CN112764113A - 一种煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法，方法包括：采集雷达波信号；根据雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面；获取工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离；根据工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离以及雷达波信号，确定顶、底板反射波同相轴；根据顶、底板反射波同相轴以及时间域钻孔雷达剖面，确定顶、底板对应的时间域雷达剖面；根据顶、底板对应的时间域雷达剖面，形成顶、底板对应的界面图像。本发明的方案，根据顶、底板反射波同相轴以及时间域钻孔雷达剖面，确定顶、底板对应的时间域雷达剖面；根据顶、底板对应的时间域雷达剖面，形成顶、底板对应的界面图像，实现了高准确性和高安全性的煤层顶、底板界面探测。

Description

一种煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法

技术领域

本发明涉及采煤工程技术领域，尤其涉及一种煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法。

背景技术

无人化工作面是煤炭开采发展方向，要求采煤机依据煤岩分界自动准确地调整滚筒高度实现采煤自动化，煤岩分界识别起着至关重要的作用。科研工作者们进行了大量研究，提出了基于放射性探测、基于记忆截割、基于图像识别、基于振动测试、基于电磁测试、基于光学探测、基于热敏测量、基于光纤、基于截割力响应识别等技术的多种煤岩界面识别方法。

然而煤矿工作面环境恶劣、地质条件复杂，使得现有煤岩识别方法适应性和识别准确性不好，都没有得到较好的工程应用。生产实际中，还是依靠采煤机司机通过视觉和听觉判断，手动调整采煤机滚筒高度实现割顶和割底，调高精度低，劳动强度大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法，所述方法包括：

S101，采集雷达波信号；

S102，根据所述雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面；

S103，获取工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离；

S104，根据所述工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离以及所述雷达波信号，确定顶、底板反射波同相轴；

