自燃y涉嫌穿透煤层及支架顶梁衰减规律.pdf

第 25卷第6期 辽宁工程技术大学学报 2006年12月 Vol.25 No.6 Journal of Liaoning Technical University Dec. 2006 收稿日期2004-12-25 基金项目国家自然科学基金资助项目（50274049） 作者简介王增才（1964-） ，男，山东 滨洲人， 教授，博士，主要从事采煤机和液压支架自动控制及监测方法研究。本文编校于永江 文章编号1008-0562200606-0804-04 自然 γ 射线穿透煤层及支架顶梁衰减规律 王增才 1，富 强2 1.山东大学 机械工程学院，山东 济南 250061；2.煤炭科学研究总院 北京开采所，北京 100013 摘 要为了对采煤机摇臂自动调高及放顶煤开采放煤过程矸石进行控制，其关键技术是煤岩界面识别，利用自然 γ 射线的煤岩界 面识别方法是比较有效的，根据中国煤矿顶板岩层自然 γ 射线辐射状况，建立了煤矿顶板中自然 γ 射线穿透煤层的数学模型,推导了采 煤工作面的顶板岩石自然 γ 射线穿透煤层及支架钢板的衰减规律公式。并在实验室做了大量模拟顶板岩石中的自然 γ 射线穿透煤层的 衰减规律试验，得到了自然 γ 射线穿透 0225 mm 煤厚的衰减曲线。研究表明在 0225 mm 煤厚范围内，理论计算和实验得出的衰减 规律是一致的。此结果为煤皮厚度测量仪的设计提供了理论依据。为采煤机滚筒摇臂调高奠定了重要基础。 关键词煤岩分界；自然 γ 射线；放射性；衰减；煤层 中图分类号TD 15; TB 98 文献标识码A Attenuation of natural Γ ray passing throughcoal seam and hydraulic support WANG Zeng-cai 1，，FU Qiang2 1.Mechanical Engineering Department, Shandong University ,Jinan 250061, China; 2.Beijing Mining Research Institute of CCRI, Beijing 100013, China AbstractThe automatic vertical steering of shearer and the detection for rock content in coal rock mixture in top coal caving is one of the difficult problems with its key technique of coal-rock interface detection in China, while it is considered to be effective to use natural γ-ray to detect the interface. The paper puts forward a mathematics model and the attenuation ula for natural γ-ray passing through coal seam and the back-beam of hydraulic support based on the study of the radioactivity of natural γ-ray in different seam roofs in China. Combined with lots of experiments in lab, the attenuation curve is obtained of natural γ-ray passing through 0255mm thick coal body. Research indicates that the result of theoretical calculation and that of lab experiments are identical in the range of 0255mm thickness, which provides a theoretical basis for the design of the measuring instrument of coal thickness and lays a foundation for the vertical steering of shearer. Key wordscoal-rock detection；naturalγ-ray；radioactivity；attenuation；coal seam 0 引 言 采煤机摇臂自动调高及放顶煤开采放煤过程 矸石控制是目前国内尚未解决的一大难题，其关键 技术是煤岩界面识别，从国内外研究采煤机摇臂自 动调高及放顶煤开采放煤过程矸石控制的资料[1-3] 来看，虽然煤岩界面识别有多种方法。