脈沖雷達透地探測煤巖實驗研究

張守祥，劉 帥

(1.山東工商學院 信息與電子工程學院，山東 煙臺 264005; 2.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

煤巖界面識別是實現(xiàn)“無人化”開采關(guān)鍵技術(shù)之一，準確測量出未開采的煤層厚度是煤炭智能開采的必要條件。煤田地質(zhì)勘探對地下煤層的賦存進行探測后，在煤礦掘進和開采時，還需要對煤層賦存變化進行精準超前探測，以指導煤炭采掘的精確控制。綜采工作面一次采全高工藝，煤巖分界線可以直接觀察到，通過可見光攝像機采集圖像進行灰度閾值判斷后，可以確定煤巖分界線。但對于留頂煤或煤層起伏變化的綜采工作面，煤巖分界不能直接觀察到，需要具有穿透能力的雷達技術(shù)才能探測出具有一定厚度的煤層與巖層的分界位置。由于煤和巖石存在著明顯的介電常數(shù)差異，采用脈沖雷達發(fā)射出的信號在兩者的分界處會有較強的反射信號，依此可以確定出煤巖分界面的隱性位置，計算出可采煤層的厚度[1]。

對穿透煤巖層測量煤層厚度的需求分為以下幾種情況:

(1)采煤工作面的超前探測:對于工作面前方未開采煤層的起伏變化，需要在下一輪作業(yè)循環(huán)前測量出來，確定未開采煤層的精確高度，實現(xiàn)沿煤層起伏變化自動調(diào)整采煤機滾筒高度的智能化割煤工藝。

(2)留頂煤工作面:對于破碎頂板需要留頂煤的工作面，需要實時探測出所留頂煤的厚度。

(3)放煤工作面的放落煤層厚度探測:能夠提前預測放煤量，結(jié)合放煤時間、放落煤矸比例和放煤量指導放煤過程，達到精準放煤。

(4)工作面底煤厚度探測:傳統(tǒng)的煤層探測采用瞬變電磁、地震波等技術(shù)，探測深度大，可達數(shù)百米，但探測精度低;采用超聲波探測技術(shù)存在深度淺、受地質(zhì)環(huán)境影響大的問題。張德等[2]描述了采用“加拿大PulseEkko100型商用探地雷達”在山東滕州某礦12106工作面巷道的測量情況，但未給出測量精度的數(shù)據(jù)。李剛[3]采用透射槽波技術(shù)對黃陵礦業(yè)某工作面內(nèi)部煤層厚度變化情況進行了探測，探測煤層厚度的最大誤差達0.2 m。吳正飛等[4]應用直流電法和槽波地震法探測煤層變薄帶變化情況，圈定了厚度小于1.6 m的煤層范圍，但沒有測量精度的數(shù)據(jù)。梁慶華等[5]將探地雷達超前探測煤層深度為50 m，達到異常準確率為87.5%，并未得到測量精度。李力等[6]采用超聲波檢測煤巖界面，測量誤差在煤層厚度250 mm時為2%，沒有對更厚的煤層進行實驗。王昕等[7]用1 GHz以下探地雷達頻段探測煤巖界面進行了研究和實驗，未給出測量精度。

綜上所述，對煤層厚度的探測精度采用電磁法、地震波等深層穿透技術(shù)只能達到分米級的精度，而采用超聲波方法雖然達到了厘米級精度，但穿透煤層厚度淺。目前智能開采技術(shù)對檢測綜采工作面的高度控制精度要求為20 mm，探測深度對綜采留頂煤或煤層局部起伏變化達到1 m以上，而對綜放工作面來說探測的厚度要達到10 m以上。因此需要研究一種能夠滿足綜采自動調(diào)高精度和深度要求的煤巖分界自動探測技術(shù)，本文提出采用頻率范圍5.5～8.8 GHz的無線電脈沖技術(shù)，能夠達到探測煤層厚度2 m、探測精度20 mm的透地測量需求。

1 無線脈沖雷達探地技術(shù)

探地雷達是一種地下目標地質(zhì)特征的有效探測手段，與電阻率法、低頻電磁感應法及地震法等常規(guī)地下無損探測方法相比，具有探測速度快、探測過程連續(xù)、分辨率高、操作方便靈活等優(yōu)點。

1.1 測量原理

探地雷達利用地下介質(zhì)的不連續(xù)性來探測地下目標，基本構(gòu)成如圖1所示。雷達通過發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，在介質(zhì)不連續(xù)處產(chǎn)生回波，接收天線接收到這些回波信號后，進行采樣、數(shù)據(jù)處理和分析應用。

