CN103940907A - 煤岩识别设备及其识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种煤岩识别设备及其识别方法，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、电缆、防爆外壳；声波发射装置包括信号发生器、功率放大器、水听器，水听器最终将一定频率的声波信号进行对外发射；声波接收装置包括水听器、测量放大器。本发明解决了现有煤岩识别方法识别效果不佳、存在固有和较大的误差、不实用、不能用于复杂地质工作面地质环境的问题。本发明能够适用于对煤岩识别效果要求较高的情形，以声学探测为主要识别技术，以非线性方程组数值解求解为解算方法，具有稳定的求解精度。本发明识别设备结构紧凑，识别方法安全可靠，安装和操作方便。

Description

煤岩识别设备及其识别方法

技术领域

本发明属于煤岩识别技术领域，涉及一种煤岩识别设备，尤其涉及一种煤矿综采工作面煤岩识别设备；同时，本发明还涉及一种煤矿综采工作面煤岩识别方法。

背景技术

煤岩识别是国内外公认的高技术、高难度课题，也是实现自动调高和综采工作面自动化的关键和前提。该技术能够有效防止采煤机滚筒切割到岩层造成的截齿部位破损。无法准确的判断煤厚，势必出现采煤机工作过程中滚筒部分切割到岩层，对于高瓦斯矿井极易引起瓦斯***，截割的岩石混入煤层引起煤质下降，或者顶底板留煤过多降低煤矿开采率。可以说煤岩识别是综采自动化工作面的瓶颈问题。

目前，煤矿井下工作面解决煤岩识别正在尝试和研究的方法主要有被动r射线探测法、雷达探测法、测力截齿法。

所述的被动r射线探测法是基于岩石中能够放射一定量的r射线，而煤层中几乎没有放射量，并且煤层对岩石中放射的r射线具有衰减作用的原理。在国外曾用于实际生产，探测传感器的传感器头接收r射线，信号经由光电倍增管进一步放大，再经计数-煤厚转换器将辐射量按指数关系转换为煤厚量。然而，这种方法只能适用在我国20％具有放射性顶板的煤矿上。

所述的雷达探测法通过测量煤和页岩界面的综合反射系数，利用由天线移动形成的空间调制识别传递函数、利用散射矩阵计算计算介电常数和各层煤与页岩的厚度。然而天线散射和目标散射增加了时间域的问题的难度。天线装置在收发电磁波时仍存在天线环时响应、天线放大器溢出等技术问题，且电磁波在煤层、岩层衰减严重，不利于探测。

所述的测力截齿法基于采煤机切割煤、岩时的振动频率存在差异，通过接收与辨别不同截割状态下声振动信号实现煤岩识别。这种方法原理简单、实际应用却很复杂，因为接收的声振动信号还与采煤机类型、开采工艺、截齿的强度状态、工作面地质结构有关，目前尚未开发出实用的振动传感器。

综上所述，现有煤岩识别方法识别效果不佳，存在固有和较大的误差，没有任何一种方式能够实用化，不能解决复杂煤矿工作面地质环境下的煤岩识别问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种煤岩识别设备，可解决现有煤岩识别方法识别效果不佳，存在固有和较大的误差，不能实用化、不能用于复杂地质工作面地质环境的问题。

此外，本发明还提供煤岩识别方法，可解决现有煤岩识别方法识别效果不佳，存在固有和较大的误差，不能实用化、不能用于复杂地质工作面地质环境的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种煤岩识别设备，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、电缆、防爆外壳；

所述声波发射装置包括信号发生器、功率放大器、水听器，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水听器、测量放大器；

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***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；

水、煤、岩声波传输空间模型中，声波在介质中的波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)};$ 原入射波P_i，幅值P_ia，x为坐标系x方向坐标；由水听器发出的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，经过煤层的吸收、散射衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射；在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)};$ 其中，k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数；

水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号；后续的一系列反射、折射波由于信号较弱，予以忽略；

煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：x_煤为煤层厚度；各介质中质点速度为： $V=\frac{P{e}^{j(\mathrm{wt}-\mathrm{kx})}}{R};$

