摘要

加快煤炭産業鏈的智能(néng)化發(fā)展是當前環境下保證煤炭穩定供給的重心，而煤岩識别是實現煤礦智能(néng)化建設，提高煤層探測、智能(néng)開(kāi)采、快速分選精度和效率的關鍵技術，因此，開(kāi)展了煤岩高效識别技術方法的綜述研究。首先根據使用工況不同，將(jiāng)煤岩識别統籌爲接觸式識别與非接觸式識别，根據技術類别將(jiāng)現有識别技術歸類爲過(guò)程信号監測、紅外熱成(chéng)像、圖像特征、反射光譜、超聲波探測、電磁波探測，從識别機理和技術原理方面(miàn)進(jìn)行了詳細的介紹，并列舉了典型特征下的煤岩差異。其次綜合闡述了各種(zhǒng)識别技術的研究現狀，總結出工程實際中的煤岩識别技術應用現狀；從理論技術研究、工況環境影響、煤岩特征3方面(miàn)建立了不同識别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(chéng)像識别技術局限度最高，其中工況環境對(duì)紅外成(chéng)像識别局限最明顯，煤岩特征對(duì)反射光譜識别和過(guò)程信号監測識别局限最明顯。基于上述局限度，對(duì)未來煤岩識别的研究重點提出4點建議：煤岩特征信息的深層挖掘，複雜多變環境的影響機理研究，物理屬性相近的煤岩識别新方法，綜合地質條件的煤岩識别方法适用性研究，爲我國(guó)煤岩識别技術發(fā)展、煤礦智能(néng)化建設提供理論指導。

研究背景

能(néng)源是關系國(guó)家經(jīng)濟社會(huì)全局發(fā)展的重要問題，保證能(néng)源長(cháng)期穩定供給對(duì)于維護國(guó)家穩定發(fā)展具有重要戰略意義；相比石油、天然氣等化石能(néng)源産量，我國(guó)煤炭資源年産量占據世界煤炭總産量50％以上，根據相關研究，預計2030-2050年，煤炭占我國(guó)一次能(néng)源消費比重仍將(jiāng)保持在50％以上。此外，應對(duì)煤炭價格上漲出現的“限電”現象，國(guó)家發(fā)改委明确指出：堅持“限電不拉閘”，在确保安全的前提下全力增産增供煤炭，讓電力價格合理反映電力供需和成(chéng)本變化。

保障煤炭供應以提高工作面(miàn)的開(kāi)采效率和後(hòu)期煤岩矸的分選效率爲主；綜采工作面(miàn)中，煤岩突變導緻開(kāi)采難度增加，截齒磨損加劇導緻采掘機械的故障率提高，同時也提高了岩石占比，增加了後(hòu)續分選的工作量，降低了煤炭生産效率；在綜放工作面(miàn)中，岩石強度高、密度大，岩石長(cháng)期的垮落沖擊極易對(duì)支架造成(chéng)損傷，既增加了後(hòu)續的分選難度又造成(chéng)了巷道(dào)安全隐患，此外開(kāi)采深度的不斷增加爲煤炭高效生産帶來了挑戰，因此國(guó)家提倡無人化/智能(néng)化開(kāi)采達到高産、高效、安全目标，進(jìn)而保障煤炭的供給。實現智能(néng)化開(kāi)采，首先要解決煤岩識别的難題，這(zhè)也是國(guó)家能(néng)源科技“十二五”規劃中提出的重點待解決問題，無論在綜采工作面(miàn)還(hái)是綜放工作面(miàn)，煤岩識别技術都(dōu)是制約煤炭智能(néng)開(kāi)采的關鍵難題；在後(hòu)期的分選中，岩石占比增加，緻使分選工藝流程繁瑣、耗時長(cháng)，甚至污染環境，對(duì)工作人員身體造成(chéng)危害，即制約了分選效率同時也不符合我國(guó)綠色礦山的發(fā)展理念，因此安全、高效的煤岩識别技術對(duì)于提高煤炭産出率與質量至關重要。

因此，破解煤岩識别技術難題是礦山智能(néng)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(qǐ)，英、美、澳、德、俄、中等産煤大國(guó)便開(kāi)始了煤岩識别技術的研究，至此已經(jīng)提出了近20多種(zhǒng)方法，但在工程實際中的應用甚少；造成(chéng)這(zhè)種(zhǒng)現象主要是由于：① 煤礦地質條件、煤岩種(zhǒng)類呈複雜多樣(yàng)化，煤岩識别技術通用性差；② 開(kāi)采過(guò)程受力複雜，傳感器易受損，可靠性差；③ 識别效果受井下環境影響因素影響，識别誤差大。故針對(duì)複雜多變的地質條件進(jìn)行高效的煤岩識别方法研究是當前煤炭行業的重要科學(xué)導向(xiàng)。 