圖1 探地雷達的基本原理Fig.1 Basic principles of ground-penetrating radar

目標的回波時間t與目標的深度R和電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v有關(guān)，通過檢測目標的回波時間，即可測算出目標的深度:

(1)

電磁波在分層界面反射信號大小取決于反射系數(shù)，反射系數(shù)Γ與界面兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)ε1,ε2有關(guān)，介電常數(shù)的差異越大，反射系數(shù)也越大，如公式(2)所示:

(2)

1.2 煤巖介電常數(shù)

大多數(shù)工程介質(zhì)的介電常數(shù)ε為中等值。自然界物質(zhì)中空氣的介電常數(shù)最小為1，水最大為81。巖石、土、混凝土等常見工程介質(zhì)的介電常數(shù)在4～9之間。文虎[8]給出在溫度20 ℃時褐煤4.09、煙煤2.60、無煙煤12.20等介電常數(shù)，可供計算時參考。電磁波在介質(zhì)中的傳播速率小于真空速率:

(3)

其中，V為真空中電磁波速率3×108m/s，在煤炭介質(zhì)中的電磁波傳播速率在0.75×108～1.86×108m/s之間。

1.3 垂直分辨率、探測深度與時窗長度

探地技術(shù)要求在深度和精度上進行平衡。探測深度既不要選得太小檢測不到厚煤層，也不要選得太大降低垂向分辨率[9]。

垂直分辨率定義為雷達在垂直向能夠分辨兩種物質(zhì)的能力。按照電磁波的干涉理論，物質(zhì)上下界面反射波最小可識別雙向波程差為波長λ的1/8～1/4，因而垂向分辨率RV工作頻率有關(guān):

(4)

對于煤炭低電導介質(zhì)，衰減常數(shù)除與電導率成正比例關(guān)系外，還同電磁波角頻率有關(guān)[10-11]。不同的電磁波頻率衰減常數(shù)變化，探測能力亦不同。在相同介質(zhì)中，地質(zhì)雷達天線頻率越高，探測深度越小[12-13]，煤巖屬于此類。

一般選取探測深度h為目標深度的1.5倍[14],與介電常數(shù)ε一起確定采樣時窗長度(Rtw,ns):

Rtw=2hε/2/0.3≈3.3hε(5)

例如地層巖性為含水砂層時，介電常數(shù)為25，探測深度為3 m時，時窗長度可選為256 ns，時窗選擇略有富余，寧大勿小[15]。

分辨率與深度有關(guān)，隨著煤層深度h的增大，分辨率降低?？捎孟率焦浪愦瓜蚍直媛蔙V。

(6)

1.4 無線脈沖信號

(1)處理信號增益和掃描時間:脈沖重復頻率PRF(Pulse Repetition Frequency)和總集成量決定幀率。根據(jù)給定應用的要求，雷達以較低幀率代價獲得更多的處理增益，或者以較低的信噪比成本得到更高的幀速率[16]。使用默認的DAC(Digital to Analog Converter，數(shù)模轉(zhuǎn)換器)設置和持有時間完成掃描所需的時鐘周期數(shù)NSC。

(7)

式中，Is為迭代次數(shù)(IterationS);PPS為每步脈沖數(shù)(Pulses-Per-Step);DACMax為DAC最大值;DACMin為DAC最小值;DACSF為DAC 步長。

幀速率fr按如下公式計算:

(8)

(2)采樣速率估計:系統(tǒng)的采樣率由雷達幀的各個采樣點之間的時間偏移量給出，這種補償?shù)臏蚀_值不受設計保證，而受環(huán)境因素影響，如溫度和供電電壓[17]。通過秒表計時測量實際采樣率，1次秒表測量采樣延遲線的總延時τSDL:

(9)

式中，SDLmr為采樣延遲線測量結(jié)果;SWmcc為掃描測量周期數(shù);fMCLK為測量時鐘。

平均雷達采樣速率fs為

(10)

式中,N為芯片采樣點數(shù)(127/255)。

(3)超寬帶脈沖輸出頻譜和時域圖:由脈沖產(chǎn)生器PG(Pulse Generator)產(chǎn)生超寬帶信號，其輸出的中心頻率、頻寬和輸出功率見表1。

脈沖生成器輸出中心頻率5.3,5.7,6.4和7.8 GHz的頻譜如圖2所示，PGSelect為表1中的脈沖輸出選擇序號。與圖2相對應的脈沖生成器輸出波形，如圖3 所示。

