CN114352274B - 一种基于采煤机滚筒震源的煤岩界面识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于采煤机滚筒震源的煤岩界面识别方法，在采煤机滚筒摇臂连接部位和采煤机滑靴各装一个三分量地震传感器，两个传感器实时接收采煤机截割煤层产生的震动作为震源反馈的地震波，并对接收到的某段时间内地震信号先消除随机不规则的噪声干扰，然后对各个传感器不同分量分别进行等长分段，将两个传感器分段后三分量数据，按照同一分量各自分段位置进行互相关运算，从而获得煤岩界面地震干涉三分量记录；接着通过不同分量分别采用纵波速度和横波速度进行时深转换，并再次进行互相关计算，获得煤岩界面识别记录，最后选取记录中零点后的首个最大振幅处对应的深度，并结合当前两个传感器的高度位置即能获得实时顶板或底板煤岩界面位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿开采中煤岩界面识别方法，具体是一种基于采煤机滚筒震源的煤岩界面识别方法。
背景技术
目前，综采工作面采煤机的牵引速度已基本实现了自动化控制，而采煤机滚筒高度的调节、控制大部分还停留在人工手动控制的阶段，煤岩界面识别是实现采煤机自动调高控制的关键技术，如无法精确确定煤岩界面，则会导致采煤机在截割时会对岩层进行截割，这样不仅会造成采煤机截割部的损坏，而且截割的岩体与截割的煤体混合，导致后续筛分较为麻烦；另外由于采煤机在一次回采过程中，煤岩界面并不是呈固定平面分界，因此如不能实时在采煤机截割过程中识别出不同位置的煤岩界面的情况，则也会出现上述问题。基于上述原因，目前煤岩界面快速、准确识别是实现采煤机智能调高控制、综采工作面自动化、智能化的主要阻碍之一。因此如何能在采煤机截割过程中实时、准确地识别出采煤工作面的煤岩界面，进而保证后续采煤机自动精准调节截割位置，使其能在煤岩界面的煤层范围内持续进行回采，是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于采煤机滚筒震源的煤岩界面识别方法，无需额外设置震源，通过传感器实时接收采煤机截割煤层产生的震动作为震源反馈的地震波，能在采煤机截割过程中实时、准确地识别出采煤工作面的煤岩界面，进而保证后续采煤机自动精准调节截割位置，使其能在煤岩界面的煤层范围内持续进行回采。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于采煤机滚筒震源的煤岩界面识别方法，具体步骤为：
步骤一：在采煤机滚筒摇臂连接部位安装1个三分量地震传感器，并定义为滚筒传感器；在采煤机行走部靠近该摇臂且同一侧的滑靴处安装1个三分量地震传感器，并定义为机身传感器；上述三分量传感器的X分量与切割走向平行，Y分量与回采方向平行，Z分量垂直于顶底板；
步骤二：当采煤机滚筒对底煤进行回采过程中同步采集某一时间段ΔT内2个三分量传感器获取的信号数据，此时间段内机身传感器高度为Hm、滚筒传感器高度为Hs、采煤机所在工作面回采位置为Y；
步骤三：采用频率谱白化方法对此时间段内获得的2个三分量传感器采集的地震信号进行归一化处理，消除随机不规则的噪声干扰；
步骤四：完成噪声干扰消除后，根据实际探测需求设置分段时间长度为Δl，将ΔT内各个三分量传感器的不同分量分别以Δl长度进行等长分段；
步骤五：将滚筒传感器与机身传感器各自分段后的三分量数据，按照同一分量各自分段位置进行互相关运算，从而获得底板煤岩界面地震干涉三分量记录；
