許獻(xiàn)磊，彭蘇萍，馬 正，朱鵬橋，王一丹

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

2021年我國能源消費(fèi)總量52.4億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56.0%，煤礦智能化已成為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。截至2022年3月，全國有近400座煤礦正在開展智能化建設(shè)，已建成智能化采掘工作面687個(gè)，“少人巡視，無人操作”智能采煤工作面邁向常態(tài)化應(yīng)用。2020年2月，國家發(fā)改委、國家能源局等8部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出，到2025年，大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，到2035年，各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，建成智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系。

在智能化開采工作面研究中，多個(gè)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者在開采模式、定位導(dǎo)航、數(shù)據(jù)交互融合、地質(zhì)保障等方面提出新的方法與關(guān)鍵技術(shù)。王國法等研發(fā)了工作面智能協(xié)同控制系統(tǒng)，提出煤礦復(fù)雜巨系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型及決策機(jī)制的理論和方法；葛世榮等系統(tǒng)闡述了煤礦智能化中煤礦機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與亟需解決的關(guān)鍵問題，提出適用于深部煤層采煤機(jī)自動(dòng)駕駛的導(dǎo)航截割理論與技術(shù)框架；孫繼平提出煤礦信息化與智能化應(yīng)用框架。礦井地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展對(duì)煤礦安全高效開采地質(zhì)保障系統(tǒng)的的建設(shè)起到關(guān)鍵性作用。彭蘇萍系統(tǒng)闡釋我國煤礦安全高效開采地質(zhì)保障系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望，認(rèn)為以煤礦采區(qū)高分辨率三維地震勘探技術(shù)體系為基礎(chǔ)的煤礦安全高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)走向成熟。劉盛東等在井下空間的多波成像方法研究為實(shí)現(xiàn)煤炭“精準(zhǔn)、透明”開采提供地質(zhì)保障基礎(chǔ)支持。隨著信息技術(shù)的深度融合和煤礦機(jī)械化水平的進(jìn)一步提高，礦井地質(zhì)透明化是當(dāng)前煤礦安全高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)發(fā)展的努力方向，其中高分辨率煤巖識(shí)別裝備是重點(diǎn)研究任務(wù)之一。因煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件及工況條件，研發(fā)地質(zhì)模型隨采動(dòng)態(tài)更新技術(shù)和裝備，及時(shí)調(diào)整采煤機(jī)截割滾筒的工作狀況，構(gòu)建高精度煤礦智能開采的地質(zhì)保障平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)礦井地質(zhì)與采礦工程的無縫對(duì)接。煤層的精準(zhǔn)截割，可有效提高煤炭采出率，提高后期煤巖矸的分選效率，降低選洗成本；同時(shí)可避免切入巖石導(dǎo)致齒輪磨損、在高瓦斯地區(qū)因產(chǎn)生火花引起爆炸等問題。

煤層和巖層的賦存條件極其復(fù)雜，煤巖界面變化也無固定規(guī)律可循，作為智能采煤機(jī)的“眼睛”，煤巖界面識(shí)別裝備和技術(shù)是制約智能化采煤的“卡脖子”問題之一。為解決煤巖識(shí)別問題，國內(nèi)外研究人員從不同技術(shù)領(lǐng)域分別展開研究，提出多種解決方案?？v觀煤巖識(shí)別技術(shù)的研究歷程，根據(jù)使用工況不同，煤巖識(shí)別可分為接觸式識(shí)別與非接觸式識(shí)別，根據(jù)技術(shù)類別可將現(xiàn)有識(shí)別技術(shù)歸類為過程信號(hào)監(jiān)測、紅外熱成像、圖像特征、反射光譜、超聲波探測、自然γ射線法、電磁波探測等。田立勇等以采煤機(jī)搖臂銷軸多應(yīng)變數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行截割力綜合的判別進(jìn)行煤巖界面識(shí)別。任芳等通過對(duì)滾筒軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)的測量實(shí)現(xiàn)煤巖界面的識(shí)別。張強(qiáng)等提出基于截齒截割紅外熱成像的的煤巖界面識(shí)別方法。基于煤巖圖像的顏色、幾何形狀、紋理等特征，孫繼平等提出字典學(xué)習(xí)、小波變換的煤巖識(shí)別方法。楊恩等在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境利用高光譜識(shí)別技術(shù)對(duì)煤巖試樣進(jìn)行光譜特征分析，以吸收譜帶差異為基礎(chǔ)進(jìn)行煤巖識(shí)別。李力等利用超聲波檢測技術(shù)結(jié)合S變換的方法進(jìn)行煤巖界面混疊反射回波的分離并識(shí)別。秦劍秋等、王增才等提出基于頂板巖石發(fā)出的自然γ射線穿透頂煤后的衰減幅值進(jìn)行煤巖界面識(shí)別。昆士蘭理工大學(xué)的Andrew Darren STRANGE在其博士論文中利用探地雷達(dá)，在其搭建的煤巖物理模型上利用1.4 GHz雷達(dá)天線展開煤層厚度的識(shí)別及數(shù)據(jù)處理方式的分析。李亮等利用探地雷達(dá)在郭莊煤礦展開煤巖界面探測，實(shí)現(xiàn)氣煤-砂巖界面的探測，且誤差較小。

