CN112099000B - 一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测煤层厚度信息的方法，属于煤矿探测技术领域，具体是涉及一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法。该方法现场测量待测钻孔开孔位置与煤层顶底板的位置关系信息，测量待测煤层的相对介电常数，将钻孔雷达和钻孔轨迹测量仪器送入煤矿井下顺层孔中，获取钻孔雷达的探测数据以及钻孔轨迹的数据，联合多钻孔的钻孔雷达数据和钻孔轨迹数据，获取区域的煤层厚度变化情况。

Description

一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法

技术领域

本发明涉及一种探测煤层厚度信息的方法，属于煤矿探测技术领域，具体是涉及一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法。

背景技术

随着煤矿的智能化开采的发展，当前煤层开采要求提前勘探预测出高精度煤层的厚度及其变化情况。

一般的煤层厚度及其变化探测的地球物理方法都是在地表或者待测体表面进行的,然而由于地下或者待测体内部的结构比较复杂,难以仅仅依靠从这些方法中所获得的数据去准确预测煤层厚度的精细变化特征。

钻孔雷达将高频的电磁波收发装置送入孔内，直接进入地层内部进行探测，其最大的特点和优势就是高分辨率和高精度。为了煤矿安全生产，在煤矿井下有诸多顺煤层的钻孔，将钻孔雷达送入这些孔中，探测煤层顶底板界面，预测煤层厚度及其变化具有重要意义。因此，对现有技术中的智能监控系统进行改进，以满足不同应用场景的需求，提高探测精度，是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法。该方法现场测量待测钻孔开孔位置与煤层顶底板的位置关系信息，测量待测煤层的相对介电常数，将钻孔雷达和钻孔轨迹测量仪器送入煤矿井下顺层孔中，获取钻孔雷达的探测数据以及钻孔轨迹的数据，联合多钻孔的钻孔雷达数据和钻孔轨迹数据，获取区域的煤层厚度变化情况。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法，包括：

在煤矿井下钻孔中获取钻孔雷达探测数据和钻孔轨迹测量数据；

基于所述钻孔雷达探测数据获取各道雷达波反演的煤层厚度；

将所述钻孔轨迹测量数据插值至与所述钻孔雷达探测数据的雷达道数一致；

结合插值后的所述钻孔轨迹测量数据与煤层厚度信息并基于钻孔孔口的位置获取煤层厚度变化信息。

其中，基于所述钻孔雷达探测数据获取各道雷达波反演的煤层厚度具体包括：

对钻孔雷达数据进行零点校正和滤波处理，根据钻孔雷达的时间剖面定位初试时煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的位置；

对应多次波的子波信息，利用相关系数分析法确定整个钻孔雷达时间剖面上的煤层多次波的位置，基于多次波的位置确定煤层厚度。

其中，基于下式定位初试时煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的位置：

式中，Lt₁为煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的时间位置，s；D₀为S1中测量的初试煤层厚度；ε_r为煤层相对介电常数；C为电磁波在真空中的传播速度，t1为钻孔雷达的信号从直达波到达的时间。

其中，基下式确定每一道多次波所反应的煤层厚度：

式中，D_i为各道雷达波反演的煤层厚度；Lt_i为煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的时间位置；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。

其中，煤层相对介电常数ε_r的求取包括：

将钻孔雷达放入孔内，选取钻孔周围位于煤层重与钻孔位置的距离大于预设距离的金属锚杆，测量金属锚杆与钻孔的距离D_j，在钻孔雷达探测的剖面上，寻找金属锚杆的反射点，取其时间T_j，基于下式求取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；D_j为金属锚杆与钻孔的距离；T_j为钻孔雷达探测剖面上记录的金属锚杆的反射时间点。

其中，上述一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法，还包括：

将同一个区域内个钻孔雷达探测的煤厚信息进行联合，形成整个工作面的煤层变化的数据集以为整个探测区域提供煤厚及其变化分布图的数据。

其中，煤矿井下钻孔所在煤层与煤层顶底板的相对介电常数满足在界面上的功率反射系数Pr≥0.01。

因此，本发明的优点是：(1)雷达波频率高，分辨率高，探测精度高，对于煤层内部的厚度变化探测精度大；(2)煤层内多次波与煤层内钻孔的轨迹形态无关，仅仅与煤层厚度变化有关系。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1例示了本发明实施例中的多次波预测煤层厚度及变化的流程图；

