張強教授：煤礦智能化開采煤巖識別技術綜述
時間：2022-03-25 來源：科大科技摘要
加快煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的智能化發(fā)展是當前環(huán)境下保證煤炭穩(wěn)定供給的重心，而煤巖識別是實現(xiàn)煤礦智能化建設，提高煤層探測、智能開采、快速分選精度和效率的關鍵技術，因此，開展了煤巖高效識別技術方法的綜述研究。首先根據(jù)使用工況不同，將煤巖識別統(tǒng)籌為接觸式識別與非接觸式識別，根據(jù)技術類別將現(xiàn)有識別技術歸類為過程信號監(jiān)測、紅外熱成像、圖像特征、反射光譜、超聲波探測、電磁波探測，從識別機理和技術原理方面進行了詳細的介紹，并列舉了典型特征下的煤巖差異。其次綜合闡述了各種識別技術的研究現(xiàn)狀，總結出工程實際中的煤巖識別技術應用現(xiàn)狀；從理論技術研究、工況環(huán)境影響、煤巖特征3方面建立了不同識別技術的局限度評價表，超聲波、電磁波探測技術局限度最低，紅外成像識別技術局限度最高，其中工況環(huán)境對紅外成像識別局限最明顯，煤巖特征對反射光譜識別和過程信號監(jiān)測識別局限最明顯?；谏鲜鼍窒薅?，對未來煤巖識別的研究重點提出4點建議：煤巖特征信息的深層挖掘，復雜多變環(huán)境的影響機理研究，物理屬性相近的煤巖識別新方法，綜合地質條件的煤巖識別方法適用性研究，為我國煤巖識別技術發(fā)展、煤礦智能化建設提供理論指導。
研究背景
能源是關系國家經(jīng)濟社會全局發(fā)展的重要問題，保證能源長期穩(wěn)定供給對于維護國家穩(wěn)定發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義；相比石油、天然氣等化石能源產(chǎn)量，我國煤炭資源年產(chǎn)量占據(jù)世界煤炭總產(chǎn)量50％以上，根據(jù)相關研究，預計2030-2050年，煤炭占我國一次能源消費比重仍將保持在50％以上。此外，應對煤炭價格上漲出現(xiàn)的“限電”現(xiàn)象，國家發(fā)改委明確指出：堅持“限電不拉閘”，在確保安全的前提下全力增產(chǎn)增供煤炭，讓電力價格合理反映電力供需和成本變化。
保障煤炭供應以提高工作面的開采效率和后期煤巖矸的分選效率為主；綜采工作面中，煤巖突變導致開采難度增加，截齒磨損加劇導致采掘機械的故障率提高，同時也提高了巖石占比，增加了后續(xù)分選的工作量，降低了煤炭生產(chǎn)效率；在綜放工作面中，巖石強度高、密度大，巖石長期的垮落沖擊極易對支架造成損傷，既增加了后續(xù)的分選難度又造成了巷道安全隱患，此外開采深度的不斷增加為煤炭高效生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)，因此國家提倡無人化/智能化開采達到高產(chǎn)、高效、安全目標，進而保障煤炭的供給。實現(xiàn)智能化開采，首先要解決煤巖識別的難題，這也是國家能源科技“十二五”規(guī)劃中提出的重點待解決問題，無論在綜采工作面還是綜放工作面，煤巖識別技術都是制約煤炭智能開采的關鍵難題；在后期的分選中，巖石占比增加，致使分選工藝流程繁瑣、耗時長，甚至污染環(huán)境，對工作人員身體造成危害，即制約了分選效率同時也不符合我國綠色礦山的發(fā)展理念，因此安全、高效的煤巖識別技術對于提高煤炭產(chǎn)出率與質量至關重要。