声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象；介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减；散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射；另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方成正比：α＝α₀*f，α₀为比例系数；

声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比；声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值；

解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：x_水为水听器距离水煤界面距离；

R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗；α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚；

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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组；已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度已知；

在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型；该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成；对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度；

声波接收装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测；该倾角检测仪和声波收发装置以及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连接，并被放置在采煤机电控箱体内；

通过信号计算和处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值；

信号处理部分，首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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软件测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时通过FFT变换模块实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线；显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。

一种煤岩识别设备，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、水听器，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，使能声波发射装置，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。

作为本发明的一种优选方案，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水听器，由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***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。

作为本发明的一种优选方案，水、煤、岩声波传输空间模型中，声波在介质中的波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)};$ 原入射波P_i，幅值P_ia，x为坐标系x方向坐标；由水听器发出的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，经过煤层的吸收、散射衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射；在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)};$ 其中，k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数；

水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号；后续的一系列反射、折射波由于信号较弱，予以忽略；

煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：x_煤为煤层厚度；各介质中质点速度为： $V=\frac{P{e}^{j(\mathrm{wt}-\mathrm{kx})}}{R};$

声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象；介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减；散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射；另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方成正比：α＝α₀*f，α₀为比例系数；

声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比；声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值；

解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：x_水为水听器距离水煤界面距离；

R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗；α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚。

作为本发明的一种优选方案，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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组；已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度已知；

在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型；该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成；对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度；

声波接收装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测；该倾角检测仪和声波收发装置以及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连接，并被放置在采煤机电控箱体内；

通过信号计算和处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值；信号处理部分，首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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软件测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时通过FFT变换模块实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线；显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。

作为本发明的一种优选方案，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。

一种煤岩识别设备的识别方法，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、水听器，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水听器，由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***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；

水、煤、岩声波传输空间模型中，声波在介质中的波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)};$ 原入射波P_i，幅值P_ia，x为坐标系x方向坐标；由水听器发出的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，经过煤层的吸收、散射衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射；在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)};$ 其中，k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数；

水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号；后续的一系列反射、折射波由于信号较弱，予以忽略；

煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：x_煤为煤层厚度；各介质中质点速度为： $V=\frac{P{e}^{j(\mathrm{wt}-\mathrm{kx})}}{R};$

声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象；介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减；散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射；另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方成正比：α＝α₀*f，α₀为比例系数；

声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比；声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值；

解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：x_水为水听器距离水煤界面距离；

R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗；α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚；

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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组；已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度已知；

在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型；该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成；对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度；

声波接收装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测；该倾角检测仪和声波收发装置以及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连接，并被放置在采煤机电控箱体内；

通过信号计算和处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值；

信号处理部分，首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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软件测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时通过FFT变换模块实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线；显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。

一种煤岩识别设备的识别方法，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、水听器，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水听器，由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，使能声波发射装置，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。

作为本发明的一种优选方案，所述识别方法具体包括如下步骤：

步骤S1、声波发射装置发出的声波在水路引导装置所引采煤机冷却水的介质中垂直于水煤界面发射出一定频率的声波；声波在冷却水中传输直至煤层；

步骤S2、水、煤、岩声波传输空间模型，声波在介质中的波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)};$ 原入射波P_i，幅值P_ia，x为坐标系x方向坐标；由水听器发出的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，经过煤层的吸收、散射等衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射；在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)};$ k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数；

步骤S3、水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号；

步骤S4、煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：x_煤为煤层厚度；各介质中质点速度为： $V=\frac{P{e}^{j(\mathrm{wt}-\mathrm{kx})}}{R};$

声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象；介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减；散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射；另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方成正比，α＝α₀*f；

声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比；纯净水质又决定了颗粒效应造成损耗与粘滞吸收不计；α＝α₀*f²散射衰减相对声吸收幅值太小，忽略不计；声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

步骤S5、根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

(α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值)

步骤S6、解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：(x_水为水听器距离水煤界面距离)

R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗，α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚；

步骤S7、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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组；已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度已知；

步骤S8、在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型；该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成；对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度；