图2例示了本发明实施例中的钻孔在煤层中时钻孔雷达产生界面反射波及多次波传播示意图；

其中1-D0为煤层初试厚度；2-P0(0,0)孔口位置；3-P2(0,y2)煤层底界面距离孔口的距离测量点；4-钻孔雷达发射波遇到煤层底界面反射后接收天线接收到的底界面反射波示意，a2为雷达波发射波路径示意，b2为底界面反射波路径示意；5-煤层底界面示意；6-钻孔雷达波遇到煤层底界面后反射，反射波到达煤层顶界面后再反射到达接收天线的多次波示意图，a4为雷达波发射波路径示意，b4为煤层底界面反射至煤层顶界面的反射波路径示意，c4为顶界面反射至接收天线接收的反射波路径示意；7-煤层；8-钻孔轨迹示意；9-煤层顶界面；10-钻孔雷达波遇到煤层顶界面后反射，反射波到达煤层底界面后再反射到达接收天线的多次波示意图，a3为雷达波发射波路径示意，b3为煤层顶界面反射至煤层底界面的反射波路径示意，c3为底界面反射至接收天线接收的反射波路径示意；11--钻孔雷达发射波遇到煤层顶界面反射后接收天线接收到的顶界面反射波示意，a1为雷达波发射波路径示意，b1为顶界面反射波路径示意；12-P1(0,y1)煤层顶界面距离孔口的距离测量点。

图3例示了本发明实施例中的一种钻孔轨迹与地层夹角15度的模型示意图；其中3-1-煤层顶板，3-2-煤层，3-3-钻孔轨迹，3-4-煤层底板。

图4例示了图3中模型的钻孔雷达(200MHz)时间剖面示意图，其中4-1-直达波，4-2-底板反射波，4-3-顶板反射波，4-4-煤层内多次波；

图5例示了图4中钻孔雷达(200MHz)时间剖面示意图进行零点校正后的图；其中5-1-直达波，5-2-底板反射波，5-3-顶板反射波，5-4-煤层内多次波；

图6例示了本发明实施例中的提取钻孔雷达在煤层内产生的多次波的子波示意图；

图7例示了本发明实施例中探测区域内多个钻孔的钻孔雷达预测煤层厚度的数据分布示意图；其中，其中7-1-钻孔1，7-2-钻孔1钻孔雷达预测的煤层厚度数据点W₁₁(x₁₁,y₁₁,D₂₁)，7-3-钻孔1钻孔雷达预测的煤层厚度数据点W₁₂(x₁₂,y₁₂,D₁₂)，7-4-钻孔1钻孔雷达预测的煤层厚度数据点W_1n1(x_1n1,y_1n2,D_1n1)，7-5-钻孔2；7-6-钻孔2钻孔雷达预测的煤层厚度数据点W₂₁(x₂₁,y₂₁,D₂₁)，7-7-钻孔2钻孔雷达预测的煤层厚度数据点W₂₂(x₂₂,y₂₂,D₂₂)，7-8-钻孔2钻孔雷达预测的煤层厚度数据点W_2n2(x_2n2,y_2n2,D_2n2)，7-9-钻孔p，7-10-钻孔p钻孔雷达预测的煤层厚度数据点W_p1(x_p1,y_p1,D_p1),7-11-钻孔p钻孔雷达预测的煤层厚度数据点W_p2(x_p2,y_p2,D_p2),7-12-钻孔p钻孔雷达预测的煤层厚度数据点W_pnp(x_pnp,y_pnp,D_pnp),7-13-探测的整个区域。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

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。

一种利用钻孔雷达多次波预测煤层厚度及其变化的方法，如图1所示，其包括如下步骤：

S1现场测量待测钻孔开孔位置与煤层顶底板的位置关系信息，根据图2中的示意，开孔位置记为P0(0,0)，使用卷尺测量开孔位置距离顶板的距离，记录为P1(0,y1),测量距离底板的距离，记录为P2(0,y2)，初试测量的煤层厚度D₀计算公式如下：

D₀＝y1+y2 (1)