步骤六：将步骤五获得的底板煤岩界面地震干涉三分量记录进行处理，将其中的Z分量记录采用纵波速度Vp进行时深转换，X和Y分量记录均采用横波速度Vs进行时深转换后垂直叠加，分别获得带有深度信息的地震记录Xz和Xxy，再次进行Xz和Xxy的互相关计算后(该互相关计算过程与步骤五相同，且这两个带有深度信息的地震记录进行互相关时，能以两者中任选一个记录作为因子道)，输出底板煤岩界面识别记录Xf；
步骤七：选取Xf零点后的首个最大振幅处对应的深度确定为Hf，结合当前机身传感器的高度Hm、滚筒传感器的高度Hs即能获得实时底板煤岩界面位置；
步骤八：当采煤机滚筒对顶煤进行回采时，重复步骤二至七，能获得实时顶板煤岩界面位置，从而实现当前采煤机所在工作面回采位置的顶底板煤岩界面识别工作；
步骤九：在采煤机后续回采过程中持续重复步骤上述步骤一至八，同步计算采煤机回采过程中处于不同回采位置Y的顶底板煤岩界面位置，即能获得沿工作面倾向方向的顶底板煤岩界面分布曲线。
进一步，若采煤机为双滚筒采煤机，则在采煤机两个滚筒摇臂连接部位分别安装1个三分量地震传感器，并分别定义为左滚筒传感器和右滚筒传感器；在采煤机行走部分别靠近两个摇臂且同一侧的滑靴处各安装1个三分量地震传感器，并分别定义为左机身传感器和右机身传感器；假定左滚筒切割底煤，右滚筒切割顶煤，在时间段ΔT内采煤机左机身传感器和右机身传感器的高度分别为Hm1和Hm2，左滚筒传感器和左机身传感器的高度分别为Hs1和Hs2，最后左滚筒传感器和左机身传感器获取的信号，按照煤岩界面识别步骤处理后能得出底板煤岩界面位置，同时右滚筒传感器和右机身传感器获取的信号，按照煤岩界面识别步骤处理后能得出顶板煤岩界面位置。采用双滚筒采煤机能在一次回采过程中同步识别出顶底板煤岩界面位置，相比与单滚筒采煤机能有效提高煤层工作面的开采效率。
进一步，所述步骤三具体为：
首先，利用离散傅里叶变换将离散的地震记录x(nΔt)转换至频率域，得到X(2πmΔf)
式中，n是采样点序号，Δt是时间采样间隔，m是频点序号，Δf是频率采样间隔，i是虚数符号；
其次，对频率域信号进行窄带通滤波，滤波后结果为：
Xk(2πmΔf)＝X(2πmΔf)·Hk(2πmΔf)
式中，Hk是所选用的带通滤波器的频率特性，K是带通滤波计算次数k＝1,2,3...,K，即可得到K个不同频带范围内的滤波结果Xk；
接着，对不同频带内的振幅进行时变增益，即将每个频段中的Xk分时窗，求出时窗均方根振幅值，用此均方根振幅值再除该时窗内各点的振幅值、再乘以固定常数因子；采用滑动时窗方法对每个时窗内的振幅值都进行相应处理，完成单个Xk的时变增益，公式如下：
式中Aj是第j个时窗内的均方根振幅值，r是时窗起始点，T是时窗长度；
式中
表示第k个频带中的第j个时窗增益后的结果，Xk(2πmΔf)j是增益前的记录，C为常数因子；
按照上述方法，把分频后的记录都进行时变增益，然后叠加有效频带内的一个振幅谱，再通过离散傅里叶反变换到时域，即完成单道地震记录的谱白化处理，最后，依次对时间段ΔT内的2个三分量传感器共6道地震记录进行基于谱白化的归一化处理，从而消除信号中随机不规则的噪声干扰。
进一步，所述步骤五具体为：
(1)将滚筒传感器与机身传感器各自分段后的三分量数据，按照同一分量各自分段位置进行互相关运算；
(2)互相关计算具体为：
式中，x(n)和y(n)分别表示参与互相关的每段滚筒传感器信号和每段机身传感器的信号，τ表示y(n)相对于x(n)的时移量，N表示参与互相关的信号长度；
(3)对互相关后的结果进行多段垂直叠加，由此获得时间长度为Δl的底板煤岩界面地震干涉三分量记录。
