基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统及方法与流程

1.本发明提供了一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统及方法，属于煤矸石含量识别技术领域。


背景技术：

2.我国是煤炭大国，在煤炭开采中实现自动化是未来必然趋势，而自动放顶煤就是综采自动化的一种情况。在放煤的过程中什么时候自动关闭放煤口是重中之重，原因如下：放煤口关早了会有煤炭没放干净；放煤口关晚了会放出大量煤矸石，降低煤炭质量，影响原煤发热量。市面上很难找到一种在放煤过程中识别煤矸石含量并停止放煤的较成熟的解决方案，基于以上原因，本发明提出了一种全新的煤矸石含量识别系统及方法，可以识别当前煤流中煤矸石含量百分比，以及通过识别到的矸石百分比是否达到阈值来关闭放煤口的应用。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有煤矸石识别方法中无法对煤矸石含量进行准确统计从而导致放煤关闭的时间无法准确确定使得放煤效率低的问题，提出了一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统及方法。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统，包括放置在综采工作面用于支撑顶板的多台液压支架，每台液压支架的后尾梁内部通过千斤顶连接有后插板，每台液压支架上设置有一个支架控制器，所述液压支架的后插板下方固定有高频动态压力传感器总成，所述高频动态压力传感器总成用于实现在放煤过程中对煤块和煤矸石的压力检测，所述高频动态压力传感器总成通过第一连接导线与支架控制器相连，所述支架控制器通过第二连接导线与电磁阀组相连，所述电磁阀组通过液压管路连接液压支架上后尾梁和后插板的油缸，用于对液压支架上后尾梁和后插板上的油缸动作进行控制；
5.所述支架控制器还通过导线连接有上位机，所述上位机用于分析处理高频动态压力传感器总成采集的压力数据，并通过压力时间数据识别出煤块和矸石以及矸石含量百分比，然后发送放煤信号给支架控制器。
6.所述高频动态压力传感器总成由沿纵向布置的若干个高频动态压力传感器组成，每个高频动态压力传感器的采集频率均不低于2mhz。
7.所述后尾梁和后插板伸出后会顶在岩石上封堵煤块。
8.所述上位机中预设有用于判断煤块还是矸石的临界q值，所述临界q值是压力曲线的峰值与出现拐点的时间的比值。
9.一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别方法，采用基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统，包括如下步骤：
10.第一步：完成煤矸石含量识别系统中各个组件的连接；
11.第二步：上位机配置相关阈值；
12.第三步：打开放煤口，开始放煤；
13.第四步：煤块及矸石混合物下落，部分砸中高频动态压力传感器总成；
14.第五步：高频动态压力传感器将采样数据传给支架控制器；
15.第六步：撞击结束后支架控制器将撞击数据转发给上位机；
16.第七步：上位机根据撞击数据和配置的阈值数据判断撞击材料以及计算矸石含量百分比有没有超过阈值；
17.第八步：如果第六步判断的矸石含量百分比超过阈值，则上位机下发给支架控制器关闭放煤的信号；
18.第九步：支架控制器收到关闭放煤口信号后给电磁阀组下发关闭放煤口对应动作的电信号；
19.第十步：电磁阀组控制液压管路实现液压支架动作；
20.第十一步：矸石含量识别及关闭放煤口流程完毕。
21.所述第二步中配置的相关阈值包括：煤块和矸石的临界q值、矸石含量百分比阈值、计算矸石百分比时间范围，其中煤块和矸石的临界q值是压力曲线的峰值与出现拐点的时间的比值。
22.所述高频动态压力传感器总成由多个高频动态压力传感器组成，不同的硬物撞击时会分别触发对应的高频动态压力传感器采集压力值，计算矸石含量百分比时选择一个时间范围内的高频动态压力传感器采集的压力值进行计算。
