CN111830499A - 基于电磁波技术的煤岩识别方法 - Google Patents

基于电磁波技术的煤岩识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁波技术的煤岩识别方法，根据地质资料计算出煤岩界面的反射波强度R2n+1，只要其高于系统的最低接收门限，雷达系统就会接收到至少2n+1个雷达回波，每一层的厚度都可以通过雷达波的双程走时精确的计算出来，从而求出整个煤层的厚度。因此影响雷达回波强度的因素就是雷达系统发射功率、增益、频率、煤岩介质的电参数、介质层数、层间夹角以及电磁波入射角度等。本发明的技术效果和优点：通过建立煤岩界面模型，来研究煤岩电参数、环境参数以及探测仪器对探测结果的影响，开展不同测试频率(微波频段)、各种煤岩组合和简单/复杂地质条件下的电磁探测适用性研究，为雷达系统的选型和设计提供理论依据。

Description

基于电磁波技术的煤岩识别方法
技术领域
本发明涉及煤岩识别技术领域，更具体地说是一种基于电磁波技术的煤 岩识别方法。
背景技术
中国是世界上的煤炭生产和消耗大国之一，在我国一次能源生产和消费 结构中，煤炭一直占据了70％以上的席位，其比重远远的超过了世界平均水 平。哥本哈根会议后，全世界对大力发展新能源和可再生能源达成了共识， 我国也在大力提倡和发展新能源，2011-2015年期间煤炭所占一次能源消耗比 重下降到63％左右，2016-2020年期间煤炭占能源消耗比重仍会呈下降趋势， 但在短时间内煤炭的主体能源地位依然不会动摇，预计到2030年中国煤炭 消费量依然占据一次能源消费总量的50％以上。此外还会使滚筒切入岩石导 致齿轮磨损，在高瓦斯矿井有可能产生火花引发爆炸。然而我国的设备水平 相对落后，缺少采掘装备的工况数据和位姿信息，只能依靠操作工的观察以 及经验来判断是否切割到岩石从而调整滚筒高度，此外采掘现场环境恶劣， 生产过程中产生的粉尘降低了可见度，各种机械噪音也会直接影响操作工人 的判断，仅依靠人工的方式很难达到理想的效果也很难应对突变的工况。
解决这一问题的关键就是研制出一种非接触式可超前/实时探测的传感 器/设备，可以准确迅速的获取煤岩界面信息或判别出采煤机的截割状态(割 煤/割岩)，从而能够有效的制定滚筒调高策略，获得最大产出率，要达到这 一目的，还有许多问题亟待解决。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于电磁波技术的煤岩 识别方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于电磁波技术的煤岩识别方法，包括以下方法：
建立一个含有n层矸石层的煤岩界面模型；其中煤层的总体厚度为L，每 一层煤层的厚度分别为L1，L3…L2n+1。其相对介电常数分别为ε1，ε3，… ε2n+1，其电导率分别为σ1，σ3，σ2n+1；每一层矸石层的厚度L2，L4…L2n， 其相对介电常数分别为ε2，ε4，…ε2n，其电导率分别为σ2，σ4， σ2n；顶板岩石的相对介电常数为ε2n+2，电导率为σ2n+2。假设雷达波T0从距离煤层L0处的雷达天线发射并在空气层和第一层介质交界面发生反射与 透射，其入射角为θ0，折射角为β1，其反射波R0被雷达接收天线所接收。 透射波T1在第一层介质中传播并在第一层介质与第二层介质的界面处发生 反射与折射，其入射角为θ1，折射角为β2，其反射波R1将被雷达天线所接 收。同理，假设第2n+1层介质和第2n+2层(顶板)介质的反射波R2n+1能被 雷达天线所接收到，那么就可以根据雷达波在复杂煤层中的双程走时计算出 煤层的厚度:
Figure BDA0002629836290000021
式中，vi为雷达波在第i层介质中的传播速度，ti为电磁波在第i层介 质中的双程走时。
上述的计算方法可以快速的计算出煤层的厚度，但这一计算方法成立的条件 是煤岩界面所返回的雷达波强度要高于雷达系统的接收门限值。计算出雷达 波在空气层和第一层介质交界面处的强度为
Figure BDA0002629836290000031
雷达接收天线接收到的空气层和第一层介质交界面返回的电磁波强度为
Figure BDA0002629836290000032
假设天线与第n层介质和n+1层介质交界面之间的距离可以近似为雷 达波在前n层介质中行进的距离，则不难计算出第1层介质与第2层介质 交界面处的电磁波能量为
