(guò)不均勻的介質(zhì)時(shí)，射線將損失一部分能量并向各個(gè)方向散射，其散射的波長(zhǎng)比入射的波長(zhǎng)略大，散射的強(qiáng)度與介質(zhì)的密度和厚度成正比。因此根據(jù)康普頓效應(yīng)，可以利用人工γ射線法射入密度不同的煤巖分界面，從而達(dá)到識(shí)別煤和巖石的目的。當(dāng)煤層厚度增加時(shí)，入射的γ射線與碳原子中的電子碰撞后所損失的能量就減少，散射后所得到的γ射線強(qiáng)度將增大。因此散射的γ射線強(qiáng)度與煤層厚度成正比，設(shè)定一定強(qiáng)度的γ射線便可以得到一定厚度的煤層。美國(guó)專利Coal-rock Interface Detector（專利號(hào)：4165460）中有關(guān)利用人工射線探測(cè)煤巖界面裝置的描述如圖2所示，其中編號(hào)1為人工射線發(fā)射器，編號(hào)2為射線接收器。
圖2 射線發(fā)射器與接收器
德國(guó)的Eickhoff公司曾研制出同位素煤巖分界傳感器，并在英國(guó)、西德、波蘭和前蘇聯(lián)進(jìn)行過(guò)大量試驗(yàn)，結(jié)果表明：由于γ射線散射后的穿透能力有限，傳感器所能測(cè)得的煤層厚度不大于250mm；而且難于保證采煤機(jī)工作過(guò)程中傳感器與煤層間的良好接觸；并且煤層中的夾雜物會(huì)影響探測(cè)精度；另外具有放射性危害的γ射線源在井下不便管理，因此該方法未能得到廣泛使用。
3.應(yīng)力截齒分析法
根據(jù)截齒應(yīng)力來(lái)進(jìn)行煤巖界面分析的方法基于如下假設(shè)：當(dāng)采煤機(jī)眼工作面正常截割煤層時(shí)，其滾筒上單個(gè)截齒在同一煤層中所受的連續(xù)作用力是相同的；因此當(dāng)煤層發(fā)生變化時(shí)，滾筒上截齒所受到的截割應(yīng)力將發(fā)生變化。尤其是當(dāng)采煤機(jī)截割到巖石時(shí)，截齒所受到的應(yīng)力與截割煤層時(shí)相比將發(fā)生顯著變化。因此根據(jù)截齒應(yīng)力的變化情況，理論上便可以區(qū)分出煤層與巖石了。美國(guó)專利Coal Seam Discontinuity Sensor and Method for Coal Mining Apparatus（專利號(hào)：4968098）中有關(guān)截齒應(yīng)力傳感器的描述如圖3所示，其中編號(hào)1為采煤機(jī)的截割齒，編號(hào)2和編號(hào)3為測(cè)量截齒在兩個(gè)方向上應(yīng)力所需的應(yīng)變片。
圖3 截齒應(yīng)力傳感器
英國(guó)對(duì)于該方法的研究始于上世紀(jì)80年代，英國(guó)巴斯大學(xué)P.E.伊索爾對(duì)應(yīng)力截齒分析法進(jìn)行了深入的研究，分析了該方法的可行性，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)裝備。通過(guò)在英國(guó)卡特格勒煤礦采煤機(jī)上的試驗(yàn)，表明該裝備不是很完善，主要問(wèn)題表現(xiàn)在截齒上的應(yīng)力傳感器強(qiáng)度不夠和應(yīng)力傳感器的信號(hào)輸出問(wèn)題。國(guó)內(nèi)方面，太原理工大學(xué)對(duì)該方法進(jìn)行了較深入的研究，建立了模擬試驗(yàn)臺(tái)，并在人造煤壁上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，取得了一定的成果，在此基礎(chǔ)上提出了采用相似模型進(jìn)行煤巖界面識(shí)別研究的理論方法。但由于該方法的應(yīng)用需要較好的地質(zhì)條件；對(duì)截齒以及傳感器的損耗較大；且截齒時(shí)常截割到巖石，不利于在要求預(yù)留頂煤或高瓦斯工作面中使用，因此未得到進(jìn)一步的推廣。
4.機(jī)械振動(dòng)法
機(jī)械振動(dòng)法的原理在于采煤機(jī)截割煤層和巖石時(shí)的頻率、波形等振動(dòng)特征存在明顯不同。在采煤機(jī)工作過(guò)程中，根據(jù)搖臂振動(dòng)的頻率特性和幅值特性便可區(qū)分出煤巖界面。美國(guó)專利Coal Seam Sensor（專利號(hào)：4143552）中有關(guān)利用檢測(cè)搖臂振動(dòng)情況實(shí)現(xiàn)煤巖界面識(shí)別的描述如圖4所示，其中編號(hào)6為安裝在搖臂上的兩個(gè)加速度傳感器，用于采集水平和垂直兩個(gè)方向上的振動(dòng)數(shù)據(jù)。