上述多種煤巖識(shí)別方法，在一定程度上均能實(shí)現(xiàn)煤巖的識(shí)別分類，但由于其技術(shù)本身側(cè)重點(diǎn)不同，對(duì)使用環(huán)境、煤巖類別存在一定要求，導(dǎo)致上述技術(shù)手段存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在：① 截割參數(shù)分析法通過監(jiān)測滾筒截割力、電機(jī)電流、調(diào)高油缸壓力、機(jī)身振動(dòng)等參數(shù)實(shí)現(xiàn)煤巖介質(zhì)識(shí)別，但只有在高截割力下才更有效；② 熱紅外成像在礦井復(fù)雜開采環(huán)境中，存在監(jiān)測盲區(qū)，且截割煤層和巖石溫差較小，易受除塵噴淋系統(tǒng)及通風(fēng)環(huán)境擾動(dòng)；③ 圖像法的應(yīng)用最大難題是礦井工作面開采過程中高質(zhì)量濃度粉塵可見度的限制；④ 反射光譜法對(duì)于煤的種類、濕度、表面結(jié)構(gòu)特征等均具有明顯不同的吸收率與反射率，對(duì)于礦井工作面的應(yīng)用不具有普適性；⑤ 聲波測試法在礦井工作面開采過程中容易收到擾動(dòng)，識(shí)別率較低；⑥ 自然γ射線法取決于圍巖與煤層放射性強(qiáng)度差異與圍巖放射性的穩(wěn)定程度；⑦ 基于電磁波傳播特性的雷達(dá)探測法具有高分辨率的優(yōu)勢，礦井煤巖探測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其識(shí)別的準(zhǔn)確性較高，但現(xiàn)有蝶形雷達(dá)天線工作時(shí)需緊貼目標(biāo)體表面才能發(fā)揮最大效能，極大地影響工作效率且難以適應(yīng)工作面環(huán)境條件。地質(zhì)雷達(dá)在礦井災(zāi)害源與構(gòu)造等探測應(yīng)用中，常見以地面耦合式雷達(dá)天線為主，作業(yè)時(shí)需緊貼被測目標(biāo)體表面，當(dāng)前應(yīng)用于道路面層厚度及淺表病害的監(jiān)測中的商業(yè)空耦雷達(dá)天線，只見于地面常規(guī)環(huán)境應(yīng)用，難以在井下工作，另一方面受礦井強(qiáng)干擾環(huán)境影響，其探測深度和精度與實(shí)際要求還有較大差距。從煤巖識(shí)別的裝備和方法應(yīng)用角度來看，探測系統(tǒng)要具有非接觸、高精度、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、普適性的能力來滿足智能生產(chǎn)的需求，此外，礦井工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度以及煤層空間分布起伏變化，煤巖識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用過程中的智能自適應(yīng)性是關(guān)鍵。

2019年，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)基于重大科技攻關(guān)項(xiàng)目提出開發(fā)一種基于空氣耦合雷達(dá)的礦井煤巖界面隨采動(dòng)態(tài)探測裝備并獲得了相關(guān)的發(fā)明專利。煤巖界面的隨采、自主、動(dòng)態(tài)探測即在采煤機(jī)采煤工作中，利用采煤機(jī)載非接觸探測雷達(dá)天線，結(jié)合界面智能識(shí)別與追蹤算法獲取空氣-煤界面、煤-巖界面信息，天線智能支架以空氣-煤界面信息作為控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)其姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)控，保持天線懸空距離，并將煤-巖界面信息和位置信息發(fā)送給采煤機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)更新，并實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)對(duì)煤層截割作業(yè)的自主運(yùn)行。筆者是在前期實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，對(duì)礦井煤巖界面隨采動(dòng)態(tài)探測技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的凝練和闡述，包括應(yīng)用空氣耦合雷達(dá)天線聚焦發(fā)射高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)電磁波能量聚焦發(fā)射及煤巖界面的非接觸式探測；天線支架姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線位姿隨工作面起伏變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；煤巖界面識(shí)別與追蹤方法，獲取動(dòng)態(tài)高精度的煤巖界面信息；創(chuàng)建系統(tǒng)位姿參數(shù)矩陣，結(jié)合煤機(jī)慣性導(dǎo)航單元、智能支架動(dòng)態(tài)位姿參數(shù)，構(gòu)建煤巖界面等高曲線，并將該信息通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸給煤機(jī)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割滾筒自適應(yīng)調(diào)高控制。