23.本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统及方法根据煤炭和矸石硬度性质的区别，从而造成压力曲线上峰值与拐点时间的区别，通过高频动态压力传感器总成采集煤流上的煤块和矸石的压力值进行识别判断，并计算出矸石含量百分比，根据矸石含量百分比实现放煤口的自动关闭，流程简单，成本低，可以实现放煤自动化的同时提升煤炭质量。
附图说明
24.下面结合附图对本发明做进一步说明：
25.图1为应用本发明的系统进行放煤前的结构示意图；
26.图2为应用本发明的系统进行放煤中的结构示意图；
27.图3为应用本发明的系统放煤结束后关闭放煤口的结构示意图；
28.图4为采用硬度不同的软硬两种物体撞击力随时间变化的曲线图；
29.图5为物体撞击高频动态压力传感器总成的一种实施例示意图；
30.图中：1为液压支架、2为后插板、3为后尾梁、4为待放煤块、5为岩层、6为高频动态压力传感器总成、7为第一连接导线、8为支架控制器、9为上位机、10为第二连接导线、11为电磁阀、12为液压管路。
具体实施方式
31.如图1至图5所示，本发明提供了一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统，包括液压支架1，后插板2，后尾梁3，待放煤块4，岩层5，高频动态压力传感器总成6，连
接高频动态压力传感器总成6和支架控制器8的第一连接导线7，支架控制器8，上位机9，连接支架控制器8和电磁阀组11的第二连接导线10，电磁阀组11，连接电磁阀组11和液压支架油缸的液压管路12。
32.本发明中采用的各个组件的描述即功能如下：
33.液压支架1：综采工作面的主要支撑设备，用于支撑顶板，防止坍塌。
34.后插板2：放顶煤的主要机械结构，该机构配合后尾梁3实现开启放煤口操作，该机构收回来后待放煤块4就会自由掉落，实现放煤。
35.后尾梁3：放顶煤的主要机械结构，该机构配合后插板2实现开启放煤口操作，该机构收回来后待放煤块4就会自由掉落，实现放煤。
36.待放煤块4：放煤过程中要放落的煤块。
37.岩层5：天然岩层，后插板2、后尾梁3伸出后会顶在岩层5上，起到封堵煤块的作用。
38.高频动态压力传感器总成6：沿纵向由若干个高频动态压力传感器组成，每个高频动态压力传感器采集的频率能达到2mhz。煤块和矸石在下落过程中会砸中纵向的某个高频动态压力传感器，通过高频动态压力传感器的动态采集数据可以绘出压力随时间变化的曲线，撞击过程中的压力数据会传给支架控制器8，由支架控制器8将数据同步传给上位机9，由上位机9对数据进行处理分析。
39.第一连接导线7：用于连接高频动态压力传感器总成6和支架控制器8，实现二者之间的数据通讯。
40.支架控制器8：第一、用于给电磁阀组11发送电信号来控制液压支架1动作。第二、作为高频动态压力传感器总成6、上位机9的数据枢纽进行数据交互。高频动态压力传感器数据通过支架控制器8转发给上位机9，经上位机9处理后将关闭放煤的信号发给支架控制器8，支架控制器8将关闭放煤信号发给电磁阀组11，电磁阀组11控制后插板2、后尾梁3的油缸动作完成关闭放煤口的操作。
41.上位机9：用于分析处理传感器数据，可以通过压力时间数据分析出撞击材料及矸石含量百分比。通过分析结果决策是否需要关闭放煤口，需要的话将关闭放煤口信号发给支架控制器8，再由支架控制器8执行相应动作。
42.第二连接导线10：用于连接支架控制器8和电磁阀组11，实现二者之间的数据通讯。
43.电磁阀组11：通过支架控制器8给的电信号控制对应油缸来实现液压支架1的各个动作。
44.液压管路12：用于连接电磁阀组11和油缸，管路升压，跟该管路连接的油缸就会动作。
45.本发明还提出了一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别方法，用于在放顶煤过程中自动关闭放煤口，主要包括以下步骤：
46.第一步：完成图1所示各个组件的连接。
47.第二步：上位机9配置相关阈值(煤块和矸石的临界q值、矸石含量百分比阈值计算矸石百分比时间范围δt)。
