[发明专利]煤岩识别设备及其识别方法

权利要求书

1.一种煤岩识别设备，其特征在于，所述煤岩识别设备包括：声波发射装置、声波接收装置、水平倾角检测仪、水路引导装置、信号处理和计算装置；

所述声波发射装置包括信号发生器、功率放大器、发射用水听器，发射用水听器最终将一定频率的声波信号进行对外发射；

所述声波接收装置包括接收用水听器、测量放大器；

所述水路引导装置所喷冷却水将声波发射装置发出的声波路径覆盖，即声波自发射用水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪用以在检测到声波发射装置位于水平时，控制声波发射装置进行一次煤岩识别探测；信号计算和处理装置与声波发射装置、声波接收装置、水平倾角检测仪、水路引导装置连接；

所述信号处理和计算装置对传入的数据进行采样，采样数据包括声波发射装置所发声波信号和声波接收装置接收声波信号数据，计算收发信号的幅值模数比，通过声学模型非线性方程组解算测到煤厚数据并输出；

所述非线性方程组为：

其中

其中，A为发射和接收的声波幅值之比的模数，x_水为水听器距离水煤界面距离，x_煤代表煤厚，f为频率，α_水为水的声吸收系数，α_煤为煤的吸收系数，R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗；

采用多种频率声波进行探测，对方程组数值分析求解，从而获得未知参数x_水、x_煤的值。

2.根据权利要求1所述的煤岩识别设备，其特征在于：

所述信号发生器发出正弦声波信号，经过功率放大器放大，传入作为压电换能器的发射用水听器，由该发射用水听器在水路引导装置所引采煤机冷却水的介质中垂直水煤界面发射出声波；声波在冷却水中传输直至煤层；

上述声波在水煤界面产生反射、折射，一部分声波进入煤层继续传播，到达煤岩界面，在该界面再次产生反射、折射，折射到煤层的声波于煤水界面产生反射、折射；

声波接收装置接收返回到接收端的声波信号，该返回声波信号和声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，同时送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

信号发生器发出信号的频率是一定的，由多种特定频率的信号组成；声波在水、煤、岩构成的物理模型中传播；查找已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度，并对水、煤的声波吸收系数进行标定后，建立起以水层厚度、煤层厚度为未知数，以水煤界面和煤岩界面声压连续、质点速度连续为约束，由探测系统输出的收发声波经信号处理装置计算得到的幅值的模数比以及各个介质固有特性参数构造成的声波传输声学模型，最终得到煤岩识别的非线性方程组，对非线性方程组数值分析求解，得到未知参数水层厚度、煤层厚度；

水路引导装置所喷冷却水将声波发射装置发出的声波的路径覆盖，水平倾角检测仪、声波收发装置与其外置防爆外壳固定在摇臂近滚筒部位；信号计算和处理装置通过电缆与上述部件相连，并放置于采煤机电控箱内。

3.根据权利要求1所述的煤岩识别设备，其特征在于：

所述信号处理和计算装置包括识别DSP微处理单元、显示屏；所述煤岩识别设备还包括电缆、防爆外壳，信号计算和处理装置通过电缆与声波发射装置、声波接收装置、水平倾角检测仪、水路引导装置相连，并放置于采煤机电控箱内。

4.一种煤岩识别设备的识别方法，其特征在于，所述煤岩识别设备包括：声波发射装置、声波接收装置、水平倾角检测仪、水路引导装置、信号处理和计算装置；

所述声波发射装置包括信号发生器、功率放大器、发射用水听器，该发射用水听器最终将一定频率的声波信号进行对外发射；所述声波接收装置包括接收用水听器、测量放大器；

所述识别方法包括如下步骤：

所述信号发生器发出正弦声波信号，经过功率放大器放大，传入作为压电换能器的发射用水听器，由发射用水听器在水路引导装置所引采煤机冷却水的介质中垂直水煤界面发射出声波；声波在冷却水中传输直至煤层；

上述声波在水煤界面产生反射、折射，一部分声波进入煤层继续传播，到达煤岩界面，在该界面再次产生反射、折射，折射到煤层的声波于煤水界面产生反射、折射；

声波接收装置接收返回到接收端的声波信号，该返回声波信号和声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，同时送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

所述水路引导装置所喷冷却水将声波发射装置发出的声波路径覆盖，即声波自发射用水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪用以在检测到声波发射装置位于水平时，声波发射装置进行一次煤岩识别探测；信号计算和处理装置与声波发射装置、声波接收装置、水平倾角检测仪、水路引导装置连接；

所述信号处理和计算装置对传入的数据进行采样，采样数据包括声波发射装置所发声波信号和声波接收装置接收声波信号数据，计算收发信号的幅值模数比，通过声学模型非线性方程组解算测到煤厚数据并输出；

所述非线性方程组为：

其中

其中，x_水为水听器距离水煤界面距离，x_煤代表煤厚，f为频率，α_煤为煤的吸收系数，α_水为水的声吸收系数，R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗；

采用多种频率声波进行探测，对方程组数值分析求解，从而获得未知参数x_水、x_煤的值。