CN111999773B - 一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，包括如下步骤：在煤矿井下根据前期的勘探资料，确定至少三个钻孔的位置，测量钻孔间的距离，并且根据设计轨钻孔迹进行打钻；在其中一个钻孔内进行钻孔雷达探测，并将一个金属杆分别放置在其他钻孔内，利用钻孔雷达探测金属杆的响应，确定金属杆在钻孔雷达上的响应的时间位置；根据钻孔之间的距离及金属杆的响应时间，计算电磁波在煤层中传输的速度及煤层的相对介电常数。本发明在煤矿井下现场操作，需要的钻孔深度无需太深，容易操作；在煤矿井下工作面内测量介电常数，提供的煤相对介电常数相对较准确，为煤矿井下其他的利用雷达进行探测提供准确的煤的相对介电常数，便于分析。

Description

一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法

技术领域

本发明属于应用地球物理勘探技术领域，具体涉及一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法。

背景技术

随着煤矿智能化开采的发展，当前煤层开采要求提前将煤层的顶底板位置、煤厚变化、煤层内的断层、陷落柱等构造探测出来，地质雷达作为一种高精度的探测方法，在煤矿井下探测至关重要。中国各个地方的煤的显微组分不同，煤的地球物理特征参数也不同，为了利用地质雷达(包括探地雷达、钻孔雷达)进行煤矿井下的顶底板位置、煤层厚度变化、煤层内断层、陷落柱等构造的准确定位，在各个地方进行雷达探测时需要进行煤矿井下的煤的介电常数原位测量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，以提供相对较准确的煤相对介电常数，为煤矿井下其他的利用雷达进行探测提供准确的煤的相对介电常数，便于分析。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，该方法首先在煤矿井下确定至少三个钻孔的位置，且个钻孔的钻孔轨迹相互平行，测量钻孔间的距离，并且根据设计钻孔轨迹进行打钻；在其中一个钻孔K₀内进行钻孔雷达探测，并将一个金属杆分别放置在其他钻孔内，其他钻孔包括钻孔K₁和钻孔K₂，利用钻孔雷达探测金属杆的响应，确定金属杆在钻孔雷达上的响应的时间位置；再根据钻孔之间的距离及金属杆的响应时间，计算电磁波在煤层中传输的速度，进而得到煤层的相对介电常数；

计算煤层的相对介电常数ε_r：

式中：ε_r为煤的相对介电常数，无量纲；C为电磁波在真空中的传播速度，取 3×10⁸m/s；t₁为钻孔K₁内金属杆的响应时间，单位s；t₂为钻孔K₂内金属杆的响应时间，单位s，D₀₁为钻孔K₁与钻孔K₀之间的距离，单位m；D₀₂为钻孔K₂与钻孔K₀之间的距离，单位m。

本发明包括如下技术特征：

具体的，包括以下步骤：

步骤1，设计钻孔的相对位置、轨迹及长度：设计三个钻孔的位置，在每个钻孔周围半径为dd内没有断层、陷落柱构造，其中dd为钻孔雷达的探测半径，单位m；

三个钻孔分别为K₀、K₁、K₂，对应的孔口分别标记为P₀(x₀,y₀)，P₁(x₁,y₁)、P₂(x₂,y₂)，P₀与P₁之间的距离为D₀₁且D₀₁>H/2，H为煤层厚度，P₀与P₂之间的距离为D₀₂且 2D₀₁<D₀₂<dd；

设计三个相互平行的钻孔的轨迹；

三个钻孔的长度分别为L₀、L₁和L₂，且满足如下的关系：

L₀＝L₁±1m，L₁＝L₂±1m，L₂＝L₀±1m；且L₀、L₁和L₂均大于3倍的l,

其中l为钻孔雷达天线的长度，单位m；

步骤2，打钻：现场根据设计轨迹以及现场孔口的位置标记进行打钻，采用人工钻或者机械钻机进行打钻均可，钻孔的直径大于50mm；

步骤3，将金属杆放置于K₁孔内，其中金属杆的直径d需要满足的要求为：d>0.5m，金属杆的长度L₁₀需要满足要求为：l<L₁₀<L₁/2；将钻孔雷达送入钻孔K₀内进行探测，获取钻孔雷达测量数据集W_1*n1(t)，钻孔雷达的采样步长为s₁，信号采样的时间间隔为t₀，t是信号采样时间窗长，n₁为测量的道数，测量的道数n₁＝(L₀-l)/s₁；