表1脈沖輸出中心頻率
Table1Pulseoutputcenterfrequency

脈沖輸出選擇輸出中心頻率/GHz-10 dB帶寬輸出頻率/GHz最小典型最大平均輸出功率/dBm最小典型最大峰峰幅值/V05.31.651.751.90-11.0-10.7-10.50.6915.41.651.801.95-11.2-10.8-10.60.6925.71.751.852.10-11.6-11.2-11.00.7236.11.852.052.25-12.2-11.8-11.50.7146.41.952.152.30-12.3-12.0-11.70.7256.82.102.302.45-12.9-12.6-12.20.6967.32.252.352.55-13.9-13.3-12.90.6577.72.302.502.85-14.6-14.0-13.40.6287.82.302.502.90-14.8-14.0-13.40.6298.22.352.653.20-16.0-14.8-14.10.57108.82.653.104.40-17.2-16.4-15.10.54

圖2 不同中心頻率的無線脈沖頻譜Fig.2 Nano pulse spectrum at different center frequencies

圖3 不同中心頻率的脈沖雷達波形Fig.3 Pulse radar waveforms of several central frequencies

(4)輸出中心頻率估計:脈沖產(chǎn)生器PG輸出脈沖的中心頻率受環(huán)境因素影響，如環(huán)境溫度和電壓，以及由于計算負載和功率負荷變化而產(chǎn)生的溫度變化等內(nèi)部因素[18-22]。

任何給定時間的中心頻率都可以通過秒表計時PGD(Pulse Generator Delay)來測量，實際測量的脈沖產(chǎn)生器延時PGD計算公式:

(11)

式中，PGMR為采樣延時線測量結(jié)果;SWmcc為掃描測量周期數(shù);fMCLK為測量時鐘。

中心頻率可以通過PGSelect=n和PGselect=12的測量結(jié)果之間的時間差來估計，通過求解公式(12)計算:

(12)

當a=-0.004 388,b=0.108 3,c=-0.983 1 和d=4.033，PGD單位為ns,fc是中心頻率(GHz)。

圖4顯示了所有工作溫度范圍內(nèi)PGSelect設置測量中心頻率的脈沖延時。

圖4 超寬帶脈沖輸出頻率Fig.4 UWB pulse output frequency

2 工作面探測留頂煤厚度裝置設計

2.1 工作面安裝設計

受制于脈沖雷達高成本的因素，在應用初期還不能做到工作面煤層探測的全覆蓋，可考慮每隔6/12/24臺液壓支架布置1臺雷達，兩個雷達之間的煤層可以進行曲線擬合，近似地表示煤巖分界位置。如圖5所示。

圖5 工作面雷達分布測量Fig.5 Pulse radar distribution measurement on workface

雷達根據(jù)設定的工作參數(shù)采集回波，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)较锏辣O(jiān)控中心或采煤機的主控計算機上。主控計算機配套有煤巖分界面識別處理模塊，提取各臺雷達所在位置的煤層厚度信息，并實時顯示在控制軟件界面上?？紤]到對煤巖分界探測需求分為一次采全高綜采工作面和綜放工作面，綜采工作面的煤巖分界比較淺，絕大多數(shù)不會超過1 m;而綜放工作面的放煤厚度可能超過10 m;而對于薄煤層工作面還包括對底煤厚度的探測。因此對煤巖分界探測裝置和技術(shù)要適應從1～10 m的探測深度變化，需要不同頻率范圍的脈沖雷達技術(shù)，安裝位置也要覆蓋工作面頂、底板，如圖6所示。

圖6 透地雷達的煤巖分界應用場景Fig.6 Application scenario of coal-rock interface in mine-penetrating radar

2.2 裝置電路設計

脈沖雷達的硬件構(gòu)成為:一對收發(fā)天線、雷達模塊及輸入輸出模塊，雷達模塊采用單芯片CMOS脈沖信號收發(fā)器，其性能特點為近距離、高分辨率、512位深度、大于30 Gbps的高速采樣率、超低功率射頻發(fā)射等。

(1)頻率選擇:有一定分辨率和穿透深度的探地雷達是實現(xiàn)采煤機滾筒自動調(diào)高的關(guān)鍵。低頻探地雷達雖然穿透性好，但距離分辨率較差，難以準確判斷出煤巖分界面。綜合考慮煤層厚度和分辨率的測量要求，選用超寬帶探地雷達，能夠達到煤層厚度檢測誤差不超過20 mm。誤差來源主要是煤的介電常數(shù)無法準確獲取。