1 煤巖界面隨采動(dòng)態(tài)探測技術(shù)內(nèi)涵與框架

1.1 隨采動(dòng)態(tài)探測技術(shù)內(nèi)涵

基于空氣耦合雷達(dá)的礦井煤巖界面隨采動(dòng)態(tài)探測(圖1)包括電磁波能量聚焦、位姿感知、支架姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)控、煤巖界面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換4項(xiàng)技術(shù)內(nèi)涵。電磁波能量聚焦是實(shí)現(xiàn)空氣耦合雷達(dá)非接觸式探測的基礎(chǔ)，提高雷達(dá)天線的定向性，將有限的輻射能量集中聚焦于被測目標(biāo)體方向，減少不必要的能量損耗，保證煤巖界面雷達(dá)數(shù)據(jù)的高信噪比。位姿感知是應(yīng)對(duì)礦井綜采工作面煤層起伏變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測感知煤巖界面探測裝備位姿狀態(tài)，為支架姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)控提供決策依據(jù)，確保探測裝備處于有效探測范圍且避免與工作環(huán)境干涉而危及裝備安全。支架姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)控是依據(jù)位姿感知結(jié)果為依據(jù)，判別支架姿態(tài)是否處于安全有效范圍內(nèi)，反饋于支架PLC控制系統(tǒng)，智能調(diào)節(jié)電液裝置，實(shí)現(xiàn)支架姿態(tài)的自適應(yīng)調(diào)控。煤巖界面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是將煤巖界面雷達(dá)信息轉(zhuǎn)換為可提供給煤機(jī)作為滾筒截割指導(dǎo)依據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合隨采動(dòng)態(tài)位置、支架自適應(yīng)調(diào)節(jié)姿態(tài)、雷達(dá)圖譜煤巖界面位置，建立大地坐標(biāo)系、采煤機(jī)坐標(biāo)系和天線坐標(biāo)系3者空間關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)煤巖界面絕對(duì)坐標(biāo)位置的獲取。

圖1 隨采動(dòng)態(tài)探測示意

1.2 隨采動(dòng)態(tài)探測技術(shù)框架

基于空氣耦合雷達(dá)的礦井煤巖界面隨采動(dòng)態(tài)探測技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 隨采動(dòng)態(tài)探測技術(shù)架構(gòu)

探測過程中，主控單元預(yù)設(shè)置雷達(dá)采集基本參數(shù)，通過空氣耦合雷達(dá)天線非接觸式實(shí)時(shí)探測方式，實(shí)時(shí)采集雷達(dá)數(shù)據(jù)并回傳于主控單元；煤巖界面雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用煤巖界面識(shí)別與追蹤技術(shù)方法對(duì)煤層表面和煤巖界面分別進(jìn)行追蹤識(shí)別，煤層表面位置信息用于監(jiān)測探測裝置實(shí)時(shí)位姿狀態(tài)并傳輸于智能調(diào)節(jié)支架PLC控制單元，自適應(yīng)調(diào)節(jié)雷達(dá)位姿；將采煤機(jī)動(dòng)態(tài)位置、智能支架動(dòng)態(tài)位姿和煤巖界面雷達(dá)圖譜3者建立空間關(guān)系模型，進(jìn)行煤巖界面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最終將煤巖界面位置的絕對(duì)坐標(biāo)傳輸于煤機(jī)主控系統(tǒng)用于智能調(diào)節(jié)滾筒截割高度。

2 空氣耦合雷達(dá)天線及聚焦特性分析

2.1 空氣耦合屏蔽天線設(shè)計(jì)

天線作為雷達(dá)輻射或接收電磁波的基本單元，其性能直接影響著整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的定位精度、探測分辨率和目標(biāo)識(shí)別水平，使天線具有寬頻帶、高增益、高發(fā)射率是雷達(dá)系統(tǒng)研發(fā)中的重要方向。常見探地雷達(dá)天線中，蝶形天線具有質(zhì)量輕、尺寸小、輻射效率高且天線頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較為廣泛，但該種形式天線必須緊貼目標(biāo)體進(jìn)行探測才能取得較高信噪比數(shù)據(jù)，無法適應(yīng)礦井環(huán)境下連續(xù)性探測作業(yè)需求。因此，一種非接觸式且具有優(yōu)良聚焦特性雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)對(duì)于雷達(dá)探測法在煤巖識(shí)別中的應(yīng)用至關(guān)重要。

筆者提出一種中心頻率為1 200 MHz空氣耦合天線(圖3(e))，對(duì)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。通過天線的仿真，可以分析阻抗匹配特性，筆者以天線的回波損耗和駐波比VSWR(在地質(zhì)雷達(dá)天線設(shè)計(jì)中，一般以回波損耗小于-10 dB、駐波比小于15 或2的范圍衡量天線帶寬)為評(píng)價(jià)依據(jù)進(jìn)行衡量。對(duì)所設(shè)計(jì)天線進(jìn)行數(shù)值仿真可以看出，如圖3(a)，(b)所示，天線相對(duì)帶寬可達(dá)1 217 MHz(1 033～2 250 MHz，<10 dB,VSWR<2)，在1 200 MHz 處形成諧振，發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率能與天線固有頻率有效匹配，可以進(jìn)一步提高天線在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)射效率。圖3(c)，(d)為天線垂直極化與水平極化方向，在1 200 MHz頻點(diǎn)垂直極化方向圖中可以看出，主瓣方向即為探測作業(yè)輻射方向，主瓣幅度為6.53 dBi，主瓣寬度為108.3°，符合預(yù)期窄波束、高輻射強(qiáng)度的設(shè)計(jì)需求。

圖3 天線電磁仿真結(jié)果

空氣耦合天線設(shè)計(jì)具有聚焦性與定向性，在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)非接觸式探測，天線和目標(biāo)體的有效懸空距離，是實(shí)際中的應(yīng)用重要衡量指標(biāo)。在自由空間中仿真天線(圖4(a))的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立“煤-巖”層位電磁仿真模型(圖4(b))，以天線距離層位模型空氣耦合距離為變量進(jìn)行分析。