步骤4，将钻孔K₁内金属杆取出，将金属杆置于K₂孔内，将钻孔雷达送入钻孔 K₀内进行探测，获取钻孔雷达测量数据W_2*n2(t)，钻孔雷达的采样步长为s₁，信号采样的时间间隔为t₀，t是信号采样时间窗长，信号采样的时间间隔为t₀，n₂为测量的道数，测量的道数n₂＝(L₀-l)/s₁；

步骤5，对测量的钻孔雷达数据进行处理，先是进行时间零点校正，让钻孔雷达的信号从直达波到达的时间t_z开始，W₁、W₂经过零点校正后，变为W’_1*n1(t₀₁)，W’_2*n2 (t₀₂)，其中，t₀₁是钻孔K₁内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长，t₀₂是钻孔 K₂内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长；

步骤6，对零点校正后的钻孔雷达数据进行背景消除处理，处理方法包括带通滤波、小波分析和反褶积处理方法；

步骤7，对钻孔雷达数据进行背景消除处理之后，在钻孔雷达的响应图上，依据金属杆的响应特征，提取钻孔K₁内金属杆响应的时间t₁，提取钻孔K₂内金属杆响应的时间t₂，然后计算得到煤层的相对介电常数ε_r。

具体的，在进行所述步骤1之前，先进行测试区域基础资料收集：收集前期勘探资料，包括前期勘探煤层的厚度、煤层的基本走向、煤矿井下的巷道分布以及煤矿井下的构造的位置，并选择一个工作面作为测量的位置；

并测量煤层在工作面内揭露厚度：在所选工作面内，测量煤层厚度H。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明在煤矿井下现场操作，需要的钻孔深度无需太深，容易操作；(2)在煤矿井下工作面内测量介电常数，提供的煤相对介电常数较准确，为煤矿井下其他的利用雷达进行探测提供准确的煤的相对介电常数，便于分析；(3)该测量方法也可用于其他类似的原位介电常数测量。

附图说明

图1是本发明的煤矿井下煤的相对介电常数原位测量的流程图；

图2是本发明的钻孔位置及钻孔轨迹示意图；

图3是钻孔雷达仪器在介质中遇到金属杆时高频电磁波传播的示意图；

图4是钻孔雷达在煤层中遇金属杆时响应的时间剖面示意图；

图5是钻孔雷达剖面零点校正后的示意图；

附图标号含义：1-煤层，2-钻孔K2，3-钻孔K1，4-钻孔K0，5-K0钻孔在工作面的煤壁上的孔口位置P0(x0,y0)，6-K1钻孔在工作面的煤壁上的孔口位置P1(x1,y1)，7-K2 钻孔在工作面的煤壁上的孔口位置P2(x2,y2)，8-煤矿井下工作面内进行打钻的煤壁示意，9-煤层厚度H，10-金属杆置于钻孔内的示意，11-钻孔雷达发射电磁波遇金属杆之后传播路线变化示意，a为发射波的路径示意，b为反射波的路径示意，12-钻孔雷达天线示意，前端为发射部分示意，后端为接收部分示意，13-钻孔雷达直达波的示意，14- 金属杆的反射波的示意，15-钻孔雷达天线在钻孔中的位置与金属杆在钻孔中的位置内时的金属杆反射波的示意，16-钻孔雷达天线在钻孔中的位置超过金属杆在钻孔中的位置时的金属杆的反射波示意，17-零点校正后的钻孔雷达直达波的示意，18-零点校正后的金属杆的反射波的示意，19-零点校正后的钻孔雷达天线在钻孔中的位置与金属杆在钻孔中的位置内时的金属杆反射波的示意，20-零点校正后的钻孔雷达天线在钻孔中的位置超过金属杆在钻孔中的位置时的金属杆的反射波示意。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量的方法，在煤矿井下根据前期的勘探资料，确定至少三个钻孔的位置，测量钻孔间的距离，并且根据设计轨迹进行打钻；

将其中一个钻孔内放置金属杆，另外一个钻孔内进行钻孔雷达的探测，利用钻孔雷达探测金属杆的响应，确定金属杆在钻孔雷达上的响应的时间位置。根据钻孔之间的距离及钻孔雷达响应上的时间，计算电磁波在煤层中传输的速度及煤层的相对介电常数；

具体包括：

提前收集待测煤层的前期勘探成果，预估煤层厚度H，在巷道内选择前期勘探时距离构造大于10m的位置确定三个开孔的位置P₀(x₀,y₀)，P₁(x₁,y₁)、P₂(x₂,y₂)。在该三个孔的位置进行人工打钻，对应的三个孔为K₀、K₁、K₂，三个钻孔为水平孔，与煤层近似平行，三个孔亦近似平行，钻孔的深度分别为L₀、L₁、L₂。三个钻孔的深度之间的关系如下：

