基于智能開采的煤矸識別方法研究

摘要：煤與矸石識別是實現煤炭高效利用的重要環節，是實現資源綜合利用的有效手段，有助于發揮煤與矸石各自的作用。隨著我國經濟的快速發展，物質和技術水平的不斷提升，煤與矸石的識別方法發生了很多變化，正在由傳統手工分揀識別向智能化、無人化靠近。近年來，智能開采不斷被人們提出，煤矸識別如何緊抓時代的大潮，利用智能開采提高工作效率，是當今煤炭工作者重點關注的問題之一。文章首先闡述了智能開采和煤矸識別的概念；其次分析了傳統與現有的煤矸識別方法的不同和射線識別煤矸基本原理，對X射線管理和γ射線管理的不同進行了對比；最后針對基于智能開采的射線煤矸識別方法提出了一些完善建議。

關鍵詞：智能開采""煤矸識別""射線識別""煤矸石

中圖分類號：TD823.49;TN911.7"""文獻標識碼：A

Research"on"the"Identification"Method"of"Coal"and"Gangue"Based"on"Intelligent"Mining

PENG"Qingcun"1*""PENG"Wenzong2""LI"Yan3

（1."Ordos"Zhuanlongwan"Coal"Co.，"Ltd.，"Ordos，"Inner"Mongolia"Autonomous"Region，"017200"China;2."Baodian"Coal"Mine"of"Yankuang"Energy"Group"Co.，"Ltd.，"Jining，"Shandong"Province，"273500"China;3.Jintong"Rubber"Co.，"Ltd."of"Yankuang"Group，"Jining，"Shandong"Province，"273500"China）

Abstract：The"identification"of"coal"and"gangue"is"an"important"link"to"achieve"efficient"utilization"of"coal，"is"an"effective"means"to"achieve"comprehensive"utilization"of"resources，"and"helps"to"give"play"to"the"respective"roles"of"coal"and"gangue."With"the"rapid"development"of"China's"economy"and"the"continuous"improvement"of"material"and"technical"levels，"the"identification"methods"of"coal"and"gangue"have"taken"place"many"changes，"and"are"approaching"from"traditional"manual"sorting"and"identification"to"intelligent"and"unmanned"sorting"and"identification."In"recent"years，"intelligent"mining"has"been"constantly"put"forward"by"people，"and"how"the"identification"of"coal"and"gangue"grasps"the"tide"of"the"times"and"improves"work"efficiency"by"using"intelligent"mining"is"one"of"the"key"issues"of"coal"workers"today."This"paper"firstly"expounds"the"concepts"of"intelligent"mining"and"the"identification"of"coal"and"gangue."Secondly，"it"analyzes"the"differences"between"traditional"and"existing"recognition"methods"of"coal"and"gangue"and"the"basic"principle"of"the"ray"recognition"of"coal"and"gangue，"and"compares"the"differences"of"X"ray"management"and"γray"management."Finally，"it"proposes"some"suggestions"to"improve"the"ray"recognition"method"of"coal"and"gangue"based"on"intelligent"mining.

Key"Words："Intelligent"mining;"Coal"and"gangue"recognition;"Ray"identification;"Coal"gangue

我國基于智能開采的煤矸識別技術起步晚但發展快。孔力[1]等人采用雙能γ射線透射法實現了不同粒度煤和矸石組分的識別，并在此基礎上提出了改進模型，以擴大待識別物體的粒度范圍，提高識別精度。此后，研究者重點解決煤矸石識別精度與實時分選之間的矛盾。張袁浩等人析了智能選矸機器人在現場復雜環境中有效實現矸石分揀的基于深度學習的煤矸識別[2]。田冬艷等人綜合考慮煤和矸石圖像的灰度特征和紋理特征，對圖像進行濾波、增強等預處理進行煤矸識別試驗[3]。張紅等人認為基于光學圖像的煤矸石識別方法具有設備簡單、易實現、綠色環保等優勢，是實現智能化煤矸石分選的重要途徑[4]。

