專利名稱：煤巖界面識(shí)別方法、識(shí)別系統(tǒng)及識(shí)別探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤巖界面識(shí)別方法，基于該方法的識(shí)別系統(tǒng)及識(shí)別探頭。
背景技術(shù)：
在煤礦井下開采過程中，需要判別煤層與巖層的分界面，以此為依據(jù)控制采煤機(jī) 搖臂的升降。目前，國內(nèi)采煤機(jī)滾筒高度的控制基本上都采用人工操作，即采煤機(jī)司機(jī)依靠自 己的視覺和聽覺來判斷滾筒是否切割到頂板巖石而作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。然而，實(shí)際操作中， 司機(jī)的眼睛距離滾筒頂端有一定的距離，且工作面上充滿煤塵，能見度極低；與此同時(shí)，滾 筒切割煤層產(chǎn)生很大噪聲，煤層被切割后不斷地散落下來也產(chǎn)生噪聲，加之采煤機(jī)本身的 機(jī)械振動(dòng)，在較大空間的工作面上上述各種噪聲還會(huì)產(chǎn)生回聲，導(dǎo)致工作面上既看不清也 聽不清，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的采煤機(jī)司機(jī)也很難在滾筒切割至頂板巖石的瞬間迅速做出準(zhǔn)確判 斷。因此為了避免切割至頂板巖石，我國現(xiàn)在大都采取保守開采的方式，實(shí)際的采出率較 低，而目前的技術(shù)水平也很難對(duì)剩余的大量煤炭資源進(jìn)行二次開采，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。 同時(shí)，現(xiàn)行的這種操作方法也嚴(yán)重制約了采煤工作面自動(dòng)化水平的提高，所以開發(fā)煤巖界 面識(shí)別技術(shù)具有重要意義。煤巖界面識(shí)別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一?？煽康拿簬r界面識(shí)別系 統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)效益和安全作業(yè)兩方面都具有突出的優(yōu)點(diǎn)，它不僅可以使采煤機(jī)具有自動(dòng)追蹤煤 巖界面的能力，提升煤礦井下采煤自動(dòng)化水平，提高采煤作業(yè)效益，而且還能有效地提高采 出率，減少那些在選煤過程中必須除去的矸石，提高煤炭品質(zhì)和運(yùn)輸效率，減輕設(shè)備磨損情 況，減少設(shè)備維修量和停機(jī)時(shí)間，并可使作業(yè)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工作面，實(shí)現(xiàn)工作面無人化等。應(yīng)用于采煤機(jī)上的指導(dǎo)搖臂升降的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)主要采用界面測量型。從20 世紀(jì)50年代起，世界各主要產(chǎn)煤國如美國、德國、英國、澳大利亞等愈加重視這一領(lǐng)域的研 究工作，已經(jīng)形成了一些成果，例如基于煤巖自然Y射線輻射特性的NGR (Natural Gamma Radiation)傳感器法，此法在理論層面比較成熟且已有幾種成型的產(chǎn)品在國外某些礦井使 用。此法根據(jù)頂板巖石中的Y射線在穿透煤層后的衰減規(guī)律，通過測量經(jīng)過衰減后的、射 線強(qiáng)度來確定煤層厚度，由此來確定煤巖界面。該方法要求頂板巖石必須含有放射性元素。 因此該方法對(duì)于頁巖頂板(含有放射性元素)有較好的適應(yīng)性，而對(duì)于砂巖頂板(放射性元 素含量較少)則無法應(yīng)用。該方法在英國有50%的礦井可以使用，在美國有90%的礦井可 以使用；而在我國僅有18%左右的礦井可以應(yīng)用，因而難以在我國大范圍推廣使用。另外， 紅外溫度檢測法也曾一度被認(rèn)為是有前途的界面識(shí)別方法，該方法利用高靈敏度的紅外線 測溫儀監(jiān)測開采過程中滾筒截齒附近地質(zhì)體的表面溫度。由于煤層與巖石層通常存在顯著 的機(jī)械強(qiáng)度反差，截割不同層面所產(chǎn)生的熱量不同，導(dǎo)致滾筒截齒附近地質(zhì)體的表面溫度 的升高程度不同，據(jù)此來判斷是否截割到煤巖界面。該方法的不足之處在于，只有當(dāng)滾筒已 經(jīng)切割到巖層時(shí)才會(huì)生效，不僅會(huì)損壞刀具，而且切割巖層產(chǎn)生的火花會(huì)對(duì)井下安全造成 極大威脅；另外，采煤機(jī)滾筒上通常裝有噴霧裝置用于給截齒和煤層冷卻降溫，也對(duì)滾筒截齒附近地質(zhì)體表面溫度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量造成了較大困難。