自燃Y射线法在采煤机摇臂自动调高中检测煤层厚度的研究.pdf

文章编号0253 - 9993200204 - 0425 - 05 自然γ射线法在采煤机摇臂自动调高中 检测煤层厚度的研究 王增才1,王汝琳2,徐建华3,王泉夫3 1 1 山东科技大学 机械工程系,山东 济南 250031; 21 中国矿业大学 北京校区机电工程系,北京 100083; 31 兖州矿业集团技术 中心,山东 邹城 273500 摘 要根据顶板岩层中自然γ射线穿过剩留煤层后其辐射强度逐渐衰减的特性,对采用自然γ 射线方法检测剩留煤层厚度的理论和实验进行了研究.建立了剩留煤层厚度与自然γ射线辐射强 度衰减量的数学模型,通过在水峪煤矿采煤工作面的实测数据,证明了数学模型的正确性.另外 对自然γ射线辐射强度衰减量受辐射角度和顶板岩层厚度的影响也进行了较详细地讨论.研究结 果为采煤机摇臂调高传感装置的研究提供了基础. 关键词自然γ射线;测量;煤层厚度 中图分类号 TD421161 ; T L81612 文献标识码 A 收稿日期 2001-11-20 项目基金国家技术创新项目国经贸厅技[1997] 327 采煤机摇臂自动调高控制是目前国内尚未解决的一大难题,其关键问题在于传感器部分,即怎样准确 可靠地将截煤后的剩留煤层厚度测量出来.实用的剩留煤层厚度测量方法应具备2个特点①煤层厚度 测量装置应跟随采煤机一起运动,以便及时测量到切割煤层后的剩留煤层厚度,这就需要采用非接触式测 量方式;②由于采煤工作面条件恶劣,煤尘大,要求煤层厚度测量方法具有较强的抗干扰性和可靠性. 针对以上要求,本文提出了利用岩层中自然γ射线来探测剩留煤层厚度的方法. 自然γ射线方法就是利用岩层中放射性元素含量比煤层中放射性元素含量高5～20倍[1 ,2]而煤层中放 图1 岩石中自然γ射线穿透煤层后辐射图 Fig11 The diagramfor the naturalγray radiation passing through the roof coal 射性元素含量极低这种自然特性,将岩层视为放射源. 岩层中存在的自然γ射线穿过煤层后,其辐射强度衰 减量与煤层厚度呈函数关系.采用该方法通过检测岩 石中的自然γ射线穿透煤层的辐射强度量确定剩 留煤层厚度.这种测量方法的探测头可以安装在采煤 机上,远离被测量煤层,所以能实现非接触式测量, 而且此测量方法具有很强的抗干扰能力和较高的可靠 性[3]. 1 自然γ射线辐射强度衰减量与煤层厚度的 关系 岩石中自然γ射线穿透煤层后的辐射情况如图1 所示.顶板岩石ABCD的厚度为l,岩石中的放射性 物质是均匀的.在岩石的下面具有厚度为h的煤层. 第27卷第4期煤 炭 学 报Vol.27 No.4 2002年8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2002 测量仪器放在P点.确定岩层中自然γ射线穿过煤层衰减后在锥顶P点的辐射强度J.由于γ射线在空气 中的衰减很弱,所以忽略γ射线在煤层以下的空气的衰减.设岩石中放射性物质浓度为qCi/ g ;k为放 射性物质γ射线在岩石本身中的衰减系数;μ为煤层中的衰减系数. 在岩石中取一体元d V 平行六面体bcdeijmn ,这个体元发出的射线,应当通过厚度为bfr-r2的岩 石和厚度为fgr2-r1hsecφ的煤层而到达P点.体元dV在P点所产生的辐射强度[4]为 dJ K′ qρdV r2 e- k r- r2e- μ r 2- r1, 1 式中,K′ 为比例系数. 从图1可以看出,体元dV等于面积dSrdφdr与弧度be ⌒ 的乘积.弧度be ⌒ 是以半径abrsinφ画出来 的,因而be ⌒ rsinφd30 keV 脉冲/ 015 s 91129153169208261302 图4 水峪煤矿顶板岩石中自然γ射线辐射 强度计数值与煤层厚度的关系 Fig14 The relation between coal seam thickness and naturalγray radiation pulse in Shuiyu Coal Mine 312 实验结果讨论 1利用式 3 , 取辐射角为90,岩石为无穷厚 度条件下,计算得到的煤层厚度与实测煤层厚度在 400 mm后,计算数据与实测数据有 较大误差,这是由于煤层厚度过厚时,自然γ射线通过 煤层后衰减量较大,其强度很弱,超出了探测器接受灵 敏度范围,探测器接受辐射通量比实际辐射通量减少所 致. 2由于工作面煤层坚硬,密度较大.从工作面所 测数据得到自然γ射线的衰减速率为914脉冲/ s 10 mm .表明在此条件下利用自然γ射线进行煤岩分界可 得到较高的分辨率. 4 结 论 1自然γ射线方法将岩层视为放射源,利用岩层 中存在的自然γ射线穿过煤层后其辐射强度衰减量与煤层厚度呈函数关系的特性,检测剩留煤层厚度是一 种有效可靠的方法. 