智能煤矸識別技術在國外起步較早，技術較為成熟。射線識別法中研究較多的為基于γ射線或X射線的方法。Hou等人通過建立基于煤矸石表面紋理和灰度特征差異的煤矸石分離系統，提出了一種圖像特征提取與人工神經網絡相結合的煤矸石識別方法[5]。

近年來，我國智能開采不斷快速發展，綜采工作面已經可以基本實現智能化。在中國能源報2017年7月10日報道的《煤炭行業跨入“無人化開采”時代》一文中，詳細介紹了陜西煤業化工集團下屬的黃陵礦業集團一號煤礦在智能化開采下的無人化工作面發展的歷程。2015年5月19日，煤炭行業國家相關部門（國家安監總局、國家煤監局）聯合組織了“全國煤礦自動化開采技術現場會”，推廣黃陵礦業集團一號煤礦有關智能化開采技術的相關先進經驗。2017年10月6日，界面新聞報道了神華集團實現了綜采工作面“一人巡視，無人操作”。

煤與矸石識別也朝著高效化、智能化不斷發展。中國煤炭新聞網于2016年7月15日報道了陜西陜煤集團韓城礦業公司桑樹坪二號井實現了基于X射線的智能干選分離煤矸，這標志著我國煤矸分選行業正朝著先進化、智能化的方向發展。中國煤炭網于2019年3月19日發文，報道了開灤礦業集團林西公司實現了使用AI（人工智能）煤矸分選機器人分選煤與矸石。

1"智能開采與煤矸識別簡介

1.1"智能開采的概念與發展

1.1.1"智能開采的概念

智能開采是近幾年被提出一種新型開采方式，它主要依靠現代化智能設備，通過高端技術實現少人化或無人化開采，提高工作效率，降低事故發生的概率，減輕人工負擔。智能開采主要依靠于計算機技術、攝像監控技術和電信號控制，通過技術手段實現機器自動識別、自動運作、自動檢查。

智能開采打破了傳統的認知。傳統觀點認為每一個機器設備是獨立的，這樣方便機器設備的維護和檢修。智能開采屬于設備生態整合，即每個設備都不是獨立的個體，而是一個結合體的一個部分。這種結合有助于機器設備之間高效配合，縮短人工施工所需要花費的時間，但是不影響設備的獨立檢修，并且通過智能聯動可以及時發現問題產生的地方。

1.1.2"智能開采的發展

目前，我國的智能開采屬于探索和起步階段，于近年發展迅速。智能開采最開始主要依靠于自動化設備，使采煤機自動向前移動進行開采工作，但是這種傳統的自動化工藝無法實現機器的自動識別，仍需要人工進行操作以保障切割部位為需要的部位。新興的智能開采不但實現了機器的自動運行，還做到了采煤機定點返回，支架的電動液壓控制與移動減輕了人工作業的壓力，降低了事故發生的可能性。

未來，智能開采將朝著全自動化、全智能化方向發展，即機器做到自動判斷可采范圍、自我運輸、自我檢查和機器人自動修復，使井下真正做到無人化。智能開采的發展歷程及預測如圖1所示。

1.2"煤矸識別的概念與意義

1.2.1"煤矸識別的概念

煤炭是我國最重要的能源之一，其用途廣泛，為國家經濟發展做出了不小的貢獻。采礦直接采出煤的為原煤，如不處理里面可能含有矸石。煤矸石是開采過程中混入煤炭的一種石塊，通常作為固體廢棄物處理。煤矸識別就是利用各種手段，把煤與矸石分離出來。