(2)設備形態(tài):以UWB CMOS芯片+射頻信號收發(fā)電路為模塊，通過SPI-USB-Ethernet為通信接口發(fā)送已轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并成幀的雷達數(shù)據(jù)?？蓪⒗走_設為客戶端模式，主控計算機為服務器模式，接收各雷達的回波數(shù)據(jù)。透地雷達設備可獨立工作，也可根據(jù)需要通過總線組成網(wǎng)絡。研制的雷達裝置要求具備對綜采工作面防塵、防水和防爆等惡劣環(huán)境的適應能力。

(3)天線設計:參考脈沖雷達芯片射頻電路設計Vivaldi收發(fā)天線，天線參數(shù)見表2。

表2天線特性
Table2Antennacharacteristics

天線類型尺寸/(mm×mm)帶寬/GHz波束寬度Vivaldi150×1330.9～9 水平:20°,垂直:50°H-plane

2.3 信號解析

脈沖雷達信號按30 Gbps的采樣率，則每個點的采樣周期為0.033 ns，在電磁波傳播速率為260 mm/ns的空氣介質(zhì)中進行驗證實驗。

如圖7所示，47為采樣點序號，53.7表示信號幅值(mV)，0.395表示轉(zhuǎn)換成的距離值(m)。對采樣點47從理論上計算得到的距離:

47×0.033 ns×260 mm/ns=403 mm

計算值403 mm與圖中實字交叉線的實際測量值0.395 m的差值為8 mm。

圖7 脈沖雷達信號分析Fig.7 Pulse radar signal analysis

圖8為反射回波兩個峰值最高為53.46 mV和最低45.66 mV，可用于判斷2種不同介質(zhì)的界面反射位置。

圖8 脈沖雷達峰值信號判斷Fig.8 Pulse radar peak signal judgment

3 實驗結(jié)果

3.1 測試方式

通過現(xiàn)場實驗測試脈沖雷達對煤層的穿透能力和測量精度，選擇留頂煤的中厚煤層，測量工作面頂煤的厚度、測量工作面底板的深度，也可以在巷道中測量頂、底煤的厚度進行精度驗證。測厚雷達用于采煤機自動調(diào)高原理如圖9所示。

圖9 采煤機根據(jù)煤層厚度自動調(diào)整滾筒高度Fig.9 Shearer automatically adjusts drum height with depth of coal seam

(1)透地雷達的基本功能實驗。驗證對煤層的穿透性，驗證測量煤層厚度的精度，檢驗雷達對不同煤巖的適應性。

(2)通過實驗找到雷達天線的最佳安裝方式。天線垂直、貼近煤層，放置在兩個支架的間隙處;天線也可放置于采煤機滾筒割煤后裸露出來的頂煤層下;在巷道可垂直于頂板和底板并貼近放置。

(3)測試驗證。先用雷達測試，記錄數(shù)據(jù)后，將煤層剝離，直至露出煤巖分界線，測量、記錄作為實際煤層厚度，與雷達測量厚度對照。

(4)介電常數(shù)和傳播速度。通過實驗室測定或查閱進行實驗的煤介電常數(shù)，計算出在煤介質(zhì)中的電磁波傳播速率。

3.2 綜采工作面回風巷道底板深度檢測

(1)在北京門頭溝某礦綜采工作面進行底板探測實驗。工作面位于千北向斜北翼，煤層總體北東傾，地層產(chǎn)狀:走向100°～150°，傾向10°～60°，傾角5°～20°，平均傾角:14°。工作面內(nèi)小褶曲及斷層發(fā)育，斷層帶附近煤層頂、底板破碎，煤層厚度變化較大，對回采有一定影響。

工作面煤層頂?shù)装鍘r性見表3，工作面其他參數(shù)見表4。

表3工作面煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)
Table3Coalseamroofandfloorlithologyparameter

頂?shù)装迕Q巖石名稱厚度/m巖性特征基本頂細砂巖30～35黑灰色、中厚層狀直接頂粉砂巖2.0～3.0灰黑色、中厚層狀偽頂碳質(zhì)粉砂巖0.2～0.5黑灰色、薄層狀直接底粉砂巖3.0～5.0中厚層狀基本底凝灰質(zhì)粉砂巖25～30灰黑色、中-厚層狀水平層理

