CN104360344A - 基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法 - Google Patents

基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，采用探地雷达进行探测，探地雷达放置在煤矿工作面的底面上，探地雷达的发射端向上发射电磁波，发射的电磁波依次穿过煤矿工作面和上保护层后，反射回波反射回到探地雷达的接收端，记录探地雷达从发射电磁波到接收到反射回波的时间为t1，计算出煤矿工作面的高度d1；记录探地雷达发射的电磁波的场强为Ef，计算发射电磁波依次穿过上述各层后的场强，以及回射电磁波返回时穿过上述各层后的电磁波，由Ef、E1、E2、E3、E4、E5、E6与Es2之间的相互关系，推导得出上保护层的厚度d2。该发明使得计算出的混合介质的电参数更加精确，提高了煤层上保护层探测的精度。

Description

基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法
技术领域
本发明属于地下薄煤层厚度识别与定位方法技术领域，具体涉及一种基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法。
背景技术
在进行煤矿开采时，为了保护开采工作面的安全，一般会在工作面顶部预留一定厚度的煤层作为上保护层。若上保护层太薄，综采设备容易破坏煤层上部岩层的结构，这样不仅影响煤的质量而且容易引发安全事故；若上保护层太厚，对上保护层进行二次采煤费用太高，这样容易造成资源浪费，降低煤矿的经济效益，因此在采煤过程中若能实时检测煤矿上保护层的厚度，进而智能控制综采设备的工作参数，不仅能够提高煤炭的开采效率及质量，而且可以确保矿井巷道的安全。
由于综采工作面环境复杂，煤尘、水雾遍布，实时探测上保护层的厚度难度较大。目前还没有一种可行的煤矿工作面上保护层厚度的检测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种新的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，包括以下：采用探地雷达进行探测，探地雷达放置在煤矿工作面的底面上，底面为煤层，探地雷达的发射端向上发射电磁波，发射的电磁波依次穿过煤矿工作面和上保护层后，反射回波反射回到探地雷达的接收端，记录探地雷达从发射电磁波到接收到反射回波的时间为t1，计算出煤矿工作面的高度d1；记录探地雷达发射的电磁波的场强为Ef，计算发射电磁波依次穿过上述各层后的场强，以及回射电磁波返回时穿过上述各层后的电磁波，电磁波穿过煤矿工作面后的场强E1，在混合气体/上保护层分界面上发生折射后的场强E2，通过上保护层后的场强E3，在上保护层/岩层发生反射后的场强E4，反射回波通过上保护层后的场强E5，反射回波在混合气体/上保护层分界面上发生透射时的场强E6，反射回波通过煤矿工作面后的场强Es2，由Ef、E1、E2、E3、E4、E5、E6与Es2之间的相互关系，推导得出上保护层的厚度d2；混合气体分布于煤矿工作面所在的空间。
进一步地，该煤矿工作面的高度d1的值依据雷达定位目标的公式计算：V混表示电磁波在空气、水雾、煤尘组成的混合气体中的传播速度。
进一步地，该电磁波穿过煤矿工作面后的场强E1采用电磁波在混合气体中的路径衰减公式计算：α混表示混合气体的衰减常数。
进一步地，该电磁波在混合气体/上保护层分界面上发生折射后的场强E2采用电磁波发生透射时的计算原理计算，ε煤表示煤的介电常数，ε混表示混合介质的介电常数。
进一步地，该电磁波通过上保护层后的场强E3采用路径衰减公式计算，d2表示上保护层的厚度。
进一步地，该电磁波在上保护层/岩层发生反射后的场强E4，根据电磁波在发生反射的计算原理计算，ε岩表示岩石层的介电常数。
进一步地，该反射回波通过上保护层后的场强E5通过以下计算：
进一步地，该反射回波在混合气体/上保护层分界面上发生透射时的场强E6通过如下计算，
进一步地，该反射回波通过煤矿工作面后的场强Es2采用如下计算，得出
进一步地，该混合介质的介电常数和混合气体电导率的计算方法采用二阶线性差值的方法进行模拟，混合介质的介电常数可以表示为：
混合气体电导率的计算公式为：
W煤，W水表示混合气体中(空气、水、煤粉)煤和水所占的权重比例。
本发明基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，具有如下优点：
1.在煤矿上保护层的探测中引入探地雷达进行超前探测，克服了现有的钻探法以及传感器法对上保护层的破坏性以及非实时性。
2.采用二阶线性差值的方法进行混合各向异性介质的电参数计算，使得计算出的混合介质的电参数更加精确，从而使得计算出的电磁波在混合物之中的损耗更加准确，提高了煤层上保护层探测的精度。
3.采用无线检测方法，不受地域条件限制，适用性广。
附图说明
图1是本发明建立的探地雷达在进行煤矿工作面上保护层探测时电波传播的简化模型图。