除此以外，還有一些其他方法如 人工Y射線法、應(yīng)力截齒分析法、振動(dòng)分析法等，目前主要停留在理論研究階段，尚未形成 實(shí)用技術(shù)與產(chǎn)品。綜上所述，到目前為止，盡管各國的研究人員對(duì)煤巖界面探測系統(tǒng)提出了種種構(gòu) 想，但多數(shù)方案還處于研究和試驗(yàn)階段，其可靠性、實(shí)用性、安全性等尚未得到充分驗(yàn)證。同 時(shí)由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性等種種原因，一些已經(jīng)應(yīng)用的識(shí)別技術(shù)的使用范圍則受到嚴(yán)重限 制，使用環(huán)境稍有變化就會(huì)效果變差甚至完全失效，比如自然Y射線法，對(duì)于頁巖頂板效 果較好，而對(duì)于砂巖頂板則幾乎不能使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明首先要解決的技術(shù)問題是提供一種煤巖界面識(shí)別方法，其適應(yīng)性廣，能實(shí) 時(shí)識(shí)別煤巖界面，并為系統(tǒng)化地解決采煤機(jī)搖臂調(diào)高控制、使井下采煤過程真正實(shí)現(xiàn)采煤 機(jī)自動(dòng)化提供必要的條件。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案所述方法在采煤機(jī)的滾筒附近 或滾筒中提供射流，所述射流向上方的煤層噴射，所述射流具有的能量可以切割穿透所述 煤層而不能穿透煤層后的巖石層，所述射流的噴嘴與滾筒同步升高；
獲得射流被所述巖石層反射的反射流對(duì)噴嘴的作用力值，并實(shí)時(shí)傳送給控制裝置，根 據(jù)該作用力的大小測算滾筒是否已接近煤巖界面，如已接近煤巖界面，則控制采煤機(jī)搖臂 下降；
所述射流的介質(zhì)可以是水；或以水為主體，并含有諸如聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯加爾樹 脂等添加劑。在采用上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案它利用 反射流對(duì)噴嘴的作用力能使噴嘴有向后退縮的趨勢或向后位移，采用壓力傳感器或位移傳 感器進(jìn)行感知以獲得所述作用力值。本發(fā)明另一個(gè)所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述方法進(jìn)行煤巖界面 識(shí)別并進(jìn)而控制采煤機(jī)搖臂工作的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案它 設(shè)有識(shí)別探頭、控制器；所述識(shí)別探頭設(shè)有指向滾筒上方煤層的射流噴嘴，所述射流噴嘴處 在滾筒附近或滾筒中并可與滾筒同步升降，所述識(shí)別探頭設(shè)有壓力傳感器或位移傳感器的 敏感元件，用來感知射流被煤層后的巖石層所反射的反射流對(duì)所述噴嘴的作用力或感知因 該作用力而使噴嘴后退位移的距離，經(jīng)轉(zhuǎn)換元件處理后實(shí)時(shí)將信號(hào)傳送給控制器；所述控 制器根據(jù)所述壓力傳感器或位移傳感器的與反射流作用力值對(duì)應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)比較，控制采 煤機(jī)搖臂驅(qū)動(dòng)裝置工作，所述識(shí)別系統(tǒng)還設(shè)有射流壓力的調(diào)節(jié)裝置。一般地，所述噴嘴指向正上方或與正上方有一定偏角，只要采煤機(jī)的滾筒在接近 被其采掘的煤層后的煤巖界面時(shí)，反射流的作用力能作用于噴嘴或與噴嘴相連的部件即 可。在采用上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案 所述識(shí)別探頭設(shè)置在采煤機(jī)搖臂上。所述識(shí)別系統(tǒng)在采煤機(jī)搖臂上設(shè)有平行鉸鏈四連桿，所述四連桿的其中一桿為固 定桿，安裝所述噴嘴所需要的安裝座固定在與所述固定桿處于對(duì)邊位置的桿上，所述搖臂 為上述兩桿之外的四連桿中的另一桿。
