智能化綜放工作面頂煤厚度探測方法

楊秀宇，劉帥，劉清，楊清翔

(1.中煤華晉集團有限公司， 山西 運城 043300；2.北京天地瑪珂電液控制系統有限公司， 北京 100013；3.煤炭科學研究總院 智能控制技術研究分院， 北京 100013)

0 引言

2020年2月25日，國家發展改革委、國家能源局等八部委聯合發布了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，目的是推動智能化技術與煤炭產業融合發展，提升煤礦智能化水平，其中“(六) 推進科技創新，提高智能化技術與裝備水平”中提出重點突破精準地質探測、復雜條件智能綜采等技術，明確了對開采煤層的精準探測是實現智能綜采的必要條件。對于綜放工作面，其開采工藝為先采后放，開采后的煤層只剩下待放的頂煤[1-2]。若提前探測出頂煤厚度，可精準控制放頂煤，避免資源浪費，實現放煤采出率和煤質的平衡[3-5]。

實現頂煤厚度探測的基礎是煤巖界面識別[6-8]。目前對煤巖界面識別方法的研究大多基于理想煤巖展開，主流方法包括伽馬射線探測法、振動識別法、紅外探測法、圖像識別法等。伽馬射線探測法測量精度較低，限制了其應用范圍；振動識別法通過布置振動加速度傳感器獲取煤巖振動信號，根據煤巖介質力學特征不同進行識別，對煤巖特性差異要求較高；紅外探測法與圖像識別法可直接觀測煤巖界面，但無法判斷夾矸煤層。隨著雷達探測技術的發展，許多學者研究了其在探測煤巖界面和煤層厚度方面的應用[9-11]。張德等[12]采用PulseEkko100型商用探地雷達在某礦12106工作面巷道探測薄煤層厚度；梁慶華等[13]采用探地雷達在煤巷掘進中進行超前探測試驗，超前探測煤層深度為50 m；王昕等[14]提出將探地雷達技術用于煤巖界面識別，研究了采用1 GHz以下頻段時煤巖散射特性對探測結果的影響。

目前智能化開采要求能夠探測綜放工作面3 m以上頂煤厚度。本文提出一種基于探地雷達的智能化綜放工作面頂煤厚度探測方法，采用中心頻率為5～10 GHz的探地雷達技術，實現了最大探測煤層厚度5 m、最大探測誤差10%，滿足實際測量需求。

1 探地雷達工作原理

放頂煤厚度探測的核心技術為探地雷達，其為非接觸式無損檢測方式，具有分辨率高、應用靈活、響應快、數據采集量大、支持高強度連續測試等優點，越來越多地應用于地下目標探測、煤層厚度探測等領域[15]。

本文采用超寬帶探地雷達探測頂煤厚度。超寬帶雷達是指反射信號分數帶寬大于25%的雷達。分數帶寬為

(1)

式中fH，fL分別為雷達頻響特性的上下截止頻率。

探地雷達發出的脈沖波具有電磁波的一般特性，其工作原理如圖1所示。發射天線向探測目標發射雷達脈沖波，脈沖波在不同介質中傳播時，若相鄰介質的介電常數不同，則在介質分界面上會產生反射信號，根據反射信號可確定分界面位置。

圖1 探地雷達工作原理Fig.1 Working principle of ground penetrating radar

探地雷達從發射到接收脈沖波的時間t與目標深度h、脈沖波在介質中的傳播速度v有關，即

(2)

由此可得目標深度：

(3)

脈沖波在介質中的傳播速度受介質相對介電常數影響，即

(4)

式中：C為脈沖波在真空中的傳播速度；εr為介質相對介電常數。

根據電磁波傳播理論，雷達脈沖波在不同介質分界面上的反射系數決定了反射信號強度，反射系數越大，反射信號強度越大。而反射系數與相鄰介質的相對介電常數有關。

(5)