式中：D₀为孔口位置的煤层的初试厚度，m；y1为顶板距离待测钻孔孔口的距离，m；y2为地板距离待测钻孔孔口的距离，m。

S2测量待测煤层的相对介电常数，现场利用一个钻孔周围的金属锚杆进行测量，将钻孔雷达放入孔内，选取钻孔周围位于煤层重与钻孔位置的距离大于1m的金属锚杆(或自置一个金属杆，与钻孔方向平行)，测量金属锚杆与钻孔的距离D_j，在钻孔雷达探测的剖面上，寻找金属锚杆的反射点，取其时间T_j，煤层的相对介电常数ε_r的计算公式如下：

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；D_j为金属锚杆与钻孔的距离，m；T_j为钻孔雷达探测剖面上记录的金属锚杆的反射时间点，s。

S3和S10将钻孔雷达仪器和钻孔轨迹测量仪器送入煤矿井下顺层孔中，如图3所示模型，将钻孔雷达仪器和轨迹测量仪器送入孔内获取钻孔雷达的探测数据和轨迹测量数据，如图4所示为获取的钻孔雷达数据时间剖面。测量获取钻孔雷达的数据W_m×n(n,t)，m为钻孔雷达每道的采样点数，信号采样的时间间隔为t₀，n为测量的道数，钻孔雷达的采样步长为s1，测量钻孔深度为d＝s1×n。图4中的顶板反射信息为图2中标号11的雷达波遇到煤层顶界面发生反射直接由钻孔雷达仪的接收天线接收到的信息，底板反射信息由图2中标号4的雷达波遇到煤层底界面发生反射，然后由钻孔雷达仪的接收天线接收到的信息。

S4对钻孔雷达数据W_m×n(n,t)进行零点校正，将获取的钻孔雷达的数据W_m×n中将每道中的前面电磁波信号发射所占用的采用时间校正，让钻孔雷达的信号从直达波到达的时间t₁开始。W_m×n经过零点校正后，变为W′_m1×n(n,t)，其中m₁＝m-t₁/t₀。如图5所示。

S5对钻孔雷达数据的滤波处理，滤波处理方法包括常规处理方法如：理想低通滤波、高通滤波、带通滤波、时变滤波、中值滤波等，此处不作论述。

S6煤层多次波的初试位置定位，根据钻孔雷达的时间剖面提取煤层内多次波信息，根据S1测量的初试煤层厚度D₀，定位初试时煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的位置Lt₁。

式中Lt₁为煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的时间位置，s；D₀为S1中测量的初试煤层厚度，m；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。

S7提取多次波的对应的子波信息，根据t₂确定的初试煤层内多次波的位置，然后采用直接观察法提取此处的子波B(t)，提取的子波信息如图6所示意。

S8利用相关系数分析法确定整个钻孔雷达时间剖面上的煤层多次波的位置。计算后续的每道钻孔雷达数据与提取的雷达子波B(t)的相关系数，相关系数最大的位置认为是钻孔雷达每一道信息煤层多次波的位置Lt_i(i＝2…n)。在钻孔雷达时间剖面上对煤层多次波的信息进行局部增益处理，使得在钻孔雷达时间剖面上突出多次波的信息,如图5中的多次波信息。

S9计算每一道多次波所反应的煤层厚度D_i：

式中D_i为各道雷达波反演的煤层厚度，m；Lt_i为煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的时间位置，s；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。

Di即为沿钻孔探测的煤层的厚度，Di的变化即为煤层厚度的变化。

S11整理钻孔轨迹探测数据,进行无效数据的删除得到有效的钻孔轨迹测量数据TD(倾角Dip_k、方位Azim_k、钻孔深度Dep_k)，k＝1…K，K为钻孔轨迹的测点数。

S12计算钻孔的三维空间轨迹Tr(x_k,y_k,z_k)k＝1…K，K为钻孔轨迹的测点数.