圖4 電磁仿真遠(yuǎn)場輻射

從仿真結(jié)果(圖5、表1)可以看出，由于“煤-巖”模型和天線之間的耦合作用影響，當(dāng)空氣耦合距離為0～200 mm時(shí)，天線帶寬減小，最大帶寬為479.53 MHz；當(dāng)≥300 mm，天線有效帶寬基本分布在1 000～2 250 MHz(VSWR<2)。進(jìn)一步分析，當(dāng)VSWR<1.5，在0～600 mm，天線表現(xiàn)出帶寬隨耦合距離先增后減，在=300 mm時(shí)達(dá)到最大，317.3 MHz，中心頻率為1 246.05 MHz，與預(yù)期設(shè)計(jì)中心頻率相近。

表1 不同空氣耦合距離下天線仿真結(jié)果

圖5 不同空耦距離天線駐波比VSWR

上述結(jié)果可以看出，筆者所提出的空氣耦合雷達(dá)天線具有方向性好、頻帶較寬及結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),在礦井復(fù)雜環(huán)境中，可有效用于煤巖界面的非接觸式探測，適應(yīng)于復(fù)雜地形環(huán)境。

利用所設(shè)計(jì)空氣耦合雷達(dá)天線，懸空30 cm的條件下，在路面及已知地下管道上方進(jìn)行實(shí)測，采集時(shí)間窗分別為20,30 ns，可以看出，路面0.2 m處瀝青層及0.4 m處墊層界面清晰連續(xù)可見(圖6(a))，位于路面下方1.1 m處地下管道特征明顯(圖6(b))，目標(biāo)體雷達(dá)數(shù)據(jù)具有高信噪比，探測深度不小于1 m，驗(yàn)證了該天線懸空條件下優(yōu)良探測效果。

圖6 空氣耦合雷達(dá)天線道路探測雷達(dá)圖譜

2.2 聚焦特性分析

利用所設(shè)計(jì)開發(fā)的空氣耦合天線，在沙層模型(圖7(a))進(jìn)行懸空距離測試分析，本模型設(shè)計(jì)為沙子與空氣界面模型，底部是空氣，上部平鋪沙子，交界面設(shè)計(jì)有弧面、斜面和平行面，即可驗(yàn)證空氣耦合天線的探測效果，其次通過改變天線的空氣耦合距離，驗(yàn)證天線的聚焦特性。獲取雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過以下步驟：① 零線設(shè)置；② 背景去噪；③ 一維濾波；④ 小波變換；⑤ 增益；⑥ 滑動(dòng)平均等同等參數(shù)設(shè)置、同步處理。

圖7 空氣耦合探測效果對(duì)比(處理后)

通過對(duì)不同空氣耦合距離雷達(dá)數(shù)據(jù)處理可以看出(圖7(b)～(i)))，空氣耦合距離在0～37 cm時(shí)，沙子與空氣界面清晰可見，界面反射波能量較強(qiáng)；44～66 cm四組數(shù)據(jù)，由于空氣耦合距離過大，電磁波能量快速衰減，界面反射波減弱，且伴隨著環(huán)境干擾，與界面波疊加，界面弱化。抽取同一位置，不同空氣耦合距離單道雷達(dá)數(shù)據(jù)(圖7(j))可以看出，隨著距離的不斷增大，電磁波快速衰減，界面反射波能量呈現(xiàn)弱化，由于沙土層上下均為空氣，模型底部為地面，“沙土-空氣”、“空氣-地面”介質(zhì)之間介電常數(shù)差異較大，除界面一次有效反射波外，還存在電磁波在沙土層及模型底部空氣層間多次反射波。

3 煤巖界面智能識(shí)別及追蹤技術(shù)

3.1 煤巖界面智能識(shí)別

如圖8(a)所示，筆者建立一個(gè)煤-巖數(shù)值仿真模型模擬雷達(dá)數(shù)據(jù)(圖8(b))，模型煤層最厚位置15.5 cm，最薄處3 cm，雷達(dá)天線距離煤層表面30 cm進(jìn)行探測采集雷達(dá)數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到的電磁波的旅行時(shí)間(亦稱雙程走時(shí))、幅度與波形資料，可推斷空氣-煤界面、煤-巖界面分布情況。從正演結(jié)果可以看出，地質(zhì)雷達(dá)在礦井煤巖界面探測識(shí)別應(yīng)用中，目標(biāo)體結(jié)構(gòu)主要包括空氣層、煤層及圍巖層，電磁波遇到“空氣-煤”界面與“煤-圍巖”界面發(fā)生強(qiáng)反射產(chǎn)生一次波并依次被雷達(dá)采集系統(tǒng)記錄，煤層介于空氣層和圍巖層之間，且互相之間介電常數(shù)差異較大，因此電磁波會(huì)在煤層的2個(gè)界面之間發(fā)生多次反射，產(chǎn)生多次波，但該多次波的基本特點(diǎn)是，在介質(zhì)中多次反射傳播能量會(huì)不斷衰減，相較于一次波，所記錄多次波振幅較小，且在單道記錄時(shí)間上滯后于“煤-圍巖”界面一次反射波，因此根據(jù)此特點(diǎn)，可有效分辨“空氣-煤”界面和“煤-圍巖”界面的一次有效波反射，避免多次波造成的層位信息誤判。