与现有技术相比，本发明在采煤机滚筒摇臂连接部位和采煤机行走部靠近该摇臂且同一侧的滑靴处各安装1个三分量地震传感器，分别定义为滚筒传感器和机身传感器，其中滚筒传感器作为机身传感器的先导传感器；由于采煤机回采过程中滚筒会持续截割煤层，即产生的震源会随着采煤机截割而不断移动，并且持续产生地震波，因此无需额外设置震源，这两个传感器实时接收采煤机截割煤层产生的震动作为震源反馈的地震波，并对接收到的某段时间内地震信号先消除随机不规则的噪声干扰，然后对各个传感器不同分量分别以Δl长度进行等长分段，将2个传感器分段后三分量数据，按照同一分量各自分段位置进行互相关运算，从而获得底板或顶板煤岩界面地震干涉三分量记录；接着通过不同分量分别采用纵波速度和横波速度进行时深转换，并再次进行互相关计算，获得顶板或底板煤岩界面识别记录，最后选取记录中零点后的首个最大振幅处对应的深度，并结合当前机身传感器和滚筒传感器的高度位置即能获得实时顶板或底板煤岩界面位置，重复上述步骤能获得沿工作面倾向方向的顶底板煤岩界面分布曲线；接着将获得的实时煤岩界面信息传递给采煤机控制系统，采煤机控制系统在回采过程中根据获取的实时顶底板煤岩界面位置，自动调整滚筒高度，保障截割空间的采高与实际设计煤层厚度一致，达到不同厚度煤层实际回采高度与设计回采方式的自动精准匹配。因此通过本发明能在采煤机截割过程中实时、准确地识别出采煤工作面的煤岩界面，进而保证后续采煤机自动精准调节截割位置，使其在煤岩界面的煤层范围内持续进行回采。
附图说明
图1是本发明实施例中的采煤机传感器安装位置示意图；
图2是本发明实施例中传感器与煤岩识别的坐标系统示意图；
图3是本发明中煤岩界面探测示意图；
图4是本发明实施例中获得的采煤机在不同位置的煤岩界面识别剖面图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例采用双滚筒采煤机进行煤层工作面回采，具体步骤为：
步骤一：在采煤机两个滚筒摇臂连接部位分别安装1个三分量地震传感器，并分别定义为左滚筒传感器和右滚筒传感器；在采煤机行走部分别靠近两个摇臂且同一侧的滑靴处各安装1个三分量地震传感器，并分别定义为左机身传感器和右机身传感器；如图2所示，上述三分量传感器的X分量与切割走向平行，Y分量与回采方向平行，Z分量垂直于顶底板；
步骤二：假定左滚筒切割底煤，右滚筒切割顶煤，在采煤机回采过程中同步采集某一时间段ΔT内4个三分量传感器获取的信号数据，在时间段ΔT内采煤机左机身传感器和右机身传感器的高度分别为Hm1和Hm2，左滚筒传感器和左机身传感器的高度分别为Hs1和Hs2，采煤机所在工作面回采位置为Y，其中设工作面上巷一侧煤层为Y＝0；
步骤三：采用频率谱白化方法对此时间段内获得的4个三分量传感器采集的地震信号进行归一化处理，消除随机不规则的噪声干扰，具体过程为：
首先，利用离散傅里叶变换将离散的地震记录x(nΔt)转换至频率域，得到X(2πmΔf)
式中，n是采样点序号，Δt是时间采样间隔，m是频点序号，Δf是频率采样间隔，i是虚数符号；
其次，对频率域信号进行窄带通滤波，滤波后结果为：
Xk(2πmΔf)＝X(2πmΔf)·Hk(2πmΔf)
式中，Hk是所选用的带通滤波器的频率特性，K是带通滤波计算次数k＝1,2,3...,K，即可得到K个不同频带范围内的滤波结果Xk；
接着，对不同频带内的振幅进行时变增益，即将每个频段中的Xk分时窗，求出时窗均方根振幅值，用此均方根振幅值再除该时窗内各点的振幅值、再乘以固定常数因子；采用滑动时窗方法对每个时窗内的振幅值都进行相应处理，完成单个Xk的时变增益，公式如下：
式中Aj是第j个时窗内的均方根振幅值，r是时窗起始点，T是时窗长度；
式中
表示第k个频带中的第j个时窗增益后的结果，Xk(2πmΔf)j是增益前的记录，C为常数因子；