Figure BDA0002629836290000033
当介质层之间的分界面不互相平行时，按逆时针方向定义n层介质和 n+1层介质之间的夹角为Yn，则可以根据公式
θi＝θr
Figure BDA0002629836290000034
计算出从煤岩界面返回的电磁波在n+1层介质和n层介质分界面的透 射角为β′n＝arcsin(vn+1/vnsinθ′n+1)，
其中入射角θ′n+1＝θn+1±γn+1。因此，雷达天线所接收到的第1层介质与第2 层介质交界面反射回的电磁波能量为
Figure BDA0002629836290000041
其中r1，2为第一层介质和第二层介质交界面的反射系数，t0，1为电磁波 从空气层进入第一层介质的透射系数，t1，0为电磁波从第一层介质进入空气层 的透射系数，反射系数和透射系数按照可以通过公式
Figure BDA0002629836290000042
Figure BDA0002629836290000043
和
Figure BDA0002629836290000044
Figure BDA0002629836290000045
计算得出。 同理可以求出雷达所接收到的第二层介质和第三层介质交界面处反射波的能 量为
Figure BDA0002629836290000051
其中a项为L0/cosθ0+L0/cosβ′0，
b项为L1/cosβ1+L1/cosθ′1，
c项为L2/cosβ2+L2/cosθ′2。
令θ0＝β0，β′0＝θ′0，则可以得到雷达系统接收到的第n层和 n+1层介质交界面处反射波的能量为
Figure BDA0002629836290000052
其中，rn，n+1为第n层和n+1层介质交界面的反射系数，ti-1，i电磁波从 第i-1层传播到第i层介质的透射系数，Li为第i层介质的厚度，βi为 电磁波从第i-1层传播到第i层介质的透射角，θi′为电磁波从i+1层介 质向i层介质传播时的入射角，αi为第i层介质的衰减系数。其中，
Figure BDA0002629836290000053
项为各层界面的反射折射衰减，
Figure BDA0002629836290000054
项为各层介质对电磁波的衰减。
通常而言，可以根据地质资料计算出煤岩界面的反射波强度R2n+1，只要 其高于系统的最低接收门限，雷达系统就会接收到至少2n+1个雷达回波， 每一层的厚度都可以通过雷达波的双程走时精确的计算出来，从而求出整个 煤层的厚度。因此影响雷达回波强度的因素就是雷达系统发射功率、增益、 频率、煤岩介质的电参数、介质层数、层间夹角以及电磁波入射角度等。借 助于上述的模型，不仅可以研究给定的雷达系统的适用性。同理也可以通过 代入一个具体矿井的真实参数来实现雷达系统的选型和设计。
本发明的技术效果和优点：通过建立煤岩界面模型，来研究煤岩电参数、 环境参数以及探测仪器对探测结果的影响，开展不同测试频率(微波频段)、 各种煤岩组合和简单/复杂地质条件下的电磁探测适用性研究，为雷达系统的 选型和设计提供理论依据。
附图说明
图1为本发明模型结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于电磁波技术的煤岩识别方法，包括以下方法：
建立一个含有n层矸石层的煤岩界面模型；其中煤层的总体厚度为L，每 一层煤层的厚度分别为L1，L3…L2n+1。其相对介电常数分别为ε1，ε3，… ε2n+1，其电导率分别为σ1，σ3，σ2n+1；每一层矸石层的厚度L2，L4…L2n， 其相对介电常数分别为ε2，ε4，…ε2n，其电导率分别为σ2，σ4， σ2n；顶板岩石的相对介电常数为ε2n+2，电导率为σ2n+2。假设雷达波T0从距离煤层L0处的雷达天线发射并在空气层和第一层介质交界面发生反射与 透射，其入射角为θ0，折射角为β1，其反射波R0被雷达接收天线所接收。 透射波T1在第一层介质中传播并在第一层介质与第二层介质的界面处发生 反射与折射，其入射角为θ1，折射角为β2，其反射波R1将被雷达天线所接 收。同理，假设第2n+1层介质和第2n+2层(顶板)介质的反射波R2n+1能被 雷达天线所接收到，那么就可以根据雷达波在复杂煤层中的双程走时计算出 煤层的厚度:
Figure BDA0002629836290000071
式中，vi为雷达波在第i层介质中的传播速度，ti为电磁波在第i层介 质中的双程走时。