但在这些方 法中，利用自然 γ 射线的煤岩界面识别方法是比较 有效的。应用此方法的关键是掌握顶板岩石自然 γ 射线穿过煤层及顶梁的衰减规律。 1 岩石中 γ 射线穿过煤皮衰减的规律 在采煤工作面上， 当采煤机采过后， 留有煤皮， 顶板岩石中自然 γ 射线辐射穿过煤皮。由于综合采 煤工作面上有液压支架顶梁作掩护，顶板岩石中自 然 γ 射线穿过液压支架顶梁使其辐射强度受到影 响， 因此， 采煤工作面上射线的衰减情况比较复杂。 图 1 是采煤工作面上射线的辐射示意图。设顶 底板岩石 ABCD 的厚度为 l，岩石中的放射性物质 （主要是铀、钍和钾）是均匀的。在岩石的下面具 有厚度为 h 的煤层。测量仪器放在 P 点。由于 γ 射 第 6 期 王增才等自然 γ 射线穿透煤层及支架顶梁衰减规律 805 线在空气中的衰减很弱，所以忽略 γ 射线在煤皮以 下的空气的衰减。岩石中放射性物质质量浓度用 qC/g 来表示， 放射性物质 γ 射线在岩石本身中的衰 减系数用 k 表示， 而在煤层中的衰减系数用 表示。 液压支架顶梁厚度为 h0。液压支架顶梁钢板对射线 的衰减系数用 e来表示。 图 1 顶板自然γ射线穿过煤层和液压支架顶梁的辐射情况 Fig.1 schematic diagram of rock radiation through coal seam and hydraulic roof supports 在岩石中取一无穷小体积 dV（平行六面体 bcdeilmn）,该体积发出的射线通过岩石的厚度为 bfr-r2，通过煤层的厚度为 fgr2-r1hsecΨ，通过液 压支架顶梁钢板的厚度为 g0gh0secΨ0。 当射线穿过岩石和煤皮时，体积元 dV 在 P 点 所产生的辐射强度[4]等于 221 2 d de.e k r rrr qV JK r ρ −−−− ′ （1） 式中，K ‘为比例系数。 当射线穿过岩石、煤皮和支架顶梁钢板时，体 元 dV 在 P 点所产生的辐射强度等于 14221 2 d de.ee e rrk r rrr qV JK r ρ −−−−−− ′（2） 从图 1 中上可以看出 dVr2sinψdψdφdr 由于液压支架顶梁钢板对自然 γ 射线的衰减， 针对图 1 的情况，P 点的辐射强度 Jh的表达式如下 JhJ-JpJe （3） 该式的物理意义为自然 γ 射线穿过煤皮和支 架顶梁钢板后在P点的辐射强度Jh的求取分解成两 部分，一部分为射线穿过未被支架顶梁覆盖的煤皮 的辐射强度 J-Jp，另一部分为射线穿过被支架顶梁 覆盖的煤皮和支架顶梁的辐射强度 Je. 式中，J 为无液压支架情况下岩石自然 γ 射线 穿过煤皮在 P 点的辐射强度，由文献[5]得 { [] ]sec[cos seccos{ π2 }seccos seccos π2 00 00 00 00 ϕϕ ψψ ρ ψψ ψψ ρ klhΦklhΦ hΦhΦ k qK klhΦklhΦ hΦhΦ k qK J −− ′ − − ′ （4） Jp为液压支架顶梁上部岩石中自然 γ 射线穿 过煤皮后在 P 点的辐射强度；Je为液压支架顶梁上 部岩石中自然 γ 射线穿过煤皮和支架顶梁后在 P 点 的辐射强度； J-Jp为未被液压支架顶梁覆盖部分岩 石中自然 γ 射线穿过煤皮后在 P 点的辐射强度以下 推导 Je 和 Jp的表达式。 由图 1 看出 0 03 2 12 0 sec desined r k r rh p r JK qdr θ ψ ψ ψ θ ρφψ ψ −−− − ′ ∫∫∫ （5） 式中，用关系式 r2-r3lsecΨ 代入得 [ ] [ ] 0 1 0 1 0 1 0 1 sec 00 sec sec 0 0 sec 0 sec 0 0 sec 0 22 esind esind 2 esind esind 2 esind esind hd p h kl hd hd h kl h kl K qK q J kk K q k K q k ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ θρθρ ψ ψ ψ ψ θρ ψ ψ ψ ψ θρ ψ ψ ψ ψ − − − − − − ′′ − ′ − ′ −− ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ （6） 式（6）中引入金格函数[6] 1 eed xt x Φ xxt t ∞ −− − ∫ （7） 则得 {} []{ []} 00 11 0 0011 0 