因此，破解煤巖識別技術難題是礦山智能化發(fā)展的必經(jīng)之路，也是目前亟須解決的問題。自20世紀60年代起，英、美、澳、德、俄、中等產(chǎn)煤大國便開始了煤巖識別技術的研究，至此已經(jīng)提出了近20多種方法，但在工程實際中的應用甚少；造成這種現(xiàn)象主要是由于：① 煤礦地質條件、煤巖種類呈復雜多樣化，煤巖識別技術通用性差；② 開采過程受力復雜，傳感器易受損，可靠性差；③ 識別效果受井下環(huán)境影響因素影響，識別誤差大。故針對復雜多變的地質條件進行高效的煤巖識別方法研究是當前煤炭行業(yè)的重要科學導向。
筆者針對國內外煤巖識別方法的研究現(xiàn)狀進行分析，對現(xiàn)有技術進行分類，闡述各方法的技術原理；綜述各種識別方法的研究現(xiàn)狀，并分析其識別精度與局限性，結合煤巖識別工程應用現(xiàn)狀分析現(xiàn)有技術的缺陷型，提出煤巖識別智能化的未來發(fā)展趨勢，為未來煤巖識別的研究導向和工作重心提供理論參考。
內容概要
１ 煤巖高效識別技術分類與原理
1.1 過程信號監(jiān)測識別
１）振動信號
表1 煤和巖石硬度比較
圖2 截割巖的振動時域、頻域
２）聲發(fā)射信號。
圖3 截割煤的聲發(fā)射信號時域、頻域
圖4 截割巖的聲發(fā)射信號時域、頻域
３）電流信號
圖5 截割煤的截割電機A相電流信號
圖6 截割巖石的截割電機A相電流信號
４）截割力學信號。
圖7 截割煤的惰輪軸應變
圖8 截割巖石的惰輪軸應變
圖9 多源信息融合的識別模型
1.2 紅外熱成像識別
１）主動紅外激勵識別
圖10 煤、巖試件主動紅外激勵圖像
２）截割閃溫識別。
圖11 截割煤的紅外熱像
圖12 截割巖石的紅外熱像
1.3 圖像特征識別
圖13 煤塊局部紋理特征
圖14 巖石局部紋理特征
表2 煤、巖石參數(shù)方差
1.4 反射光譜識別
圖15 煤巖原始光譜曲線特征波段對比
1.5 超聲波探測識別
超聲波是一種波長極短的機械波，在空氣中波長一般短于2cm，且必須依靠介質傳播，超聲波在煤質內傳播時，存在反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，遇到密度不同的介質，穿透率、折射等均會發(fā)生相應的變化。
1.6 電磁波探測識別
圖16 煤巖界面模型
2 煤巖高效識別技術理論與試驗研究現(xiàn)狀
2.1 過程信號監(jiān)測識別
１）振動信號。
３）電流信號。
文獻中首次提到了電流監(jiān)測的煤巖識別方法，而目前國內對于采用電流進行煤巖識別的研究較少。
４）截割力學信號。
圖20 小波變化與神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的煤巖識別框架
表3 不同截割介質惰輪軸受力
圖21 多層傳感器信息融合復合結構
５）多傳感信息融合識別。
筆者團隊最早將多源信息融合用在煤巖中，采用支持向量機、D-S證據(jù)理論、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡、BP神經(jīng)網(wǎng)絡等多種融合算法，提取了振動、聲發(fā)射、電流、溫度等信號進行決策融合識別，結果表明多信息融合識別精度明顯高于單一信號識別精度，能夠有效識別截割過程煤巖界面。
2.2 紅外熱成像識別
１）主動紅外激勵識別。
圖22 紅外熱成像煤巖識別試驗臺
圖23 煤巖界面分布模擬還原圖與真實分布
２）截割閃溫識別。
圖24 截割煤、巖試件的截齒溫度－頻率曲線
表4 不同硬度煤、巖截齒閃溫峰值
圖25 煤巖識別界面誤差
2.3 圖像特征識別
