一種識別煤與煤矸石的方法及設備與流程

本發明屬于煤炭選煤技術領域，其涉及一種識別煤與煤矸石的方法及設備,其適用于基于煤與煤矸石密度不同利用X射線及點陣探測器和超聲波測距裝置協同作用在線識別煤與煤矸石并進行分揀。

背景技術：

煤矸石是煤生產、加工過程中的伴生物，發熱量低、有害物料多，嚴重影響產品質量，需要及時進行識別和分揀。對粒徑較小的煤與煤矸石可以通過介質洗煤或復合干法(風選)選煤的方法去除煤中的煤矸石，對于塊狀煤與煤矸石，現有技術的識別方法主要有人工分揀、圖像識別方法、伽馬射線識別和X射線識別等幾種，這些識別方法均有各自的優點和生產適應范圍，但是均有一定的缺陷或不足。例如人工進行分揀，普遍存在問題是勞動強度大、作業環境惡劣、效率低下；圖像識別方法是根據煤與煤矸石的顏色灰度進行識別，存在問題是難以識別與煤相似的黑色煤矸石；伽馬射線識別方法難以識別厚度100mm以上的煤矸石，并且伽馬射線對人體和環境有潛在危害；X射線識別存在后續程序繁雜等問題，并且X射線探測器都是沿用X射線成像技術領域的線陣探測器，線陣探測器像素多，數據處理量大，需要配備工控機專門來處理，另外無法解決物料粒徑大小的影響，不適應煤礦特定的使用環境。

隨著貧瘠礦山的開發以及煤矸石識別的需要，急需將上述識別方法的優勢綜合利用的需要，各大高校及研究所的選礦技術人員均投入了大量研究力量進行開發研究，由于技術難度大及需要的資金投入多，截至到目前沒有成功地將上述識別方法綜合利用的先例。

技術實現要素：

基于現實和生產實踐的需要，本申請人投入大量資金及長期研究，提供了一種識別煤與煤矸石的方法及設備,其基于煤與煤矸石密度不同利用X射線及點陣探測器和超聲波測距裝置協同作用在線識別煤與煤矸石并進行分揀，不僅很好地解決了現有技術中存在的生產實踐問題，還能把X射線及點陣探測器和超聲波測距裝置的優勢協同利用起來。

依據本發明的第一方面，提供一種識別煤與煤矸石的方法，其利用煤和煤矸石的密度不同、尺寸不同及對X射線的衰減也不同的原理，利用X射線及點陣探測器和超聲波測距裝置的協同作用在線識別煤與煤矸石并進行分揀；X射線穿透物料時，其初始強度I₀與出射強度I_X的關系是：I_X＝I₀exp(-μρL),其中ρ為物料密度，L為物料厚度，μ為物料磁感應常數。

所述識別煤與煤矸石的方法包括以下步驟：

(1)X射線源2發出X射線呈扇面狀向下輻射，并與輸送裝置1中心線垂直，輸送裝置1上面煤和煤矸石通過X射線源2與點陣探測器3之間的區域時，點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化；

(2)點陣探測器3把X射線強度經過光電轉換和放大后轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；

(3)超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；

(4)控制裝置5根據X射線強度信號和距離信號算出物料厚度,通過計算得到物料密度數據，然后依據給定的密度判別閾值，判定物料是煤或煤矸石；

(5)若判定為煤矸石，分揀執行機構6根據控制裝置5的指令，經過一定延時，打開高頻電磁閥，把正經過空氣噴嘴的煤矸石吹到煤矸石輸送帶7上，若判定為煤，執行機構無動作，物料自由落體落到煤輸送帶8上。