步骤S9、接收***装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

步骤S10、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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测；该倾角检测仪和声波收发装置以及其外置防爆外壳固定在滚筒部位；信号和计算处理装置通过电缆与上述部件连接，并被放置在采煤机电控箱体内；

步骤S11、通过信号和计算处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值；

步骤S12、首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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，编写声学模型非线性方程组解算软件，测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时编写软件实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线；显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。

本发明的有益效果在于：本发明提出的煤岩识别设备及方法，解决了现有煤岩识别方法识别效果不佳、存在固有和较大的误差、不实用、不能用于复杂地质工作面地质环境的问题。

本发明在采煤机滚筒部位安装水平倾角检测仪、声波收发装置及包括它们的防爆外壳，滚筒每旋转一周，声波收发装置中的水听器所发声波铅直方向时，实现一次煤岩识别探测。通过所建煤厚测量和计算非线性方程组模型，求解出实时煤厚信息。通过声学探测法实现煤岩识别，无需依靠煤岩的物理化学特性，是一种主动发射探测的方法。且该方式将实际煤层岩层的物理特殊性与介质的阻抗系数、密度、吸收系数匹配，极大的解决了其它方法在不同矿区因地质条件不同造成的探测难度和不适用性。本发明将探测得到的收发声波信号送入信号和计算处理装置计算，并与各介质实际物理参数共同代入所建煤岩识别物理模型中，从而组成非线性方程组，该方程组通过数值分析，求出煤厚信息不再是以往其他方式所得的估算值。

本发明能够适用于对煤岩识别效果要求较高的情形，以声学探测为主要识别技术，以非线性方程组数值解求解为解算方法，具有稳定的求解精度。本发明识别设备结构紧凑，识别方法安全可靠，安装和操作方便。

附图说明

图1是本发明的声学传输路径示意图。

图2是本发明的仪器布置图。

图3是本发明的煤岩识别***原理框图。

图4是本发明的信号处理和计算装置数据处理框图。

11、冷却水；     12、煤；         13、岩；           14、水听器。

1、信号发生器；  2、功率放大器；  3、发射用水听器；  4、接收用水听器；

5、测量放大器；  6、水平倾角仪；  7、防爆外壳；      8、电缆；

9、信号处理和计算装置；           10、水路引导装置

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图2、图3，本发明揭示了一种煤岩识别设备，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6、水路引导装置10、信号处理和计算装置9、电缆8、防爆外壳7。所述声波发射装置包括信号发生器1、功率放大器2、水听器3，水听器3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水听器4、测量放大器5；所述信号处理和计算装置包括识别DSP微处理单元、显示屏。

声波收发装置和水平倾角仪6位于采煤机摇臂近滚筒部位的防爆外壳7内，通过电缆8与采煤机电控箱内的信号处理和计算装置9相连。水路引导装置10负责将水孔处冷却水引导至声波发射***装置前端，使声波在水中传输直至煤层。

上述煤岩识别设备的识别方法如下：

【步骤一】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水听器，由水听器经过电声转换在水路引导装置所引采煤机冷却水的介质中垂直于水煤界面发射出一定频率的声波。声波在冷却水中传输直至煤层。

【步骤二】水、煤、岩构成了声波传输的空间模型，由水听器发出的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，经过煤层的吸收、散射等衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射。

【步骤三】水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号。后续的一系列反射、折射波由于信号较弱，予以忽略。接收***装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置。

【步骤四】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；建立起声波在三种介质传播时的物理模型。查找已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度等参数，并对水、煤的声波吸收系数进行标定后，建立起声波传输声学模型。该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成。多种频率声波探测情况下，该模型的形式为非线性方程组，对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度。

【步骤五】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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层。水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测。该倾角检测仪和声波收发装置以及其外置防爆外壳固定在摇臂近滚筒部位；信号和计算处理装置通过电缆与上述部件连接，并被放置在采煤机电控箱体内。

【步骤六】通过信号和计算处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值。

具体地，上述步骤中，水、煤、岩声波传输空间模型中，声波在介质中的波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)}$ (原入射波P_i，幅值P_ia，x为图1所示坐标系x方向坐标)。由水听器3发出的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，经过煤层的吸收、散射等衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射。在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)}$ (k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数)。

