李志武

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司雙柳煤礦， 山西 呂梁 033300）

1 探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)的應(yīng)用分析

探地雷達(dá)技術(shù)是當(dāng)前較為先進(jìn)的勘探手段之一，因體積小、質(zhì)量輕，非常適合在空間緊張的地下硐室中作業(yè)，其無損探測(cè)和實(shí)時(shí)顯示連續(xù)剖面的特點(diǎn)可保證探地雷達(dá)探測(cè)工作的高效率，使得探測(cè)工作的成果客觀準(zhǔn)確，且圖像資料簡(jiǎn)單易懂，在眾多行業(yè)得到了廣泛使用。

1.1 GPR深度傳感器的應(yīng)用

GPR已經(jīng)在土木工程和地下工程中被廣泛應(yīng)用。GPR的核心吸引力在于它是非侵入性和非破壞性的，并且可以提供地下特征的瞬時(shí)成像?；A(chǔ)的探地雷達(dá)的原理涉及將能量傳輸?shù)降孛嫒缓鬁y(cè)量具有不同介電值的材料界面由此產(chǎn)生的反射。接收到的反射大小取決于地電導(dǎo)率和介電常數(shù)的大小和形狀目標(biāo)、介電常數(shù)的差值以及一個(gè)邊界、空隙、腔體和其他介電界面可能引起脈沖回波的不連續(xù)性。通常在煤層中發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)特征地層特別適合雷達(dá)成像。這是相對(duì)于其主體地層來說，因?yàn)槊壕哂休^低的導(dǎo)電率和較高的電導(dǎo)率介電常數(shù)。迄今為止，GPR尚未廣泛應(yīng)用于煤礦煤層深度測(cè)量，這在很大程度上由于敏感的電子設(shè)備不能簡(jiǎn)單適用于惡劣的煤炭開采環(huán)境以及調(diào)控GPR返回雷達(dá)信號(hào)的復(fù)雜性。GPR成功實(shí)施的關(guān)鍵要求煤炭測(cè)量系統(tǒng)使用信號(hào)處理將原始雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的形式并立即被非專業(yè)人員利用。大多數(shù)商用GPR系統(tǒng)不適合地下煤挖掘（并不提供自動(dòng)化的實(shí)時(shí)處理能力），因此常依靠經(jīng)過培訓(xùn)的運(yùn)營(yíng)商手動(dòng)解釋離線的原始雷達(dá)數(shù)據(jù)，最終由傳感器的典型原始GPR輸出直接進(jìn)入自由空間。主峰表示一個(gè)天線-空氣耦合特性，依據(jù)此特性可以有效地得知煤層與巖石的邊界導(dǎo)電率發(fā)生突變。但是，需要額外復(fù)雜算法處理原始雷達(dá)數(shù)據(jù)才能提供控制地層的煤層深度精確估計(jì)[1]。

1.2 探地雷達(dá)探測(cè)礦層位置及厚度

礦山開采過程中，為解決工作接續(xù)緊張問題，一般需要預(yù)先精確查明后續(xù)計(jì)劃開采礦層的可采價(jià)值，主要通過確定礦層厚度來計(jì)算出儲(chǔ)量大小。礦層與頂?shù)装鍘r性差異較大時(shí)，可以利用探地雷達(dá)確定礦層上下界同探測(cè)位置的相對(duì)位置關(guān)系，由此得出礦層厚度的準(zhǔn)確值及其變化，并計(jì)算出探測(cè)區(qū)域的礦層儲(chǔ)量供開采設(shè)計(jì)參考。如某煤礦開采時(shí)大力使用放頂煤技術(shù)，工作面上下順槽超前工作面煤壁幾百米掘進(jìn)，通過向順槽頂板鉆孔計(jì)算放頂煤工作面的煤炭?jī)?chǔ)量，效率非常低，且準(zhǔn)確性較差，增加了巷道頂板圍巖的破碎度，影響了正常的運(yùn)煤和行人。而采用探地雷達(dá)技術(shù)向巷道頂板方向探測(cè)并沿巷道全長(zhǎng)得到雷達(dá)探測(cè)剖面圖像，即可得到頂煤厚度值及其變化情況，對(duì)采煤工作影響小且準(zhǔn)確可靠。圖1顯示了一個(gè)典型的地下采礦作業(yè)的視圖橫截面，目的是保持采煤機(jī)在煤層中遵循最佳的采礦視野，確定需要的煤炭厚度。