此外，所述識別煤與煤矸石的方法包括識別步驟如下：

①采用一種識別煤與煤矸石的專用設備進行識別，包含輸送裝置1、X射線源2、點陣探測器3、超聲波測距裝置4、控制裝置5和分揀執行機構6，輸送裝置1作用是輸送待識別的煤或煤矸石以一定的速度通過X射線源2下方的檢測區域，X射線源2主要用于提供具備一定穿透能力的X射線，點陣探測器3位于輸送裝置1下方，沿輸送裝置1橫向均布，并在X射線輻射區域，超聲波測距裝置4安裝輸送裝置1上方，控制裝置5與X射線源2、點陣探測器3、超聲波測距裝置4、分揀執行機構6相連，分揀執行機構6設置在輸送裝置1的尾部；

②由于煤和煤矸石的密度不同、尺寸不同，對X射線的衰減也不同，X射線穿透物料時，其初始強度I₀與出射強度I_X的關系是：I_X＝I₀exp(-μρL),其中ρ為物料密度，L為物料厚度，μ為物料的磁感應常數；X射線源2發出X射線呈扇面狀向下輻射，并與輸送裝置1中心線垂直，輸送裝置1上面煤和煤矸石通過X射線源2與點陣探測器3之間的區域時，點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化，點陣探測器3把X射線強度經過光電轉換和放大后轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；

②超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；控制裝置5根據X射線強度信號和距離信號(算出物料厚度),通過一定量計算得到物料密度數據，依據給定的密度判別閾值，判定物料是煤或煤矸石；若判定為煤矸石，分揀執行機構6根據控制裝置5的指令，經過一定延時，打開高頻電磁閥，把正經過空氣噴嘴的煤矸石吹到煤矸石輸送帶7上，若判定為煤，執行機構無動作，物料自由落體落到煤輸送帶8上。

進一步地，所述識別煤與煤矸石的方法包括識別步驟如下：上位輸送機構的煤和煤矸石進入輸送裝置1，煤或煤矸石以一定的速度通過X射線源2下方的檢測區域，X射線源2發出X射線呈扇面狀向下輻射，并與輸送裝置1中心線垂直，由于煤和煤矸石的密度不同、尺寸不同，對X射線的衰減也不同，其初始強度I₀與出射強度I_X的關系是：I_X＝I₀exp(-μρL),其中ρ為物料密度，L為物料厚度，μ為物料的磁感應常數；點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化，點陣探測器3把X射線強度經過光電轉換和放大后轉換為模擬(4-20mA或0-10V)或數字信號并傳送到控制裝置5；超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬(4-20mA或0-10V)或數字信號并傳送到控制裝置5；控制裝置5根據距離信號算出物料厚度(物料厚度＝超聲波測距裝置4與輸送帶上表面距離-超聲波測距裝置4與物料上表面距離)；物料厚度和X射線強度與物料密度有函數關系，通過一定量計算得到物料密度數據，依據給定的密度判別閾值，判定物料是煤或煤矸石；若判定為煤矸石，分揀執行機構6根據控制裝置5的指令，經過一定延時，打開高頻電磁閥，把正經過空氣噴嘴的煤矸石吹到煤矸石輸送帶7上，若判定為煤，執行機構無動作，物料自由落體落到煤輸送帶8上。

依據本發明的第二方面，提供一種使用上述識別煤與煤矸石的方法的設備，所述設備包含輸送裝置1、X射線源2、點陣探測器3、超聲波測距裝置4、控制裝置5和分揀執行機構6，輸送裝置1用于輸送待識別的煤或煤矸石以一定的速度通過X射線源2下方的檢測區域，X射線源2用于提供具備一定穿透能力的X射線，點陣探測器3位于輸送裝置1下方，沿輸送裝置1橫向均布，并在X射線輻射區域，超聲波測距裝置4安裝輸送裝置1上方，控制裝置5與X射線源2、點陣探測器3、超聲波測距裝置4、分揀執行機構6相連，分揀執行機構6設置在輸送裝置1的尾部。