圖26 煤巖識別結果
圖27基于曲波變換的煤巖識別方法
圖28 采煤機煤巖截割試驗
圖29 煤巖界面預測框
2.4 反射光譜識別
反射光譜是一種針對原位物質且具有高信噪比、實時性強的分析技術，最早在20世紀初被用于探測物質微觀結構，而后由美國貝爾實驗室率先研發(fā)了光電耦合原件（CCD），為光譜儀的研發(fā)提供了基礎，現(xiàn)如今光譜儀已趨于成熟，在植被識別反演、水環(huán)境監(jiān)測、煤炭礦物分析等行業(yè)均有應用，反射光譜在礦物的檢測中，國外一些學者進行了系列研究，國內進行此類研究甚少，以中國礦業(yè)大學（北京）葛世榮院士團隊為主，此外安徽理工大學與西安科技大學也進行了類似的研究。
2.5 超聲波探測識別
表５ 超聲波探測煤層厚結果對比
圖30 各類煤超聲相控成像
2.6 電磁波探測識別
2.6.1 γ 射線探測法
主動γ 射線探測最早于1961 年由英國提出，但相關監(jiān)測設備直至1973年才完成，早期的代表性研發(fā)機構：英國RHC公司的RHC802型探測儀和每個AME公司的AME1008型探測儀；我國從自20世紀80年代初期開展關于γ 射的煤巖識別研究，目前已形成了較為系統(tǒng)的理論研究體系。
2.6.2 雷達探測法
圖31 雷達測量煤層厚度原理
2.6.3 太赫茲信號
太赫茲時域光譜檢測最早起源于20世紀80年代，用于對測試樣品成分檢測，目前太赫茲關光譜技術應用已經(jīng)較為成熟，尤其在食品安全、藥物監(jiān)管、油品檢測中研究較多。
2.6.4 電子共振法
電磁共振檢測方法主要分為電子順磁共振（EPR）和電子自旋共振（ESR），由于每層中包含為配對的電子，當電子繞某一軸自轉便會產(chǎn)生磁矩，在線圈周圍形成磁場，在特定條件下電子磁矩會發(fā)生重新轉向。
3 煤巖識別技術工程應用現(xiàn)狀
由上述分析可知，對于煤巖識別的研究，國內諸多學者進行了類似研究，也提出了許多方法，但是由于煤礦地質條件與復雜工況的限制，一些新興技術方法無法應用到煤礦。
4 煤巖高效識別技術局限性與發(fā)展趨勢
4.1 各種識別技術的局限性分析
１）過程信號監(jiān)測。
２）紅外成像識別。
３）圖像特征識別。
４）反射光譜識別。
５）超聲波探測識別。
６）電磁波探測識別。
表6 工作面開采煤巖識別技術局限度
表7 煤巖分選中識別技術局限度
4.2 煤巖識別未來研究發(fā)展趨勢
１）煤巖特征信息的深層挖掘。
２）復雜多變環(huán)境的影響機理研究。
３）物理屬性相近的煤巖識別新方法。
４）綜合地質條件的煤巖識別方法適用性研究。
結論
１）根據(jù)使用工況、技術原理不同將煤巖識別技術歸類為過程信號監(jiān)測、紅外熱成像、圖像特征、反射光譜、超聲波探測、電磁波探測6種，并列舉了典型特征下的煤巖差異，證明了不同煤巖識別技術的可行性。
２）綜合闡述了各類識別技術的研究現(xiàn)狀，介紹了煤礦現(xiàn)有煤巖識別技術工程應用現(xiàn)狀；分析了各類技術的局限性，從理論技術、工況環(huán)境、煤巖特征角度建立了各類技術的局限性評價體系，其中超聲波探測與電磁波探測的局限度最低，紅外識別受工況環(huán)境的影響局限性較強，對于煤巖特征較大的工況，過程信號監(jiān)測可根據(jù)煤巖特征差異作為輔助信號指導工程實際開采，具有較好的實際價值。
３）綜合考慮各類識別技術的局限性，對未來煤巖識別的研究重心提出4點建議：煤巖特征信息的深層挖掘，復雜多變環(huán)境的影響機理研究，物理屬性相近的煤巖識別新方法，綜合地質條件的煤巖識別方法適用性研究。
