探地雷达探测煤岩界面的方法与试验.pdf

第 4 1卷 第 9 期 2 0 1 5年 9月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo l _ 4 1 NO ． 9 S e p ．2 01 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 9 0 0 0 8 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 0 3 李亮 ， 王昕 ， 胡克想 ， 等． 探地雷达探测煤岩界面的方法与试验[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 9 8 1 1 ． 探地雷达探测煤岩界面的方法与试验 李 亮 ， 王 昕 一， 胡 克想 一， 赵 端 一， 丁恩 杰 ， 1 ． 中 国矿 业大 学 物联 网 感 知矿 山 研究 中心 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 介 绍 了探地 雷达 探 测煤岩 界 面的原 理 ， 探 讨 了利 用探 地 雷达技 术进行 煤 岩界 面探 测的 可行性 与 实 用性 ， 经理论 分析 ， 证 明 2 0 0 MHz ～1 GHz的雷达 天线 可 实现绝 大 多数 的煤岩界 面探 测 ； 采 用 L T D一 2 1 0 0探 地雷达在郭庄煤矿进行 了相 关试验 ， 结果表 明， 4 0 0 MHz雷达天线可 实现 气煤一 砂岩界 面的探 测， 且误差 较 小 。 关键 词 采煤 机滚 筒调 高；煤 岩界 面 ； 探 地 雷达 中图分类号 T D6 7 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 0 8 2 9 1 5 3 7 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 8 2 9 ． 1 5 3 7 ． 0 0 3 ． h t ml Co a l r o c k i nt e r f a c e d e t e c t i o n me t h o d us i n g gr o un d pe n e t r a t i n g r a d a r a nd i t s e x p e r i me n t L I L i a n g 一， WANG Xi n 一，HU Ke x i a n g - 一 ， ZHAO Du a n 一， DI NG En j i e t 。 1 ． I n t e r n e t o f Th i n g s P e r c e p t i o n M i n e Re s e a r c h Ce n t e r ，C h i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c hn o l o g y，Xu z h ou 2 2 1 00 8， Chi na 92． S c h oo l of I n f o r m a t i o n a nd El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t Co a l r o c k i nt e r f a c e d e t e c t i on Fe a s i b i l i t y a n d p r a c t i c a b i l i t y o f u s i n g g r o u n d pr i n c i p l e us i n g g r ou nd pe n e t r a t i ng r a d e r wa s i nt r odu c e d． pe ne t r a t i ng r a da r t e c h no l og y t o de t e c t c oa l - r o c k i n t e r f a c e w a s di s c us s e d．Th e r a d a r a n t e nn a wi t h f r e q ue nc y of 2 00 M Hz 一 1 GH z wa s pr o v e d t o r e a l i z e mo s t o f c oa l r oc k i n t e r f a c e de t e c t i o n t hr o ug h t he or e t i c a l a na l ys i s．The e x pe r i m e nt wa s t a ke n b y us e o f LTD-- 2 1 0 0 gr o un d p e n e t r a t i n g r a d a r i n Gu o z h u a n g Co a l M i n e ． Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t r a d a r a n t e n n a wi t h f r e q u e n c y o f 4 0 0 M Hz c a n r e a l i z e d e t e c t i o n o f g a s c o a l - s a n d s t o n e i n t e r f a c e wi t h a s ma l l e r r o r ． Ke y wo r d s a d j u s t me n t o f s h e a r e r d r u m；c o a l r o c k i n t e r f a c e ；g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r 0 引言 采 煤 机 是 实现 煤 矿 无人 化 工 作 面 的核 心 设 备 ， 其关键技术包括采煤机控制、 采煤机远程通信 、 采煤 机滚筒 自动调高、 自主定位和 自动导航 、 采煤机故障 诊断等[ 1 ] 。针对采煤机滚筒 自动调高技术 中的煤岩 界面识别问题 ， 从 2 O世纪 6 O年代开始 ， 研究人员尝 试采用红外 、 雷达、 振动、 声波 、 图像等技术进行煤岩 界面识别口 ] ， 但效果都不太理想。