圖8 GPRmax仿真模型及雷達(dá)圖譜

(1)首先識(shí)別出直達(dá)波。在原始雷達(dá)數(shù)據(jù)中選取任一道數(shù)據(jù)序列，并確定所選數(shù)據(jù)序列的道號(hào)。因?yàn)橹边_(dá)波是一種從探地雷達(dá)的發(fā)射天線出發(fā)不經(jīng)過反射和折射直接到達(dá)接收天線的電磁波，其特點(diǎn)是信號(hào)振幅最大，因此從雷達(dá)波時(shí)間窗0點(diǎn)開始第1個(gè)振幅起跳點(diǎn)位置即為直達(dá)波的起始位置，在1/2周期的位置處，振幅達(dá)到最大，其時(shí)間記為，即探測距離起算零點(diǎn)。

(2)通過式(1)可計(jì)算出電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，空氣耦合天線懸空時(shí)直達(dá)波到目標(biāo)體中間介質(zhì)為空氣，此時(shí)電磁波傳播速度可認(rèn)為等同于電磁波在真空中傳播速度=30 cm/ns，當(dāng)電磁波在其他有損介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生介質(zhì)損耗，此時(shí)電磁波傳播波速表達(dá)式為

(1)

式中，為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

(3)記天線接收到“空氣-煤”界面反射波的時(shí)間為，可以計(jì)算得出空耦天線懸空高度：

=(-)2

(2)

(4)記天線接收到“煤-巖”界面反射波的時(shí)間為、煤相對(duì)介電常數(shù)為，代入式(2)可得電磁波在煤層中傳播速度為，可以計(jì)算得出煤層厚度：

=(-)2

(3)

(5)以天線所在位置為起始零點(diǎn)，可以得出“煤-巖石”界面實(shí)際所在位置：

=+

(4)

如圖9所示，依次對(duì)所獲取每一道雷達(dá)數(shù)據(jù)(圖10(a))進(jìn)行反射波提取與分析，即可得連續(xù)“煤-巖”界面曲線(圖10(b))以及煤層厚度。

圖9 天線懸空高度變化的雷達(dá)剖面

圖10 不同界面雷達(dá)數(shù)據(jù)單道波形圖與連續(xù)界面曲線

為了模擬實(shí)際煤巖層位的探測，圖11利用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)自主研發(fā)的煤巖識(shí)別天線在一煤巖物理模型下方進(jìn)行探測實(shí)驗(yàn)。模型剖面為一直角梯形，模型長度為2 m，煤層最小厚度為6.3 cm，最大厚度為20 cm。

圖11 煤巖物理模型及煤巖識(shí)別天線

首先模擬實(shí)際探測過程中天線懸空高度的變化。將煤巖天線對(duì)準(zhǔn)煤層，逐漸增大天線的懸空高度，并在5個(gè)高度處打標(biāo)，打標(biāo)處懸空高度的測量值見表2。

表2 懸空高度標(biāo)記

對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行直達(dá)波去除和濾波處理(圖9)。5個(gè)打標(biāo)處的單道波形如圖12所示。

圖12 不同天線懸空高度下的單道波形

(5)

式中，為真空中電磁波的傳播速度；為空氣相對(duì)介電常數(shù)；為空氣-煤界面反射波的雙程走時(shí)。

繪制相對(duì)誤差關(guān)于(′,′)的二維圖譜(圖13(a))。對(duì)每個(gè)二維圖譜分別設(shè)定閾值，獲得(′,′)≤的區(qū)域(圖13(a))，逐漸縮小閾值，并將6個(gè)區(qū)域作交集運(yùn)算。最終得到在懸空高度計(jì)算值的相對(duì)誤差均不超過2%的區(qū)域(圖13(b))。利用最小二乘法擬合該區(qū)域點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系(圖13(b))，可以得到相對(duì)序號(hào)′和′之間的關(guān)系式：

圖13 懸空高度的相對(duì)誤差二維圖譜

′=′

(6)

在煤巖模型下方、懸空高度為20 cm的條件下，對(duì)煤巖模型從左向右進(jìn)行探測，探測過程中在8個(gè)點(diǎn)位打標(biāo)記錄，對(duì)應(yīng)位置煤層厚度見表3。

表3 煤層厚度

將實(shí)驗(yàn)采集的原始數(shù)據(jù)作直達(dá)波去除和濾波、增益處理(圖14)。8個(gè)打標(biāo)處的單道波形如圖15所示。

圖14 物理模型探測雷達(dá)剖面

圖15 不同標(biāo)記處的單道波形(n為標(biāo)記號(hào))

對(duì)于某一煤層厚度處的單道數(shù)據(jù)，首先從空氣-煤界面反射波和煤-巖界面反射波上分別任意選取點(diǎn)和點(diǎn)，設(shè)2點(diǎn)相對(duì)于所在兩波的主瓣極值點(diǎn)的樣點(diǎn)序號(hào)為為′和′(相對(duì)序號(hào))?？梢郧蟪鲭S(′,′)變化的煤層厚度及其相對(duì)誤差(′,′)。其中，煤層厚度按以下公式計(jì)算：

