CN111736234B

CN111736234B - 一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法

Info

Publication number: CN111736234B
Application number: CN202010734789.9A
Authority: CN
Inventors: 刘万里; 马修泽; 伊世学
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: CN111736234A

Abstract

本发明公开了一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，适用于煤矿井下使用。利用探地雷达系统测得巷道顶底煤岩分界面信息，利用测距轮测得探地雷达系统行进距离，将煤岩分界面信息与钻孔地图结合，对煤的介电常数进行校正；使用校正后的介电常数计算出巷道各处顶底煤厚，再加上激光扫描设备扫描出的巷道高度可得到巷道各处总体煤厚；使用透射槽波测得工作面地震信息，预处理后优选频率对槽波群速度进行层析成像，对巷道处槽波群速度和巷道处煤厚进行多项式拟合，根据拟合出的群速度‑煤厚关系对工作面各处煤厚进行预测。其提高了煤厚预测的准确性，为采煤机截割轨迹规划提供了参考，提高了工作面回采率。

Description

一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法

技术领域

本发明涉及一种煤厚预测领域，尤其适用于煤矿井下使用的一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法。

背景技术

煤炭是我国的主体能源，煤矿无人化开采是国际煤炭开采领域共同追求的前沿技术，是减少人员伤亡、保障安全生产的重要手段也是我国煤矿实现安全、高效、绿色开采的有效途径。

煤厚准确预测是实现煤炭无人化开采必须解决的问题。目前，煤厚预测主要采用以下三种方法：第一种是以地面钻孔资料为约束条件，三维地震剖面进行横向控制的方法，例如一种利用经验模态分解和支持向量机定量预测煤厚的方法，该方法对测区的钻孔密度要求较高，同时预测精度受三维地震数据的质量影响较大。第二种是利用地震波振幅等参数预测煤厚，例如基于地震属性的煤层厚度分析方法，该方法受地震数据信噪比和保真度影响较大，具有多解性，一般只能预测煤厚变化趋势，难以对煤厚准确预测。第三种为槽波勘探，例如一种基于透射槽波频散曲线反演的煤厚定量预测方法，利用槽波直接携带煤层信息的特点，将透射槽波与钻孔资料结合对煤厚进行预测，但是由于钻孔数量有限，无法高精度预测煤厚。因此我们需要这样一种方法来提高预测精度。

发明内容

针对上述技术的不足之处，提供一种高精度，受钻探数据数量影响小的基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法。

为实现上述技术目的，本发明的基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，使用探地雷达系统和激光扫描设备，并将探地雷达系统设置在移动平台上，在移动平台的轮子上设置测距轮，探地雷达天线分别设置在移动平台的顶部和底部用以实时测量顶底煤岩分界面信息，激光扫描设备设置在移动平台顶部，用以扫描出巷道高度；其步骤如下：

步骤a、利用移动平台搭载探地雷达系统和激光扫描设备沿巷道测量巷道顶底煤岩分界面信息和巷道高度；

步骤b、根据已知深度法结合钻孔地图上的钻孔处煤厚信息和探地雷达所测顶底煤岩分界面信息校正煤的介电常数；

步骤c、使用探地雷达配套分析软件IDSP7根据巷道顶底煤岩分界面信息和校正后的介电常数计算出整条巷道的顶底煤厚信息；

步骤d、将巷道顶底煤厚与巷道高度相加，得到整条巷道各处的总煤厚信息，利用巷道各处总煤厚信息计算巷道煤厚平均值；

步骤e、在工作面一侧的整条巷道中间隔布置多个炮孔，在另一侧的的整条巷道中间隔布置多个检波孔，在每个炮孔中放置炸药，在每个检波孔中放置检波器，所有检波器通过线路与采集站连接；开启所有检波器进入工作状态，从巷道一端逐个引爆炮点中的炸药，全部检波器采集振动信息；

步骤f、对检波器采集到的振动信息进行预处理，然后使用地震分析软件SCT拾取槽波初至信号，选用对煤厚平均值分辨率最高的频率对群速度进行层析成像，得出工作面及工作面两侧巷道各处槽波群速度；

步骤g、将上述计算得出的巷道各处煤厚和对应的巷道处槽波群速度进行多项式拟合；

步骤h、根据拟合出的多项式得到的煤厚-群速度关系，结合层析成像得出的工作面各处槽波群速度计算出工作面各处煤厚。

所述探地雷达系统型号为LTD-2600，包括天线、主机、连接电缆；天线被安装在移动平台的顶部和底部，通过连接电缆与主机相连，分别测量顶底煤厚信息，并记录存储。

所述探地雷达天线频率有GC1500MHZ、GC900HF、GC270HF、GC100HF四种频率可供选择，可根据实测煤厚需要选择天线频率，煤厚测量范围为0.03～15m。

