一种基于Geant4模拟的煤矸分选方法

技术领域

本发明属于煤矸石分选技术领域，具体涉及一种基于Geant4模拟的煤矸分选方法。

背景技术

随着煤炭开采量的逐年增加，优质品位的煤炭资源几乎被开采殆尽，煤炭资源已经向“贫、细、杂”方向发展。为了提高煤炭质量，目前选煤厂实现煤炭的全粒级洗选。当前主流的煤炭洗选方法分为湿法选煤和干法选煤两种。对于湿法选煤而言，重介质选煤成为主导工艺，其精度较高，但是其缺点也尤为明显：脱介脱水工艺复杂且用水量大，需要后续的煤泥水处理工艺。对于干法选煤而言，主要是空气重介质流化床干法选煤、风选、复合式干选以及射线选煤等，由于无需用水、工艺简单，因此一度成为研究热点。但是，干法选煤分选精度较低且空气污染严重，因此使用范围较小，仅限于西北缺水地区。后来，γ射线、X射线选煤技术开始进入选煤工作者的视线，特别是部分射线选煤设备已经开始在现场进行应用，这在中国专利公告号“CN110000109A”及“CN115532649A”等专利文本中均有所表述。但是，该类射线选煤设备虽然具备了一定的效果，其弊端也比较明显：首先是设备大都选用γ射线作为射线，虽然穿透力强，但是射源管理是个难题，残余的γ射线会给检修工人的身体带来辐射伤害。二是该类射线选煤方法一般只适用于5cm～20cm粒度的煤和矸石的分选，当粒度超过20cm时，射线需要穿透更厚的材质，致使射线探测装置最终接收到的能谱均较弱，煤和矸石的能谱区别不明显，不能保证分选精度。尤其是目前部分设备为了射源安全和节约成本采用了伪双能X射线，使得设备对煤和矸石的识别精度进一步降低，导致精煤中夹带矸石的比率与矸石中夹带精煤的比率均达不到选煤厂对主选设备的精度需求。因此，亟待解决。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于Geant4模拟的煤矸分选方法，利用Geant4模拟X射线穿过煤矸石的物理过程，计算了单位相对体积的光子碰撞概率，可有效简化分选过程，具备了流程简洁且识别精度高的优点，能确保对煤和矸石的快速识别需求。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于Geant4模拟的煤矸分选方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.对所选矿区煤矸石进行元素分析；

S2.在Geant4中建立X射线穿透煤矸石的物理过程；

S3.利用Geant4计算出单位相对体积的光子碰撞概率；

S4.在实际X射线成像中进行煤矸石的光程标定；

S5.得到实际的煤矸石的灰度值；

S6.计算实际的光子碰撞概率；

S7.将步骤S3中Geant4计算出的单位相对体积的光子碰撞概率与步骤S6中的实际的光子碰撞概率进行比对，确认实际X射线成像中的煤矸石所在的密度级，并实现煤与矸石的判别。

优选的，步骤S1包括以下子步骤：

以kg/L为密度的单位，在所选矿区取密度＜1.2以及分别落入密度级[1.2，1.3)、[1.3～1.4)、[1.4～1.5)、[1.5～1.6)、[1.6～1.7)及[1.7～1.8]内的煤样本，和密度＞1.8的矸石样本，对各样本进行元素分析，将每种样本内元素按照含量由高到低排序，选取前n位的元素作为该种样本的参考元素，n＞1且为整数。

优选的，n＝5。

优选的，步骤S2包括以下子步骤：

在Geant4开发包环境下，确定与实际射源相同强度的管电压，形成模拟射源；设置靶材料，利用步骤S1中获得的各参考元素的含量，建立该参考元素所在样本的物理实体；最后，建立X射线探测器，以用于探测利用模拟射源发射的X射线强度穿过物理实体后的值。