(7)

式中，為煤層相對(duì)介電常數(shù);為電磁波在煤層中的雙程走時(shí)。

設(shè)定相對(duì)誤差的閾值，得到≤的區(qū)域(圖16(a))。逐漸減小閾值，并對(duì)8個(gè)區(qū)域作交集運(yùn)算，最終得到不同標(biāo)記處煤厚計(jì)算值的相對(duì)誤差均不超過4.9%的區(qū)域(圖16(b))。利用最小二乘法擬合該區(qū)域點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系，得到

圖16 煤層厚度的相對(duì)誤差二維圖譜

′=′-2

(8)

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在直達(dá)波、空氣-煤界面反射波和煤-巖界面反射波上選點(diǎn)的相對(duì)序號(hào)′，′與′之間滿足以下關(guān)系時(shí)，可保證煤巖識(shí)別中懸空高度和煤層厚度的計(jì)算值誤差盡量減小。

′=′+

(9)

′=′+

(10)

式中，,在一定條件下為常值，受天線頻率、處理方法、收發(fā)間距等因素的影響。

3.2 煤巖層位追蹤

現(xiàn)有的層位追蹤方法可實(shí)現(xiàn)針對(duì)簡單的煤巖層位或者理想情況下煤巖層位的追蹤，而對(duì)于干擾源尚未建立判斷和糾錯(cuò)機(jī)制。當(dāng)某個(gè)位置出現(xiàn)追蹤錯(cuò)誤時(shí)，導(dǎo)致后續(xù)錯(cuò)誤的層位追蹤結(jié)果，這種狀況稱之為“串層”。筆者提出3級(jí)窗口算子，從而減少串層現(xiàn)象的發(fā)生。

“窗口算子”由道相關(guān)算法改進(jìn)而來，是把參考道種子點(diǎn)作為中心，調(diào)整上下界線范圍生成3級(jí)窗口，設(shè)()為參考道的數(shù)據(jù)序列，而()為被追蹤道的數(shù)據(jù)序列，數(shù)據(jù)序列的長度為和；,和分別為參考道3個(gè)數(shù)據(jù)序列窗口的長度，且>>>(圖17)。則有

圖17 “3級(jí)窗口”相關(guān)分析示意

(11)

式中，為相關(guān)系數(shù)；為采樣點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)式(11)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析步驟如下：

(1)首先判斷1級(jí)窗口：在被追蹤道上選定一個(gè)序列，從它的上界線首個(gè)點(diǎn)起始，計(jì)算參考道與被追蹤道相關(guān)性，至本窗口下界線末位點(diǎn)結(jié)束，直至計(jì)算到最大的相關(guān)系數(shù)才停止，接下來對(duì)2級(jí)窗口做相似的操作，直到所計(jì)算的相關(guān)系數(shù)最大為止(計(jì)為)，如果和所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)號(hào)相同，那么將該點(diǎn)位置信息作為被追蹤道的層位坐標(biāo)信息。

(2)如果和所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)號(hào)不同，即要判斷3級(jí)窗口，直到所計(jì)算的相關(guān)系數(shù)最大為止(計(jì)為)，如果和，所對(duì)應(yīng)的任一點(diǎn)號(hào)相同，那么就將該相同點(diǎn)位置信息作為被追蹤道的層位坐標(biāo)信息。

(3)如果，和所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)號(hào)都不同，那就把與相應(yīng)的位置信息當(dāng)作被追蹤道的層位坐標(biāo)信息。

4 煤巖界面定位及信息交互傳輸技術(shù)

4.1 智能支架自適應(yīng)調(diào)控

目前開發(fā)的空氣耦合雷達(dá)天線可以應(yīng)用于煤巖界面的探測識(shí)別，但是在應(yīng)用中仍然面臨著一個(gè)難題：煤礦巷道煤層頂板起伏變化，固定在采煤機(jī)上部的空氣耦合雷達(dá)天線離頂板的距離也隨之發(fā)生變化，距離過大則會(huì)直接影響雷達(dá)回波信號(hào)的質(zhì)量，距離過小則會(huì)直接影響空氣耦合天線的安全，甚至在接觸頂板或煤壁的情況下直接導(dǎo)致裝置損壞。因此，在井下開采作業(yè)過程中，如何實(shí)現(xiàn)空氣耦合天線位置隨頂板起伏而自適應(yīng)調(diào)節(jié)和精確控制，增加數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，是礦井煤巖界面的智能探測與識(shí)別的重要技術(shù)。

筆者提出一種智能支架系統(tǒng)裝置(圖18(d))，主要包括空氣耦合雷達(dá)天線(圖18(a))、液壓站(圖18(c))、防爆伺服電機(jī)(圖18(e))、數(shù)字油缸(圖18(f))、伺服驅(qū)動(dòng)器(圖18(g))，以雷達(dá)數(shù)據(jù)拾取空氣耦合距離(天線距目標(biāo)體距離)為判別依據(jù)，結(jié)合數(shù)字油缸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支架自適應(yīng)調(diào)節(jié)。數(shù)字油缸將伺服電機(jī)、伺服閥、檢測反饋元件直接集成到液壓油缸上，通過數(shù)控系統(tǒng)編程控制伺服電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)油缸伸縮動(dòng)作進(jìn)而達(dá)到調(diào)整支架姿態(tài)的目的。對(duì)所設(shè)計(jì)智能支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析(圖19(c))，根據(jù)所設(shè)計(jì)支架的其他已知固定值和幾何關(guān)系，可以得出，和，之間的幾何關(guān)系：