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所述噴嘴卡在壓力傳感器或位移傳感器的敏感元件上。所述敏感元件為墊圈狀，所述敏感元件放在噴嘴的安裝座上，所述噴嘴具有垂直 于噴射方向的凸出環(huán)，所述噴嘴穿過所述敏感元件插入安裝座，所述凸出環(huán)卡在所述敏感 元件上。本發(fā)明再一個(gè)所要解決的技術(shù)問題是提供實(shí)現(xiàn)上述方法的煤巖界面識(shí)別探頭。為 此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案它設(shè)有射流噴嘴，所述識(shí)別探頭還設(shè)有壓力傳感器或位移傳 感器的敏感元件，用來感知射流被煤層后的巖石層所反射的反射流對(duì)所述噴嘴的作用力或 感知因該作用力而使噴嘴后退位移的距離。在采用上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案 所述噴嘴卡在壓力傳感器或位移傳感器的敏感元件上。所述敏感元件為墊圈狀，所述敏感元件放在噴嘴的安裝座上，所述噴嘴具有垂直 于噴射方向的凸出環(huán)，所述噴嘴穿過所述敏感元件插入安裝座，所述凸出環(huán)卡在所述敏感 元件上。
水射流技術(shù)是近幾十年迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。它以水為工作介質(zhì)，通過增壓設(shè)備和 特定形狀的噴嘴產(chǎn)生高速射流束，具有極高的能級(jí)密度，可以用于清洗、切割、鉆孔、采掘、 破碎等作業(yè)，具有清潔、無熱效應(yīng)、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全、使用方 便等特點(diǎn)，特別適用于操作環(huán)境惡劣，以及要求嚴(yán)格防火、防爆等敏感或危險(xiǎn)工作場合，能 夠有效改善工作環(huán)境，降低和防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生。
本發(fā)明的理論基礎(chǔ)是
1、水射流在處于不同的驅(qū)動(dòng)壓力等級(jí)下時(shí)，具有的能量不同，因此產(chǎn)生的切割或破碎 效果也不同。驅(qū)動(dòng)壓力越高，水流具有的能量越高，切割能力越強(qiáng)，可以切割或穿透更堅(jiān)硬 的材料；
2、適當(dāng)控制水射流的能量，使其可以穿透煤層而不能穿透煤層后的巖層，此時(shí)射流沖 擊煤層和巖層時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同的現(xiàn)象。水流打在相對(duì)松軟的煤層上時(shí)，煤層被擊穿，煤塊掉落 下來，與此同時(shí)，水流的巨大能量幾乎被吸收掉，所以擊中煤層后的水流速度迅速變小，另 外由于煤層破碎后呈不規(guī)則形狀并四處飛濺，水流沖擊煤層后方向散亂，不會(huì)集中向某一 個(gè)方向反射。而當(dāng)煤層被全部擊穿后，水射流開始沖擊到巖層上，由于水流的能量不足以擊 穿巖層(會(huì)對(duì)巖層造成沖蝕，然而是一個(gè)很慢的過程)，且?guī)r層相對(duì)煤層質(zhì)地致密平整，所以 水流沖擊到巖層后將以很大的速度被反射回來。假設(shè)射流作用于巖層表面，反射后速度大
小不變，為、〔由于巖層堅(jiān)硬致密，
這種近似假設(shè)是合理的)，且絕大部分以與入射方向完全相反的角度(即方向改變180度)反 射回來，反射回來的射流作用在入射射流上形成一個(gè)沖擊力，這個(gè)沖擊力最終作用在噴嘴
上。由動(dòng)量定理
F- Af = rw2 — n%、
式中，H為被反射回來的水流的初始速度，is為0， 為反射回來的水流受到的力。
由作用力等于反作用力原理可知，上式中廠值就等于反射回來的射流作用在噴嘴上的沖擊 力。上式又可簡化為r=-p- φ V1
式中，廣為噴嘴受到的沖擊力，方向與射流入射方向相反"力射流介質(zhì)水的密度W 為射流體積流量。射流打到巖層后，噴嘴開始逐漸感受到反射水流的沖擊力。噴嘴距離巖層越近，射 流在被反射前的速度損失越小，即沖擊巖層的速度就越大，被反射回來的速度H也就越大， 則由上式可知，反射回來的水流對(duì)噴嘴造成的沖擊力越大。本發(fā)明正是利用以上原理。由于煤層和巖石層的強(qiáng)度差別很明顯，因此容易找到 一個(gè)壓力范圍，在此范圍的某壓力下，水射流具有的能量可以切割穿透煤層，但不能切割穿 透巖石層。水射流噴嘴被安裝在滾筒附近，其頂端與滾筒截齒頂端基本在同一高度上，噴嘴 指向正上方或斜上方，詳細(xì)的安裝方法在具體實(shí)施方式
中介紹。水射流噴嘴隨采煤機(jī)搖臂 逐漸升高時(shí)，高壓水流不斷將其上部的煤層擊穿破碎。當(dāng)接近頂板巖石層時(shí)，水射流將頂板 巖石下的煤層完全穿透，水流開始沖擊到頂板巖石上。由于水射流的能量不足以穿透巖石， 根據(jù)理論基礎(chǔ)2的內(nèi)容，噴嘴受到向下的沖擊力會(huì)隨搖臂的升高而越來越大，壓力傳感器 或位移傳感器的敏感元件感受噴嘴所受到的反射流作用力，將信號(hào)實(shí)時(shí)傳送給識(shí)別系統(tǒng)的 控制器。由于工作過程中射流壓力調(diào)節(jié)裝置可使射流壓力恒定，噴嘴與巖層之間每一個(gè)確 定的距離都必在壓力傳感器上對(duì)應(yīng)一個(gè)基本確定的壓力值(同理，若采用位移傳感器，則是 對(duì)應(yīng)一個(gè)基本確定的位移值)。