上述的计算方法可以快速的计算出煤层的厚度，但这一计算方法成立的条件 是煤岩界面所返回的雷达波强度要高于雷达系统的接收门限值。计算出雷达 波在空气层和第一层介质交界面处的强度为
Figure BDA0002629836290000072
雷达接收天线接收到的空气层和第一层介质交界面返回的电磁波强度为
Figure BDA0002629836290000073
假设天线与第n层介质和n+1层介质交界面之间的距离可以近似为雷 达波在前n层介质中行进的距离，则不难计算出第1层介质与第2层介质 交界面处的电磁波能量为
Figure BDA0002629836290000081
当介质层之间的分界面不互相平行时，按逆时针方向定义n层介质和 n+1层介质之间的夹角为Yn，则可以根据公式
θi＝θr
Figure BDA0002629836290000082
计算出从煤岩界面返回的电磁波在n+1层介质和n层介质分界面的透 射角为β′n＝arcsin(vn+1/vnsinθ′n+1)，
其中入射角θ′n+1＝θn+1±γn+1。因此，雷达天线所接收到的第1层介质与第2 层介质交界面反射回的电磁波能量为
Figure BDA0002629836290000083
其中r1，2为第一层介质和第二层介质交界面的反射系数，t0，1为电磁波 从空气层进入第一层介质的透射系数，t1，0为电磁波从第一层介质进入空气层 的透射系数，反射系数和透射系数按照可以通过公式
Figure BDA0002629836290000091
Figure BDA0002629836290000092
和
Figure BDA0002629836290000093
Figure BDA0002629836290000094
计算得出。 同理可以求出雷达所接收到的第二层介质和第三层介质交界面处反射波的能 量为
Figure BDA0002629836290000095
其中a项为L0/cosθ0+L0/cosβ′0，
b项为L1/cosβ1+L1/cosθ′1，
c项为L2/cosβ2+L2/cosθ′2。
令θ0＝β0，β′0＝θ′0，则可以得到雷达系统接收到的第n层和 n+1层介质交界面处反射波的能量为
Figure BDA0002629836290000101
其中，rn，n+1为第n层和n+1层介质交界面的反射系数，ti-1，i电磁波从 第i-1层传播到第i层介质的透射系数，Li为第i层介质的厚度，βi为 电磁波从第i-1层传播到第i层介质的透射角，θi′为电磁波从i+1层介 质向i层介质传播时的入射角，αi为第i层介质的衰减系数。其中， 项为各层界面的反射折射衰减，
Figure BDA0002629836290000103
项为各层介质对电磁波的衰减。
通常而言，可以根据地质资料计算出煤岩界面的反射波强度R2n+1，只要 其高于系统的最低接收门限，雷达系统就会接收到至少2n+1个雷达回波， 每一层的厚度都可以通过雷达波的双程走时精确的计算出来，从而求出整个 煤层的厚度。因此影响雷达回波强度的因素就是雷达系统发射功率、增益、 频率、煤岩介质的电参数、介质层数、层间夹角以及电磁波入射角度等。借 助于上述的模型，不仅可以研究给定的雷达系统的适用性。同理也可以通过 代入一个具体矿井的真实参数来实现雷达系统的选型和设计。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另 有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机 械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、 “左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变， 则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结 构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同 实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于电磁波技术的煤岩识别方法，其特征在于，包括以下方法：建立一个含有n层矸石层的煤岩界面模型；其中煤层的总体厚度为L，每一层煤层的厚度分别为L1，L3…L2n+1。