式中：τ為反射系數；ε1，ε2為相鄰介質的相對介電常數。

從式(5)可看出，相鄰介質的相對介電常數差異越大，反射系數越大。由于煤和巖石的相對介電常數差異較大，所以探地雷達發射的脈沖波在煤巖界面上的反射信號較強，可較容易地從反射信號中識別出煤巖界面信號，從而確定煤層厚度。

2 探地雷達裝置設計

探地雷達裝置是智能綜放工作面頂煤厚度探測的核心裝備，主要包括掃描控制器、發射機、接收機、發射天線、接收天線，如圖2所示。

圖2 探地雷達裝置結構Fig.2 Structure of ground penetrating radar device

掃描控制器用于連續編程使能接收機，并協調發射機操作。使能接收機使得探地雷達具有并行雷達的工作模式，可同時從等間隔布置的天線捕獲數據。

發射機采用高階高斯近似脈沖發生器，其中心頻率為5～10 GHz，輸出頻率可在較大范圍內調整，以適應實際需求。

接收機包括放大器、數模轉換器(DAC)、采樣器、積分器、輸出內存緩沖器等。接收的反射信號經低噪聲放大器放大。DAC受掃描控制器控制生成合適的閾值電壓，與放大后的接收信號進行同步運算后，輸入采樣器進行采樣。各采樣器之間的延遲會產生幀的等效采樣率。1幀包含512個高速模數轉換器(ADC)采集的信號。采集信號經積分運算后，通過SPI接口存入輸出內存緩沖器，最終形成雷達幀。

接收機輸入信號非常微弱，特別是雷達脈沖波穿透3 m煤層后，接收到的反射信號衰減嚴重，甚至可能被噪聲淹沒，因此設計了低噪聲、較高放大率的兩級放大器，其在高電流驅動下可降低散粒噪聲的相對量。接收機輸入信號經一級、二級放大器放大后，其功率如圖3所示。可看出在5～10 GHz中心頻率范圍內，接收的反射信號功率在二級放大后較一級放大后有所提升，保證了脈沖波穿透3～5 m煤層后，在一定測試區域內的接收機能夠接收到清晰的反射信號。

圖3 經放大的接收信號功率Fig.3 Power of amplified received signal

3 基于探地雷達的頂煤厚度探測

在綜放工作面每隔10架液壓支架放置1臺探地雷達裝置，共設置20臺。考慮到液壓支架對電磁波信號有屏蔽作用，而護幫板較支架頂梁寬度稍窄，可為雷達脈沖波的發射與接收留有一定空間，因此將探地雷達裝置安裝在護幫板側，如圖4所示。

圖4 探地雷達裝置安裝位置Fig.4 Installation location of ground penetrating radar device

探地雷達裝置根據設定的工作參數采集反射信號，并將采集信號通過WiFi方式傳輸到無人采煤機的控制單元，由控制單元實時傳輸至集控室控制臺。控制臺配置煤巖界面提取軟件，可通過處理、分析反射信號波形與灰度圖像，得出各探地雷達裝置探測的煤層厚度，并實時發送給綜放自動化控制系統，為精準控制放頂煤提供依據。煤層厚度可實時顯示在煤巖界面提取軟件界面，還可存儲，便于回放。

煤巖界面提取軟件可同時獲取多個探地雷達裝置接收的反射信號波形，在此基礎上進行數據點分析。相鄰2個探地雷達裝置測得的反射信號波形如圖5所示。

圖5 反射信號波形Fig.5 Reflected signal waveform

圖5表示了1幀信號512個采樣點的幅值，其中第1個采樣點為探地雷達裝置探測到的空氣與煤層的分界面位置，后續采樣點為雷達脈沖信號在介質中的傳播波形。這種時空映射是探地雷達用于探測煤巖界面的關鍵。通過采樣點最大與最小幅值判斷雷達脈沖波在2種不同介質分界面的反射位置，即最大幅值與最小幅值處為煤巖界面，如圖6所示。通過反射信號最大或最小幅值位置與雷達脈沖波發射起點的時間差計算出煤層厚度。