按照上述方法，把分频后的记录都进行时变增益，然后叠加有效频带内的一个振幅谱，再通过离散傅里叶反变换到时域，即完成单道地震记录的谱白化处理，最后，依次对时间段ΔT内的4个三分量传感器共12道地震记录进行基于谱白化的归一化处理，从而消除信号中随机不规则的噪声干扰；
步骤四：完成噪声干扰消除后，根据实际探测需求设置分段时间长度为Δl，将ΔT内各个三分量传感器的不同分量分别以Δl长度进行等长分段；
步骤五：将左滚筒传感器与左机身传感器各自分段后的三分量数据，按照同一分量各自分段位置进行互相关运算，从而获得底板煤岩界面地震干涉三分量记录；同时将右滚筒传感器与右机身传感器的三分量数据采取上述相同互相关计算，从而获得顶板煤岩界面地震干涉三分量记录；其中具体的互相光计算过程为：
(1)以左滚筒传感器与左机身传感器为例，将左滚筒传感器与左机身传感器各自分段后的三分量数据，按照同一分量各自分段位置进行互相关运算；
(2)互相关计算具体为：
式中，x(n)和y(n)分别表示参与互相关的每段左滚筒传感器信号和每段左机身传感器的信号，τ表示y(n)相对于x(n)的时移量，N表示参与互相关的信号长度；
(3)对互相关后的结果进行多段垂直叠加，由此获得时间长度为Δl的底板煤岩界面地震干涉三分量记录；
步骤六：将步骤五获得的底板煤岩界面地震干涉三分量记录进行处理，将其中的Z分量记录采用纵波速度Vp进行时深转换，X和Y分量记录均采用横波速度Vs进行时深转换后垂直叠加，分别获得带有深度信息的地震记录Xz和Xxy，再次进行Xz和Xxy的互相关计算后，输出底板煤岩界面识别记录Xf；同理将顶板煤岩界面地震干涉三分量记录进行相同处理，获得顶板煤岩界面识别记录Xr；
步骤七：分别选取Xf和Xr零点后的首个最大振幅处对应的深度确定为Hf和Hr，结合采煤机左机身传感器和右机身传感器的高度Hm1和Hm2，左滚筒传感器和左机身传感器的高度Hs1和Hs2，即能获得实时底板煤岩界面位置和顶板煤岩界面位置；如图4所示，从而实现当前采煤机所在工作面回采位置的顶底板煤岩界面识别工作；
步骤八：在采煤机后续回采过程中持续重复步骤上述步骤一至八，同步计算采煤机回采过程中处于不同回采位置Y的顶底板煤岩界面位置，即能获得沿工作面倾向方向的顶底板煤岩界面分布曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于采煤机滚筒震源的煤岩界面识别方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：在采煤机滚筒摇臂连接部位安装1个三分量地震传感器，并定义为滚筒传感器；在采煤机行走部靠近该摇臂且同一侧的滑靴处安装1个三分量地震传感器，并定义为机身传感器；上述三分量地震传感器的X分量与切割走向平行，Y分量与回采方向平行，Z分量垂直于顶底板；
步骤二：当采煤机滚筒对底煤进行回采过程中同步采集某一时间段ΔT内2个三分量地震传感器获取的信号数据，此时间段内机身传感器高度为Hm、滚筒传感器高度为Hs、采煤机所在工作面回采位置为Y；
步骤三：采用频率谱白化方法对此时间段内获得的2个三分量地震传感器采集的地震信号进行归一化处理，消除随机不规则的噪声干扰；
步骤四：完成噪声干扰消除后，根据实际探测需求设置分段时间长度为Δl，将ΔT内各个三分量地震传感器的不同分量分别以Δl长度进行等长分段；
步骤五：将滚筒传感器与机身传感器各自分段后的三分量数据，按照同一分量各自分段位置进行互相关运算，从而获得底板煤岩界面地震干涉三分量记录；
步骤六：将步骤五获得的底板煤岩界面地震干涉三分量记录进行处理，将其中的Z分量记录采用纵波速度Vp进行时深转换，X和Y分量记录均采用横波速度Vs进行时深转换后垂直叠加，分别获得带有深度信息的地震记录Xz和Xxy，再次进行Xz和Xxy的互相关计算后，输出底板煤岩界面识别记录Xf；