S105，根据所述顶、底板反射波同相轴以及所述时间域钻孔雷达剖面，确定顶、底板对应的时间域雷达剖面；

S106，根据所述顶、底板对应的时间域雷达剖面，形成顶、底板对应的界面图像。

可选地，所述雷达波信号包括雷达波发射信号和雷达波接收信号；

所述雷达波发射信号由雷达探头发射；

所述雷达波接收信号是所述雷达波发射信号经煤层反射的信号；

所述雷达探头由钻孔进入煤层。

可选地，所述S101之后，还包括：

S201，获取雷达波发射信号对应的第一能量曲线；

S202，获取雷达波接收信号对应的第二能量曲线；

S203，根据所述第一能量曲线和所述第二能量曲线确定调整系数；

所述S102具体包括：

S102-1，根据所述调整系数对所述雷达波信号进行调整；

S102-2，根据调整后的雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面；

所述S104具体包括：

根据所述钻孔距离顶、底板煤层界面距离以及将调整后的雷达波信号，确定顶、底板反射波同相轴。

可选地，所述S203具体包括：

S203-1，确定第一能量曲线中的能量最大值max1；

S203-2，确定第二能量曲线中的能量最大值max2；

S203-3，确定调整系数＝K1*max2/max1；

其中，K1为权重。

可选地，所述K1的确定方法为：

S301，确定max1在所述第一能量曲线中出现的时间点t1；

S302，确定max2在所述第二能量曲线中出现的时间点t2；

S303，K1＝ε*(t2-t1)/3.6；其中ε为煤炭的介电系数。

可选地，所述K1的确定方法为：

S401，确定max1在所述第一能量曲线中出现的时间点t1，以及第一能量曲线中的能量最小值出现的时间点t3；

S402，确定max2在所述第二能量曲线中出现的时间点t2，以及第二能量曲线中的能量最小值出现的时间点t4；

S403，K1＝{ε*(t2-t1)/[(t4-t3)*ε₀]}^2.8；其中ε为煤炭的介电系数，ε₀为真空介电常数。

可选地，所述K1的确定方法为：

S501，确定max1在所述第一能量曲线中出现的时间点t1；

S502，确定max2在所述第二能量曲线中出现的时间点t2；

S503，K1＝(t2-t1)/ε*ρ；其中ε为煤炭的介电系数，ρ为煤炭电阻率。

可选地，所述K1的确定方法为：

S601，确定max1在所述第一能量曲线中出现的时间点t1，以及第一能量曲线中的能量最小值出现的时间点t3；

S602，确定max2在所述第二能量曲线中出现的时间点t2，以及第二能量曲线中的能量最小值出现的时间点t4；

S603，K1＝max{(t2-t1)，(t4-t3)}/ε*ρ；其中ε为煤炭的介电系数，ε₀为真空介电常数，max{}为取最大值函数。

可选地，所述S102-1具体包括：

S102-1-1，确定各时刻雷达发射信号与其对应的接收雷达接收信号之间的；

S102-1-2，若S102-1-1得到的商大于预设阈值，则将该时间点的雷达接收信号的值调整为该时间点的雷达接收信号的值*调整系数。

可选地，所述S106之后，还包括：

S107，确定调整后的界面图像中的顶板图像和底板图像；

S108，将所述顶板图像进行翻转；

S109，将翻转后的顶板图像和底板图像进行拼接；

S110，在拼接后的图像中标注所述钻孔的位置、顶板距所述钻孔的距离，所述钻孔距底板的距离。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：根据雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面，根据顶、底板反射波同相轴以及时间域钻孔雷达剖面，确定顶、底板对应的时间域雷达剖面；根据顶、底板对应的时间域雷达剖面，形成顶、底板对应的界面图像，实现了高准确性和高安全性的煤层顶、底板界面探测。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的一种煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法的流程示意图；

图2为本申请一实施例提供的一种煤层巷道及钻孔关系模型图；

图3为本申请一实施例提供的一种钻孔雷达探测模拟数据剖面示意图；

图4为本申请一实施例提供的一种提取的顶底板反射波图像示意图；

图5为本申请一实施例提供的一种偏移成像后的顶底板图像示意图；

图6为本申请一实施例提供的一种合并后顶底板图像示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

煤矿工作面环境恶劣、地质条件复杂，使得现有煤岩识别方法适应性和识别准确性不好，都没有得到较好的工程应用。生产实际中，还是依靠采煤机司机通过视觉和听觉判断，手动调整采煤机滚筒高度实现割顶和割底，调高精度低，劳动强度大。

本发明提供一种煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法，根据雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面，根据顶、底板反射波同相轴以及时间域钻孔雷达剖面，确定顶、底板对应的时间域雷达剖面；根据顶、底板对应的时间域雷达剖面，形成顶、底板对应的界面图像，实现了高准确性和高安全性的煤层顶、底板界面探测。

参见图1，本方案的实现过程如下。

S101，采集雷达波信号。

本步骤中采集的雷达波信号包括雷达波发射信号和雷达波接收信号。

雷达波发射信号由雷达探头发射。

雷达波接收信号是雷达波发射信号经煤层反射的信号。

雷达探头由钻孔进入煤层。

具体实现时，雷达探头通过推杆进入钻孔并移动，在沿钻孔的每一个深度点，发射天线发射雷达波，雷达波沿钻孔到达接收天线形成直达波，同时雷达波遇到顶、底界面后分别发生反射，形成各自的反射波且分别被接收天线接收到，接收信号通过信号连接线，传输到数据采集控制单元被记录下来。其中，发射天线发射的雷达波被记录为雷达波发射信号，接收天线接收到的信号被记录为雷达波接收信号。

S102，根据雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面。

本步骤通过现有的方式将雷达波信号形成时间域钻孔雷达剖面，因此，具体实现过程不再赘述。

另外，雷达波信号可能因为设备等原因产生噪声，本发明还会对S101中得到的雷达波信号进行调整，再根据调整后的雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面。

