一种含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤结构的判别方法与流程

本发明涉及一种顶煤结构的判别方法，尤其涉及一种含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤结构的判别方法，属于特厚煤层综放开采技术领域。

背景技术：

我国特厚煤层储量及产量占全国煤炭储量及产量的30％以上，因此特厚煤层开采技术水平决定着我国煤炭产业的科技进步与整体实力的提升，对保障国民经济持续稳定发展具有重要作用。而对于特厚煤层，由于受地质条件差异、技术和经济条件的限制，目前我国常用的开采方法是综放开采。

对于煤层赋存条件好、结构简单的特厚煤层，现有的综放开采技术可以获得较高的采出率和良好的经济效益，但是在一些结构复杂的煤层中，如夹矸厚、分层多等煤层条件下其采出率和应用效果不理想，造成这一问题的主要原因是，一是煤层赋存条件较差，结构复杂，如夹矸层厚度大、分层多、煤质硬等，造成顶煤冒放性较差，降低采出率；另外一方面是由于缺少放顶煤状态信息，无法根据顶煤厚度、夹矸厚度、夹矸层数等参数来及时调整放煤工艺，导致采出率降低。因此，从战略发展的长远利益来看，为提高含夹矸特厚煤层综放开采顶煤回收率和优化放煤工艺，在综放开采过程中准确快速判别出顶煤结构信息具有重要理论意义和应用价值。目前对于顶煤结构信息的探测主要是通过地测中心专职人员用人工煤电钻打眼，根据手感和返沫来确定顶煤结构信息，这一方法费力费时，劳动强度大，探测距离浅、分辨率低，且跟不上综放工作面的推进速度。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种提高综放开采顶煤回收率以及优化放煤工艺的含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤结构的判别方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤结构的判别方法，利用一个发射天线和多个接天线的超宽带雷达，判别含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤厚度、夹矸层厚度及层数；包括如下步骤：

(1)选用m个超宽带雷达天线组成自动扫描收发天线阵列，并安装在综放工作面液压支架的顶梁上；

(2)选择收发天线阵列中的1个天线作为发射天线，其他m-1个天线作为接受天线，其中m≥3；

(3)控制系统控制发射机生成多频段超宽带雷达信号，并将该超宽带雷达信号通过发射天线发射至含夹矸特厚煤层中；

(4)多频段超宽带雷达信号经由夹矸层和岩层表面反射后的回波信号到达m-1个接收天线，所述m-1个接收天线在控制系统控制下分别接受不同频段的回波信号；

(5)控制系统对接收的回波信号进行模数转换形成易于处理和成像的数字信号，通过探测数据进行图像处理，获得含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤结构信息。

所述的步骤3中，发射天线向含夹矸特厚煤层中发射的多频段超宽带雷达信号的中心频率为50～500mhz。

步骤5中，探测数据处理中，采用高频信号识别近处夹矸层，以低频天线识别煤岩界面，依照由近及远的原则，将近场高频信号的反演结果用于远场低频信号的反演约束，实现对顶煤厚度、夹矸层厚度及层数的精准判别。

所述的天线阵列安装在液压支架的顶梁上；所述的控制系统安装在液压支架的电液控制中心。

所述的控制系统包括：伸缩装置、发射机、接收机、控制机、收发天线阵列和防爆外壳；其特征在于：

所述伸缩装置安装在液压支架的顶梁下面；防爆外壳安装在工作面的液压支架上，发射机、接收机和控制机安装在防爆外壳内。

所述发射机包括功率放大模块与耦合器。

所述接收机包括混频器，带通滤波器与低噪放大器。

所述收发天线阵列由m个收发天线构成，其中，有一个发射天线，有m-1个接收天线。

所述控制机包括雷达主控逻辑，产生超宽带调频信号模块，ad采样模块。

其中雷达主控逻辑的输入端与顺槽主机的输出端连接，雷达主控逻辑的输出端分别与产生超宽带调频信号模块的输入端，ad采样模块的输入端相连。

发射机的功率放大模块的输入端与产生超宽带调频信号模块的输出端连接。耦合器的输入端与功率放大器的输出端连接，其输出端分别与发射天线，接收机中的混频器连接。

接收机中混频器的输入端由接收天线与耦合器相连，其输出端与带通滤波器的输入端连接。带通滤波器的输出端与放大电路输入端相连。

控制系统与综放工作面顺槽控制中心进行数据通讯、给发射机提供触发信号和控制信号、给接收机提供取样时钟和控制信号、控制天线阵列收发雷达信号、进行信号采集、模数转换、数据采集处理与存储等。

有益效果，由于采用了上述技术方案，本发明的将多频段超宽带雷达技术应用到综放开采特厚顶煤结构信息判别中，在含夹矸特厚煤层综放开采过程中，探地雷达具有较高的探测深度和分辨率指标，并能够精确判别出顶煤结构信息，提高了含夹矸特厚煤层综放开采的安全、高产、高效生产；采用超宽带雷达技术使用皮秒级的电磁能量脉冲作为信息的传输载体；其发射信号的功率谱密度极低，具有穿透能力强、探测速度快、分辨力高等特点，具有较强抗截获能力和多径免疫力。

(1)采用一发多收多频段超宽带雷达的工作模式，利用电磁波传播理论可以精确地反演出夹矸特厚煤层综放开采中顶煤厚度、夹矸层厚度及层数等信息；

(2)采用超宽带雷达具有工作频带宽、重量轻、精度高、响应速度快、在液压支架上安装方便等优点，能够满足顶煤结构探测的需求；

(3)将该系统安装在综放工作面液压支架的顶梁上，实时在线对顶煤结构进行判别，探测深度大，分辨率高。

附图说明

图1为本发明的顶煤结构的判别过程示意图。

图2为本发明的天线阵列和控制系统在液压支架上布置示意图。

图中，1-天线阵列；2-液压支架；3-控制系统。

具体实施方式

本发明的一种含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤结构的判别方法，利用一个发射天线和多个接天线的超宽带雷达，判别含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤厚度、夹矸层厚度及层数；包括如下步骤：