S13对钻孔轨迹进行线性插值，使其数据点数扩展为与钻孔雷达的道数一致Tr1(x_i,y_i,z_i)，i＝1…n。

S14将钻孔轨迹与煤层厚度联合起来，并结合钻孔孔口的位置，对煤层厚度变化的位置进行定位。并且将轨迹投影到xy平面，形成M_WT(x_i，y_i，D_i)，i＝1…n，数据集

S15将同一个区域内p个钻孔雷达探测的煤厚信息进行联合，如图7所示意，形成整个工作面的煤层变化的数据集M_p×n(x_ji，y_ji，D_ji),(j＝1…p,i＝1…n_j),每个钻孔的钻孔雷达的数据道集有n_j个，可以相同亦可不同，M_p×n(x_ji，y_ji，D_ji),(j＝1…p,i＝1…n_j)可为整个探测区域提供煤厚及其变化分布图的数据。

本发明需要注意的是：(1)在测量的钻孔穿层时，在钻孔雷达道集上将无法提取多次波信息，因此也无法提取煤层厚度及变化信息。也可以根据多次波消失的位置确定钻孔穿层的位置，即钻孔开始穿出煤层。

(2)要求煤层与煤层顶底板的相对介电常数有差异，雷达波能在界面上产生反射，要求煤层与顶底板的相对介电常数满足在界面上的功率反射系数Pr≥0.01，功率反射系数Pr的计算公式如下：

式中：Pr为功率反射系数，ε_r为煤层的相对介电常数，ε_h为煤层顶板或底板的相对介电常数。

(3)雷达波能在煤层内产生多次波要求钻孔轨迹距离煤层顶界面或底界面的距离要大于煤层中雷达波波长的一半。

本发明的优点是(1)雷达波频率高，分辨率高，探测精度高，对于煤层内部的厚度变化探测精度大。(2)煤层内多次波与煤层内钻孔的轨迹形态无关，仅仅与煤层厚度变化有关系。

通过以上描述可知，本实施例的监控处理装置逻辑先通过图像掩码对每一帧图像只提取目标区域边界线做处理，边界线上存在入侵异常再切换掩码，逐步衍生到整个监控目标内部区域，这时入侵异常依然存在，便完成告警动作。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (6)

1.一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法，其特征在于，包括：

在煤矿井下钻孔中获取钻孔雷达探测数据和钻孔轨迹测量数据；

基于所述钻孔雷达探测数据获取各道雷达波反演的煤层厚度；

将所述钻孔轨迹测量数据插值至与所述钻孔雷达探测数据的雷达道数一致；

结合插值后的所述钻孔轨迹测量数据与煤层厚度信息并基于钻孔孔口的位置获取煤层厚度变化信息；其中，基于所述钻孔雷达探测数据获取各道雷达波反演的煤层厚度具体包括：

对钻孔雷达数据进行零点校正和滤波处理，根据钻孔雷达的时间剖面定位初试时煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的位置；

对应多次波的子波信息，利用相关系数分析法确定整个钻孔雷达时间剖面上的煤层多次波的位置，基于多次波的位置确定煤层厚度。

2.根据权利要求1所述的一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法，其特征在于，基于下式定位初试时煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的位置：

式中，Lt₁为煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的时间位置；D₀为现场测量待测钻孔开孔位置与煤层顶底板的位置关系信息时测量的初试煤层厚度；ε_r为煤层相对介电常数；C为电磁波在真空中的传播速度，t1为钻孔雷达的信号从直达波到达的时间。

3.根据权利要求2所述的一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法，其特征在于，基于下式确定每一道多次波所反应的煤层厚度：

式中，D_i为各道雷达波反演的煤层厚度；Lt_i为煤层内多次波在钻孔雷达时间剖面上的时间位置；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；n为测量的道数，i为道号。

4.根据权利要求2或3所述的一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法，其特征在于，煤层相对介电常数ε_r的求取包括：

将钻孔雷达放入孔内，选取钻孔周围位于煤层重与钻孔位置的距离大于预设距离的金属锚杆，测量金属锚杆与钻孔的距离D_j，在钻孔雷达探测的剖面上，寻找金属锚杆的反射点，取其时间T_j，基于下式求取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；D_j为金属锚杆与钻孔的距离；T_j为钻孔雷达探测剖面上记录的金属锚杆的反射时间点。

5.根据权利要求1所述的一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法，其特征在于，还包括：

将同一个区域内个钻孔雷达探测的煤厚信息进行联合，形成整个工作面的煤层变化的数据集以为整个探测区域提供煤厚及其变化分布图的数据。

6.根据权利要求1所述的一种利用钻孔雷达多次波探测煤层厚度信息的方法，其特征在于，煤矿井下钻孔所在煤层与煤层顶底板的相对介电常数满足在界面上的功率反射系数Pr≥0.01。