優選地，所述設備依據煤和煤矸石的密度不同、尺寸不同，對X射線的衰減也不同，待識別的煤或煤矸石通過X射線源2與點陣探測器3之間的區域時，點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化，點陣探測器3把X射線強度轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5，超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5，控制裝置5根據X射線強度信號和距離信號算出物料厚度,通過計算得到物料密度數據，依據給定的判別閾值，判定物料是煤或煤矸石。其中，分揀執行機構6下方，設置與分揀執行機構6匹配的煤矸石輸送帶7和煤輸送帶8。輸送裝置1為撓性橡膠輸送帶，輸送裝置的作用是輸送來至上位輸送機構的煤和煤矸石。

進一步地，所述X射線源2，是將電能轉換為X射線的裝置并包含一系列冷卻、控制系統組成的單元；所述點陣探測器3，是由一列X射線探測器組成的的探測單元，在輸送裝置1的輸送帶下方沿皮帶寬度均勻安裝，間距與物料粒度相關；每個探測器有若干個閃爍體組成，閃爍體把X射線轉換為可見光，經過光電轉換和放大，再轉換為標準信號電流。

優選地，測距裝置4是一種超聲波測距離傳感器，采用超聲波回波測距原理，檢測傳感器與目標物之間的距離，并將距離參數變換成標準信號電流；控制裝置5，可以是PLC、單片機或其他控制器，還兼顧控制其他設備，達到統一協調運動；分揀執行機構6由音速噴嘴13、高頻電磁閥14，儲氣罐15、空壓機17及若干連接管道16組成，作用是把空壓機11產生的壓縮空氣經音速噴嘴9高速噴出，沖擊要分揀的煤矸石使其偏離自由落體的軌跡，落入煤矸石輸送帶7上。

本發明識別煤與煤矸石的方法及設備，分揀準確率達到95％,處理能力達到150噸/小時，處理粒度80-300mm。在本發明識別煤與煤矸石的方法及設備中，充分地利用X射線及點陣探測器和超聲波測距裝置的協同作用在線識別煤與煤矸石并進行分揀，并采用點陣探測器，數據處理量只有線陣探測器的1/50左右，取消了專門運算的工控機，處理速度快，識別準確度高、簡單實用、故障率低、不受物料粒徑大小影響，可以代替人工或其他方式進行煤與煤矸石識別和分揀，對人和環境無危害，特別適應煤礦、煤場等作業環境。

附圖說明

圖1為依據本發明的實施例設備布置圖；

圖2為依據本發明的輸送裝置結構示意圖；

圖3為依據本發明的分揀執行機構結構示意圖。

圖中：輸送裝置1、X射線源2、點陣探測器3、超聲波測距裝置4、控制裝置5、分揀執行機構6、煤矸石輸送帶7、煤輸送帶8、滾筒9、輸送膠帶10、托輥11、驅動滾筒12、音速噴嘴13、高頻電磁閥14，儲氣罐15、連接管道16空壓機17。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

以下結合附圖，通過實施例對本發明做進一步說明。

一種識別煤與煤矸石的專用設備，包含輸送裝置1、X射線源2、點陣探測器3、超聲波測距裝置4、控制裝置5和分揀執行機構6，輸送裝置1作用是輸送待識別的煤或煤矸石以一定的速度通過X射線源2下方的檢測區域，X射線源2主要用于提供具備一定穿透能力的X射線，點陣探測器3位于輸送裝置1下方，沿輸送裝置1橫向均布，并在X射線輻射區域，超聲波測距裝置4安裝輸送裝置1上方，控制裝置5與X射線源2、點陣探測器3、超聲波測距裝置4、分揀執行機構6相連，分揀執行機構6設置在輸送裝置1的尾部；由于煤和煤矸石的密度不同、尺寸不同，對X射線的衰減也不同，待識別的煤或煤矸石通過X射線源2與點陣探測器3之間的區域時，點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化，點陣探測器3把X射線強度轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5，超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5，控制裝置5根據X射線強度信號和距離信號(算出物料厚度),通過一定量計算得到物料密度數據，依據給定的判別閾值，判定物料是煤或煤矸石。