(1)选用m个超宽带雷达天线组成自动扫描收发天线阵列，并安装在综放工作面液压支架的顶梁上；

(2)选择收发天线阵列中的1个天线作为发射天线，其他m-1个天线作为接受天线，其中m≥3；

(3)控制系统控制发射机生成多频段超宽带雷达信号，并将该超宽带雷达信号通过发射天线发射至含夹矸特厚煤层中；

(4)多频段超宽带雷达信号经由夹矸层和岩层表面反射后的回波信号到达m-1个接收天线，所述m-1个接收天线在控制系统控制下分别接受不同频段的回波信号；

(5)控制系统对接收的回波信号进行模数转换形成易于处理和成像的数字信号，通过探测数据进行图像处理，获得含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤结构信息。

所述的步骤3中，发射天线向含夹矸特厚煤层中发射的多频段超宽带雷达信号的中心频率为50～500mhz。

步骤5中，探测数据处理中，采用高频信号识别近处夹矸层，以低频天线识别煤岩界面，依照由近及远的原则，将近场高频信号的反演结果用于远场低频信号的反演约束，实现对顶煤厚度、夹矸层厚度及层数的精准判别。

所述的天线阵列安装在液压支架的顶梁上；所述的控制系统安装在液压支架的电液控制中心。

所述的控制系统包括：伸缩装置、发射机、接收机、控制机、收发天线阵列和防爆外壳；其中，

所述伸缩装置安装在液压支架的顶梁下面；防爆外壳安装在工作面的液压支架上，发射机、接收机和控制机安装在防爆外壳内。

所述发射机包括功率放大模块与耦合器。

所述接收机包括混频器，带通滤波器与低噪放大器。

所述收发天线阵列由m个收发天线构成，其中，有一个发射天线，有m-1个接收天线。

所述控制机包括雷达主控逻辑，产生超宽带调频信号模块，ad采样模块。

所述的雷达主控逻辑的输入端与顺槽主机的输出端连接，雷达主控逻辑的输出端分别与产生超宽带调频信号模块的输入端，ad采样模块的输入端相连。

所述的发射机的功率放大模块的输入端与产生超宽带调频信号模块的输出端连接。耦合器的输入端与功率放大器的输出端连接，其输出端分别与发射天线，接收机中的混频器连接。

所述的接收机中混频器的输入端由接收天线与耦合器相连，其输出端与带通滤波器的输入端连接；带通滤波器的输出端与放大电路输入端相连。

控制系统与综放工作面顺槽控制中心进行数据通讯、给发射机提供触发信号和控制信号、给接收机提供取样时钟和控制信号、控制天线阵列收发雷达信号、进行信号采集、模数转换、数据采集处理与存储等。

以下结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1：本发明采用一发多收多频段超宽带雷达技术，来判别含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤结构的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1：选用m个超宽带雷达天线组成自动扫描收发天线阵列，并安装在综放工作面液压支架的顶梁上；

步骤2：选择1个天线作为发射天线，其他m-1个天线作为接受天线，其中m≥3；

步骤3：控制系统控制发射机生成多频段超宽带雷达信号，并将该超宽带雷达信号通过发射天线发射至含夹矸特厚煤层中，发射的多频段超宽带雷达信号的中心频率为50～500mhz；

步骤4：多频段超宽带雷达信号经由夹矸层和岩层表面反射后的回波信号到达m-1个接收天线，所述m-1个接收天线在控制系统作用下分别接受不同频段的回波信号；

步骤5：控制系统对接收的回波信号进行模数转换形成易于处理和成像的数字信号，通过探测数据进行图像处理，采用高频信号识别近处夹矸层，以低频天线识别煤岩界面，依照由近及远的原则，将近场高频信号的反演结果用于远场低频信号的反演约束，实现对顶煤厚度、夹矸层厚度及层数的精准判别，获得含夹矸特厚煤层综放开采中顶煤结构信息。

在步骤5中，假设顶煤的厚度为h1，第i个夹矸层的厚度为hi，第j个夹矸层的厚度为hj。发射天线a1向顶煤层发射多频段超宽带雷达信号，辐射的超宽带雷达信号在岩层表面和夹矸层表面将被反射，反射的雷达回波信号到达接收天线ai(i＝2,3,...,m-1)和aj(j＝2,3,...,m-1,i≠j)的传播时间分别为：

在公式(1)中，l1i是第i个接受天线到发射天线之间的距离，l1j是第j个接受天线到发射天线之间的距离，vc和vr分别是超宽带雷达信号在煤层和夹矸层的传播速度。

当所有的接收天线测量得到所有的雷达回波信号的到达时间t后，就可以得到的多组求解方程组，然后将近场高频信号的反演结果用于远场低频信号的反演约束，可以精确的计算出顶煤厚度、夹矸层厚度及层数等信息。

图2是天线阵列和控制系统在液压支架上布置示意图，天线阵列安装在液压支架的顶梁上，控制系统安装在液压支架的电液控制中心。控制系统主要完成如下功能：与综放工作面顺槽控制中心进行数据通讯、给发射机提供触发信号和控制信号、给接收机提供取样时钟和控制信号、控制天线阵列收发雷达信号、进行信号采集、模数转换、数据采集处理与存储等。