2 1世纪初期 ， 任 芳 率先提出利用信息融合的方式提取采煤机系统 的振动 、 电流、 扭矩、 压力等特 征值进行煤岩界面判 定 ； 杨健 健 [ 5 ] 所 在 研发 团 队研 制 了采 煤机 “ 黑 匣子 ” ， 实现了采煤机数据的采集和存储 ； 孙继平等[ 6 从图 像处理的角度提 出利用图像差异来识别煤岩界面。 近几年来 ， 关于煤岩界面识别的研究 主要集 中在上 述 3 种 方 法上 。 探地雷达利用因不同介质 电参数差异而形成 的 分界 面反 射波 ， 对 探测 体 内部 及 不 可 见 目标 进 行 定 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 1 3 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 7 2 0； 责任编辑 李 明。 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 资助项 目 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 0 。 作者简介 李亮 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东济 南人 ， 工程 师 ， 硕 士研 究生 ， 研究 方 向为煤 岩分 界识 别技术 ， E - ma i l l i l i a n g 1 2 1 4 1 2 6 ． c o rn。通信 作 者 丁恩杰 1 9 6 2 一 ， 男 ， 山东青岛人 ， 教授 ， 博士 ， 研究方向为矿山物联网 ， E - ma i l 5 4 5 2 0 0 8 1 q q ． c o rn。 2 0 1 5年 第 9期 李 亮等 探 地 雷达探 测 煤岩界 面的方 法与试 验 9 位和判别 ， 广泛应用 于物探领域 。探地雷达技术 曾 被认 为是 最具 可行 性 的技 术 而被 美 国矿业 局应 用 于 煤岩 识别 中[ 7 ] 。受 限 于 当 时 的技 术 水 平 ， 经 过 一 系 列试验后 ， 业界普遍认 为雷达信号在煤层衰减严重， 导致 探测 范 围受 限 ， 因此 该 方 法 的研 究 没 有 取 得 实 质性 进展 。 随 着 探 地 雷达 技 术 的发 展及 应 用 的不 断 成 熟 ， 其越来越多地应用到煤矿领域。本文在前人研究成 果基 础 上 ， 探 讨 了采 用 探 地 雷 达 技 术 探 测 煤 岩 界 面 的可行性 和适用性 ， 并在煤矿现场进行了相关试验 ， 结果 表 明采 用探 地 雷达 技术 可便 捷 地实 现煤 岩界 面 识 别 。 1探地 雷 达探 测煤 岩 界面 原理 1 ． 1 探 地 雷达组 成 探地雷达硬件主要包括 3 个部分 脉冲生成器 ， 用来 生 成具 有 固定 中心 频 率 和 能 量 的 电磁 脉 冲 ； 天 线 ， 将电磁脉 冲发射 出去并 能接 收反 射信号 ； 存储 器 ， 实现反射信号取样和存储。天线是探地雷达 的 硬件核心， 可外接地面耦合天线和空气耦合天线 ， 前 者的中心频率为 8 O ～1 5 0 0 MHz ， 后者 的中心频率 为 5 0 0 2 5 0 0 MHz 。在介质情况复杂时， 1个探地 雷达主机可外接不同的天线 ， 以满足测试需求。 探 地雷 达 软件 的 主要 功能 包括 读取 并 处理 雷达 数据、 生成可视化图像 、 分析报表等 。 1 ． 2 探 测 原理 当探 地 雷达 天线 向煤 层 发 射 雷 达 波后 ， 雷达 波 在空气一 煤层界面发生反射 与折射 ， 折 射波进入煤 层并在煤岩界面处发生第 2次反射 。2次反射波 的 时 间差 t 即为 雷达 波在 煤 层介 质 中的 双程 走 时 。定 义雷达波在煤层 中的传播速度为嘲 一 ； 二 1 [√ ] 式中 c为光速 ． ￡ r 为煤层相对介 电常数 ； 为煤层 相对磁导率 ； ∞为角频率 ； 为煤层电导率 。 当 1时 ， 式 1 可 化 简为 一 2 √e r l ／ A t 1 通常地 ， 雷达收发天线之 间的距离 与探测 目标 深度相 比数值较小 。假设雷达波垂直入射 ， 则煤层 厚度 为 L 一 1 3 2探地 雷 达探测 煤岩 界面 的可行 性 2 ． 1反 射 系数 雷达波的反射信号强度决定 了雷达图像 的清晰 度 。去除介质本身对雷达波的衰减， 分界面 的反射 系数是决定雷达波反射信号强度的唯一因素。当不 考虑煤岩磁导率时， 煤层与岩层 间的反射系数可简 化 为 r _ I r l l 2一 - 4 、 ／ ￡ 1 ／ e 2 式中 e 为岩层相对介 电常数。 可看 出煤 岩 2种介 质 的 相 对 介 电常 数 差 异 越 大， 则反射系数的绝对值越大， 即接收的雷达回波信 号越强 。根 据工 程经 验， 当反射 系数绝 对值 大于 0 ． 1 时 ， 较适宜采用探地雷达识别 目标_ 9 ] 。 煤岩 的相对介 电常数通常在实验室测得 ， 参考 文献[ 1 O ] 描述了煤与岩的相对介电常数 ， 如 图 1所 示 。除 了无 烟 煤一砂 岩 和褐 煤 一砂 岩组 合 的界 面反 射系数绝对值小于 0 ． 1外 ， 其余均满足大于 0 ． 1的 理想 探测条 件 。 8 萎 蒌 z 0 1 ．- ．_ ．I 。- ．_ ．I ．- ． ．- 煤灰 岩 图 I 煤与岩的相对介电常数 2 ． 2 目标体 距 离 当探 测 目标体 过 远 或过 近 时 ， 可 能无 法从 采 集 到的雷达 图像 中观测 出所需要 的界面信息 ， 因此需 要对 目标体的距离进行分析。 1 目标体较远。参考文献E s ] 指 出探地雷达 可 在表层 接 近模式 下 工 作 ， 即 天线 位 于 地 表 和 目标 体很近的位置处 ， 能量是 以似稳场 和感应场的形式 传递 的； 也可以在表层脱离模式下工作 ， 即能量在远 、 场中辐射传播 。通常地 ， 该距离以 来区分 ， 其中 厶 7 【 为雷达波波长 。以气煤为例 ， 图 1给 出了气煤 的电 参数 ， 根据式 2 计算出雷达波在气 煤中的传播速 度 ， 可得 出在 4 0 0 MHz频率下 ， 雷达波在气煤 中的 波长为 0 ． 4 8 m， 从而得 一0 ． 0 8 m， 而天线与煤岩 7 【 界面的间距远远大于该数值。因此 ， 可判定煤岩界 面处 于天线 的远 场 区 。对 远 场 探 测 而 言 ， 探 地 雷 达 的探测能力受介质影响很大。根据工程经验 ， 天线