以壓力傳感器為例，假設(shè)開采過程要求保留χ厘米頂煤，則 當(dāng)噴嘴距離頂板巖石為χ厘米時(shí)，壓力傳感器必有一基本確定的壓力值y。當(dāng)控制器發(fā)現(xiàn)壓 力傳感器提供的壓力信號(hào)達(dá)到_7時(shí)，即表明此時(shí)水射流噴嘴也即滾筒頂端與頂板巖石僅有 χ厘米的距離，即發(fā)出命令，搖臂停止升高。綜上，本發(fā)明提供了一種煤巖界面識(shí)別方法、利用此方法實(shí)現(xiàn)搖臂調(diào)高自動(dòng)控制 的識(shí)別系統(tǒng)及識(shí)別探頭，可以使煤炭開采過程實(shí)現(xiàn)高采出率，低機(jī)械磨損，提高采煤過程的 自動(dòng)化程度，同時(shí)有效提高作業(yè)面的安全系數(shù)，改善作業(yè)面的環(huán)境。具體的，本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下特點(diǎn)
1、能以水作為探測介質(zhì)，相比Y射線法等方法，成本低廉、方便可靠、操作安全；
2、探測過程不會(huì)產(chǎn)生火花，無熱效應(yīng)，因此不受瓦斯?jié)舛鹊南拗疲山档秃头乐刮ｋU(xiǎn)事 故發(fā)生；
3、由于煤層圍巖的硬度普遍大于煤層，所以本發(fā)明所提供的方法、裝置和系統(tǒng)適用范 圍廣，可以不受煤巖層其他物理化學(xué)特性的影響；
4、保留頂煤的厚度可以根據(jù)不同礦井的具體情況調(diào)整，而且調(diào)整操作非常簡便；
5、探測過程不涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，可以充分保證探測結(jié)果與控制決策的實(shí)時(shí)性；
6、由于水為柔性介質(zhì)，其沖擊巖層時(shí)不會(huì)產(chǎn)生像機(jī)械機(jī)構(gòu)切割巖層時(shí)所產(chǎn)生的劇烈震 動(dòng)，同時(shí)也有效降低截齒切割巖層的劇烈震動(dòng)可能引發(fā)塌方等事故的潛在危險(xiǎn)；
7、水射流同時(shí)具有冷卻降溫、清潔除塵的作用，可延長截齒的使用壽命，有效改善作業(yè) 面的環(huán)境。


圖1是煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是煤巖界面識(shí)別探頭的分解圖。圖3是煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)在采煤機(jī)上的安裝結(jié)構(gòu)局部示意圖。圖4是煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)在雙滾筒采煤機(jī)上完整的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是采煤機(jī)搖臂自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)軟件流程圖。圖中的附圖標(biāo)號(hào)分別表示如下1、煤巖界面識(shí)別探頭，2、高壓輸水管，3、高壓水發(fā) 生設(shè)備，4、壓力傳感器或位移傳感器的轉(zhuǎn)換元件，5、控制器，6、噴嘴，7、噴嘴凸出環(huán)，8、壓力 傳感器或位移傳感器的敏感元件，9、敏感元件輸出信號(hào)線，10、安裝座，11、噴嘴尾部的固定 卡環(huán)，12 14、平行四連桿機(jī)構(gòu)的桿件，15、起鎖定桿件14作用的可松緊部件，16、右側(cè)煤巖 界面識(shí)別系統(tǒng)的高壓水閥門，17、左側(cè)煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)的高壓水閥門，100、滾筒，101、滾筒 截齒，102、搖臂，103、搖臂升降液壓缸，104、采煤機(jī)機(jī)身，200、頂部煤層，300、頂板巖石層。
具體實(shí)施例方式1、水射流驅(qū)動(dòng)壓力和噴嘴的選擇。水射流的水力參數(shù)主要包括射流驅(qū)動(dòng)壓力、流量或噴嘴直徑、功率。其中，對(duì)于任 何水射流系統(tǒng)來說，合理選擇一個(gè)驅(qū)動(dòng)壓力等級(jí)是個(gè)關(guān)鍵性問題。根據(jù)水射流的相關(guān)文獻(xiàn)， 一些常用的壓力等級(jí)如下表所示。常用的水射流壓力等級(jí)
由此可見，選取一個(gè)可以切割穿透煤層而不能切割巖層的驅(qū)動(dòng)壓力是不難的，當(dāng)然還 要結(jié)合噴嘴的參數(shù)。根據(jù)礦井的圍巖情況不同，可以設(shè)定不同的驅(qū)動(dòng)壓力值。根據(jù)水射流的相關(guān)文獻(xiàn)，這里不加推導(dǎo)的給出如下表達(dá)式