2本文推导的辐射强度与煤层厚度之间的数学模型式3与采煤工作面实测数据吻合,说明所 推导的数学模型是正确的.此模型为研制剩留煤层厚度检测仪提供了理论基础. 824 煤 炭 学 报 2002年第27卷 3通过分析岩层厚度自然γ射线放射源对接受射线强度的影响,得出饱和岩层厚度小于 300 mm ,因为煤层顶板厚度一般都大于该数值,因此,可将煤层顶板视为稳定的放射源. 4通过分析辐射角度测量仪器接受射线的角度对接受射线强度的影响,得到最佳射线接受角度 为70. 由于在工业环境下实际情况的复杂性,本方法要实际应用于采煤机滚筒自动调高系统,尚需进一步的 研究. 参考文献 [1] Mowrey GL , Maksimovic S D. Investigation of the feasibility of natural Gamma radiation coal seams [A]. SME Annual Meeting [C]. Utah Salt Lake City , 1990. 90～127. [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 , 21 5 513～ 516. [3] Plessmann KW, Dickhaus B , Scheytt S. A system for the automation of mining machines [J ]. Control Eng. Practice , 1993 , 1 3 457～462. [4] 王增才.自然γ射线煤岩界面识别机理及顶煤厚度监测仪的研制[D].徐州中国矿业大学, 1999. 12. [5] 成都地质学院.放射性勘探方法[M].成都原子能工业出版社, 1983. 作者简介 王增才1964 - ,男,山东滨洲人,副教授, 1999年毕业于中国矿业大学机械设计及理论专业,获博士学位,现为中 国矿业大学兖矿集团工作站博士后,主要从事采煤机和液压支架自动控制及监测方法研究. Research on coal seam thickness detection by natural G amma ray in shearer horizon control WANG Zeng2cai1, WANG Ru2lin2, XU Jian2hua3, WANGQuan2fu3 11Dept. of Mech.Engineering , Shandong University of Science and Technology , Jinan 250031,China;21Dept. of Mech. and Elec.Engineering , Beijing Campus ,China University of Mining and Technology ,Beijing 100083,China;31Research and Development Center,Yanzhou Coal Bureau , Zoucheng 273000,China Abstract Based on natural Gamma ray in rock attenuation characteristic passing through coal seam , this paper investi2 gates detection of coal seam thickness , sets up mathematics relationship between coal seam thickness andamountsof radi2 ation intensity attenuation. The accuracyof attenuation mathematic model is well verified by the experiments results of the prediction of coal seam thickness in Shuiyu Coal Mine , amd discusses in detail influence of top rock thickness and radia2 tion angle on natural Gamma ray radiation intensity attenuation. The results can use design for shearer horizon control. Key words natural Gamma ray; detection; coal seam thickness 924第4期王增才等自然γ射线法在采煤机摇臂自动调高中检测煤层厚度的研究