所述移动平台上安装有激光扫描设备与测距轮，激光扫描设备用于实时扫描记录巷道高度信息；测距轮通过专用电缆与探地雷达主机相连，将探地雷达实时测量的顶底煤岩分界面信息与移动平台对应的行进距离联系起来，形成一个二维巷道图，用以与煤矿钻孔地图进行对照。

所测工作面煤的介电常数可通过钻孔地图的钻孔煤厚信息和探地雷达所测煤岩分界面信息进行校正：

式中：∈_r1为探地雷达主机初始设置的介电常数；t为电磁波在煤层中的单程走时；d₁为探地雷达初始设置下测得的煤厚；∈_r2为校正后的介电常数；d₂为钻孔地图已知的煤厚；c为电磁波在真空中的传播速度。

所设炮孔间距10m，检波器孔间距10m，炮孔与检波孔垂直于煤壁，炮孔和检波孔布置在煤层中部位置，炮孔与检波器孔的连线覆盖整个待测工作面，从而提高层析成像精度，为提高透射槽波对煤厚预测的准确性，需要在进行一次测量，测量前将炮孔和检波器孔互换位置再次进行引爆炸药并采集振动信息。

所述预处理包括将采集站的数据导出并进行格式转换、对信号进行滤波处理、剔除所收集信号中的无效道、建立观测系统。预处理后的地震信号信噪比提高，远道信号干扰被消除。

巷道各处煤厚和对应的巷道处槽波群速度进行多项式拟合具体步骤为：利用matlab中对数据进行绘图判断基本趋势；用二次、三次、四次多项式进行基本拟合；比较各个曲线对于离散数据的拟合度、选取拟合度最好的多项式模型；利用多项式拟合代码确定多项式模型的参数。

所选对煤厚平均值分辨率最高的频率对于煤厚平均值附近煤厚均有很好的分辨效果。

有益效果：本发明使用探地雷达发射超宽带信号，根据煤岩界面的反射回波与校正后的介电常数可以准确测量出巷道处的顶底煤厚信息；利用激光扫描设备实时测量出巷道高度，从而得出巷道总体煤厚；利用透射槽波勘探进行了层析成像频率优选，反演出的槽波波速结果更为准确摆脱由于钻孔数据数量过少、只能定性分析煤厚的限制，提高了煤厚预测的准确性，为采煤机截割轨迹规划提供了参考，提高了工作面回采率；检测高精度，受钻探数据数量影响小。

附图说明

图1为本发明基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法的流程图。

图2为本发明的移动探测机构示意图。

图中，1、探地雷达天线；2、激光扫描设备；3、巷道顶板；4、移动平台；5、巷道底板；6、测距轮；7、连接电缆；8、探地雷达主机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1和图2所示，本发明的基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，使用移动探测机构，其包括探地雷达系统和激光扫描设备2，并将探地雷达系统设置在移动平台4上，探地雷达系统包括探地雷达天线1和探地雷达主机8，在移动平台4的轮子上设置测距轮6，探地雷达天线1分别设置在移动平台4的顶部和底部用以实时测量巷道顶板3的顶煤岩分界面信息以及巷道底板5的底煤岩分界面信息，激光扫描设备2设置在移动平台4顶部，用以扫描出巷道高度；所述探地雷达系统型号为LTD-2600；连接电缆7，探地雷达天线1、激光扫描设备2、测距轮6和探地雷达主机8之间通过连接电缆7相互链接；天线被安装在移动平台4的顶部和底部，通过连接电缆7与主机相连，分别测量顶底煤厚信息，并记录存储，所述探地雷达天线1频率有GC1500MHZ、GC900HF、GC270HF、GC100HF四种频率可供选择，可根据实测煤厚需要选择天线频率，煤厚测量范围为0.03～15m。所述移动平台4上安装有激光扫描设备2与测距轮66，激光扫描设备2用于实时扫描记录巷道高度信息；测距轮6通过专用电缆与探地雷达主机8相连，将探地雷达实时测量的顶底煤岩分界面信息与移动平台4对应的行进距离联系起来，形成一个二维巷道图，用以与煤矿钻孔地图进行对照。

其步骤如下：

步骤a、利用移动平台4搭载探地雷达系统和激光扫描设备2沿巷道测量巷道顶底煤岩分界面信息和巷道高度；

式中：∈_r1为探地雷达主机8初始设置的介电常数；t为电磁波在煤层中的单程走时；d₁为探地雷达初始设置下测得的煤厚；∈_r2为校正后的介电常数；d₂为钻孔地图已知的煤厚；c为电磁波在真空中的传播速度；