优选的，物理实体为边长10cm的正方形。

优选的，步骤S3包括以下子步骤：

利用以下公式，计算步骤S2中每个密度的物理实体对应的单位相对体积的光子碰撞概率R：

其中：

i为Geant4中建立X射线探测器的检测单元个数；

E

E为模拟射源发射的X射线强度；

d

a为X射线探测器距模拟射源的垂直距离；

s为检测单元的面积。

优选的，步骤S4包括以下子步骤：

打开实际射源，皮带空载时记录当前图像的平均灰度值G

优选的，步骤S5包括以下子步骤：

将步骤S4中的图像的像素灰度值转化为灰度矩阵A：

其中：

g

优选的，步骤S6包括以下子步骤：

将步骤S5中获得的灰度矩阵A作如下计算：

其中：

r为实际的光子碰撞概率；

J为灰度矩阵A中第J个像素；

g

优选的，步骤S7包括以下子步骤：

将利用Geant4模拟计算的每个密度的物理实体对应的单位相对体积的光子碰撞概率R存储在PC机中，从而形成判断数据；其中，以自身密度＜1.2的物理实体对应的判断数据为R1，以自身密度位于密度级[1.2，1.3)内的物理实体对应的判断数据为R2，以自身密度位于密度级[1.3～1.4)内的物理实体对应的判断数据为R3，以此类推，直至以自身密度位于密度级[1.7～1.8]内的物理实体对应的判断数据为R7，自身密度＞1.8的物理实体对应的判断数据为R8；

当矿物的实际光子碰撞概率r＜R8，则此矿物为煤，同时根据r的具体落点获得该矿物所在的密度级；r≥R8，则此矿物为矸石。

本发明的有益效果在于：

本发明利用Geant4模拟X射线穿过煤矸石的物理过程，计算了单位相对体积的光子碰撞概率，主要优点如下：

1)本发明利用Geant4模拟技术，同时依托元素检测，建立高精度煤和矸石模型，最终计算了煤和矸石的光子碰撞概率；此方法利用煤和矸石在原子层面上的差异实现超高精度分离。

2)本发明依托于高精度测试数据和先进模拟技术，能够适应于井下复杂环境。本发明在进行煤和矸石分选的同时，还能判断出煤的密度范围，得到煤的品位，也有效简化了后续分离环节。

3)本发明的识别方法简单，识别精确度高，在实现过程中不需要复杂的算法，普通的工业计算机即可实现，从而能够增大代码运行速度，提高分选效率。

4)本发明原理简单，不需要复杂的辅助设备，能有效的降低设备和维护成本。

附图说明

图1为本发明的工作原理框图；

图2为各探测单元的X射线探测器检测到的X射线强度图；

图3为各探测单元的X射线探测器距光源的水平距离的数据图；

图4为实施例1中对1000块矿物测试后的落点图。

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1-4，对本发明的实际工作流程作以下进一步描述：

实施例1：

实施例1的操作流程参照图1所示，具体包括以下步骤：

1、以某矿区为例，以kg/L为密度的单位，现采集密度＜1.2以及分别落入密度级[1.2，1.3)、[1.3～1.4)、[1.4～1.5)、[1.5～1.6)、[1.6～1.7)及[1.7～1.8]内的煤样本，和密度＞1.8的矸石样本。该密度级的分级为常规分级方式，其他分选模式均在使用，就不再赘述。

对上述样本分别进行元素分析，得到下表1：

表1

可知密度＜1.2Kg/L的煤样本中，含量较高的五种元素分别为C、O、Si、Al和N；其他样本以此类推。

2、在Geant4开发包环境下，确定与实际射源相同强度的管电压，设置靶材料，利用上述五种元素的含量重新建立每种密度煤的物理实体，该物理实体大小为边长10cm的正方形。最后建立X射线探测器，进而获得各探测单元的X射线探测器检测到的X射线强度图，如图2所示。

3、根据下式计算单位相对体积的光子碰撞概率R：

其中，i＝100；s＝0.1cm

将上述数据代入上式，计算得到密度＜1.2Kg/L煤样品的单位相对体积的光子碰撞概率R1＝31.54％，同理计算出R2＝37.31％，R3＝44.69％，R4＝52.94％，R5＝63.42％，R6＝69.78％，R7＝77.13％，R8＝83.21％。

4、打开实际射源，获得G

5、在煤矸石成像后，将图像导入PC机，将图像上的像素灰度值转化为如下的灰度矩阵A：

6、将灰度矩阵A作如下计算：

灰度矩阵A中第1个像素点的灰度值为143.6，可算得第1个像素点的灰度值对应的光子碰撞概率r

同理，可算出灰度矩阵A中所有灰度值对应的光子碰撞概率，再取平均值，最终获得实际的光子碰撞概率r＝56.42％。

7、比对Geant模拟计算出的单位相对体积的光子碰撞概率R，即R1＝31.54％，R2＝37.31％，R3＝44.69％，R4＝52.94％，R5＝63.42％，R6＝69.78％，R7＝77.13％，R8＝83.21％。

可知，计算出的r在R4至R5之间，则该矿物为煤，且为密度级[1.4～1.5)的煤。

8、以上述步骤，以该矿区中的1000块煤和矸石做试验，结果如图4所示。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。