筆者針對(duì)國(guó)内外煤岩識别方法的研究現狀進(jìn)行分析，對(duì)現有技術進(jìn)行分類，闡述各方法的技術原理；綜述各種(zhǒng)識别方法的研究現狀，并分析其識别精度與局限性，結合煤岩識别工程應用現狀分析現有技術的缺陷型，提出煤岩識别智能(néng)化的未來發(fā)展趨勢，爲未來煤岩識别的研究導向(xiàng)和工作重心提供理論參考。

内容概要

１ 煤岩高效識别技術分類與原理

1.1 過(guò)程信号監測識别

１）振動信号

表1 煤和岩石硬度比較

圖2 截割岩的振動時域、頻域

２）聲發(fā)射信号。

圖3 截割煤的聲發(fā)射信号時域、頻域

圖4 截割岩的聲發(fā)射信号時域、頻域

３）電流信号

圖5 截割煤的截割電機A相電流信号

圖6 截割岩石的截割電機A相電流信号

４）截割力學(xué)信号。

圖7 截割煤的惰輪軸應變

圖8 截割岩石的惰輪軸應變

圖9 多源信息融合的識别模型

1.2 紅外熱成(chéng)像識别

１）主動紅外激勵識别

圖10 煤、岩試件主動紅外激勵圖像

２）截割閃溫識别。

圖11 截割煤的紅外熱像

圖12 截割岩石的紅外熱像

1.3 圖像特征識别

圖13 煤塊局部紋理特征

圖14 岩石局部紋理特征

表2 煤、岩石參數方差

1.4 反射光譜識别

圖15 煤岩原始光譜曲線特征波段對(duì)比

1.5 超聲波探測識别

超聲波是一種(zhǒng)波長(cháng)極短的機械波，在空氣中波長(cháng)一般短于2cm，且必須依靠介質傳播，超聲波在煤質内傳播時，存在反射、折射、衍射、散射等傳播規律，遇到密度不同的介質，穿透率、折射等均會(huì)發(fā)生相應的變化。

1.6 電磁波探測識别

圖16 煤岩界面(miàn)模型

2 煤岩高效識别技術理論與試驗研究現狀

2.1 過(guò)程信号監測識别

１）振動信号。

2.6.3 太赫茲信号

太赫茲時域光譜檢測最早起(qǐ)源于20世紀80年代，用于對(duì)測試樣(yàng)品成(chéng)分檢測，目前太赫茲關光譜技術應用已經(jīng)較爲成(chéng)熟，尤其在食品安全、藥物監管、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爲電子順磁共振（EPR）和電子自旋共振（ESR），由于每層中包含爲配對(duì)的電子，當電子繞某一軸自轉便會(huì)産生磁矩，在線圈周圍形成(chéng)磁場，在特定條件下電子磁矩會(huì)發(fā)生重新轉向(xiàng)。

3 煤岩識别技術工程應用現狀

由上述分析可知，對(duì)于煤岩識别的研究，國(guó)内諸多學(xué)者進(jìn)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複雜工況的限制，一些新興技術方法無法應用到煤礦。

4 煤岩高效識别技術局限性與發(fā)展趨勢

4.1 各種(zhǒng)識别技術的局限性分析

１）過(guò)程信号監測。 

２）紅外成(chéng)像識别。

３）圖像特征識别。 

４）反射光譜識别。

５）超聲波探測識别。

６）電磁波探測識别。

表6 工作面(miàn)開(kāi)采煤岩識别技術局限度

表7 煤岩分選中識别技術局限度

4.2 煤岩識别未來研究發(fā)展趨勢

１）煤岩特征信息的深層挖掘。

２）複雜多變環境的影響機理研究。

３）物理屬性相近的煤岩識别新方法。

４）綜合地質條件的煤岩識别方法适用性研究。

結論

１）根據使用工況、技術原理不同將(jiāng)煤岩識别技術歸類爲過(guò)程信号監測、紅外熱成(chéng)像、圖像特征、反射光譜、超聲波探測、電磁波探測6種(zhǒng)，并列舉了典型特征下的煤岩差異，證明了不同煤岩識别技術的可行性。

２）綜合闡述了各類識别技術的研究現狀，介紹了煤礦現有煤岩識别技術工程應用現狀；分析了各類技術的局限性，從理論技術、工況環境、煤岩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，紅外識别受工況環境的影響局限性較強，對(duì)于煤岩特征較大的工況，過(guò)程信号監測可根據煤岩特征差異作爲輔助信号指導工程實際開(kāi)采，具有較好(hǎo)的實際價值。

３）綜合考慮各類識别技術的局限性，對(duì)未來煤岩識别的研究重心提出4點建議：煤岩特征信息的深層挖掘，複雜多變環境的影響機理研究，物理屬性相近的煤岩識别新方法，綜合地質條件的煤岩識别方法适用性研究。

文章來源：https://mp.weixin.qq.com/s/GV2TTjfs6IGYkQ1toMJ4kw