48.第三步：打开放煤口，开始放煤，如图2所示。
49.第四步：煤块及矸石混合物下落，部分砸中高频动态压力传感器总成6。
50.第五步：高频动态压力传感器将采样数据传给支架控制器8。
51.第六步：撞击结束后支架控制器8将撞击数据转发给上位机9。
52.第七步：上位机9根据撞击数据和配置的阈值数据判断撞击材料以及计算矸石含量百分比有没有超过阈值。
53.第八步：如果第六步判断的矸石含量百分比超过阈值，则上位机9下发给支架控制器8关闭放煤的信号。
54.第九步：支架控制器8收到关闭放煤口信号后给电磁阀组11下发关闭放煤口对应动作的电信号。
55.第十步：电磁阀组11控制液压管路12实现液压支架1动作，关闭放煤口，如图3所示。
56.第十一步：矸石含量识别及关闭放煤口流程完毕。
57.本发明采用高频动态压力传感器对煤块和矸石进行识别的原理如下：
58.本发明的目的是识别出煤流中矸石的含量。
59.而矸石和煤炭的显著特点是：矸石质地坚硬，硬度高；煤炭质地较软，硬度低。
60.两种硬度不同的物体撞击压力传感器时，压力值会有如下特点：
61.1.硬度较高的物体撞击后压力值能很快达到峰值，也能很快达到压力下降的拐点，压力开始升高到压力趋于0的持续时间较短。整个压力时间曲线呈“瘦高”型。
62.2.硬度较小的物体撞击后压力值达到峰值较硬度高的物体慢，达到压力下降拐点也慢，压力开始升高到压力趋于0的持续时间较长。整个压力时间曲线呈“矮胖”型。
63.软硬两种物体撞击力随时间变化曲线图基本如下图4所示。
64.根据上述原理，记录煤块和矸石在压力曲线上的峰值为f'，压力出现拐点时间为t'，峰值与拐点时间的比值很明显，矸石的q值大，煤块的q值小，由此通过判断q值的大小可以判断是矸石还是煤块。
65.可以在上位机9软件中设置一个煤块和矸石的临界q值，当q》q时认为是矸石，当q《q时认为是煤炭。q值到底怎么定，需要根据每个现场实际情况实验测得，不同环境不同地质情况煤炭和矸石的硬度、质地是不同的，所以q需要在现场测试得到。
66.综上，支架控制器8把高频动态压力传感器采集到的压力随时间变化的数据转发给上位机9后，上位机9分析软件可以分析计算出此次撞击的q值，通过上位机9配置的阈值q可以判断出是煤块还是矸石。
67.本发明分析矸石含量百分比的原理如下：
68.图1中的高频动态压力传感器总成6在纵向由若干个高频动态压力传感器组成，如下图5所示。图中高频动态压力传感器总成6由9个压力传感器组成，图中a、b、c三个物体撞击高频动态压力传感器总成6的时候分别触发了1号、5号、8号三个高频动态压力传感器，撞击过程中高频动态压力传感器会高频采集压力值，通过压力数据，上位机9识别此次撞击的材料，并且存储识别结果和撞击时间。
69.因为每个高频动态压力传感器接受撞击的时间有先有后，所以计算矸石含量百分比需要知道一个计算的时间范围δt，根据上位机9存储的识别结果可以知道一个δt内矸石含量百分比当达到配置的阈值时，由上位机9给支架控制器8下发关闭放煤口信号
(打开后尾梁3、后插板2)，支架控制器8发送动作信号给电磁阀组11，电磁阀组11驱动液压管路12完成动作。至此整个煤矸石含量百分比识别及关闭放煤口流程完毕。
70.本发明保护的关键点为通过高频动态压力传感器高频采集压力数据，通过不同材料撞击曲线的不同来识别撞击材料，再通过识别结果去控制液压支架动作关闭放煤口。至于支架控制器、电磁阀组、高频动态压力传感器等结构如何运行、原理是什么不作详细描述，因为这些设备是业内普遍采用的设备。
71.关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