seccos seccos 2 seccosseccos 2 ψψ ψψ ρθ ψψψψ ρθ klhΦ klhΦ k qK hΦhΦ k qK Jp − ′ − − ′ （8） 由图 1 看出 0 0 0 1 0 3 2 2 secsec deesind ed eh h e r k r r r JK q r θ ψ ψψ ψ θ ρφψ ψ −− − −− ′ ∫∫ ∫ （9） O l m r3 ∵∵∵ ∵∵∵∵∵∵∵∵ ∵∵∵∵∵∵∵∵∵ ∴∴∴∴∴ ∴ ∴∴ ∴∴∴∴∴ ∴∴∴∴∴∴∴∴∴ l P 探头 r4 r1 r2 r A D q k h a dΦ e b i ds d n dV dr c rdΨ f C g g0 B μ 煤 H h0支架 Ψ0 Ψ Ψ1 dΨ 辽宁工程技术大学学报 第 25 卷 806 式中，用关系式 r2-r3lsecΨ 代入得 [ ] [ 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 sec d 00 sec sec d 0 0 sec 0 sec 0 0 sec 0 22 esin d esin d 2 esin d esin d 2 esin d e e e e e e e hh e hhkl hh hhd hhkl hhkl KqKq J kk Kq k Kq k ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ θρθρ ψ ψ ψ ψ θρ ψ ψ ψ ψ θρ ψ ψ − − − − − − ′′ − ′ − ′ −− ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ]sin dψ ψ ∫ （10） 式（10）中引入金格函数则得 []{ []} []{ []} 00 0101 0 00 0101 0 sec cosseccos 2 sec cosseccos 2 ψ ψψψ ρθ ψ ψψψ ρθ klhh ΦklhhΦ k qK hh ΦhhΦ k qK J e e e ee − ′ − − ′ （11） 将 J、 JP 、Je 代入式（11）中得 { []} { [] []}{ [] [] [] []} 000 10 1000 10 1 0 00 11 0011 0 00 00 seccos sec cosseccos sec cos 2 seccos seccos seccosseccos 2 seccos seccos π2 ψψ ψ ψψψ ψ ψ ρθ ψψ ψψ ψψψψ ρθ ψψ ψψ ρ klhhΦ klhh ΦhhΦ hh Φ k qK klhΦ klhΦ hΦhΦ k qK klhΦ klhΦhΦhΦ k qK J e e e e h −− ′ −− ′ − −− ′ （12） 其中,θ0为液压支架顶梁所覆盖部分在平面上投影 所占的夹角。 2 无支架和有支架顶梁射线衰减 由公式4和公式12,分别取 ψ060和 45,对 应 ψ060和 45取 ψ150和 35。取 eh02.4,取 kl10, 取 0.0075,这样得到辐射强度 J、JP随 h 的 变化规律曲线如图2所示。 无顶梁60和无顶梁45 分别为 ψ060和 45、 ψ150和 35时的衰减曲线。 有顶梁 60和有顶梁 45分别为 ψ060和 45、 ψ150和 35时的衰减曲线。 从图 2 可以看出自然 γ 射线穿过煤层后其辐射 强度逐渐衰减，但随着煤层厚度增大，射线衰减梯 度逐渐变小。因此，利用自然 γ 射线方法可以探测 剩留煤皮的厚度，但为了能具有足够的探测分辨 率， 自然 γ 射线方法所探测煤皮厚度是有一定范围。 从图 2 可以看出，自然 γ 射线在无顶梁情况和 有支架顶梁情况下的衰减规律基本是一致的，但两 者是有一定的误差。此误差的产生是支架顶梁钢板 对射线的衰减而产生的。为提高煤皮厚度测量精 度，应考虑支架顶梁钢板对射线衰减的影响。尤其 是在支架顶梁钢板较厚时，更应考虑支架顶梁钢板 对射线衰减的影响。 图 2 无顶梁和有顶梁情况下射线穿过 煤层后衰减曲线的比较 1有顶梁 45；2无顶梁 45； 3有顶梁 60；4无顶梁 60 Fig.2 natural γ ray radiation attenuation curve through coal seam considering hydraulic roof supports and not considering hydraulic roof supports 3 煤层自然 γ 射线衰减曲线试验 在实验室做了一个模拟实验场地。 