水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号。后续的一系列反射、折射波由于信号较弱，予以忽略。

煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：(x_煤为煤层厚度)。各介质中质点速度为： $V=\frac{P{e}^{j(\mathrm{wt}-\mathrm{kx})}}{R}.$

声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象。介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减。散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射。另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方成正比。α＝α₀*f

声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比。纯净水质又决定了颗粒效应造成损耗与粘滞吸收不计。α＝α₀*f²散射衰减相对声吸收幅值太小，忽略不计。声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

(α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值)。

解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：(x_水为水听器距离水煤界面距离)

R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗。α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚。

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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组。已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度等参数可以通过查询资料得出，如表1所示。

表1水、煤、岩的特性参数表

在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型。该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成。对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度。

接收***装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置。

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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层。水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测。该倾角检测仪和声波收发装置以及其外置防爆外壳固定在摇臂近滚筒部位；信号和计算处理装置通过电缆与上述部件连接，并被放置在采煤机电控箱体内。

通过信号和计算处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值。信号处理部分，首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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，编写声学模型非线性方程组解算软件，测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时编写软件实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线。显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例揭示一种煤岩识别方法，具体包括如下步骤：

【步骤S1】声波发射装置发出的声波在水路引导装置所引采煤机冷却水的介质中垂直于水煤界面发射出一定频率的声波。声波在冷却水中传输直至煤层。水的特性阻抗值与煤、岩接近，故而用来取代空气作为传输媒介，大大降低了界面间传播时的能量损失。

【步骤S2】如图1所示的冷却水11、煤12、岩13声波传输空间模型，声波在介质中的波动方程为： $\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)}$ (原入射波P_i，幅值P_ia，x为图1所示坐标系x方向坐标)。由水听器14发出的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，经过煤层的吸收、散射等衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射。在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)}$ (k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数)。

【步骤S3】水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号。后续的一系列反射、折射波由于信号较弱，予以忽略。

【步骤S4】煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：(x_煤为煤层厚度)。各介质中质点速度为： $V=\frac{P{e}^{j(\mathrm{wt}-\mathrm{kx})}}{R}.$

【步骤S5】声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象。介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减。散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射。另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方成正比，α＝α₀*f。

【步骤S6】声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比。纯净水质又决定了颗粒效应造成损耗与粘滞吸收不计。α＝α₀*f²散射衰减相对声吸收幅值太小，忽略不计。声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

【步骤S7】根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

(α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值)

【步骤S8】解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：(x_水为水听器距离水煤界面距离)

(R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗。α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚。)

【步骤S9】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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组。已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度等参数可以通过查询资料得出，如表1所示。

表1水、煤、岩的特性参数表：

【步骤S10】在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型。该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成。对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度。

【步骤S11】接收***装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置。

【步骤S12】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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层。水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测。该倾角检测仪和声波收发装置以及其外置防爆外壳固定在滚筒部位；信号和计算处理装置通过电缆与上述部件连接，并被放置在采煤机电控箱体内。

【步骤S13】通过信号和计算处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值。

【步骤S14】图4中，首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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，编写声学模型非线性方程组解算软件，测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时编写软件实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线。显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。

综上所述，本发明提出的煤岩识别设备及方法，解决了现有煤岩识别方法识别效果不佳、存在固有和较大的误差、不实用、不能用于复杂地质工作面地质环境的问题。

本发明在采煤机滚筒部位安装水平倾角检测仪、声波收发装置及包括它们的防爆外壳，滚筒每旋转一周，声波收发装置中的水听器所发声波铅直方向时，实现一次煤岩识别探测。通过所建煤厚测量和计算非线性方程组模型，求解出实时煤厚信息。通过声学探测法实现煤岩识别，无需依靠煤岩的物理化学特性，是一种主动发射探测的方法。且该方式将实际煤层岩层的物理特殊性与介质的阻抗系数、密度、吸收系数匹配，极大的解决了其它方法在不同矿区因地质条件不同造成的探测难度和不适用性。本发明将探测得到的收发声波信号送入信号和计算处理装置计算，并与各介质实际物理参数共同代入所建煤岩识别物理模型中，从而组成非线性方程组，该方程组通过数值分析，求出煤厚信息不再是以往其他方式所得的估算值。