該方法雖然硬件方面僅需要振動(dòng)傳感器、信號(hào)變送器、信號(hào)處理器等；但信號(hào)的提取、處理、分析實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，尤其考慮到煤層力學(xué)特性、采煤機(jī)功率型號(hào)、截割齒材料特性等因素的不同，將直接影響到振動(dòng)信號(hào)的鑒別。由于該方法的對(duì)振動(dòng)信號(hào)分析處理復(fù)雜且實(shí)時(shí)性要求高，因此至今未出現(xiàn)成熟的振動(dòng)煤巖界面探測(cè)器。
圖4 振動(dòng)法探測(cè)煤巖界面
5.雷達(dá)探測(cè)法
雷達(dá)探測(cè)法基于電磁波在不同介質(zhì)中的傳播特性：首先發(fā)射器向煤層發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波穿過(guò)煤層向頂板和底板傳播時(shí)，由于煤層和巖石兩種介質(zhì)不同，將導(dǎo)致電磁波在煤巖界面處發(fā)生反射；而后被反射的電磁波將傳輸?shù)浇邮掌?，根?jù)電磁波發(fā)射與接收的滯后時(shí)間差變可以計(jì)算出煤層的厚度。該滯后時(shí)間不僅與電磁波頻率、煤層和巖石的介質(zhì)特性等可預(yù)測(cè)因素有關(guān)，還與電磁波在煤層中所穿過(guò)的路徑有關(guān)。美國(guó)專利Ground-penetrating Imaging and Detecting Radar（專利號(hào)：US006522285B2）中有關(guān)利用雷達(dá)波探測(cè)煤巖界面的描述如圖5所示，其中編號(hào)1為雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射、接收、處理控制器，編號(hào)7為雷達(dá)波的發(fā)射接收天線用于探測(cè)上方的煤巖分布情況，編號(hào)3為鉆桿天線用于探測(cè)前方的煤巖分布情況。
圖5 雷達(dá)法探測(cè)煤巖界面
美國(guó)礦業(yè)局對(duì)該方法進(jìn)行了較深入的研究，并研制了多種傳感器，均未得到滿意的效果。原因在于：雷達(dá)探測(cè)發(fā)的基礎(chǔ)是電磁波在煤層中的傳輸，電磁波穿透煤層的極限厚度正比于其波長(zhǎng)，而煤層厚度的測(cè)量精度卻又反比于其波長(zhǎng)，這種難以徹底解決的矛盾限制了該方法的進(jìn)一步發(fā)展。另外，當(dāng)煤層厚度增大時(shí)對(duì)電磁波信號(hào)的吸收作用也更為嚴(yán)重，因此該方法尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。
6.紅外探測(cè)法
紅外探測(cè)法利用靈敏度極高的紅外溫度傳感器定向測(cè)量截割齒及其附近的溫度變化，由于煤層和巖石的物理特性不同，采煤機(jī)截割到巖石時(shí)的截齒溫度將高于正常截割煤層時(shí)的溫度，據(jù)此便可判斷出采煤機(jī)截割到煤層還是巖石。
該紅外傳感器可有效穿透煤塵，并具有0.1攝氏度的高分辨率。美國(guó)專利Mining Methods and Apparatus（專利號(hào)：US20090212216A1）中有關(guān)利用紅外裝置檢測(cè)采煤機(jī)滾筒表面溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)煤巖界面識(shí)別的描述圖6所示。
圖6 紅外線法探測(cè)煤巖界面
美國(guó)礦業(yè)局利用該方法分析了截割滾筒在煤巖分界面處的溫度變化情況，結(jié)果表明該截齒處的溫度變化不僅與被截割物的物理特性相關(guān)，還與采煤機(jī)的牽引速度和搖臂調(diào)高速度有關(guān)；另外，該方法依賴于截齒與煤層或巖石的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)煤與巖石的力學(xué)特性差異不大時(shí)則很難準(zhǔn)確判別出煤巖界面，因此無(wú)法在夾矸較多的地質(zhì)條件下應(yīng)用。
由以上研究?jī)?nèi)容可以看出，煤巖界面識(shí)別以及頂?shù)装迕簩雍穸葴y(cè)量具有相當(dāng)大的難度，目前尚無(wú)法滿足采煤工作現(xiàn)場(chǎng)的要求。
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