1.2.2"煤矸識別的意義

矸石僅含有少量可燃物，不容易燃燒，很難直接產生經濟價值，燃燒帶有矸石的煤可能會降低煤的發熱量。把混有矸石的煤從井下運輸上來需要消耗較多的能量，從經濟角度來看并不劃算且沒有意義。采出的矸石直接堆放在地表可能自燃，產生的粉塵會造成空氣質量下降，還可能污染周邊水質，且可能因為力的不平衡導致地表塌陷。

相反，如果提前對煤矸進行識別有助于提高煤炭的純凈度，而且矸石可以及時回填，減輕和預防地表塌陷。因此對煤與矸石進行識別有助于煤與矸石發揮他們各自的積極作用。

2"煤矸識別技術的發展

如何高效、快速地進行煤矸識別一直是采礦及其相關領域中外各界專家學者所研究的重要內容。由于經濟技術水平的不斷提升，煤與煤矸識別技術近幾年發展迅速。

2.1"傳統煤矸識別技術

傳統分選煤與煤矸石主要是人工分選，人工分選煤與煤矸石是歷史最為悠久的分選方式。傳統人工分揀主要依靠技術熟練的老員工對煤和煤矸石的顏色或其他特性進行分選，這種分選方式不僅可能出現分選錯誤造成資源浪費，而且會對員工的身心健康造成極大的破壞。

2.2"近現代煤矸識別技術

近現代煤與煤矸石分選主要依靠洗煤廠，使用跳汰機、重介質選矸機或空氣選矸機等機器進行洗選工作。文章對這幾種近現代煤矸識別方法進行了介紹和比較，具體見表1。

（1）跳汰機主要以水為介質，根據煤炭與煤矸石密度的不同進行分選，適應力強，分選成功高達95％，是目前應用最多的分選方式，但跳汰機對分選顆粒大小及矸石硬度有要求。

在20世紀中后期，大型的產煤國家在跳汰機選煤技術上均有了巨大進步，各種跳汰機設備不斷完善，如液壓驅動式跳汰機與機械驅動式跳汰機等在外形和功能等很多方面得到了完善。為了降低跳汰機的分選對顆粒大小的要求，提高細小煤炭顆粒的分選效果，一些產煤大國還專門研制出了復振跳汰機及離心跳汰機等高新設備。

（2）重介質選矸機主要依靠阿基米德原理，通過洗選液對煤與煤矸石進行識別，密度較小的煤會浮在表面，密度較大的矸石會沉在水底，這一分選方法的成功率高達98％，但對洗選液消耗較大，且會使設備磨損較為嚴重。用重介質分選機進行煤矸識別的優點是分選效率高、分選精度高、對進入的物料的大小適應能力強、能較好地適應各種煤質的煤、操作簡單等。其主要缺點是工藝系統較為復雜、設備磨損一般比較嚴重、生產成本較高且工藝較為復雜不適用于井下對煤矸進行識別和分選。

（3）空氣選矸機又叫作復合干式選矸機。其原理是通過空氣提供升力，密度較大的矸石由于重力作用下沉，較輕的煤炭被吹到其他平臺上。但由于煤和煤矸石體積并不完全一樣，大塊的煤炭比小塊矸石重，在分選時可能出現錯誤。因此，空氣分選精度較低、粉塵較大且適用場合較少。

2.3"新型煤矸識別技術

新型煤與煤矸石分選技術主要有破碎選矸法，基于圖像識別的選矸法，基于射線識別的選矸法等。文章對這幾種新型煤矸識別方法進行了介紹和比較，具體見表2。

（1）破碎選矸法主要通過給煤和煤矸石進行加壓，使煤破碎從小口徑管道流出，而矸石由于承壓能力高于煤炭，因此不會被破碎。這種方法的缺點是機器磨損比較嚴重，且有一定的噪聲污染。破碎選矸法由于其自身的噪聲、能耗等原因，一般應用較少。