圖6 反射信號波形解釋Fig.6 Interpretation of reflected signal waveform

根據圖6中采樣脈沖信號幅值繪制雷達脈沖信號灰度圖，如圖7所示。信號幅值越大則顏色越淺，幅值越小則顏色越深。灰度圖中顏色最深的黑色和最淺的白色處分別為脈沖信號幅值最小值和最大值，代表相對介電常數有較大差異的煤巖界面位置。圖7中黑-白-黑最明顯的線即煤巖界面位置。

圖7 反射信號灰度圖Fig.7 Grayscale of reflected signal

4 現場測試

在中煤華晉集團有限公司王家嶺煤礦12309綜放工作面對基于探地雷達的頂煤厚度探測方法進行測試。該工作面是公司首個智能化綜放工作面。其位于123盤區西翼中部，北側為12311綜放工作面采空區，南側為實體煤，西側為123盤區邊界，推進長度為1 320 m，寬度為260 m，煤層傾角為-5～+2°，可采儲量265.3萬t。

12309綜放工作面頂煤厚度為3～5 m，底煤厚度小于0.5 m。在工作面合適位置，由人工將1根鋼釬插入煤層，憑主觀判斷鋼釬到達煤巖界面，測量鋼扦露出段長度，再抽出鋼釬，測量總長度，計算得煤層實際厚度為3.16 m。

人工手持探地雷達裝置天線，在2臺液壓支架間隙位置，從距頂板20 cm處有規律地上下移動，模擬探地雷達裝置在跟機自動化過程中的動態探測情景，如圖8所示。測試過程中需使天線平面垂直于煤層且盡量靠近煤層。

圖8 頂煤厚度探測現場Fig.8 Detection field of top coal thickness

通過集控室控制臺配置的煤巖界面提取軟件獲取探測數據。反射信號如圖9所示。軟件自動抓取反射波形的最大值與最小值，可看出在3.348 m處存在最小值，3.6 m處存在最大值，由此可確定煤巖界面位置。

圖9 頂煤厚度探測反射信號波形Fig.9 Reflected signal waveform of top coal thickness detection

為了更加直觀地分辨出煤巖界面，根據圖9所示的反射信號模擬灰度圖，如圖10所示。由于探地雷達裝置固定在液壓支架上，所以在跟機自動化過程中為動態探測，灰度圖中不同介質分界面處產生較明顯的水波紋波形。從圖10可看出，在3.383 m處(藍線位置)存在較清晰的灰度變化，判斷此處為煤巖界面，探測誤差為7%。

圖10 頂煤厚度探測反射信號灰度圖Fig.10 Grayscale of top coal thickness detection signal

測試結果表明，在動態探測過程中，通過灰度圖中信號波動可清晰地識別煤巖界面位置，測試過程中最大誤差為10%，滿足綜放現場頂煤厚度探測的精度要求。

5 結論

(1) 提出了基于探地雷達的智能化綜放工作面頂煤厚度探測方法，并應用于王家嶺煤礦12309綜放工作面，實現了煤巖界面自動識別、煤層賦存變化精準探測，為實現綜放工作面放煤現場無人操作的智能化目標提供了先決條件。

(2) 采用中心頻率范圍5～10 GHz的雷達脈沖技術，研發了探地雷達裝置，其最大探測厚度為5 m，探測誤差不超過10%，滿足實際探測需求。

(3) 測試表明，將探地雷達裝置設置在液壓支架護幫板側基本可行。測試時因未修正含水煤層和夾矸煤層的相對介電常數，對測試結果產生了一定影響，后續將通過修正含水煤層和夾矸煤層的相對介電常數、縮短反射信號最大幅值與最小幅值間的時長等方式來提高探測精確度。