L₀≈L₁≈L₂＞3×l (1)

式中l为钻孔雷达天线的长度，单位m；

更具体的，L₀＝L₁±1m，L₁＝L₂±1m，L₂＝L₀±1m；

三个钻孔之间的距离P₀与P₁之间的距离D₀₁>H/2,P₀与P₂之间的距离2D₀₁<D₀₂<dd,其中dd为钻孔雷达的探测半径，单位m。

将金属杆放置于K1孔内，将钻孔雷达送入钻孔K₀内进行探测，钻孔雷达天线的长度为l，其中金属杆的直径d需要满足的要求为：d>0.5m，金属杆的长度L₁₀需要满足要求为：l<L₁₀<L₁/2；将钻孔雷达送入钻孔K₀内进行探测，获取钻孔雷达测量数据集 W_1*n1(t)，钻孔雷达的采样步长为s₁，信号采样的时间间隔为t₀，t是信号采样时间窗长，n₁为测量的道数，测量的道数n₁＝(L₀-l)/s₁；

将钻孔K₁内金属杆取出，将金属杆置于K₂孔内，将钻孔雷达送入钻孔K₀内进行探测，获取钻孔雷达测量数据W_2*n2(t)，钻孔雷达的采样步长为s₁，信号采样的时间间隔为t₀，t是信号采样时间窗长，信号采样的时间间隔为t₀，n₂为测量的道数，测量的道数n₂＝(L₀-l)/s₁；

对测量的钻孔雷达数据进行处理，先是进行时间零点校正，让钻孔雷达的信号从直达波到达的时间t_z开始，W₁、W₂经过零点校正后，变为W’_1*n1(t₀₁)，W’_2*n2(t₀₂)，其中，t₀₁是钻孔K₁内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长，t₀₂是钻孔K₂内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长；

对零点校正后的钻孔雷达数据进行背景消除处理，处理方法有带通滤波、小波分析、反褶积处理等处理方法。

对钻孔雷达数据进行基本处理之后，在钻孔雷达的响应图上，依据金属杆的响应特征，提取钻孔K₁内金属杆响应的时间t₁，提取钻孔K₂内金属杆响应的时间t₂，然后将计算煤层的相对介电常数ε_r:

式中：ε_r为煤层相对介电常数，无量纲；C为电磁波在真空中的传播速度，一般取3×10⁸m/s；t₁为钻孔K₁内金属杆的响应时间，单位s；t₂为钻孔K₂内金属杆的响应时间，单位s，D₀₁为钻孔K₁与钻孔K₀之间的距离，单位m；D₀₂为钻孔K₂与钻孔K₀之间的距离，单位m。

本方案需要注意的是：进行钻孔的位置设计及钻孔轨迹设计时，钻孔周围dd范围内无陷落柱、断层等构造，否则会影响钻孔雷达的响应，影响金属杆的反射波的位置提取。

本方案在煤矿井下现场操作，需要的钻孔深度无需太深，容易操作；在煤矿井下工作面内测量介电常数，提供的煤相对介电常数相对较准确，为煤矿井下其他的利用雷达进行探测提供准确的煤的相对介电常数，便于分析；该测量方法也可用于其他类似的原位介电常数测量。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

如图1至图5所示，本实施例给出一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，包括以下步骤：

步骤1，测试区域基础资料收集：收集前期勘探资料，包括前期勘探煤层的厚度、煤层的基本走向、煤矿井下的巷道分布以及煤矿井下的构造的位置，并选择一个工作面作为测量的位置；

测量煤层在工作面内揭露厚度：在所选工作面内，测量煤层厚度H；具体的，对巷道内露顶和露底的位置进行测量；如图2所示中的H。

设计钻孔的相对位置、空间位置关系及长度：设计三个钻孔的位置，在每个钻孔周围半径为dd内没有断层、陷落柱构造，其中dd为钻孔雷达的探测半径，单位m；如图 2所示。

三个钻孔分别为K₀、K₁、K₂，对应的孔口分别标记为P₀(x₀,y₀)，P₁(x₁,y₁)、P₂(x₂,y₂)，P₀与P₁之间的距离为D₀₁且D₀₁>H/2，P₀与P₂之间的距离为D₀₂且2D₀₁<D₀₂<dd；