圖18 智能支架裝置

(12)

圖19(a)為智能支架結(jié)構(gòu)示意，如圖19(b)所示，在隨采工作過程中，設(shè)定探測裝置與頂煤表面間安全有效探測距離為，通過雷達(dá)數(shù)據(jù)拾取空耦距離，檢測到距離變?yōu)?Δ時(shí)，智能支架需要將垂直高度改變?yōu)?Δ，根據(jù)垂直距離+Δ及煤機(jī)與煤壁之間距離設(shè)定的水平距離，計(jì)算得油缸的伸縮量，從而對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)整油缸伸縮(圖19(d))，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)，避免儀器裝置與環(huán)境干涉損壞并且保證雷達(dá)探測有效耦合距離。

圖19 智能支架裝置控制原理

4.2 煤巖界面定位及信息交互傳輸

4.2.1 系統(tǒng)位姿參數(shù)矩陣的構(gòu)建

空氣耦合雷達(dá)天線在煤巖識(shí)別應(yīng)用中，通過智能支架安裝在煤機(jī)機(jī)身，隨采煤機(jī)采掘行進(jìn)過程中對(duì)煤巖界面實(shí)時(shí)探測。結(jié)合煤機(jī)機(jī)載慣性導(dǎo)航單元、智能支架位姿以及雷達(dá)天線實(shí)測煤厚數(shù)據(jù)，建立大地坐標(biāo)系(,,)、采煤機(jī)坐標(biāo)系(,,)和天線坐標(biāo)系(,,)3者空間關(guān)系模型(圖20)，實(shí)現(xiàn)煤巖層位絕對(duì)坐標(biāo)位置的獲取。

圖20 煤巖層位位置空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化

采煤機(jī)沿推進(jìn)方向和平行于煤壁方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)煤機(jī)在開切眼與回采巷道交叉口處，依據(jù)回風(fēng)巷道中已知坐標(biāo)點(diǎn)獲取煤機(jī)的起始絕對(duì)坐標(biāo)，采煤機(jī)在開切眼中行進(jìn)時(shí)，結(jié)合采煤機(jī)起始絕對(duì)坐標(biāo)，利用慣性導(dǎo)航單元，可以實(shí)時(shí)獲取煤機(jī)在開切眼中空間位置的變化，即采煤機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)位置：

(13)

綜采工作面煤層起伏變化，固定在采煤機(jī)上部的煤巖識(shí)別雷達(dá)天線距離頂板的距離也隨之發(fā)生變化，為保證有效、安全探測距離，設(shè)計(jì)一套智能自適應(yīng)調(diào)節(jié)支架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤巖識(shí)別雷達(dá)天線的位置隨煤層起伏變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)和精確控制，達(dá)到在有效耦合距離下高信噪比雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集效果，同時(shí)能夠保證儀器裝備的安全。該裝置采用2只數(shù)字油缸，長度分別為，，聯(lián)合執(zhí)行可調(diào)整雷達(dá)天線位置，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的水平距離與垂直距離的變化，在采煤機(jī)坐標(biāo)系下即,分量的改變，雷達(dá)天線的空間位置，即天線坐標(biāo)系原點(diǎn)位置為

(14)

在天線坐標(biāo)系下，通過空氣耦合天線所測雷達(dá)數(shù)據(jù)，可得基于天線坐標(biāo)系原點(diǎn)下的煤巖界面距離信息，結(jié)合雷達(dá)天線仰角，可獲得煤巖界面絕對(duì)坐標(biāo)：

(15)

通過已知煤巖分界空間位置，實(shí)時(shí)傳輸于煤機(jī)主控，智能調(diào)整截割滾筒高度；同時(shí)，動(dòng)態(tài)更新地質(zhì)模型，為透明化工作面建設(shè)提供依據(jù)。

4.2.2 采煤機(jī)信息交互傳輸

如圖21所示，本系統(tǒng)裝置與采煤機(jī)、地面集控終端數(shù)據(jù)傳輸與交互均采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，雷達(dá)天線探測得到的煤巖界面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過無線WiFi或以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸于煤巖識(shí)別系統(tǒng)的主控單元。主控單元處理分析后得到煤巖界面位置信息，通過局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)下發(fā)給煤機(jī)集控系統(tǒng)，由煤機(jī)集控系統(tǒng)解析并指導(dǎo)搖臂動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)截割滾筒的位置調(diào)節(jié)；同時(shí)，利用井下5G網(wǎng)絡(luò)將煤巖界面位置信息實(shí)時(shí)回傳于地面集控中心，用于智能平臺(tái)動(dòng)態(tài)更新煤礦三維地質(zhì)模型，滿足礦井生產(chǎn)建設(shè)中，智能、動(dòng)態(tài)與實(shí)時(shí)性的需求。