（2）基于圖像識別的選矸法是新型煤矸識別方法之一，其主要原理是煤和煤矸石的反光率不同，在一定光照條件下煤炭較亮而矸石較暗。通過使用攝像機進行拍照然后交給電腦進行灰度處理，這樣就可以識別出來煤與煤矸石。圖像識別雖然操作簡單，但不適用于井下污染較嚴重的地區，因為粉塵很容易影響拍照效果從而影響識別率。

（3）基于射線識別的選矸法其原理是煤和煤矸石對射線的吸收能力不同，因此電腦能準確識別射線的衰減情況，從而區分煤與煤矸石。

射線識別本身帶有輻射性，不同的射線輻射強度也不同。使用射線識別煤矸石需要礦山企業聘請具有相關專業資質的人員進行作業，同時應當對工作人員做好相關的保護。

2.4nbsp;煤矸識別技術小結及發展預測

煤與煤矸識別技術正從傳統的手工分揀迅速朝著高精端、高科技、智能化、無人化發展，如圖2所示。

未來煤與煤矸石識別將不局限于某一種識別方法，而是基于智能開采，通過吸取不同方法的優點，從而達到效率最高、成本最低。

3"射線識別的原理及X射線與γ射線的不同

3.1"射線識別原理及設備主要構成

3.1.1"射線識別原理

射線是由放射性核素等物質，在特定的能量交換中發出的粒子束或光子束，具有一定的穿透能力，常被用于醫學或者核能領域。近年來，科學家們發現射線的穿透能力可以用于識別煤與煤矸石。

射線與物質間的作用如圖3所示。當射線穿過吸收體時，其一部分能量轉化為熱量、熒光、電子，還有一部分散射出去，最終射出的射線強度相較于入射射線大大降低。射出射線的強度與吸收體的厚度、密度和組成成分等有一定關系。實驗證明射線穿過的物體厚度越大或這個物體的密度越大，射出的射線強度越低。當接收板把接收到的射出射線強度反映到電腦上以后，密度較小或厚度較小的在屏幕顯示得較亮，反之則較暗。同時實驗還證明，當吸收體的等效原子序數越大時，對射線的吸收能力越強，即射出射線強度越低，因此在屏幕上也較暗。

從理論上來看，射線識別應用于煤矸識別領域是可行的。首先煤的密度低于矸石，在顯示屏上較亮；其次煤的等效原子序數為7，低于矸石的等效原子序數，在屏幕上也較亮。因此，只要降低原煤的厚度影響，就可以大范圍地提高基于射線識別的煤矸識別成功率。

基于射線識別的煤矸識別技術在多個礦區已經投入使用，實際生產工作中，該技術也取得了較好的成績。

3.1.2"射線識別設備的主要構成

射線識別設備主要由入料倉、抖動分級網、傳送帶、射線發射裝置、射線吸收裝置、信號轉化裝置、氣罐、氣槍、顯示設備、光纖傳輸裝置、分離儲存設備等部分構成，各部分相互配合共同實現煤與煤矸石識別工作。

（1）給料設備。入料倉，主要負責接收進入的原煤；分級抖動網負責篩選出大小（厚度）合格的原煤，細小原煤將由其他方法進行識別；皮帶負責運輸原煤到合適的位置，方便識別。

（2）成像設備。射線發射器負責發送射線；射線接收器負責接收射線。通過光纖傳輸裝置將結果顯示在電腦上。

（3）識別設備。計算機通過相關軟件識別出煤與煤矸石。

（4）分選設備。計算機通過控制氣槍，進行煤矸分選。當計算機識別塊狀物為煤時，氣槍不啟動，煤炭自動降落到煤倉；當計算機識別塊狀物為矸石時，氣槍啟動，把矸石吹到矸石倉。