图2是本发明中利用二阶线性差值公式，取空气的相对介电常数为1，水雾的相对介电常数为81，煤的介电常数为4情况下得到的空气、水、煤的权值与混合介质的介电常数关系图。
图3是本发明利用二阶线性差值公式，取空气的电导率为8.85*10-12S/m,水雾的电导率取为0.15S/m，煤尘的电导率取为2*10-3S/m的情况下得到的空气、水雾、煤尘的权值与混合介质的电导率关系图。
图4是在取空气的电导率为8.85*10-12S/m,水雾的电导率为0.15S/m，空气的相对介电常数为1，水雾的相对介电常数为81，煤的介电常数为4，所有介质的磁导率都取真空磁导率，煤层的衰减系数为0.8Np/m时，对五种不同情形：1.空气占比为100％；2.空气占比为80％，水雾占比为10％，煤尘占比为10％；3.空气占比为40％，水雾占比为30％，煤尘占比为30％；4.空气占比为20％，水雾占比为40％，煤尘占比为40％；5.水雾占比为100％所绘制出上保护层厚度与Es2/Ef的关系图。
具体实施方式
如图1所示，基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，包括以下：采用探地雷达进行探测，所述探地雷达放置在煤矿工作面5的底面上，所述底面为煤层4，所述探地雷达的发射端向上发射电磁波，所述发射的电磁波依次穿过煤矿工作面5和上保护层2后，反射回波反射回到探地雷达的接收端，记录探地雷达从发射电磁波到接收到反射回波的时间为t1，计算出煤矿工作面5的高度d1；记录探地雷达发射的电磁波的场强为Ef，计算发射电磁波依次穿过上述各层后的场强，以及回射电磁波返回时穿过上述各层后的电磁波，电磁波穿过煤矿工作面5后的场强E1，在混合气体/上保护层分界面6上发生折射后的场强E2，通过上保护层2后的场强E3，在上保护层/岩层1发生反射后的场强E4，反射回波通过上保护层2后的场强E5，反射回波在混合气体/上保护层分界面6上发生透射时的场强E6，反射回波通过煤矿工作面5后的场强Es2，由Ef、E1、E2、E3、E4、E5、E6与Es2之间的相互关系，推导得出上保护层2的厚度d2；所述混合气体分布于煤矿工作面5所在的空间。煤矿工作面5的高度d1的值依据雷达定位目标的公式计算：所述V混表示电磁波在空气、水雾、煤尘组成的混合气体中的传播速度。
本发明基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，电磁波穿过煤矿工作面5后的场强E1采用电磁波在混合气体中的路径衰减公式计算：所述α混表示混合气体的衰减常数。电磁波在混合气体/上保护层分界面6上发生折射后的场强E2采用电磁波发生透射时的计算原理计算，所述ε煤表示煤的介电常数，ε混表示混合介质的介电常数。电磁波通过上保护层2后的场强E3采用路径衰减公式计算，所述d2表示上保护层2的厚度。电磁波在上保护层/岩层1发生反射后的场强E4，根据电磁波在发生反射的计算原理计算，所述ε岩表示岩石层的介电常数。反射回波通过上保护层2后的场强E5通过以下计算：反射回波在混合气体/上保护层分界面6上发生透射时的场强E6通过如下计算，反射回波通过煤矿工作面5后的场强Es2采用如下计算，得出
本发明基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，混合介质的介电常数和混合气体电导率的计算方法采用二阶线性差值的方法进行模拟，混合介质的介电常数可以表示为：
混合气体电导率的计算公式为：
所述W煤，W水表示混合气体中空气、水、煤粉)煤和水所占的权重比例。
本发明的应用效果可以通过以下仿真结果做进一步说明。
1、仿真数据：
取空气的相对介电常数为1、电导率为8.85*10-12S/m，水雾的相对介电常数为81、电导率取为0.15S/m，煤的介电常数为4、电导率取为2*10-3S/m
2、仿真内容及结果
仿真一：
利用本发明所建立的计算混合气体介电常数以及电导率的方法，得到了在给定条件下，任意比例的三种混合气体的介电常数以及电导率的分布图。
图2是任意比例的三种混合气体介质的介电常数分布图，图3是任意比例的三种混合气体介质的电导率分布图。
仿真二：
利用本发明所建立的矿井工作面上保护层厚度的计算方法，取空气的相对介电常数为1、电导率为8.85*10-12S/m,水雾的相对介电常数为81、电导率为0.15S/m，煤的介电常数为4、衰减系数为0.8Np/m，所有介质的磁导率都取真空磁导率，图4表示各成分别取以下五种情况时上保护层厚度与Es2/Ef的关系图。
1.空气占比为100％；
2.空气占比为80％，水雾占比为10％，煤尘占比为10％；
3.空气占比为40％，水雾占比为30％，煤尘占比为30％；
4.空气占比为20％，水雾占比为40％，煤尘占比为40％；
5.水雾占比为100％；
图4表明电磁波在混合气体中的衰减常数值在1和5对应的值之间变化且随着水雾与煤尘比例的增加而增大，不同比例的混合气体，其上保护层厚度与Es2/Ef的关系曲线都介于图4中1曲线与5曲线之间。随着探地雷达的增益不同，雷达系统最小可识别的Es2/Ef也随之不同。若给定系统最小可识别的Es2/Ef为0.075，根据图4可以得到，探地雷达最大可探测深度在0.38m～0.7m之间。

