基于空气耦合雷达的矿井煤岩界面随采动态探测原理及关键技术

矿井煤岩识别技术是制约煤炭智能开采的关键难题之一。受煤矿地质条件及复杂工况影响,目前诸多煤岩识别方法因其技术局限性而无法满足工业化实时、智能、高效的应用需求。在总结矿井煤岩识别技术演变历程基础上,提出煤岩识别技术已经进入到随采、自主、动态探测的新阶段,并提出了适用于智能综采工作面煤岩界面的非接触智能探测理论与技术框架,包括电磁波能量聚焦、位姿感知、支架姿态自适应调控、煤岩界面坐标转换4项技术内涵和聚焦发射空气耦合雷达天线、智能调节支架、煤岩界面识别与追踪技术方法、界面位置信息提取技术、系统位姿参数矩阵5项关键技术。系统阐释了基于空气耦合雷达天线煤岩界面随采动态探测系统的基本原理,首先,开发空气耦合屏蔽雷达天线,实现电磁波能量聚焦发射及煤岩界面的非接触式探测,天线悬空高度为30 cm;其次,研发智能天线支架,结合支架姿态自适应调控技术,以雷达数据探测的悬空距离(天线距煤表面距离)为判别依据,实现雷达天线位姿随工作面起伏变化的自适应调节;再次,研究多干扰源下的煤岩界面识别与追踪方法,准确识别出空气-煤界面、煤-岩界面的一次有效波反射点位,获取动态高精度的煤岩界面信息;最后,创建系统位姿参数矩阵,结合煤机惯性导航单元、智能支架动态位姿参数,建立大地坐标系、采煤机坐标系和天线坐标系3者空间关系模型,并创建煤岩界面等高曲线,并将该信息通过网络协议传输给煤机控制系统,从而实现采煤机截割滚筒自适应调高控制。实验结果表明:应用该煤岩识别系统识别煤岩界面位置平均误差为±1.2 cm,平均误差百分比为8.6%。实现了矿井煤岩界面随采动态探测,为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。

基于高频雷达波的煤岩层位识别与追踪方法研究

煤岩层位的识别与追踪是煤炭智能化开采的重要难题,常规的煤岩层位探测方法存在精度低、实时性差等问题,提出一种基于高频空气耦合雷达的煤岩层位识别与追踪方法,相比于传统方法,本方法可实现非接触式探测,并且能实时进行层位的追踪与识别。首先通过正演模拟分析了天线悬空耦合条件下高频雷达波在“空气-煤-岩”层位的回波反射特征,提出了“空气-煤”和“煤-岩”层的定位方法;其次对不同煤层厚度条件下的界面探测精度和误差进行分析,提出了“煤-岩”层精确定位方法,并建立了种子层位点的位置关系模型;针对雷达天线悬空高度受煤层起伏变化的影响,研究推导出煤岩层位动态探测过程中煤层厚度的解算算法;再次,根据“煤-岩”层位种子点,提出以三级“窗口算子”为核心的煤岩层位追踪算法,实现了煤岩层位的快速追踪,提高了系统稳定性;最后开展了物理模型试验和现场探测试验,结果表明:物理模型探测中平均误差为±0.12 cm,平均误差百分比为2.18%,矿井工作面探测平均误差值为±0.71 cm,平均误差百分比为3.53%;基于1.2 GHz高频空气耦合雷达可在悬空条件下实时动态获取到1 m范围内煤岩层位信息,动态探测精度达到厘米级,研究成果为煤矿智能化开采以及透明地质模型的动态更新提供技术支撑。