调整方案如下：

S102-1-1，确定各时刻雷达发射信号与其对应的接收雷达接收信号之间的。

雷达工作原理即通过发射信号与其对应的接收信号之间的差别形成雷达剖面。

本步骤就是确定发射信号与其对应的接收信号。

S102-1-2，若S102-1-1得到的商大于预设阈值，则将该时间点的雷达接收信号的值调整为该时间点的雷达接收信号的值*调整系数。

其中，调整系数的确定方案如下：

S201，获取雷达波发射信号对应的第一能量曲线。

此处的能量曲线为雷达波发射信号的能量曲线，其形成方案为现有方案，此处不再赘述。

S202，获取雷达波接收信号对应的第二能量曲线。

此处的能量曲线为雷达波接收信号的能量曲线，其形成方案为现有方案，此处不再赘述。

S203，根据第一能量曲线和第二能量曲线确定调整系数。

S203的实现方式为：

S203-1，确定第一能量曲线中的能量最大值max1。

S203-2，确定第二能量曲线中的能量最大值max2。

S203-3，确定调整系数＝K1*max2/max1。

其中，K1为权重。

K1的确定方法有多种，例如：

方式1，

S301，确定max1在第一能量曲线中出现的时间点t1。

S302，确定max2在第二能量曲线中出现的时间点t2。

S303，K1＝ε*(t2-t1)/3.6。

其中ε为煤炭的介电系数。

方式2，

S401，确定max1在第一能量曲线中出现的时间点t1，以及第一能量曲线中的能量最小值出现的时间点t3。

S402，确定max2在第二能量曲线中出现的时间点t2，以及第二能量曲线中的能量最小值出现的时间点t4。

S403，K1＝{ε*(t2-t1)/[(t4-t3)*ε₀]}^2.8。

其中ε为煤炭的介电系数，ε₀为真空介电常数。

方式3，

S501，确定max1在第一能量曲线中出现的时间点t1。

S502，确定max2在第二能量曲线中出现的时间点t2。

S503，K1＝(t2-t1)/ε*ρ。

其中ε为煤炭的介电系数，ρ为煤炭电阻率。

方式4，

S601，确定max1在第一能量曲线中出现的时间点t1，以及第一能量曲线中的能量最小值出现的时间点t3。

S602，确定max2在第二能量曲线中出现的时间点t2，以及第二能量曲线中的能量最小值出现的时间点t4。

S603，K1＝max{(t2-t1)，(t4-t3)}/ε*ρ。

其中ε为煤炭的介电系数，ε₀为真空介电常数，max{}为取最大值函数。

S103，获取工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离。

此处为钻孔处，该钻孔距离该位置的顶板的距离，和底板的距离。

可以有用户自行测量后，输入本实施例的煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法的执行主体中。

S104，根据工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离以及雷达波信号，确定顶、底板反射波同相轴。

本步骤通过现有的方式根据工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离以及雷达波信号，确定顶、底板反射波同相轴，因此，具体实现过程不再赘述。

另外，若S102中对雷达波信号进行过处理，那么本步骤会根据工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离以及将调整后的雷达波信号，确定顶、底板反射波同相轴。

S105，根据顶、底板反射波同相轴以及时间域钻孔雷达剖面，确定顶、底板对应的时间域雷达剖面。

本步骤通过现有的方式根据顶、底板反射波同相轴以及时间域钻孔雷达剖面，确定顶、底板对应的时间域雷达剖面，因此，具体实现过程不再赘述。

S106，根据顶、底板对应的时间域雷达剖面，形成顶、底板对应的界面图像。

本步骤通过现有的方式根据顶、底板对应的时间域雷达剖面，形成顶、底板对应的界面图像，因此，具体实现过程不再赘述。

另外，得到顶、底板对应的界面图像之后，还可以：

S107，确定调整后的界面图像中的顶板图像和底板图像。

S108，将顶板图像进行翻转。

S109，将翻转后的顶板图像和底板图像进行拼接。

S110，在拼接后的图像中标注钻孔的位置、顶板距钻孔的距离，钻孔距底板的距离。

S107-S110可以通过现有方式实现，再次不做赘述。

本实施例提供的方法能够克服现有煤岩识别方法存在的不足，是一种煤矿井下单一煤层情况下煤岩分界钻孔雷达探测、成像、识别的方法，该方法具有识别准确性高、适应性强和安全性高的优点，能够有效促进无人化工作面的实现。

本实施例所提供的煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法，将钻孔雷达探头放置在煤矿井下工作面或掘进面处煤壁上的钻孔中，利用推杆等硬连接装置推动雷达探头移动，同时发射并采集雷达波信号，并将采集的信号记录存储至位于巷道空间内的控制计算机，形成时间域钻孔雷达剖面；对测得雷达数据进行适当处理，提高信号的信噪比；结合巷道煤壁处工作面钻孔距离顶、底板煤岩界面距离，识别界面对应的顶、底板反射波同相轴；这时，顶、底板反射波同相轴被压缩到一个平面上，不能反映真正的空间关系；利用适当算法拾取或重构相应的反射同相轴，分别形成顶、底板对应的雷达剖面，此时依然为时间域剖面；对形成的时间域剖面进行偏移成像，分别形成顶、底板对应图像；把顶板图像进行上下翻转，并和底板图像进行拼接，根据实际尺寸重新标注垂向距离，并标注钻孔位置，形成统一的反映顶、底板煤岩界面和钻孔的关系。