(2)標定煤層介電常數(shù)為3，選用頻率5.3～8.2 GHz雷達設備，在巷道進行了長度為6 m的底煤厚度測量、采集和分析，如圖10所示。

(3)采用雷達信號灰度圖可直觀地看出煤巖分界位置?；叶葓D中最深的黑色和最亮的白色分別表示信號的波谷和波峰，代表了介電常數(shù)有較大差異的煤巖兩種介質(zhì)的分界位置，通過波谷或波峰到起點的時間差計算出煤層厚度。圖11表示了采用 5.3 GHz頻率的雷達測試結(jié)果，能夠清晰顯示雷達探測到的空氣/煤層界面和煤層/底板界面，圖中第1次反射的信號是煤層與空氣的接觸面，最深色和最亮色表示反射信號最強;第2次反射在4.5 ns處，反映了煤巖層的分界位置，按煤層中電磁波傳播速率122 mm/ns計算，可得到底煤厚度為549 mm。

表4工作面參數(shù)
Table4Workfaceparameter

參數(shù)參數(shù)值工作面平均傾斜長/m240煤層平均傾角/(°)14煤密度/(t·m-3)1.77煤硬度2～4煤層平均厚度,采高/m3.6,3.0

圖10 測量底煤雷達安裝示意Fig.10 Installation diagram for radar to detect floor

圖11 頻率5.3 GHz脈沖雷達信號灰度波形Fig.11 F5.3 GHz pulse radar signal gray waveform

圖12 頻率8.2 GHz脈沖雷達信號灰度波形Fig.12 F8.2 GHz pulse radar signal gray waveform

(4)頻率8.2 GHz雷達測試結(jié)果。探測波形如圖12所示，空氣/煤層界面和煤層/底板界面清晰，其中底煤回波時間為5.1 ns，按122 mm/ns計算，可得到底煤厚度為622 mm。

3.3 綜采工作面頂板測量

在山西同煤集團某礦進行了頂板煤巖分界面的雷達探測試驗。工作面位于12號層406盤區(qū)，工作面可采走向長280 m，傾向長143.5 m，平均煤厚3.54 m，設計采高3.2 m。尾巷標高1 006 m，頭巷標高980 m，頭尾巷落差達到26 m，平均傾角10°。煤體密度為1 450 kg/m3,煤層普氏硬度f為0.3～0.4。煤層直接頂為2.05 m的粉細砂巖互層，基本頂為11.74～14.68 m 的細砂巖。

選用雷達設備的中心頻率為5.3 GHz，根據(jù)標定煤的介電常數(shù)為4,測量裝置布置如圖13所示。

在綜采工作面回風巷進行了多個測點的探測，對采集的數(shù)據(jù)進行處理與分析。

圖13 雷達測量頂煤安裝示意Fig.13 Installation diagram for radar to detect roof

(1)測點1。圖14是5.3 GHz天線對巷道頂煤層進行探測得到的雷達圖像。圖中用點劃線對煤巖分界面做了標注，深度在1.5 m左右。

圖14 測點1的脈沖雷達信號灰度波形Fig.14 Pulse signal gray waveform at site 1

(2)測點2。如圖15所示，有兩個清晰的分界面，上面一個是煤巖分界面，用點劃線對分界面做了標注，煤層厚度實測值分布在0.45 m左右，下面一個分界面是不同巖層的分界。

圖15 測點2脈沖雷達信號灰度波形Fig.15 Pulse signal gray waveform at site 2

(3)測點3。如圖16所示，用點劃線對煤巖分界面做了標注，頂煤厚度分布在0.2～0.4 m之間，對應測點附近巖石裸露的位置，該處頂煤實際厚度為0.23 m。

圖16 在測點3的脈沖雷達信號灰度波形Fig.16 Pulse signal gray waveform at site 3

(4)測點4。如圖17所示，頂煤厚度分布在0.2～0.4 m之間，圖中用點劃線對煤巖分界面做了標注，該處頂煤實際厚度為0.3 m。

圖17 在測點4的脈沖雷達信號灰度波形Fig.17 Pulse signal gray waveform at site 4

4 結(jié) 論

(1)研究了脈沖雷達用于煤巖分界的原理，選擇5.3～8.8 GHz脈沖頻段可以得到毫米級分辨率、厘米級的煤層厚度測量精度。

(2)測量精度達到了20 mm，滿足了采煤機滾筒自動調(diào)高對煤巖分界的高度定位要求，為實現(xiàn)綜采工作面智能化和無人化安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

(3)能夠穿透超過2 m煤巖層厚度，如果需要穿透更深的煤層，可以試驗降低頻率和增強雷達發(fā)射功率。

(4)后續(xù)研究需要考慮含水煤層和夾矸煤層的介電常數(shù)化后對測量厚度和精度的影響。