式中，H為射流流速，m/s ψ為射流壓力，MPa ;gf為射流體積流量，L/min ；i/為噴嘴出 口直徑，mm f為射流功率，W?？梢?，射流功率是噴嘴直徑和驅(qū)動(dòng)壓力的函數(shù)，且射流功率對(duì)噴嘴直徑的變化比 對(duì)壓力大的變化敏感的多。因此需要根據(jù)具體的煤巖層情況，通過試驗(yàn)，綜合選擇驅(qū)動(dòng)壓力 和噴嘴直徑，以達(dá)到水射流可以穿透煤層而不能穿透煤層后的巖石層，同時(shí)能量效率較高， 沖擊力變化容易測取的效果。在允許的范圍內(nèi)，盡量使噴嘴直徑較大，這樣沖擊力的變化更 容易測取。2、煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成與識(shí)別過程。
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煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)設(shè)有識(shí)別探頭1、控制器5 ；所述識(shí)別探頭設(shè)有指向上方的射流 噴嘴，所述射流噴嘴處在滾筒附近或滾筒中并可與滾筒同步升降，所述識(shí)別探頭設(shè)有壓力 傳感器或位移傳感器的敏感元件，用來感知射流被煤層后的巖石層所反射的反射流對(duì)所述 噴嘴的作用力或感知因該作用力而使噴嘴后退位移的距離，經(jīng)傳感器的轉(zhuǎn)換元件處理后實(shí) 時(shí)將信號(hào)傳送給控制器；所述控制器根據(jù)所述壓力傳感器或位移傳感器的與反射流作用力 值對(duì)應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)比較，控制采煤機(jī)搖臂驅(qū)動(dòng)裝置工作，所述識(shí)別系統(tǒng)還設(shè)有射流壓力的調(diào) 節(jié)裝置。如圖1所示，附圖標(biāo)號(hào)1為煤巖界面識(shí)別探頭，附圖標(biāo)號(hào)2為高壓輸水管，附圖標(biāo) 號(hào)3為高壓水發(fā)生設(shè)備，附圖標(biāo)號(hào)4為壓力傳感器或位移傳感器的轉(zhuǎn)換元件，附圖標(biāo)號(hào)5為 控制器。其中，高壓水發(fā)生設(shè)備3含有射流壓力的調(diào)節(jié)裝置，具有射流壓力調(diào)節(jié)的功能。圖2是煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別探頭1的分解圖。如圖2所示，噴嘴6通過垂直于噴 射方向的噴嘴凸出環(huán)7卡在壓力傳感器或位移傳感器的敏感元件8上，敏感元件8通過敏 感元件輸出信號(hào)線9與轉(zhuǎn)換元件4連接。敏感元件8呈墊圈狀，置于噴嘴的安裝座10上。 噴嘴6依次穿過敏感元件8與安裝座10后，通過噴嘴尾部的固定卡環(huán)11固定在安裝座10 上。安裝座10固定在桿件12上。如圖3所示，煤巖界面識(shí)別探頭1通過一個(gè)保持方向的機(jī)構(gòu)安裝在滾筒100附近， 使識(shí)別探頭1中的噴嘴6始終能指向所需噴射的方向，該方向一般為正上方或與正上方有 一定偏角的斜上方，只要采煤機(jī)的滾筒在接近被其采掘的煤層后的煤巖界面時(shí)，反射流的 作用力能作用于噴嘴或與噴嘴相連的部件即可。保持方向的機(jī)構(gòu)在下一小節(jié)介紹。噴嘴 6頂端與滾筒截齒101頂端基本在同一高度上。水射流噴嘴6隨采煤機(jī)滾筒100逐漸升高 時(shí)，高壓水流不斷將其上部的煤層擊穿破碎。當(dāng)接近頂板巖石層300時(shí)，水射流將頂板巖石 下的頂部煤層200完全穿透，水流開始沖擊到頂板巖石層300上。由于水射流的能量不足 以穿透巖石，根據(jù)理論基礎(chǔ)2的內(nèi)容，噴嘴受到向下的沖擊力會(huì)隨搖臂102的升高而越來越 大。噴嘴6受到的力通過其上的凸出環(huán)7傳遞給壓力傳感器或位移傳感器的敏感元件8，然 后通過轉(zhuǎn)換元件4實(shí)時(shí)傳送給控制器5。由于工作過程中水射流增壓裝置的壓力恒定，噴嘴 與巖層之間每一個(gè)確定的距離都必在壓力傳感器上對(duì)應(yīng)一個(gè)基本確定的壓力值(同理，若 采用位移傳感器，則是對(duì)應(yīng)一個(gè)基本確定的位移值)。以壓力傳感器為例，假設(shè)開采過程要 求保留χ厘米頂煤保留厚度，則當(dāng)噴嘴頂端距離頂板巖石為χ厘米時(shí)，壓力傳感器必有一基 本確定的壓力值_7。當(dāng)控制器發(fā)現(xiàn)壓力傳感器提供的壓力信號(hào)達(dá)到時(shí)，即表明此時(shí)水射流 噴嘴也即滾筒頂端與頂板巖石僅有χ厘米的距離，即發(fā)出命令，搖臂102停止升高。顯然，如果噴嘴頂端略低于滾筒截齒101頂端而存在高度差ζ厘米，則壓力值_7應(yīng)