由于全向钻孔雷达本身不能区分来自各个方位的反射波，利用已知地质信息，识别并拾取顶、底板反射信号，重构形成反映顶、底板煤岩界面和钻孔的统一图像。

下面结合图2所示的煤矿井下利用钻孔雷达探测顶、底板煤岩界面工作系统组成及工作原理示意图对本实施例提供的煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法进行再次说明。

图2中：1、巷道或工作面，2、煤层，3、顶板，4、底板，5、钻孔，6、钻孔雷达探头，7、推杆，8、发射天线，9、接收天线，10、数据采集控制单元，11、信号连接线。

由图2可知，钻孔5位于煤层2中，且煤层被巷道1横切，煤层上下为顶板3和地板4。

雷达探头6通过推杆7进入钻孔并移动，在沿钻孔的每一个深度点，发射天线8发射雷达波，雷达波沿钻孔到达接收天线形成直达波，同时雷达波遇到顶、底界面后分别发生反射，形成各自的反射波且分别被接收天线9接收到，接收信号通过信号连接线11，传输到数据采集控制单元10被记录下来。

采集到的信号如图3所示，最先到达的是直达波12，其次为底板反射波13、及顶板反射波14，此时顶、底板反射波并不对应顶、底板界面的空间位置，这是由于全向钻孔雷达的特性所决定的，不管来自什么方向的发射波都被压缩在一个平面里。

为了形成反映真实界面空间的雷达图像，需要分别拾取顶、底板对用的反射信号，结合已知的信息，从图3中确定了顶、底板发射波为13，和14。

图4显示拾取完的顶板反射信号15、和底板反射信号16，此时显示剖面为数据域剖面。

为了得到和空间位置相对应的顶、底板图像，分别对图4的时间域信号进行处理，得到偏移剖面(图5)，顶、底板对应的位置17、18可以清楚显示出来。

为了进行更直观的显示，把顶板对应的图像进行上下倒置，并和底板图像合并，形成最终的顶、底板相对于钻孔的图像，如图6所示。

本实施例提供的煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法，在煤矿井下工作面煤壁上，利用钻孔雷达装置对煤矿顶、底板界面进行探测，采集雷达数据；对采集的数据进行处理提高分辨率消除噪声干扰；参考巷道空间处顶、底板煤岩界面距离钻孔的距离，在时间域雷达剖面上拾取相应的反射同相轴，分别形成顶、底板界面对应的时间域剖面，实现顶、底板图像的分离；对顶、底板图像分别进行偏移成像，消除绕射干扰并实现准确的空间图像；将顶、底板图像合并，形成反映钻孔和顶、底煤岩界面的统一图像。

一方面，在煤矿井下，为了排泄瓦斯和水等危险体，需要钻许多孔。另一方面，煤层厚度以及顶、底板煤岩界面存在横向变化，这种变化影响采掘机的工作。因此，利用这些钻孔中开展钻孔雷达探测，实现顶、底板煤岩界面的空间定位，对于指导煤层开采、实现下一步智能矿山具有重要意义。本实施例提供的方法基于钻孔雷达原理，算法简单、识别准确性高；工作面无任何破坏性操作，适应性强；无放射源，安全性高。

本实施例公开的煤矿井下煤层煤岩界面钻孔雷达探测识别方法，可以确定钻孔上下煤层空间展布。在采煤工作面上，利用煤壁上的钻孔，进行钻孔雷达探测，对雷达数据进行处理以提高界面发射波的分辨率。结合工作面巷道内已知顶、底板煤岩界面距离钻孔距离，对顶、底板界面对应的反射同相轴分别进行拾取、并对拾取的结果进行偏移成像。接下来对顶、底板界面的图像进行合并，形成反映钻孔和顶、底板界面关系的完整图像。从图像上能清楚看出远离巷道的煤层顶、底界面的起伏变化，指导煤层开发，为智慧矿山提供基础数据。本发明适应性强、识别准确性高、安全性高。