设计三个相互平行的钻孔的轨迹；

三个钻孔的长度分别为L₀、L₁和L₂，且满足如下的关系：

L₀≈L₁≈L₂＞3×l (1)

更具体的，L₀＝L₁±1m，L₁＝L₂±1m，L₂＝L₀±1m；且L₀、L₁和L₂均大于3倍的l, 式中l为钻孔雷达天线的长度，单位m；

更具体的，L₀＝L₁±1m，L₁＝L₂±1m，L₂＝L₀±1m；

步骤2，打钻：现场根据设计轨迹以及现场孔口的位置标记进行打钻，采用人工钻或者机械钻机进行打钻均可，钻孔的直径大于50mm；

步骤3，将金属杆放置于K₁孔内，其中金属杆的直径d需要满足的要求为：d>0.5m，金属杆的长度L₁₀需要满足要求为：l<L₁₀<L₁/2；如图3所示的金属杆在钻孔中的示意；将钻孔雷达送入钻孔K₀内进行探测，获取钻孔雷达测量数据集W_1*n1(t)，钻孔雷达的采样步长为s₁，信号采样的时间间隔为t₀，t是信号采样时间窗长，n₁为测量的道数，测量的道数n₁＝(L₀-l)/s₁；如图3中钻孔雷达在K₀钻孔中探测K₁钻孔中金属杆的示意，钻孔雷达在K₀钻孔中运行，金属杆在K₁钻孔中静止；图4是钻孔雷达在煤层中遇金属杆时响应的时间剖面示意图，横坐标为钻孔雷达运行的道数，纵坐标为钻孔雷达接收天线在时间域接收到的信号，其中编号13为钻孔雷达发射天线发射的电磁波直接被钻孔雷达接收天线接收的直达波响应，14为钻孔雷达发射的电磁波遇到金属杆后经过反射后由钻孔雷达接收天线接收的反射波，15为钻孔雷达天线在钻孔中的位置与金属杆在钻孔中的位置内时的金属杆反射波的示意，16为钻孔雷达天线在钻孔中的位置超过金属杆在钻孔中的位置时的金属杆的反射波示意，在钻孔雷达发射天线运行位置开始越过金属杆时，反射波出现弯曲现象，可以根据该现象确定金属杆的反射波位置。

步骤4，将钻孔K₁内金属杆取出，将金属杆置于K₂孔内，将钻孔雷达送入钻孔 K₀内进行探测，获取钻孔雷达测量数据W_2*n2(t)，钻孔雷达的采样步长为s₁，信号采样的时间间隔为t₀，t是信号采样时间窗长，信号采样的时间间隔为t₀，n₂为测量的道数，测量的道数n₂＝(L₀-l)/s₁；如图3所示的钻孔雷达探测金属杆的示意；图4是钻孔雷达在煤层中遇金属杆时响应的时间剖面示意图。

步骤5，对测量的钻孔雷达数据进行处理，先是进行时间零点校正，让钻孔雷达的信号从直达波到达的时间t_z开始，W₁、W₂经过零点校正后，变为W’_1*n1(t₀₁)，W’_2*n2 (t₀₂)，其中，t₀₁是钻孔K₁内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长，t₀₂是钻孔 K₂内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长；经过校正后的钻孔雷达剖面图的示意图如图5所示，其中，标号17为零点校正后的钻孔雷达直达波的示意，标号18为零点校正后的金属杆的反射波的示意，标号19为零点校正后的钻孔雷达天线在钻孔中的位置与金属杆在钻孔中的位置内时的金属杆反射波的示意，标号20为零点校正后的钻孔雷达天线在钻孔中的位置超过金属杆在钻孔中的位置时的金属杆的反射波示意。

步骤6，对零点校正后的钻孔雷达数据进行背景消除处理，处理方法包括带通滤波、小波分析和反褶积处理方法。

步骤7，对钻孔雷达数据进行背景消除处理之后，在钻孔雷达的响应图上，依据金属杆的响应特征，提取钻孔K₁内金属杆响应的时间t₁，提取钻孔K₂内金属杆响应的时间t₂，然后将计算煤层的相对介电常数ε_r：

式中：ε_r为煤的相对介电常数，无量纲；C为电磁波在真空中的传播速度，取 3×10⁸m/s；t₁为钻孔K₁内金属杆的响应时间，单位s；t₂为钻孔K₂内金属杆的响应时间，单位s，D₀₁为钻孔K₁与钻孔K₀之间的距离，单位m；D₀₂为钻孔K₂与钻孔K₀之间的距离，单位m。