步骤七：选取Xf零点后的首个最大振幅处对应的深度确定为Hf，结合当前机身传感器的高度Hm、滚筒传感器的高度Hs即能获得底板煤岩界面位置；
步骤八：当采煤机滚筒对顶煤进行回采时，重复步骤二至七，能获得实时顶板煤岩界面位置，从而实现当前采煤机所在工作面回采位置的顶底板煤岩界面识别工作；
步骤九：在采煤机后续回采过程中持续重复上述步骤一至八，同步计算采煤机回采过程中处于不同回采位置Y的顶底板煤岩界面位置，即能获得沿工作面倾向方向的顶底板煤岩界面分布曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于采煤机滚筒震源的煤岩界面识别方法，其特征在于，若采煤机为双滚筒采煤机，则在采煤机两个滚筒摇臂连接部位分别安装1个三分量地震传感器，并分别定义为左滚筒传感器和右滚筒传感器；在采煤机行走部分别靠近两个摇臂且同一侧的滑靴处各安装1个三分量地震传感器，并分别定义为左机身传感器和右机身传感器；假定左滚筒切割底煤，右滚筒切割顶煤，在时间段ΔT内采煤机左机身传感器和右机身传感器的高度分别为Hm1和Hm2，左滚筒传感器和左机身传感器的高度分别为Hs1和Hs2，最后左滚筒传感器和左机身传感器获取的信号，按照煤岩界面识别步骤处理后能得出底板煤岩界面位置，同时右滚筒传感器和右机身传感器获取的信号，按照煤岩界面识别步骤处理后能得出顶板煤岩界面位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于采煤机滚筒震源的煤岩界面识别方法，其特征在于，所述步骤三具体为：
首先，利用离散傅里叶变换将离散的地震记录x(nΔt)转换至频率域，得到X(2πmΔf)
式中，n是采样点序号，Δt是时间采样间隔，m是频点序号，Δf是频率采样间隔，i是虚数符号；
其次，对频率域信号进行窄带通滤波，滤波后结果为：
Xk(2πmΔf)＝X(2πmΔf)·Hk(2πmΔf)
式中，Hk(2πmΔf)是所选用的带通滤波器的频率特性，K是带通滤波计算次数，k＝1,2,3...,K，即可得到K个不同频带范围内的滤波结果Xk(2πmΔf)；
接着，对不同频带内的振幅进行时变增益，即将每个频段中的Xk(2πmΔf)分时窗，求出时窗均方根振幅值，用此均方根振幅值再除该时窗内各点的振幅值、再乘以固定常数因子；采用滑动时窗方法对每个时窗内的振幅值都进行相应处理，完成单个Xk(2πmΔf)的时变增益，公式如下：
式中Aj是第j个时窗内的均方根振幅值，r是时窗起始点，T是时窗长度；
式中
表示第k个频带中的第j个时窗增益后的结果，Xk(2πmΔf)j是增益前的记录，C为常数因子；
按照上述方法，把分频后的记录都进行时变增益，然后叠加有效频带内的一个振幅谱，再通过离散傅里叶反变换到时域，即完成单道地震记录的谱白化处理，最后，依次对时间段ΔT内的2个三分量地震传感器共6道地震记录进行基于谱白化的归一化处理，从而消除信号中随机不规则的噪声干扰。
4.根据权利要求1所述的一种基于采煤机滚筒震源的煤岩界面识别方法，其特征在于，所述步骤五具体为：
(1)将滚筒传感器与机身传感器各自分段后的三分量数据，按照同一分量各自分段位置进行互相关运算；
(2)互相关计算具体为：
式中，x(n)和y(n)分别表示参与互相关的每段滚筒传感器信号和每段机身传感器的信号，τ表示y(n)相对于x(n)的时移量，N表示参与互相关的信号长度；
(3)对互相关后的结果进行多段垂直叠加，由此获得时间长度为Δl的底板煤岩界面地震干涉三分量记录。
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