众所周知,综放开采实现自动化放煤的瓶颈是煤矸自动识别技术。因此,煤矸自动识别的研究一直是综放开采技术领域研究的重点和热点,它关系到综放开采技术水平的进一步提升和煤矿安全绿色开采的保障。基于此,论文采用理论分析、现场调研、现场煤岩样采集和实验室试验相结合的研究方法对基于煤矸自然γ射线的自动识别理论和技术进行了深入的基础性研究。(1)研究了沉积煤岩层中放射性核素的分布特征。调研分析了天然放射性核素在沉积岩中的成因及分布规律,确定了对放射性测量有影响的核素只有钾、铀和钍三类。对于煤矿顶板来说,不同的沉积岩具有不同的放射特征,其中的铀、钍、钾的含量相差也很大,顶板中放射性核素含量主要与沉积物的粒度、沉积环境内有机物质的数量、沉积环境和沉积条件、沉积时间等因素有关。煤中放射性核素含量相对于顶板岩石小很多,在辐射测量的过程中可以忽略不计,因而可以通过对煤矸混合物中辐射强度的探测来确定其中矸石的含量,且探测过程不受煤、矸块度的影响,具有很大的优势。(2)研制了煤矸自动识别试验系统。设计开发了具有自主知识产权的煤矸混合度实验台和模拟放煤过程的煤矸动态识别试验台及相配套的测试分析系统。确定了合理的探测材料、性能及规格尺寸,能够满足对综放工作面液压支架放煤环境进行实验室模拟的要求,确定了探测系统中探测器配件的型号,研制了配套的数据实时处理及显示软件,形成了综放工作面放煤过程煤矸自动识别试验研究体系。(3)建立了煤矸混合体自然射线辐射模型和煤矸冒落辐射探测有效厚度模型,计算得到不同条件下煤矸混合体的饱和体积及含矸率与辐射强度之间的关系。针对放射性计数的统计性涨落规律,分析了本底辐射对矸石低水平辐射探测过程的影响,确定了矸石放射性阈值、合理的探测时间及滤波方法。(4)探测器探测到的矸石辐射强度与其上覆盖的煤的厚度、矸石和探测器的距离、矸石质量、温度及湿度等因素有关,探测器探测得到的矸石辐射强度与测距具有非线性关系,不同质量的矸石辐射强度不同,当温度和湿度变化较大时,需要安装温度和湿度传感器以纠正探测器的探测值;覆盖于矸石上方的煤层对矸石的辐射强度具有屏蔽作用,且覆盖煤层厚度增加,所探测到的矸石辐射强度减小,20cm厚度的碎煤可以屏蔽底层矸石的辐射;对于煤矸混合体,当混矸率小于35%时,辐射强度随混矸率的增加而增加,当混矸率大于35%时,混矸率增加时辐射强度的增加不再明显。(5)研究得出,当煤矸自然射线测量系统的稳定采样周期为0.1s,采用的加权移动平均滤波法的滤波因子取20时,能够满足实时判断煤矸混合物中矸石含量的变化趋势和显示的要求。通过理论分析并结合实验室试验测试,分析了采用自然γ射线法进行煤矸识别的条件和特征量,确定了煤矸识别指标体系和临界值,确定了自然γ射线煤矸自动识别技术的适用性。研究成果为综放开采煤矸自动识别的现场应用奠定了理论基础。