需要注意的是：进行钻孔的位置设计及钻孔轨迹设计时，钻孔周围dd范围内无陷落柱、断层等构造，否则会影响钻孔雷达的响应，影响金属杆的反射波的位置提取。

Claims (1)

1.一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，其特征在于，该方法首先在煤矿井下确定至少三个钻孔的位置，且个钻孔的钻孔轨迹相互平行，测量钻孔间的距离，并且根据设计钻孔轨迹进行打钻；在其中一个钻孔K₀内进行钻孔雷达探测，并将一个金属杆分别放置在其他钻孔内，其他钻孔包括钻孔K₁和钻孔K₂，利用钻孔雷达探测金属杆的响应，确定金属杆在钻孔雷达上的响应的时间位置；再根据钻孔之间的距离及金属杆的响应时间，计算电磁波在煤层中传输的速度，进而得到煤层的相对介电常数；

计算煤层的相对介电常数ε_r：

式中：ε_r为煤的相对介电常数，无量纲；C为电磁波在真空中的传播速度，取3×10⁸m/s；t₁为钻孔K₁内金属杆的响应时间，单位s；t₂为钻孔K₂内金属杆的响应时间，单位s，D₀₁为钻孔K₁与钻孔K₀之间的距离，单位m；D₀₂为钻孔K₂与钻孔K₀之间的距离，单位m；

包括以下步骤：

步骤1，设计钻孔的相对位置、轨迹及长度：设计三个钻孔的位置，在每个钻孔周围半径为dd内没有断层、陷落柱构造，其中dd为钻孔雷达的探测半径，单位m；

三个钻孔分别为K₀、K₁、K₂，对应的孔口分别标记为P₀(x₀,y₀)，P₁(x₁,y₁)、P₂(x₂,y₂)，P₀与P₁之间的距离为D₀₁且D₀₁>H/2，H为煤层厚度，P₀与P₂之间的距离为D₀₂且2D₀₁<D₀₂<dd；

设计三个相互平行的钻孔的轨迹；

三个钻孔的长度分别为L₀、L₁和L₂，且满足如下的关系：

L₀＝L₁±1m，L₁＝L₂±1m，L₂＝L₀±1m；且L₀、L₁和L₂均大于3倍的l,

其中l为钻孔雷达天线的长度，单位m；

步骤2，打钻：现场根据设计轨迹以及现场孔口的位置标记进行打钻，采用人工钻或者机械钻机进行打钻均可，钻孔的直径大于50mm；

步骤3，将金属杆放置于K₁孔内，其中金属杆的直径d需要满足的要求为：d>0.5m，金属杆的长度L₁₀需要满足要求为：l<L₁₀<L₁/2；将钻孔雷达送入钻孔K₀内进行探测，获取钻孔雷达测量数据集W_1*n1(t)，钻孔雷达的采样步长为s₁，信号采样的时间间隔为t₀，t是信号采样时间窗长，n₁为测量的道数，测量的道数n₁＝(L₀-l)/s₁；

步骤4，将钻孔K₁内金属杆取出，将金属杆置于K₂孔内，将钻孔雷达送入钻孔K₀内进行探测，获取钻孔雷达测量数据W_2*n2(t)，钻孔雷达的采样步长为s₁，信号采样的时间间隔为t₀，t是信号采样时间窗长，信号采样的时间间隔为t₀，n₂为测量的道数，测量的道数n₂＝(L₀-l)/s₁；

步骤5，对测量的钻孔雷达数据进行处理，先是进行时间零点校正，让钻孔雷达的信号从直达波到达的时间t_z开始，W₁、W₂经过零点校正后，变为W’_1*n1(t₀₁)，W’_2*n2(t₀₂)，其中，t₀₁是钻孔K₁内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长，t₀₂是钻孔K₂内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长；

步骤6，对零点校正后的钻孔雷达数据进行背景消除处理，处理方法包括带通滤波、小波分析和反褶积处理方法；

步骤7，对钻孔雷达数据进行背景消除处理之后，在钻孔雷达的响应图上，依据金属杆的响应特征，提取钻孔K₁内金属杆响应的时间t₁，提取钻孔K₂内金属杆响应的时间t₂，然后计算得到煤层的相对介电常数ε_r；

在进行所述步骤1之前，先进行测试区域基础资料收集：收集前期勘探资料，包括前期勘探煤层的厚度、煤层的基本走向、煤矿井下的巷道分布以及煤矿井下的构造的位置，并选择一个工作面作为测量的位置；

并测量煤层在工作面内揭露厚度：在所选工作面内，测量煤层厚度H。

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