以噴嘴頂端距離頂板巖石為(x+z)厘米時(shí)的壓力傳感器測量值為準(zhǔn)。
3、保持方向的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 參照圖1、2、3。搖臂102是以采煤機(jī)上的固定支點(diǎn)為圓心，在液壓缸103的伸縮作 用下做弧線運(yùn)動(dòng)完成升降動(dòng)作的。因此，如果將煤巖界面識(shí)別探頭1及其噴嘴6固定安裝 在搖臂頂部，則當(dāng)搖臂升降時(shí)，水射流噴嘴方向?qū)⒉荒苁冀K指向上方的巷道頂部，而是隨搖 臂做弧線運(yùn)動(dòng)，使得識(shí)別系統(tǒng)不能正常工作。因此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)，當(dāng)搖臂做弧線升降 動(dòng)作時(shí)，裝在其上面的煤巖界面識(shí)別探頭1及其噴嘴6能夠始終指向上方或具有某一偏角 的斜上方，以保證系統(tǒng)正常工作。
本發(fā)明利用平行鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一功能。平行鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)是鉸鏈四連 桿機(jī)構(gòu)的一種特殊形式，對(duì)邊兩兩平行。如圖3所示，桿件12、13、14與搖臂102共同構(gòu)成 平行鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)。圖3中的搖臂102是直的，實(shí)際的采煤機(jī)搖臂由于考慮到應(yīng)力分布 的合理性等因素可能不是直的，通過令桿件13與搖臂102兩端鉸接點(diǎn)的連線平行，即令桿 件12和14長度相等，則桿件12、13、14與搖臂102仍然構(gòu)成平行鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)。其中桿 件14通過可松緊部件15進(jìn)行固定，在采煤機(jī)工作時(shí)桿件14的位置與方向均固定不變，不 能轉(zhuǎn)動(dòng)；停機(jī)時(shí)可以將可松緊部件15松開，調(diào)整桿件14的角度然后鎖死，以適應(yīng)斜煤層開 采時(shí)煤層的不同斜角。作為平行鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)其中一桿的搖臂102在液壓缸103的作用 下做弧線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)搖臂升降時(shí)，根據(jù)平行鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的原理，桿件12始終與桿件14保 持平行；噴嘴6的安裝座10固定在桿件12上(如圖2所示)，這樣就保證了水射流噴嘴6始 終指向正上方或與正上方呈一定所需偏角的斜上方，使得系統(tǒng)可以適應(yīng)斜煤層開采等各種 工況，獲得理想的工作狀態(tài)。4、識(shí)別系統(tǒng)在雙滾筒采煤機(jī)上的安裝。目前綜合機(jī)械化采煤普遍采用的是雙滾筒采煤機(jī)，這一節(jié)敘述煤巖界面識(shí)別系統(tǒng) 在雙滾筒采煤機(jī)上的安裝問題。由于雙滾筒采煤機(jī)作業(yè)時(shí)通常是前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤。一般而言，只需前 滾筒的一套煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)處于工作狀態(tài)即可，所以兩套煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)可以共用一 組高壓水發(fā)生設(shè)備3，如圖4所示。采煤機(jī)向右行進(jìn)時(shí)，右側(cè)滾筒作為前滾筒實(shí)施割頂煤，左 側(cè)滾筒作為后滾筒實(shí)施割底煤，所以閥門16打開，閥門17關(guān)閉，右側(cè)煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)工 作。當(dāng)采煤機(jī)右行至巷道末端而準(zhǔn)備折返時(shí)，左側(cè)滾筒升高作為前滾筒實(shí)施割頂煤，右側(cè)滾 筒降低作為后滾筒實(shí)施割底煤，此時(shí)先打開閥門17，然后關(guān)閉閥門16，右側(cè)煤巖界面識(shí)別 系統(tǒng)停止工作，左側(cè)煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)啟動(dòng)。