[发明专利]基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法

说明书

技术领域

本发明属于地下薄煤层厚度识别与定位方法技术领域，具体涉及一种基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法。

背景技术

在进行煤矿开采时，为了保护开采工作面的安全，一般会在工作面顶部预留一定厚度的煤层作为上保护层。若上保护层太薄，综采设备容易破坏煤层上部岩层的结构，这样不仅影响煤的质量而且容易引发安全事故；若上保护层太厚，对上保护层进行二次采煤费用太高，这样容易造成资源浪费，降低煤矿的经济效益，因此在采煤过程中若能实时检测煤矿上保护层的厚度，进而智能控制综采设备的工作参数，不仅能够提高煤炭的开采效率及质量，而且可以确保矿井巷道的安全。

由于综采工作面环境复杂，煤尘、水雾遍布，实时探测上保护层的厚度难度较大。目前还没有一种可行的煤矿工作面上保护层厚度的检测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种新的基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，包括以下：采用探地雷达进行探测，探地雷达放置在煤矿工作面的底面上，底面为煤层，探地雷达的发射端向上发射电磁波，发射的电磁波依次穿过煤矿工作面和上保护层后，反射回波反射回到探地雷达的接收端，记录探地雷达从发射电磁波到接收到反射回波的时间为t₁，计算出煤矿工作面的高度d₁；记录探地雷达发射的电磁波的场强为E_f，计算发射电磁波依次穿过上述各层后的场强，以及回射电磁波返回时穿过上述各层后的电磁波，电磁波穿过煤矿工作面后的场强E₁，在混合气体/上保护层分界面上发生折射后的场强E₂，通过上保护层后的场强E₃，在上保护层/岩层发生反射后的场强E₄，反射回波通过上保护层后的场强E₅，反射回波在混合气体/上保护层分界面上发生透射时的场强E₆，反射回波通过煤矿工作面后的场强E_s2，由E_f、E₁、E₂、E₃、E₄、E₅、E₆与E_s2之间的相互关系，推导得出上保护层的厚度d₂；混合气体分布于煤矿工作面所在的空间。

进一步地，该煤矿工作面的高度d₁的值依据雷达定位目标的公式计算：V_混表示电磁波在空气、水雾、煤尘组成的混合气体中的传播速度。

进一步地，该电磁波穿过煤矿工作面后的场强E₁采用电磁波在混合气体中的路径衰减公式计算：α_混表示混合气体的衰减常数。

进一步地，该电磁波在混合气体/上保护层分界面上发生折射后的场强E₂采用电磁波发生透射时的计算原理计算，ε_煤表示煤的介电常数，ε_混表示混合介质的介电常数。

进一步地，该电磁波通过上保护层后的场强E₃采用路径衰减公式计算，d₂表示上保护层的厚度。

进一步地，该电磁波在上保护层/岩层发生反射后的场强E₄，根据电磁波在发生反射的计算原理计算，ε_岩表示岩石层的介电常数。

进一步地，该反射回波通过上保护层后的场强E₅通过以下计算：

进一步地，该反射回波在混合气体/上保护层分界面上发生透射时的场强E₆通过如下计算，

进一步地，该反射回波通过煤矿工作面后的场强E_s2采用如下计算，得出

进一步地，该混合介质的介电常数和混合气体电导率的计算方法采用二阶线性差值的方法进行模拟，混合介质的介电常数可以表示为：

混合气体电导率的计算公式为：

W_煤，W_水表示混合气体中(空气、水、煤粉)煤和水所占的权重比例。

本发明基于电波损耗特性的煤矿工作面上保护层厚度检测算法，具有如下优点：