圖1 典型的地下采礦作業(yè)的視圖橫截面及傳感器位置控制

2 基于遠(yuǎn)程控制的慣性導(dǎo)航與傳感系統(tǒng)

高瓦斯采礦是我國(guó)煤礦開采的重要難題，遠(yuǎn)程控制的高壁采掘機(jī)被引入以前，主要采用露天煤礦（已露出煤層）形式操作開采。目前，隨著采掘機(jī)自動(dòng)化水平的提升，連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)和基于遠(yuǎn)程控制的慣性導(dǎo)航與傳感系統(tǒng)逐步被帶入到現(xiàn)代的煤礦開采當(dāng)中。

2.1 需求側(cè)指導(dǎo)—慣性導(dǎo)航

所謂慣性導(dǎo)航，其基礎(chǔ)是要求平直，平行礦巷的分離必須符合巖土設(shè)計(jì)要求，這樣就必須要求挖掘機(jī)在其需求側(cè)實(shí)現(xiàn)采礦機(jī)器的位置和導(dǎo)航，以便可以及時(shí)地阻止開采和遠(yuǎn)程控制。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)提出了許多方法用于橫向高壁采礦機(jī)械的指導(dǎo)。激光測(cè)量提供了精確的長(zhǎng)壁機(jī)器位置的潛力確定，但與場(chǎng)地有關(guān)的問題，如能見度和視線范圍意味著一般的方法不是可能被應(yīng)用的[2]。一些光電/機(jī)械鉆孔型測(cè)量方法已經(jīng)被考慮應(yīng)用到實(shí)際工作當(dāng)中，但也受到實(shí)際的影響，例如，在一個(gè)非常惡劣的環(huán)境中需要準(zhǔn)確的角度測(cè)量，但這具有極高的執(zhí)行難度。使用傳統(tǒng)無線電的專用三角測(cè)量系統(tǒng)，在實(shí)際使用當(dāng)中無法實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)器位置準(zhǔn)確度。所以，目前強(qiáng)烈建議鋪設(shè)少量GPR外部基礎(chǔ)設(shè)施來啟用位置感測(cè)系統(tǒng)（慣性導(dǎo)航），即使使用低頻率穿透覆土也可以實(shí)現(xiàn)很好的位置測(cè)量。

2.2 應(yīng)用實(shí)例研究

GPR裝置應(yīng)用于地下煤礦，該機(jī)被稱為長(zhǎng)壁采煤機(jī)。主要目的是確定雷達(dá)單元傳感器是否可以用作煤礦開采中的地層場(chǎng)景控制。為此，基于GPR的傳感器被安裝在我國(guó)某大型煤礦中的一個(gè)長(zhǎng)壁采煤機(jī)上。整個(gè)GPR處理系統(tǒng)由三部分主要組件組成：寬帶（800 MHz）雙基地脈沖雷達(dá)、數(shù)據(jù)處理單元和可視化系統(tǒng)[3]。完整的GPR系統(tǒng)第一個(gè)在表面上組裝和測(cè)試，并搭配慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

為了保障實(shí)際工作中的礦坑安全，該煤礦地下提前設(shè)有自動(dòng)煤厚度潛力測(cè)量系統(tǒng)，以防止可能出現(xiàn)的安全事故。已知此礦巷的頂板與煤層之間地板是由灰分含量高的風(fēng)化黏土層組成（70%～80%）的。實(shí)際測(cè)量當(dāng)中，配有GPR的采掘機(jī)在切割時(shí)盡可能接近邊界，好處是煤質(zhì)量很高，慣性導(dǎo)航的精確度較高。但是，在某些地區(qū)會(huì)開采到凝灰?guī)r層，其周圍的煤炭產(chǎn)品的灰分含量急劇增加，這是在今后設(shè)計(jì)和實(shí)踐當(dāng)中應(yīng)該繼續(xù)優(yōu)化的問題。

3 結(jié)語

地面穿透雷達(dá)（GPR）煤層厚度傳感器和慣性位置導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于煤層控制不僅涉及通信、位置和導(dǎo)航系統(tǒng)整合，還涉及了監(jiān)控和故障排除，這均是本論文涉及但未詳述的關(guān)鍵問題。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題將逐步解決，并且集成多傳感器的綜合控制系統(tǒng)將被認(rèn)為是解決煤炭開采局限的有利手段。