當(dāng)采煤機(jī)左行至巷道末端而準(zhǔn)備折返時(shí)，重復(fù) 上述左右識(shí)別系統(tǒng)的切換操作。切換左右識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，兩側(cè)閥門16與17不可同時(shí)關(guān)閉，以 免對(duì)高壓水發(fā)生設(shè)備造成巨大沖擊。此處的兩個(gè)閥門16與17也可用一個(gè)三通閥替代，實(shí) 現(xiàn)類似的打開閥門與關(guān)閉閥門操作。5、水的回收利用與節(jié)水方案。在坡度較小、較平坦的作業(yè)面上，水射流長時(shí)間噴射會(huì)造成水的淤積，尤其是噴射 流量較大的情況下。粘土質(zhì)礦層受到水的浸泡后可能引發(fā)一系列的問題，美國就曾發(fā)生過 兩起水采礦井因水淤積造成塌方的礦難事故。另外，由于作業(yè)過程中水射流長時(shí)間的噴射 將會(huì)消耗不少水資源。所以從安全和節(jié)約兩個(gè)角度考慮，可以對(duì)噴射水做適當(dāng)?shù)幕厥仗幚?并循環(huán)使用。回收方案比較簡單，當(dāng)作業(yè)面出現(xiàn)積水情況后，用專用的泵將其抽走，經(jīng)過沉 降和多級(jí)過濾后可以作為識(shí)別系統(tǒng)的水源被再次利用。這樣既保證了安全又節(jié)約了資源。另外一項(xiàng)可選的節(jié)水方案是，噴嘴只在采煤機(jī)搖臂上升同時(shí)滾筒截齒快接近頂板 巖石層時(shí)才噴射高壓水流，而在其他時(shí)刻(如在采煤機(jī)搖臂下降過程中或滾筒截齒遠(yuǎn)離頂 板巖石層時(shí))停止噴射高壓水流。6、采煤機(jī)搖臂自動(dòng)調(diào)高控制。基于上述的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂自動(dòng)調(diào)高控制。實(shí)施方案涉 及的硬件設(shè)備有上述的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)和負(fù)責(zé)搖臂升降的液壓系統(tǒng)。實(shí)施方案的基本思想是煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)噴射水射流，搖臂上升過程中，當(dāng)滾筒與頂板巖層距離達(dá)到設(shè)定的保留厚度時(shí)，控制器會(huì)立刻監(jiān)測到并向液壓系統(tǒng)發(fā)出命令，搖 臂即開始下降，當(dāng)搖臂下降到最低位置后，液壓系統(tǒng)開始將搖臂向上升，進(jìn)入下一循環(huán)?？?制器的決策控制過程由軟件實(shí)現(xiàn)。在某個(gè)巷道開采之前，首先確定該巷道的圍巖類型及硬度，可以通過現(xiàn)場試驗(yàn)的 方法，確定一組可以穿透煤層而不能穿透巖石層的水射流壓力等級(jí)并選擇合適的噴嘴。然 后，根據(jù)需要保留頂煤的厚度，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)確定壓力傳感器(或位移傳感器)的閾值。即當(dāng)噴嘴 與巖層距離剛好達(dá)到保留厚度時(shí)，記錄此時(shí)傳感器的輸出值，并將該值寫入控制器的決策 控制軟件中。噴嘴頂端如果略低于滾筒截齒101頂端而存在高度差，則頂煤保留厚度的參 數(shù)應(yīng)增加上述高度差給予補(bǔ)償?？刂破?的決策控制軟件流程圖如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初 始化，然后啟動(dòng)高壓水發(fā)生設(shè)備3，識(shí)別系統(tǒng)開始噴射水射流，控制器5隨即開始讀入壓力 傳感器(或位移傳感器)的數(shù)據(jù)。當(dāng)滾筒與巖層的距離達(dá)到頂煤保留厚度時(shí)，即傳感器的數(shù) 據(jù)達(dá)到閾值時(shí)，控制器立刻向液壓系統(tǒng)發(fā)出命令，液壓缸103收縮，搖臂102開始下降。搖 臂下降至最低位置之后開始上升，進(jìn)入下一循環(huán)。上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本發(fā)明，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，而不是 對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改、 等同替換、改進(jìn)等，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
