本发明涉及一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶煤装置及其使用方法。
背景技术：
综采放顶煤是厚及特厚煤层的一种经济有效的开采方法。据相关资料显示，我国新疆、内蒙等大型矿区赋存有大量埋藏深度较浅、煤质坚硬、煤层厚度为9～15m的特厚煤层，非常适宜采用综采放顶煤开采，在放顶过程中，若顶煤冒放性不好，顶梁上方局部会滞留部分较大且坚硬的顶煤煤块，造成一部分煤炭资源的损失。
目前常采用爆破、高压注水等方法处理顶煤冒放性差带来的煤炭资源损失问题。爆破放顶涉及炸药问题,施工过程中对施工人员和通风要求高,尤其是在高瓦斯矿井中,其适用性受到限制；注入高压水弱化顶煤技术尚不成熟,操作复杂,安全保障需进一步提高。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶煤装置及其使用方法。
技术方案：本发明的一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶煤装置，其特征在于：它由超声激励系统、升降伺服系统、光学探头和数据处理系统构成。所述超声激励系统由超声波发生器、换能器等组成；所述升降伺服系统由液压传动系统和升降杆组成；所述光学探头监测顶煤破碎程度及换能器与顶煤的贴合状态；所述数据处理系统用于采集光学探头监测数据并控制升降伺服系统改变换能器高度与超声激励功率。
所述的液压支架顶梁上开设凹槽，在凹槽内安放换能器和光学探头。
所述换能器底面与升降杆连接，可随升降杆运动。
所述液压支架底座上固定有超声波发生器。
所述超声波发生器底面前后两端分别设有限位轴。
所述的光学探头下端连接有一旋转结构，可实现一定范围内的视角监控，对煤层的裂隙发育程度及换能器与顶煤的贴合状态进行实时监测。
所述的升降伺服系统由液压传动系统和升降杆组成，可实现自由升降。
技术方案：本发明的一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶装置的使用方法,其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在工作面推进过程中，通过升降伺服系统控制升降杆将换能器升至顶煤底面附近处。
步骤二：根据液压支架顶梁凹槽内安置的光学探头反馈的监测信息进一步配合升降伺服系统调节换能器的高度，使其与顶煤底面有效贴合。
步骤三：确定换能器与顶煤有效贴合后，开启超声波发生器，对顶煤实施超声激励，实施激励时可根据现场实际情况对超声激励功率进行适当调整。
步骤四：关闭超声波发生器，控制升降伺服系统并配合光学探头监控实际情况调节升降杆将换能器降至顶梁凹槽内。
步骤五：按照上述步骤进行激励后，当工作面推进一段距离后，重复上述步骤对顶煤进行超声激励预裂，以此类推。
上述方案中，所述的超声激励功率可调，以适应对强度变化煤层的激励。
上述方案中，该方法不局限于对顶煤的激励，可根据实际条件对顶板施加相应的超声激励预裂达到放顶的效果。
本发明的有益效果：
（1）与现有的仅依靠矿压方法的放顶煤技术手段相比，该方法利用超声激励弱化顶煤，施工难度明显降低，安全性好，有利于自动化操作。
（2）与深孔超前预裂爆破提高顶煤冒放性的方法相比，该方法可以弥补爆破预裂顶煤的不足。爆破放顶对于施工人员以及通风条件要求高，尤其高瓦斯矿井中，其适用性受到限制。
（3）与现有的高压注水方法相比，该方法设备与液压支架可实现一体化，无须考虑钻孔、封孔和水的供给等问题，施工简单，大大减少了人力劳动成本。
（4）该方法利用超声波方向性好，穿透能力强，易于获得较集中声能的特点，配合液压支架使用对顶煤实施超声激励，提高了顶煤的冒放性，增加了煤炭资源利用回采（收）率。
附图说明
图1为一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶煤装置示意图
图2为一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶煤装置未激励时示意图
图3为一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶煤装置激励时示意图
图4为换能器工作（实线）与未工作（虚线）位置状态示意图
图5为一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶装置超声激励平面示意图
图中：1—煤；2—顶板；3—采空区；4—超声激励系统；
5—液压支架；6—超声波发生器；7—凹槽；
8—液压传动系统；9—升降杆；10—升降伺服系统；11—换能器；
12—光学探头；13—数据处理系统；14—限位孔；15—支架顶梁底座。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，根据本发明的一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶装置,它由超声激励系统(4)、升降伺服系统(10)、光学探头(12)和数据处理系统(13)构成。
具体而言，超声激励系统(4)由超声波发生器(6)、换能器(11)等组成，其中超声波发生器(6)底面前后两端分别设有限位轴，固定安装在液压支架(5)下方底座上；换能器(11)置于液压支架(5)顶梁凹槽(7)内，底面与升降杆连接(9)，可随升降杆(9)运动；升降伺服系统(10)由液压传动系统(8)和升降杆(9)组成，液压传动系统(8)带动升降杆(9)的上下移动，可实现换能器(11)的自由升降。光学探头(12)监测顶煤破碎程度及换能器(11)与煤(1)的贴合情况；光学探头(12)下端有一旋转结构，可实现一定范围内的视角监控，对煤层的裂隙发育程度及换能器与顶煤的贴合情况进行实时监测。数据处理系统(13)用于采集光学探头(12)监测数据并控制升降伺服系统(10)以改变换能器(11)高度与超声激励功率。
根据本发明实施例的一种与液压支架配合使用的超声波激励放顶装置的使用方法,其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在工作面推进过程中，通过升降伺服系统(10)控制升降杆(9)将换能器(11)升至顶煤(1)底面附近处。
步骤二：根据液压支架(5)顶梁凹槽(7)内安置的光学探头(12)反馈的监测信息进一步配合升降伺服系统(10)调节换能器(11)的高度，使其与顶煤(1)底面有效贴合。
步骤三：确定换能器(11)与顶煤(1)有效贴合后，开启超声波发生器(6)，对顶煤(1)实施超声激励，实施激励时可根据现场实际情况对超声激励功率进行适当调整。
步骤四：关闭超声波发生器(6)，控制升降伺服系统(10)并配合光学探头(12)监控实际情况调节升降杆(9)将换能器(11)降至顶梁凹槽(7)内。
步骤五：按照上述步骤进行激励后，当工作面推进一段距离后，重复上述步骤对顶煤(1)进行超声激励预裂，以此类推。