所述分揀執行機構6下方，設置與分揀執行機構6匹配的煤矸石輸送帶7和煤輸送帶8。

由于煤和煤矸石的密度不同、尺寸不同，對X射線的衰減也不同，X射線穿透物料時，其初始強度I₀與出射強度I_X的關系是：I_X＝I₀exp(-μρL),其中ρ為物料密度，L為物料厚度，μ為物料的磁感應常數；X射線源2發出X射線呈扇面狀向下輻射，并與輸送裝置1中心線垂直，輸送裝置1上面煤和煤矸石通過X射線源2與點陣探測器3之間的區域時，點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化，點陣探測器3把X射線強度經過光電轉換和放大后轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；控制裝置5根據X射線強度信號和距離信號(算出物料厚度),通過一定量計算得到物料密度數據，依據給定的密度判別閾值，判定物料是煤或煤矸石；若判定為煤矸石，分揀執行機構6根據控制裝置5的指令，經過一定延時，打開高頻電磁閥，把正經過空氣噴嘴的煤矸石吹到煤矸石輸送帶7上，若判定為煤，執行機構無動作，物料自由落體落到煤輸送帶8上。

所述輸送裝置1，為撓性橡膠輸送帶，輸送裝置的作用是輸送來至上位輸送機構的煤和煤矸石。

所述X射線源2，是將電能轉換為X射線的裝置并包含一系列冷卻、控制系統組成的單元。

所述點陣探測器3，是由一列X射線探測器組成的的探測單元，在輸送裝置1的輸送帶下方沿皮帶寬度均勻安裝，間距與物料粒度相關；每個探測器有若干個閃爍體組成，閃爍體把X射線轉換為可見光，經過光電轉換和放大，再轉換為標準信號電流。

所述測距裝置4，是一種超聲波測距離傳感器，采用超聲波回波測距原理，檢測傳感器與目標物之間的距離，并將距離參數變換成標準信號電流。

所述控制裝置5，可以是PLC、單片機或其他控制器，還兼顧控制其他設備，達到統一協調運動。

所述分揀執行機構6由音速噴嘴13、高頻電磁閥14，儲氣罐15、空壓機17及若干連接管道16組成，作用是把空壓機11產生的壓縮空氣經音速噴嘴9高速噴出，沖擊要分揀的煤矸石使其偏離自由落體的軌跡，落入煤矸石輸送帶7上。

一種識別煤與煤矸石的方法，根據煤與煤矸石密度不同,利用X射線+點陣探測器+超聲波測距裝置在線識別煤與煤矸石并進行分揀，由于煤和煤矸石的密度不同、尺寸不同，對X射線的衰減也不同，X射線穿透物料時，其初始強度I₀與出射強度I_X的關系是：I_X＝I₀exp(-μρL),其中ρ為物料密度，L為物料厚度；X射線源2發出X射線呈扇面狀向下輻射，并與輸送裝置1中心線垂直，輸送裝置1上面煤和煤矸石通過X射線源2與點陣探測器3之間的區域時，點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化，點陣探測器3把X射線強度經過光電轉換和放大后轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；控制裝置5根據X射線強度信號和距離信號(算出物料厚度),通過一定量計算得到物料密度數據，依據給定的密度判別閾值，判定物料是煤或煤矸石；若判定為煤矸石，分揀執行機構6根據控制裝置5的指令，經過一定延時，打開高頻電磁閥，把正經過空氣噴嘴的煤矸石吹到煤矸石輸送帶7上，若判定為煤，執行機構無動作，物料自由落體落到煤輸送帶8上。

具體的識別步驟：

①采用一種識別煤與煤矸石的專用設備進行識別，包含輸送裝置1、X射線源2、點陣探測器3、超聲波測距裝置4、控制裝置5和分揀執行機構6，輸送裝置1作用是輸送待識別的煤或煤矸石以一定的速度通過X射線源2下方的檢測區域，X射線源2主要用于提供具備一定穿透能力的X射線，點陣探測器3位于輸送裝置1下方，沿輸送裝置1橫向均布，并在X射線輻射區域，超聲波測距裝置4安裝輸送裝置1上方，控制裝置5與X射線源2、點陣探測器3、超聲波測距裝置4、分揀執行機構6相連，分揀執行機構6設置在輸送裝置1的尾部。