步骤e、在工作面一侧的整条巷道中间隔布置多个炮孔，在另一侧的的整条巷道中间隔布置多个检波孔，在每个炮孔中放置炸药，在每个检波孔中放置检波器，所有检波器通过线路与采集站连接；开启所有检波器进入工作状态，从巷道一端逐个引爆炮点中的炸药，全部检波器采集振动信息；所设炮孔间距10m，检波器孔间距10m，炮孔与检波孔垂直于煤壁，炮孔和检波孔布置在煤层中部位置，炮孔与检波器孔的连线覆盖整个待测工作面，从而提高层析成像精度，为提高透射槽波对煤厚预测的准确性，需要在进行一次测量，测量前将炮孔和检波器孔互换位置再次进行引爆炸药并采集振动信息；

步骤f、对检波器采集到的振动信息进行预处理，然后使用地震分析软件SCT拾取槽波初至信号，选用对煤厚平均值分辨率最高的频率对群速度进行层析成像，得出工作面及工作面两侧巷道各处槽波群速度；预处理包括将采集站的数据导出并进行格式转换、对信号进行滤波处理、剔除所收集信号中的无效道、建立观测系统。预处理后的地震信号信噪比提高，远道信号干扰被消除；

步骤g、将上述计算得出的巷道各处煤厚和对应的巷道处槽波群速度进行多项式拟合；巷道各处煤厚和对应的巷道处槽波群速度进行多项式拟合具体步骤为：利用matlab中对数据进行绘图判断基本趋势；用二次、三次、四次多项式进行基本拟合；比较各个曲线对于离散数据的拟合度、选取拟合度最好的多项式模型；利用多项式拟合代码确定多项式模型的参数。

对煤厚平均值分辨率最高的频率对于煤厚平均值附近煤厚均有很好的分辨效果。

Claims

1.一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，使用探地雷达系统和激光扫描设备，并将探地雷达系统设置在移动平台上，在移动平台的轮子上设置测距轮，探地雷达天线分别设置在移动平台的顶部和底部用以实时测量顶底煤岩分界面信息，激光扫描设备设置在移动平台顶部，用以扫描出巷道高度；其特征在于步骤如下：

步骤e、在工作面一侧的整条巷道中间隔布置多个炮孔，在另一侧的整条巷道中间隔布置多个检波孔，在每个炮孔中放置炸药，在每个检波孔中放置检波器，所有检波器通过线路与采集站连接；开启所有检波器进入工作状态，从巷道一端逐个引爆炮点中的炸药，全部检波器采集振动信息；

步骤g、将上述计算得出的巷道顶底煤厚和对应的巷道处槽波群速度进行多项式拟合；

2.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，其特征在于，所述探地雷达系统型号为LTD-2600，包括天线、主机、连接电缆；天线被安装在移动平台的顶部和底部，通过连接电缆与主机相连，分别测量顶底煤厚信息，并记录存储。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，其特征在于，所述探地雷达天线频率有GC1500MHZ、GC900HF、GC270HF、GC100HF四种频率可供选择，可根据实测煤厚需要选择天线频率，煤厚测量范围为0.03～15m。

4.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，其特征在于，所述移动平台上安装有激光扫描设备与测距轮，激光扫描设备用于实时扫描记录巷道高度信息；测距轮通过专用电缆与探地雷达主机相连，将探地雷达实时测量的顶底煤岩分界面信息与移动平台对应的行进距离联系起来，形成一个二维巷道图，用以与煤矿钻孔地图进行对照。

5.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，其特征在于：所测工作面煤的介电常数可通过钻孔地图的钻孔煤厚信息和探地雷达所测煤岩分界面信息进行校正：

6.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，其特征在于，所设炮孔间距10m，检波器孔间距10m，炮孔与检波孔垂直于煤壁，炮孔和检波孔布置在煤层中部位置，炮孔与检波器孔的连线覆盖整个待测工作面，从而提高层析成像精度，为提高透射槽波对煤厚预测的准确性，需要再进行一次测量，测量前将炮孔和检波器孔互换位置再次进行引爆炸药并采集振动信息。

7.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，其特征在于，所述预处理包括将采集站的数据导出并进行格式转换、对信号进行滤波处理、剔除所收集信号中的无效道、建立观测系统，预处理后的地震信号信噪比提高，远道信号干扰被消除。

8.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，其特征在于巷道顶底煤厚和对应的巷道处槽波群速度进行多项式拟合具体步骤为：利用matlab中对数据进行绘图判断基本趋势；用二次、三次、四次多项式进行基本拟合；比较各个曲线对于离散数据的拟合度、选取拟合度最好的多项式模型；利用多项式拟合代码确定多项式模型的参数。

9.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达和地震透射槽波的煤厚预测方法，其特征在于，所选对煤厚平均值分辨率最高的频率对于煤厚平均值附近煤厚均有很好的分辨效果。