顶板用 1 000 mm见方,厚度为600 mm的花岗岩代替花岗岩具有 中等放射性，，其放射性与煤矿中的顶底板粘土沙 岩、泥灰岩、泥质石灰岩和沙质泥岩相当。放射性 含量可达 510-12～3010-12 mol/g。,用煤铺成面积 750mm╳750 mm 的正方形,逐渐改变煤层的厚度,测 得煤层的厚度依次为 21.8、39、72.2、113、166.1、 190 和 225 mm,同时改变 FD3003 能谱仪的初始阈, h/mm ● ▲ 157.5 210 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 52.5 105 J/J0Jh/J0 ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■■ ◆ ◆ ◆ ● ◆ ◆ ◆ ● ● ● ● ● ● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲▲ ■ ◆ 1 2 3 4 ▲ 第 6 期 王增才等自然 γ 射线穿透煤层及支架顶梁衰减规律 807 使初始阈分别为 60、100、200、300、400、500、 600和700kev,由此测量得到的在不同初始阈下辐射 强度随煤层的厚度的变化曲线如图 3。 图 3 在不同初始阈下的实测自然 γ 射线衰减曲线 Fig.3 measuring natural γray attenuation curve in different initial threshold valve 从图3可以看出,自然γ射线穿过煤层后其辐射 强度逐渐衰减，但随着煤层厚度增大，自然 γ 射线 衰减梯度逐渐变小。证明可以利用自然 γ 射线方法 进行煤层厚度测量。 在煤层较厚时，所测衰减曲线突然向下弯曲， 这一部分不是自然 γ 射线固有衰减规律，这主要是 因为射线强度太弱，超出了仪器正常接受灵敏度范 围，因此产生很大接受误差。因此，利用自然 γ 射 线方法所测煤层的最大厚度受到岩石中放射性物 质含量和仪器接受灵敏度的限制。 4 结 论 （1）自然 γ 射线在无顶梁情况和有支架顶梁 情况下的衰减规律基本是一致的，但两者是有一定 的误差。此误差的产生是支架顶梁钢板对射线的衰 减而产生的。考虑液压支架顶梁对岩石中自然 γ 射 线的衰减能够得到更精确的衰减规律,从而提高煤 皮厚度测量的精确度。 （2） 实测衰减曲线 （图 3） 与计算衰减曲线 （图 2）具有一致的变化方向规律。即自然 γ 射线穿过 煤层后其辐射强度逐渐衰减，但随着煤层厚度增 大，自然 γ 射线衰减梯度逐渐变小。但是，因为实 验条件所限，试验用的放射源（花岗岩）其放射物 质含量较低，因此，实验衰减曲线较理论计算衰减 曲线平坦。当采用放射物质含量较高的射线源进行 实验曲线测量时，得到的实验曲线就会变陡，这样 会与理论计算衰减曲线有更相近的变化趋势。这说 明理论推倒公式具有较大的指导意义。 （3）理论推倒公式与实测曲线对设计煤皮厚 度测量仪具有较大指导意义，也是采煤机滚筒自动 调高传感部分设计的重要依据。 参考文献 [1] A E BENNETT. Automatic Steering of Shearer[M]. .Mining Techno logy,1987. [2] 秦剑秋,孟惠荣.自然 γ 射线煤岩界面识别传感器的理论建模及试验 验证[J].煤炭学报,1996,215513-516. [3] 纪 刚 . 天 然 γ 射 线 穿 过 煤 的 规 律 性 研 究 [J]. 煤 炭 学 报 , 1994,19166-67. [4] 成都地质学院.放射性勘探方法[M].北京原子能工业出版社,1983. [5] Bessinger S L，Nelsion M G. Remnant roof coal thickness measurement with passive gamma ray instruments coal mining Proc[C]//10th Int WVU Electrotechnology Conf Morgantown,W. V. USA.Salt Lake CitySociety of Mining Engineers of AIME.Littleon Co,1990. [6] 杨 逾.大倾角煤层开采最大下沉角的二次插值分析[J].辽宁工程技 术大学学报,2005,245633-635. ▼ 300 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 h/mm pulse/s 700 600 500 400 300 200 100 60kev ● ●●●● ● ◆ ◆◆◆◆ ◆ ◆■ ■■■■ ■ ■▲ ▲▲▲▲ ▲▲ ▼▼▼▼ ▼▼ ＋ ＋＋＋＋ ＋＋ ● ◆ ■ ▲ ▼