煤巖界面識(shí)別方法，其特征在于所述方法在采煤機(jī)的滾筒附近或滾筒中提供射流，所述射流向上方的煤層噴射，所述射流具有的能量可以切割穿透所述煤層而不能穿透煤層后的巖石層，所述射流的噴嘴與滾筒同步升高；所述射流的介質(zhì)可以是水或以水為主體；獲得射流被所述巖石層反射的反射流對(duì)噴嘴的作用力值，并實(shí)時(shí)傳送給控制裝置，根據(jù)該作用力的大小測算滾筒是否已接近煤巖界面，如已接近煤巖界面，則控制采煤機(jī)搖臂下降。
2.如權(quán)利要求1所述的煤巖界面識(shí)別方法，其特征在于它利用反射流對(duì)噴嘴的作用力 能使噴嘴有向后退縮的趨勢或向后位移，采用壓力傳感器或位移傳感器進(jìn)行感知以獲得所 述作用力值。
3.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于它設(shè)有識(shí)別探頭、控制 器；所述識(shí)別探頭設(shè)有指向上方的射流噴嘴，所述射流噴嘴處在滾筒附近或滾筒中并可與 滾筒同步升降，所述識(shí)別探頭設(shè)有壓力傳感器或位移傳感器的敏感元件，用來感知射流被 煤層后的巖石層所反射的反射流對(duì)所述噴嘴的作用力或感知因該作用力而使噴嘴后退位 移的距離，并實(shí)時(shí)將信號(hào)傳送給控制器；所述控制器根據(jù)所述壓力傳感器或位移傳感器的 與反射流作用力值對(duì)應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)比較，控制采煤機(jī)搖臂驅(qū)動(dòng)裝置工作，所述識(shí)別系統(tǒng)還設(shè) 有射流壓力的調(diào)節(jié)裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述識(shí)別探頭設(shè)置在采煤機(jī)搖 臂上。
5.如權(quán)利要求4所述的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于它在采煤機(jī)搖臂上提供平行鉸 鏈四連桿，所述四連桿的其中一桿為固定桿，安裝所述噴嘴所需要的安裝座固定在與所述 固定桿處于對(duì)邊位置的桿上，所述搖臂為上述兩桿之外的四連桿中的另一桿。
6.如權(quán)利要求3、4或5所述的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述噴嘴卡在壓力傳感 器或位移傳感器的敏感元件上。
7.如權(quán)利要求6所述的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述敏感元件呈墊圈狀，所述 敏感元件放在噴嘴的安裝座上，所述噴嘴具有垂直于噴射方向的凸出環(huán)，所述噴嘴穿過所 述敏感元件插入安裝座，所述凸出環(huán)卡在所述墊圈狀敏感元件上。
8.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的煤巖界面識(shí)別探頭，其特征在于它設(shè)有射流噴嘴，所述 識(shí)別探頭還設(shè)有壓力傳感器或位移傳感器的敏感元件，用來感知射流被煤層后的巖石層所 反射的反射流對(duì)所述噴嘴的作用力或感知因該作用力而使噴嘴后退位移的距離。
9.如權(quán)利要求8所述的煤巖界面識(shí)別探頭，其特征在于所述噴嘴卡在壓力傳感器或位 移傳感器的敏感元件上。
10.如權(quán)利要求9所述的煤巖界面識(shí)別探頭，其特征在于所述敏感元件呈墊圈狀，所述 敏感元件放在噴嘴的安裝座上，所述噴嘴具有垂直于噴射方向的凸出環(huán)，所述噴嘴穿過所 述敏感元件插入安裝座，所述凸出環(huán)卡在所述墊圈狀敏感元件上。
全文摘要
在煤礦井下開采過程中，既需要努力提高煤炭采出率，又必須盡可能避免采煤機(jī)滾筒截齒切割到頂板巖層而損壞設(shè)備甚至引發(fā)事故，因此需要在線識(shí)別煤層與巖層的分界面。本發(fā)明提供了一種煤巖界面識(shí)別方法、識(shí)別系統(tǒng)及識(shí)別探頭，通過將能夠穿透煤層而不能穿透巖層的特定能級(jí)的高壓水射流向巷道上方的煤層噴射，并實(shí)時(shí)感知被煤層或巖層反射的反射流對(duì)噴嘴形成的不同作用力，控制器據(jù)此判斷采煤機(jī)滾筒截齒上端與煤巖界面的距離，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂自動(dòng)調(diào)高控制，使煤炭開采過程實(shí)現(xiàn)高采出率、低機(jī)械磨損率、自動(dòng)化作業(yè)等目標(biāo)。本發(fā)明提出的煤巖界面識(shí)別方法、識(shí)別系統(tǒng)及識(shí)別探頭，具有低成本、高適應(yīng)性、高可靠性、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)E21C35/08GK101922290SQ201010251520
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者盧建剛, 孫優(yōu)賢, 鄭劍鋒 申請人:浙江大學(xué)