②由于煤和煤矸石的密度不同、尺寸不同，對X射線的衰減也不同，X射線穿透物料時，其初始強度I₀與出射強度I_X的關系是：I_X＝I₀exp(-μρL),其中ρ為物料密度，L為物料厚度；X射線源2發出X射線呈扇面狀向下輻射，并與輸送裝置1中心線垂直，輸送裝置1上面煤和煤矸石通過X射線源2與點陣探測器3之間的區域時，點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化，點陣探測器3把X射線強度經過光電轉換和放大后轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；控制裝置5根據X射線強度信號和距離信號(算出物料厚度),通過一定量計算得到物料密度數據，依據給定的密度判別閾值，判定物料是煤或煤矸石；若判定為煤矸石，分揀執行機構6根據控制裝置5的指令，經過一定延時，打開高頻電磁閥，把正經過空氣噴嘴的煤矸石吹到煤矸石輸送帶7上，若判定為煤，執行機構無動作，物料自由落體落到煤輸送帶8上。

詳細識別步驟：上位輸送機構的煤和煤矸石進入輸送裝置1，煤或煤矸石以一定的速度通過X射線源2下方的檢測區域，X射線源2發出X射線呈扇面狀向下輻射，并與輸送裝置1中心線垂直，由于煤和煤矸石的密度不同、尺寸不同，對X射線的衰減也不同，其初始強度I₀與出射強度I_X的關系是：I_X＝I₀exp(-μρL),其中ρ為物料密度，L為物料厚度；點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化，點陣探測器3把X射線強度經過光電轉換和放大后轉換為模擬(4-20mA或0-10V)或數字信號并傳送到控制裝置5；超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬(4-20mA或0-10V)或數字信號并傳送到控制裝置5；控制裝置5根據距離信號算出物料厚度(物料厚度＝超聲波測距裝置4與輸送帶上表面距離-超聲波測距裝置4與物料上表面距離)；物料厚度和X射線強度與物料密度有函數關系，通過一定量計算得到物料密度數據，依據給定的密度判別閾值，判定物料是煤或煤矸石；若判定為煤矸石，分揀執行機構6根據控制裝置5的指令，經過一定延時，打開高頻電磁閥，把正經過空氣噴嘴的煤矸石吹到煤矸石輸送帶7上，若判定為煤，執行機構無動作，物料自由落體落到煤輸送帶8上。

參照附圖1，在實施例中，輸送裝置1上面煤和煤矸石通過X射線源2與點陣探測器3之間的區域時，點陣探測器3接受到的X射線強度隨物料的密度和厚度變化，點陣探測器3把X射線強度經過光電轉換和放大后轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；超聲波測距裝置4能夠連續測量與物料上方的距離并轉換為模擬或數字信號并傳送到控制裝置5；控制裝置5根據X射線強度信號和距離信號(算出物料厚度),通過一定量計算得到物料密度數據，依據給定的密度判別閾值，判定物料是煤或煤矸石；若判定為煤矸石，分揀執行機構6根據控制裝置5的指令，經過一定延時，打開高頻電磁閥，把正經過空氣噴嘴的煤矸石吹到煤矸石輸送帶7上，若判定為煤，執行機構無動作，物料自由落體落到煤輸送帶8上。

參照附圖2，所述輸送裝置1，由滾筒9、輸送膠帶10、托輥11、驅動滾筒12構成，環狀輸送膠帶10兩端分別繞在驅動滾筒12和滾筒9，送膠帶10匹配若干個托輥11。

參照附圖3，所述分揀執行機構6由音速噴嘴13、高頻電磁閥14，儲氣罐15、空壓機17及若干連接管道16組成，作用是把空壓機11產生的壓縮空氣經音速噴嘴9高速噴出，沖擊要分揀的煤矸石使其偏離自由落體的軌跡，落入煤矸石輸送帶7上。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明實施例揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。