本发明能够适用于对煤岩识别效果要求较高的情形，以声学探测为主要识别技术，以非线性方程组数值解求解为解算方法，具有稳定的求解精度。本发明识别设备结构紧凑，识别方法安全可靠，安装和操作方便。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (9)

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、电缆、防爆外壳；

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；

所述信号处理和计算装置包括识别DSP微处理单元、显示屏；

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***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；

水、煤、岩声波传输空间模型中，声波在介质中的波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)};$ 原入射波P_i，幅值P_ia，x为坐标系x方向坐标；由水听器发出的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，经过煤层的吸收、散射衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射；在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)};$ 其中，k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数；

水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号；后续的一系列反射、折射波由于信号较弱，予以忽略；

煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：x_煤为煤层厚度；各介质中质点速度为：R为特性阻抗；

声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象；介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减；散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射；另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方成正比：α＝α₀*f，α₀为比例系数；

声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比；声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值；

解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：x_水为水听器距离水煤界面距离；

R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗；α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚；

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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组；各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度已知；

在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型；该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成；对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度；

声波接收装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测；该倾角检测仪和声波收发装置以及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连接，并被放置在采煤机电控箱体内；

通过信号计算和处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值；

信号处理部分，首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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软件测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时通过FFT变换模块实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线；显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。

2.一种煤岩识别设备，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、水听器，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，使能声波发射装置，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。

3.根据权利要求2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***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。

4.根据权利要求3所述的煤岩识别设备，其特征在于：

水、煤、岩声波传输空间模型中，声波在介质中的波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)};$ 原入射波P_i，幅值P_ia，x为坐标系x方向坐标；由水听器发出的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，经过煤层的吸收、散射衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射；在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)};$ 其中，k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数；

水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号；后续的一系列反射、折射波由于信号较弱，予以忽略；

煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：x_煤为煤层厚度；各介质中质点速度为：R为特性阻抗；

声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象；介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减；散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射；另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方

成正比：α＝α₀*f，α₀为比例系数；

声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比；声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值；

解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：x_水为水听器距离水煤界面距离；

R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗；α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚。

5.根据权利要求2至4之一所述的煤岩识别设备，其特征在于：

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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组；已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度已知；

在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型；该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成；对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度；

声波接收装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测；该倾角检测仪和声波收发装置以及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连接，并被放置在采煤机电控箱体内；

通过信号计算和处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值；信号处理部分，首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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软件测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时通过FFT变换模块实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线；显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。

6.根据权利要求2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。

7.一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、水听器，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水听器，由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***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；

水、煤、岩声波传输空间模型中，声波在介质中的波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)};$ 原入射波P_i，幅值P_ia，x为坐标系x方向坐标；由水听器发出的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，经过煤层的吸收、散射衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射；在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)};$ 其中，k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数；

水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号；后续的一系列反射、折射波由于信号较弱，予以忽略；

煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：x_煤为煤层厚度；各介质中质点速度为：

声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象；介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减；散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射；另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方成正比：α＝α₀*f，α₀为比例系数；

声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比；声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值；

解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：x_水为水听器距离水煤界面距离；

R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗；α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚；

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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组；已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度已知；

在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型；该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成；对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度；

声波接收装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测；该倾角检测仪和声波收发装置以及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连接，并被放置在采煤机电控箱体内；

通过信号计算和处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值；

信号处理部分，首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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软件测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时通过FFT变换模块实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线；显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。

8.一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水听器，由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，使能声波发射装置，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。