其相对介电常数分别为ε1，ε3，…ε2n+1，其电导率分别为σ1，σ3，σ2n+1；每一层矸石层的厚度L2，L4…L2n，其相对介电常数分别为ε2，ε4，…ε2n，其电导率分别为σ2，σ4，σ2n；顶板岩石的相对介电常数为ε2n+2，电导率为σ2n+2。假设雷达波T0从距离煤层L0处的雷达天线发射并在空气层和第一层介质交界面发生反射与透射，其入射角为θ0，折射角为β1，其反射波R0被雷达接收天线所接收。透射波T1在第一层介质中传播并在第一层介质与第二层介质的界面处发生反射与折射，其入射角为θ1，折射角为β2，其反射波R1将被雷达天线所接收。同理，假设第2n+1层介质和第2n+2层(顶板)介质的反射波R2n+1能被雷达天线所接收到，那么就可以根据雷达波在复杂煤层中的双程走时计算出煤层的厚度:
Figure FDA0002629836280000011
式中，vi为雷达波在第i层介质中的传播速度，ti为电磁波在第i层介质中的双程走时。
上述的计算方法可以快速的计算出煤层的厚度，但这一计算方法成立的条件是煤岩界面所返回的雷达波强度要高于雷达系统的接收门限值。计算出雷达波在空气层和第一层介质交界面处的强度为
Figure FDA0002629836280000021
雷达接收天线接收到的空气层和第一层介质交界面返回的电磁波强度为
Figure FDA0002629836280000022
假设天线与第n层介质和n+1层介质交界面之间的距离可以近似为雷达波在前n层介质中行进的距离，则不难计算出第1层介质与第2层介质交界面处的电磁波能量为
Figure FDA0002629836280000023
当介质层之间的分界面不互相平行时，按逆时针方向定义n层介质和n+1层介质之间的夹角为γn，则可以根据公式
θi＝θr
Figure FDA0002629836280000024
计算出从煤岩界面返回的电磁波在n+1层介质和n层介质分界面的透射角为β′n＝arcsin(vn+1/vnsinθ′n+1)，
其中入射角θ′n+1＝θn+1±γn+1。因此，雷达天线所接收到的第1层介质与第2层介质交界面反射回的电磁波能量为
Figure FDA0002629836280000031
其中r1,2为第一层介质和第二层介质交界面的反射系数，t0,1为电磁波从空气层进入第一层介质的透射系数，t1,0为电磁波从第一层介质进入空气层的透射系数，反射系数和透射系数按照可以通过公式
Figure FDA0002629836280000032
Figure FDA0002629836280000033
和
Figure FDA0002629836280000034
Figure FDA0002629836280000035
计算得出。同理可以求出雷达所接收到的第二层介质和第三层介质交界面处反射波的能量为
Figure FDA0002629836280000041
其中a项为L0/cosθ0+L0/cosβ′0，
b项为L1/cosβ1+L1/cosθ′1，
c项为L2/cosβ2+L2/cosθ′2。
令θ0＝β0，β′0＝θ′0，则可以得到雷达系统接收到的第n层和n+1层介质交界面处反射波的能量为
Figure FDA0002629836280000042
其中，rn,n+1为第n层和n+1层介质交界面的反射系数，ti-1，i电磁波从第i-1层传播到第i层介质的透射系数，Li为第i层介质的厚度，βi为电磁波从第i-1层传播到第i层介质的透射角，θi′为电磁波从i+1层介质向i层介质传播时的入射角，αi为第i层介质的衰减系数。其中，
Figure FDA0002629836280000043
项为各层界面的反射折射衰减，
Figure FDA0002629836280000044
项为各层介质对电磁波的衰减。
通常而言，可以根据地质资料计算出煤岩界面的反射波强度R2n+1，只要其高于系统的最低接收门限，雷达系统就会接收到至少2n+1个雷达回波，每一层的厚度都可以通过雷达波的双程走时精确的计算出来，从而求出整个煤层的厚度。因此影响雷达回波强度的因素就是雷达系统发射功率、增益、频率、煤岩介质的电参数、介质层数、层间夹角以及电磁波入射角度等。借助于上述的模型，不仅可以研究给定的雷达系统的适用性。同理也可以通过代入一个具体矿井的真实参数来实现雷达系统的选型和设计。
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