有益效果：根据雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面，根据顶、底板反射波同相轴以及时间域钻孔雷达剖面，确定顶、底板对应的时间域雷达剖面；根据顶、底板对应的时间域雷达剖面，形成顶、底板对应的界面图像，实现了高准确性和高安全性的煤层顶、底板界面探测。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种煤矿井下利用钻孔雷达探测煤层顶底板界面的方法，其特征在于，所述方法包括：

S101，采集雷达波信号；

S102，根据所述雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面；

S103，获取工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离；

S104，根据所述工作面钻孔距离顶、底板煤层界面距离以及所述雷达波信号，确定顶、底板反射波同相轴；

S105，根据所述顶、底板反射波同相轴以及所述时间域钻孔雷达剖面，确定顶、底板对应的时间域雷达剖面；

S106，根据所述顶、底板对应的时间域雷达剖面，形成顶、底板对应的界面图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述雷达波信号包括雷达波发射信号和雷达波接收信号；

所述雷达波发射信号由雷达探头发射；

所述雷达波接收信号是所述雷达波发射信号经煤层反射的信号；

所述雷达探头由钻孔进入煤层。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S101之后，还包括：

S201，获取雷达波发射信号对应的第一能量曲线；

S202，获取雷达波接收信号对应的第二能量曲线；

S203，根据所述第一能量曲线和所述第二能量曲线确定调整系数；

所述S102具体包括：

S102-1，根据所述调整系数对所述雷达波信号进行调整；

S102-2，根据调整后的雷达波信号，形成时间域钻孔雷达剖面；

所述S104具体包括：

根据所述钻孔距离顶、底板煤层界面距离以及将调整后的雷达波信号，确定顶、底板反射波同相轴。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S203具体包括：

S203-1，确定第一能量曲线中的能量最大值max1；

S203-2，确定第二能量曲线中的能量最大值max2；

S203-3，确定调整系数＝K1*max2/max1；

其中，K1为权重。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述K1的确定方法为：

S301，确定max1在所述第一能量曲线中出现的时间点t1；

S302，确定max2在所述第二能量曲线中出现的时间点t2；

S303，K1＝ε*(t2-t1)/3.6；其中ε为煤炭的介电系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述K1的确定方法为：

S401，确定max1在所述第一能量曲线中出现的时间点t1，以及第一能量曲线中的能量最小值出现的时间点t3；

S402，确定max2在所述第二能量曲线中出现的时间点t2，以及第二能量曲线中的能量最小值出现的时间点t4；

S403，K1＝{ε*(t2-t1)/[(t4-t3)*ε₀]}^2.8；其中ε为煤炭的介电系数，ε₀为真空介电常数。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述K1的确定方法为：

S501，确定max1在所述第一能量曲线中出现的时间点t1；

S502，确定max2在所述第二能量曲线中出现的时间点t2；

S503，K1＝(t2-t1)/ε*ρ；其中ε为煤炭的介电系数，ρ为煤炭电阻率。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述K1的确定方法为：

S601，确定max1在所述第一能量曲线中出现的时间点t1，以及第一能量曲线中的能量最小值出现的时间点t3；

S602，确定max2在所述第二能量曲线中出现的时间点t2，以及第二能量曲线中的能量最小值出现的时间点t4；

S603，K1＝max{(t2-t1)，(t4-t3)}/ε*ρ；其中ε为煤炭的介电系数，ε₀为真空介电常数，max{}为取最大值函数。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S102-1具体包括：

S102-1-1，确定各时刻雷达发射信号与其对应的接收雷达接收信号之间的；

S102-1-2，若S102-1-1得到的商大于预设阈值，则将该时间点的雷达接收信号的值调整为该时间点的雷达接收信号的值*调整系数。

10.根据权利要求1-9任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述S106之后，还包括：

S107，确定调整后的界面图像中的顶板图像和底板图像；

S108，将所述顶板图像进行翻转；

S109，将翻转后的顶板图像和底板图像进行拼接；

S110，在拼接后的图像中标注所述钻孔的位置、顶板距所述钻孔的距离，所述钻孔距底板的距离。

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