9.根据权利要求8所述的识别方法，其特征在于：

所述识别方法具体包括如下步骤：

步骤S1、声波发射装置发出的声波在水路引导装置所引采煤机冷却水的介质中垂直于水煤界面发射出一定频率的声波；声波在冷却水中传输直至煤层；

步骤S2、水、煤、岩声波传输空间模型，声波在介质中的波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}=\frac{1}{c_0^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 入射波的声压表达式为： $P_i=P_{\mathrm{ia}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{1}x)};$ 原入射波P_i，幅值P_ia，x为坐标系x方向坐标；由水听器发出的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，经过煤层的吸收、散射等衰减，到达煤岩界面，在该界面再次反射、折射，折射波再次经过煤层传输至煤水界面产生反射、折射；在煤层中传输的声波为： $P_{2t}=P_{2\mathrm{ta}}{e}^{j(\mathrm{wt}-k_{2}x)},$ 返回到水层的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)};$ k₁、k₂、k₃分别为水、煤、岩的波数；

步骤S3、水煤界面的一次反射波和由煤岩界面折射回煤层经煤水界面折射波构成了声波接收装置接收的信号；

步骤S4、煤中传输声波经煤岩界面产生反射、折射，反射到煤层中的声波为： $P_{2r}=P_{2\mathrm{ra}}{e}^{j(\mathrm{wt}+k_{2}x)},$ 折射到岩层中的声波为：x_煤为煤层厚度；各介质中质点速度为：R为特性阻抗；

声波在非理想媒质传播时，会出现随着距离而逐渐衰减的物理现象；介质中声波的衰减分为散射衰减、吸收衰减；散射衰减是由介质颗粒或孔隙导致，一般为瑞利散射；另一种为内摩擦造成的声吸收，衰减系数α，声波在固体中传播时，该系数与频率的一次方成正比，α＝α₀*f；

声波在液体中传播时，热传导的声吸收系数与频率的二次方成正比；纯净水质又决定了颗粒效应造成损耗与粘滞吸收不计；α＝α₀*f²散射衰减相对声吸收幅值太小，忽略不计；声波振幅在介质传播路径上的吸收损耗为：或

步骤S5、根据水煤界面和煤岩界面声压连续，得出：

根据水煤界面和煤岩界面法向质点速度连续，得出：

α_水为水的声吸收系数，P_ia为分界面上的声压值；

步骤S6、解上述四式的方程组，得出发射和接收的声波幅值之比，并对此复数求模A，得：x_水为水听器距离水煤界面距离；

R₁、R₂、R₃分别为水、煤、岩的特性阻抗，α_煤为煤的吸收系数，x_煤代表煤厚；

步骤S7、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；多种频率声波探测情况下，以上模数表达式在不同的信号频率下构成了非线性方程组；已有各个介质的特性阻抗、密度、声波传播速度已知；

步骤S8、在对水、煤的声波吸收系数进行标定后，上述非线性方程组即为声波传输声学模型；该模型以水层厚度、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，由声波收发***和信号处理装置输出的收发声压的幅值模数比以及各个介质固有特性参数共同构造而成；对该方程组数值分析求解，可以得出煤岩识别的结果，即未知数水层厚度、煤层厚度；

步骤S9、接收***装置的水听器接收到回波的信号，经测量放大器放大，与声波发射装置所发声波信号经过长电缆传输，共同送入位于采煤机机身部位的信号处理和计算装置；

步骤S10、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，即声波自水听器发出后，一直在水中传输直到煤层；水平倾角检测仪的作用为当检测到声波发射装置位于水平时，使能声波发射装置，进行一次煤岩识别探测；该倾角检测仪和声波收发装置以及其外置防爆外壳固定在滚筒部位；信号和计算处理装置通过电缆与上述部件连接，并被放置在采煤机电控箱体内；

步骤S11、通过信号和计算处理装置输出采煤机滚筒当前位置下的煤层厚度数值；

步骤S12、首先进行信号处理和计算装置内DSP的初始化，初始化以后对电缆所传数据进行采样，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，编写声学模型非线性方程组解算软件，测到煤厚数据并保存送入电控箱内的显示单元显示；同时编写软件实现声波信号的FFT变换，送入显示单元显示信号时域和频域曲线；显示曲线目的是方便观测探测器周围的环境噪音，便于调试和选择声波发射频段点。