另外，為了安全，通常會在識別設備外面加裝鉛板外殼，這樣可以降低射線的輻射，較少對人體的損害。

3.2"X射線識別與γ射線識別的不同

X射線識別與γ射線識別的原理基本類似，但兩者仍存在一些不同。

3.2.1"兩者的識別方式不同

X射線識別屬于發散性射線識別，而γ射線識別屬于點對點識別。在處理能力方面，X射線由于其廣泛的掃描性，所以其處理能力要高于γ射線；在識別精度方面，由于γ射線是點對點識別，當出現兩個重疊的物塊或受到傳送帶的影響時，γ射線的識別精度會降低；就系統穩定性而言，X射線不太受環境的影響，因此穩定性更高。

3.2.2"兩者在射線輻射方面有所不同

在射線能量方面，γ射線能量較大，可能對人體造成的傷害也較大；在輻射時間方面，由于X射線是電子束不屬于放射源產生，因此不通電就不存在輻射，γ射線屬于核輻射，它的輻射是長期存在的，存在一定的危險性。

3.2.3"兩者識別裝置管理的要求不同

由于γ射線輻射強度較高，且輻射短時間不會快速消失，存在一定的危險性，因此需要專業技術的人員在特定的防護下進行作業。X射線識別裝置相比于γ射線識別裝置，具有分選精度高、處理能力大、輻射強度小、管理方便等特點[6]。X射線相對而言較為安全，通過簡要培訓，并做好基本防護就可以進行作業。

綜上所述，X射線無論是從安全角度、操作難度、設備管理還是識別穩定性角度，均優于γ射線。所以在實際生產實踐中，X射線識別應用比γ射線更加廣泛，社會認可度更高。

4"基于智能開采的煤矸識別方法展望

隨著智能化的普及，煤矸識別技術也不斷進步，煤矸識別技術可以貫穿整個采礦活動中。

（1）在開采時，可以提前使用基于圖像處理的煤矸識別技術，并把信號傳輸給控制采煤機的電腦，控制采煤機減少切割巖石部分，這樣可以真正實現采煤工作面無人化、智能化，同時可以大大減少后續煤矸識別的工作壓力。

（2）在綜采放頂煤工作中，可以在放頂煤支架上安裝圖像識別傳感器或X射線傳感器，發現落下的煤夾矸達到一定比例時及時關閉放頂煤窗口。

（3）在傳送帶運輸途中，可以加入X射線識別設備。在保障安全的前提下對煤和煤矸石進行分選，提高煤炭的純凈度，分選出來的矸石可以進行回填防治地表塌陷。

（4）選礦過程檢測儀表智能化，通過大數據、云計算、物聯網技術豐富傳統儀表的智能化形式，嵌入式云服務、儀表自修復、機器與機器對話、多方位互聯等。[7]

以上工序均可以在電腦控制下系統自動完成，不需要人工進入工作面，減少作業風險。相信在不久的將來有專業的設備維修機器人對設備進行維護和檢修，真正實現煤矸識別技術乃至整個采礦工作智能化、無人化。

參考文獻

[1]孔力，李紅，徐琦等.基于雙能γ射線的煤、矸石區域分割識別方法[J].華中理工大學學報，1998（1）：39-40，62.

[2]張袁浩，潘祥生，陳曉晶等.智能選矸機器人關鍵技術研究[J].工礦自動化，2022，48（6）：69-76，111.

[3]田冬艷，丁蘇凡，郭星歌.基于圖像處理的煤矸識別方法[J].煤炭技術，2022，41（3）：201-204.

[4]張紅，李晨陽.基于光學圖像的煤矸石識別方法綜述[J].煤炭工程，2022，54（7）：159-163.

[5]HOU"W.Identification"of"Coal"and"Gangue"by"Feed-forward"Neural"Network"Based"on"Data"Analysis[J].International"Journal"of"Coal"Preparation"and"Utilization，2019，39（1）：33-43.

[6]武國平.哈爾烏素智能干選射線識別技術及其防護研究[J].煤炭技術，2018，37（12）：317-320.

[7]趙宇，周俊武，趙建軍.互聯網+時代下選礦過程檢測儀表的智能化趨勢[J].冶金自動化，2016，40（5）：9-13.