Claims (10)

1.基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，其特征在于，包括以下：
采用探地雷达进行探测，所述探地雷达放置在煤矿工作面(5)的底面上，所述底面为煤层(4)，所述探地雷达的发射端向上发射电磁波，所述发射的电磁波依次穿过煤矿工作面(5)和上保护层(2)后，反射回波反射回到探地雷达的接收端，记录探地雷达从发射电磁波到接收到反射回波的时间为t1，计算出煤矿工作面(5)的高度d1；
记录探地雷达发射的电磁波的场强为Ef，计算发射电磁波依次穿过上述各层后的场强，以及回射电磁波返回时穿过上述各层后的电磁波，电磁波穿过煤矿工作面(5)后的场强E1，在混合气体/上保护层分界面(6)上发生折射后的场强E2，通过上保护层(2)后的场强E3，在上保护层/岩层(1)发生反射后的场强E4，反射回波通过上保护层(2)后的场强E5，反射回波在混合气体/上保护层分界面(6)上发生透射时的场强E6，反射回波通过煤矿工作面(5)后的场强Es2，由Ef、E1、E2、E3、E4、E5、E6与Es2之间的相互关系，推导得出上保护层(2)的厚度d2；所述混合气体分布于煤矿工作面(5)所在的空间。
2.按照权利要求1所述的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，其特征在于，所述煤矿工作面(5)的高度d1的值依据雷达定位目标的公式计算：所述V混表示电磁波在空气、水雾、煤尘组成的混合气体中的传播速度。
3.按照权利要求2所述的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度的检测算法，其特征在于，所述电磁波穿过煤矿工作面(5)后的场强E1采用电磁波在混合气体中的路径衰减公式计算：所述α混表示混合气体的衰减常数。
4.按照权利要求3所述的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，其特征在于，所述电磁波在混合气体/上保护层分界面(6)上发生折射后的场强E2采用电磁波发生透射时的计算原理计算，所述ε煤表示煤的介电常数，ε混表示混合介质的介电常数。
5.按照权利要求4所述的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，其特征在于，所述电磁波通过上保护层(2)后的场强E3采用路径衰减公式计算，所述d2表示上保护层(2)的厚度。
6.按照权利要求5所述的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，其特征在于，所述电磁波在上保护层/岩层(1)发生反射后的场强E4，根据电磁波在发生反射的计算原理计算，所述ε岩表示岩石层的介电常数。
7.按照权利要求6所述的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，其特征在于，所述反射回波通过上保护层(2)后的场强E5通过以下计算：
8.按照权利要求7所述的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，其特征在于，所述反射回波在混合气体/上保护层分界面(6)上发生透射时的场强E6通过如下计算，
9.按照权利要求8所述的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，其特征在于，所述反射回波通过煤矿工作面(5)后的场强Es2采用如下计算，得出
10.按照权利要求4～9中任一项所述的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，其特征在于，所述混合介质的介电常数和混合气体电导率的计算方法采用二阶线性差值的方法进行模拟，混合介质的介电常数可以表示为：
混合气体电导率的计算公式为：
所述W煤，W水表示混合气体中(空气、水、煤粉)煤和水所占的权重比例。
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