圖21 煤機(jī)信息交互流程

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用筆者所設(shè)計(jì)煤巖識(shí)別系統(tǒng)，在神東煤炭集團(tuán)公司錦界煤礦對(duì)頂板截割后留煤厚度探測的方式進(jìn)行煤巖層位識(shí)別(圖22(b))，工作面煤層采高在2.7～3.4 m，平均采高為3 m，由于頂板地質(zhì)結(jié)構(gòu)破碎，為避免頂板坍塌、漏矸等情況的發(fā)生，在綜采過程中，通常會(huì)在頂板留有10～20 cm煤層，保護(hù)頂板的穩(wěn)定性。通過煤巖識(shí)別系統(tǒng)可探測所留煤層厚度，作為指導(dǎo)下一刀割煤的依據(jù)，確保在設(shè)定預(yù)留煤厚度的情況下，保證煤炭資源的最大采出。同時(shí)，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)煤巖識(shí)別系統(tǒng)探測的精度，在開采過程中，選取部分區(qū)域，對(duì)頂板殘留煤層進(jìn)行開挖并實(shí)測，與探測結(jié)果相比較分析。

圖22(a)為礦井實(shí)測煤巖界面雷達(dá)數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理后，煤層表面及煤巖界面反射波清晰可見，電磁波在“空氣-煤”界面與“煤-巖”界面間多次反射形成多次波特征，但多次波振幅小于2個(gè)界面一次波反射，且在雷達(dá)圖像上記錄出現(xiàn)在“煤-巖”界面之后，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別追蹤并與現(xiàn)場定點(diǎn)位置掘頂實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)照分析(圖22(c))可以看出，該煤巖識(shí)別系統(tǒng)探測數(shù)據(jù)平均誤差為±1.2 cm，平均誤差百分比為8.6%。

圖22 煤巖識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場及煤巖識(shí)別雷達(dá)圖譜

6 結(jié) 論

(1)提出了基于空氣耦合雷達(dá)的礦井煤巖界面隨采動(dòng)態(tài)探測技術(shù)，它是在基于地面耦合探地雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)上的新的非接觸式電磁法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤巖界面隨采、自主、動(dòng)態(tài)探測。包括電磁波能量聚焦、位姿感知、支架姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)控、煤巖界面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換4項(xiàng)技術(shù)內(nèi)涵和聚焦發(fā)射空氣耦合雷達(dá)天線、智能調(diào)節(jié)支架、煤巖界面識(shí)別與追蹤技術(shù)方法、界面位置信息提取技術(shù)、系統(tǒng)位姿參數(shù)矩陣5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

(2)提出一種中心頻率為1 200 MHz的非接觸式雷達(dá)天線，帶寬可達(dá)1 217 MHz，該天線的能量聚焦性與定向性，在非接觸情況下能夠保持高信噪比探測能力，使其能有效適應(yīng)井下復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。

(3)構(gòu)建了煤巖層位地質(zhì)雷達(dá)數(shù)值仿真模型，得出非接觸式煤巖界面識(shí)別雷達(dá)系統(tǒng)在煤巖界面探測中的響應(yīng)規(guī)律，通過拾取“空氣-煤”界面與“煤巖”界面反射波，測算得出空氣耦合距離、煤層厚度，得出煤巖界面相對(duì)空間位置信息。提出“3級(jí)窗口算子”，可有效應(yīng)對(duì)煤巖層位多干擾源、突變情況，避免追蹤串層情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)煤巖層位實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、智能追蹤。

(4)設(shè)計(jì)了智能自適應(yīng)調(diào)節(jié)支架系統(tǒng)，可有效應(yīng)對(duì)煤巖識(shí)別天線在煤層采高及空間分布起伏變化條件下的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)煤巖識(shí)別雷達(dá)天線的位置隨煤層起伏變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)和精確姿態(tài)控制，達(dá)到在有效耦合距離下高信噪比雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集效果，同時(shí)能夠保證儀器裝備的安全。

(5)根據(jù)礦井工作面巷道已知絕對(duì)坐標(biāo)，結(jié)合慣性導(dǎo)航單元技術(shù)、智能支架姿態(tài)位置動(dòng)態(tài)感知調(diào)控以及煤巖界面雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，可實(shí)時(shí)獲取煤巖界面位置信息的精確絕對(duì)坐標(biāo)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用該煤巖識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別煤巖界面位置平均誤差為±1.2 cm，平均誤差百分比為8.6%。實(shí)現(xiàn)了礦井煤巖界面隨采動(dòng)態(tài)探測，為智采工作面實(shí)現(xiàn)無人作業(yè)提供了新的理論技術(shù)支撐。

基于空氣耦合雷達(dá)的礦井煤巖識(shí)別技術(shù)本身也有其局限性，當(dāng)煤巖介質(zhì)介電常數(shù)差異過小的情況下也會(huì)降低煤巖界面的識(shí)別精度。因此下一步的工作要重點(diǎn)是開展煤巖電磁反射特征信息的深層挖掘以及不同地質(zhì)條件的煤巖識(shí)別多信息融合技術(shù)的研究，為礦井煤巖識(shí)別技術(shù)發(fā)展、煤礦智能化建設(shè)提供理論和技術(shù)支撐。