72.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统，包括放置在综采工作面用于支撑顶板的多台液压支架，每台液压支架的后尾梁内部通过千斤顶连接有后插板，每台液压支架上设置有一个支架控制器，其特征在于：所述液压支架的后插板下方固定有高频动态压力传感器总成，所述高频动态压力传感器总成用于实现在放煤过程中对煤块和煤矸石的压力检测，所述高频动态压力传感器总成通过第一连接导线与支架控制器相连，所述支架控制器通过第二连接导线与电磁阀组相连，所述电磁阀组通过液压管路连接液压支架上后尾梁和后插板的油缸，用于对液压支架上后尾梁和后插板上的油缸动作进行控制；所述支架控制器还通过导线连接有上位机，所述上位机用于分析处理高频动态压力传感器总成采集的压力数据，并通过压力时间数据识别出煤块和矸石以及矸石含量百分比，然后发送放煤信号给支架控制器。2.根据权利要求1所述的一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统，其特征在于：所述高频动态压力传感器总成由沿纵向布置的若干个高频动态压力传感器组成，每个高频动态压力传感器的采集频率均不低于2mhz。3.根据权利要求2所述的一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统，其特征在于：所述后尾梁和后插板伸出后会顶在岩石上封堵煤块。4.根据权利要求3所述的一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统，其特征在于：所述上位机中预设有用于判断煤块还是矸石的临界q值，所述临界q值是压力曲线的峰值与出现拐点的时间的比值。5.一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别方法，采用如权利要求1-4任一项所述的基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统，其特征在于：包括如下步骤：第一步：完成煤矸石含量识别系统中各个组件的连接；第二步：上位机配置相关阈值；第三步：打开放煤口，开始放煤；第四步：煤块及矸石混合物下落，部分砸中高频动态压力传感器总成；第五步：高频动态压力传感器将采样数据传给支架控制器；第六步：撞击结束后支架控制器将撞击数据转发给上位机；第七步：上位机根据撞击数据和配置的阈值数据判断撞击材料以及计算矸石含量百分比有没有超过阈值；第八步：如果第六步判断的矸石含量百分比超过阈值，则上位机下发给支架控制器关闭放煤的信号；第九步：支架控制器收到关闭放煤口信号后给电磁阀组下发关闭放煤口对应动作的电信号；第十步：电磁阀组控制液压管路实现液压支架动作；第十一步：矸石含量识别及关闭放煤口流程完毕。6.根据权利要求5所述的一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别方法，其特征在于：所述第二步中配置的相关阈值包括：煤块和矸石的临界q值、矸石含量百分比阈值、计算矸石百分比时间范围，其中煤块和矸石的临界q值是压力曲线的峰值与出现拐点的时间的比值。7.根据权利要求6所述的一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别方法，其特
征在于：所述高频动态压力传感器总成由多个高频动态压力传感器组成，不同的硬物撞击时会分别触发对应的高频动态压力传感器采集压力值，计算矸石含量百分比时选择一个时间范围内的高频动态压力传感器采集的压力值进行计算。

技术总结
本发明提供了一种基于高频动态压力传感器的煤矸石含量识别系统及方法，属于煤矸石含量识别技术领域；解决了现有煤矸石识别方法中无法对煤矸石含量进行准确统计从而导致放煤关闭的时间无法准确确定使得放煤效率低的问题；包括多台液压支架，液压支架的后插板下方固定有高频动态压力传感器总成，高频动态压力传感器总成与支架控制器相连，支架控制器与电磁阀组相连，电磁阀组通过液压管路连接液压支架上的油缸；支架控制器还连接有上位机，上位机用于分析处理高频动态压力传感器总成采集的压力数据，并通过压力时间数据识别出煤块和矸石以及矸石含量百分比，然后发送放煤信号给支架控制器；本发明应用于综采工作面。本发明应用于综采工作面。本发明应用于综采工作面。


技术研发人员：王宏伟 刘治国 刘晓俊 张鑫
受保护的技术使用者：太原向明智控科技有限公司
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/7/18