残采煤层厚度检测仪的设计与研究

　　及时、快速、方便地检测煤层厚度,特别是对采过一次或几次后的残采不稳定煤层厚度,是正确确定采掘方案,计算回采率,充分利用煤炭资源的一项十分重要的工作。

　　在众多的检测方法中,选用声波检测残采煤层厚度是一种比较经济有效的方法。在声波检测中,还应用了弹性波反演方法。弹性波反演主要是指,利用介质中传播的波场信息,来反推介质的物理、力学参数、散射体的几何参数及发射源位置等。虽然理论上以弹性动力学为基础,但反演问题是近几年来方兴未艾的新学科。它在地球物理勘探、油气田开发、岩土力学、煤层检测、材料无损检测等工程中得以应用;特别是在残采煤层厚度的检测中,可提高检测精度,具有很广阔的应用前景。

　　1声波在煤层中的传播特性

　　煤层通常认为是非均匀介质,当某一固定频率的点声源波在非均匀介质中传播时,对局部波函数的幅值有增加作用,并发生相位延迟。因此声波在煤层中的传播速度是不完全相同的,这就给煤层的测厚带来很大的不便。但我们可以把层状介质模型近似参数的变化情况,利用层状离散方法,取水平状模型,近似认为每层内的介质是均匀的,建立反演模型。从而找出等效力学模型中力学参数与声速的关系,从而反演出不同煤层声速的大小。这些等效参数为:

　　等效动弹性模量:

　　等效动泊松比:

　　根据以上公式,通过反演,就可以得到不同煤层和煤质的纵波声速Vp和横波声速Vs的大小。在这里,纵波声速Vp是测煤层厚度的主要参量,它与岩层力学、结构状态的关系为:

　　式中:ρ—密度。

　　经试验和计算,得知一般条件下煤层纵波声速Vp在2000~2600m/s之间。一般来讲,煤层纵波声速主要取决于岩层力学和结构状态以及煤层的质量和地质条件。实际上与检测煤层厚度有关的,除了声速外,还应有声幅和声谱。而声幅和声谱主要取决于发声声源的换能器的设计。声幅用于检测煤层厚度的量程,声谱影响检测煤层厚度的精度。以上三个参量是我们设计煤层厚度检测仪的重要参数。

　　假如是完整的煤层,声波在其中传播时,速度基本恒定,声能(振幅)衰减较小,频谱成份变化较小,因而总的波形变化不大。反之,较弱。破碎煤层中的声速较低,声幅变化衰减较大,频谱中高频成份被严重吸收,波形变化大,表现周期拉长。

　　2声波检测煤层厚度的原理

　　声波测厚有共振法、干涉法和脉冲法三种方法。最常用的是脉冲回波反射法。脉冲反射法测厚的原理就是测量超声脉冲在被测材料中的往返传播时间t,即d=ct/2。如果材料声速c已知,那么测得时间t,就可求得材料厚度d。图1所示的是脉冲反射测厚仪的原理框图。它的测量原理可简述如下:发射电路3输出宽度很窄、前沿很陡的周期性电脉冲,通过电缆加到探头2上,激励压电晶片产生脉冲超声波,探头发出的声波进入工件后,在工件的上下两面形成多次反射。反射波经过压电晶片再转变成电信号,经放大器4放大后,由计时电路5测出声波在工件两个面之间的传播时间t,然后换算成厚度值显示出来。