脉冲雷达透地探测煤岩实验研究

张守祥，刘 帅

(1.山东工商学院 信息与电子工程学院，山东 烟台 264005; 2.北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 100013)

煤岩界面识别是实现“无人化”开采关键技术之一，准确测量出未开采的煤层厚度是煤炭智能开采的必要条件。煤田地质勘探对地下煤层的赋存进行探测后，在煤矿掘进和开采时，还需要对煤层赋存变化进行精准超前探测，以指导煤炭采掘的精确控制。综采工作面一次采全高工艺，煤岩分界线可以直接观察到，通过可见光摄像机采集图像进行灰度阈值判断后，可以确定煤岩分界线。但对于留顶煤或煤层起伏变化的综采工作面，煤岩分界不能直接观察到，需要具有穿透能力的雷达技术才能探测出具有一定厚度的煤层与岩层的分界位置。由于煤和岩石存在着明显的介电常数差异，采用脉冲雷达发射出的信号在两者的分界处会有较强的反射信号，依此可以确定出煤岩分界面的隐性位置，计算出可采煤层的厚度[1]。

对穿透煤岩层测量煤层厚度的需求分为以下几种情况:

(1)采煤工作面的超前探测:对于工作面前方未开采煤层的起伏变化，需要在下一轮作业循环前测量出来，确定未开采煤层的精确高度，实现沿煤层起伏变化自动调整采煤机滚筒高度的智能化割煤工艺。

(2)留顶煤工作面:对于破碎顶板需要留顶煤的工作面，需要实时探测出所留顶煤的厚度。

(3)放煤工作面的放落煤层厚度探测:能够提前预测放煤量，结合放煤时间、放落煤矸比例和放煤量指导放煤过程，达到精准放煤。

(4)工作面底煤厚度探测:传统的煤层探测采用瞬变电磁、地震波等技术，探测深度大，可达数百米，但探测精度低;采用超声波探测技术存在深度浅、受地质环境影响大的问题。张德等[2]描述了采用“加拿大PulseEkko100型商用探地雷达”在山东滕州某矿12106工作面巷道的测量情况，但未给出测量精度的数据。李刚[3]采用透射槽波技术对黄陵矿业某工作面内部煤层厚度变化情况进行了探测，探测煤层厚度的最大误差达0.2 m。吴正飞等[4]应用直流电法和槽波地震法探测煤层变薄带变化情况，圈定了厚度小于1.6 m的煤层范围，但没有测量精度的数据。梁庆华等[5]将探地雷达超前探测煤层深度为50 m，达到异常准确率为87.5%，并未得到测量精度。李力等[6]采用超声波检测煤岩界面，测量误差在煤层厚度250 mm时为2%，没有对更厚的煤层进行实验。王昕等[7]用1 GHz以下探地雷达频段探测煤岩界面进行了研究和实验，未给出测量精度。

综上所述，对煤层厚度的探测精度采用电磁法、地震波等深层穿透技术只能达到分米级的精度，而采用超声波方法虽然达到了厘米级精度，但穿透煤层厚度浅。目前智能开采技术对检测综采工作面的高度控制精度要求为20 mm，探测深度对综采留顶煤或煤层局部起伏变化达到1 m以上，而对综放工作面来说探测的厚度要达到10 m以上。因此需要研究一种能够满足综采自动调高精度和深度要求的煤岩分界自动探测技术，本文提出采用频率范围5.5～8.8 GHz的无线电脉冲技术，能够达到探测煤层厚度2 m、探测精度20 mm的透地测量需求。

1 无线脉冲雷达探地技术

探地雷达是一种地下目标地质特征的有效探测手段，与电阻率法、低频电磁感应法及地震法等常规地下无损探测方法相比，具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活等优点。

1.1 测量原理

探地雷达利用地下介质的不连续性来探测地下目标，基本构成如图1所示。雷达通过发射天线向地下发射电磁波，在介质不连续处产生回波，接收天线接收到这些回波信号后，进行采样、数据处理和分析应用。

图1 探地雷达的基本原理Fig.1 Basic principles of ground-penetrating radar

目标的回波时间t与目标的深度R和电磁波在介质中的传播速度v有关，通过检测目标的回波时间，即可测算出目标的深度:

(1)

电磁波在分层界面反射信号大小取决于反射系数，反射系数Γ与界面两侧介质的介电常数ε1,ε2有关，介电常数的差异越大，反射系数也越大，如公式(2)所示:

(2)

1.2 煤岩介电常数

大多数工程介质的介电常数ε为中等值。自然界物质中空气的介电常数最小为1，水最大为81。岩石、土、混凝土等常见工程介质的介电常数在4～9之间。文虎[8]给出在温度20 ℃时褐煤4.09、烟煤2.60、无烟煤12.20等介电常数，可供计算时参考。电磁波在介质中的传播速率小于真空速率:

(3)

其中，V为真空中电磁波速率3×108m/s，在煤炭介质中的电磁波传播速率在0.75×108～1.86×108m/s之间。

1.3 垂直分辨率、探测深度与时窗长度

探地技术要求在深度和精度上进行平衡。探测深度既不要选得太小检测不到厚煤层，也不要选得太大降低垂向分辨率[9]。

垂直分辨率定义为雷达在垂直向能够分辨两种物质的能力。按照电磁波的干涉理论，物质上下界面反射波最小可识别双向波程差为波长λ的1/8～1/4，因而垂向分辨率RV工作频率有关:

(4)

对于煤炭低电导介质，衰减常数除与电导率成正比例关系外，还同电磁波角频率有关[10-11]。不同的电磁波频率衰减常数变化，探测能力亦不同。在相同介质中，地质雷达天线频率越高，探测深度越小[12-13]，煤岩属于此类。

一般选取探测深度h为目标深度的1.5倍[14],与介电常数ε一起确定采样时窗长度(Rtw,ns):

Rtw=2hε/2/0.3≈3.3hε(5)

例如地层岩性为含水砂层时，介电常数为25，探测深度为3 m时，时窗长度可选为256 ns，时窗选择略有富余，宁大勿小[15]。

分辨率与深度有关，随着煤层深度h的增大，分辨率降低。可用下式估算垂向分辨率RV。

(6)

1.4 无线脉冲信号

(1)处理信号增益和扫描时间:脉冲重复频率PRF(Pulse Repetition Frequency)和总集成量决定帧率。根据给定应用的要求，雷达以较低帧率代价获得更多的处理增益，或者以较低的信噪比成本得到更高的帧速率[16]。使用默认的DAC(Digital to Analog Converter，数模转换器)设置和持有时间完成扫描所需的时钟周期数NSC。

(7)

式中，Is为迭代次数(IterationS);PPS为每步脉冲数(Pulses-Per-Step);DACMax为DAC最大值;DACMin为DAC最小值;DACSF为DAC 步长。

帧速率fr按如下公式计算:

(8)

(2)采样速率估计:系统的采样率由雷达帧的各个采样点之间的时间偏移量给出，这种补偿的准确值不受设计保证，而受环境因素影响，如温度和供电电压[17]。通过秒表计时测量实际采样率，1次秒表测量采样延迟线的总延时τSDL:

(9)

式中，SDLmr为采样延迟线测量结果;SWmcc为扫描测量周期数;fMCLK为测量时钟。

平均雷达采样速率fs为

(10)

式中,N为芯片采样点数(127/255)。

(3)超宽带脉冲输出频谱和时域图:由脉冲产生器PG(Pulse Generator)产生超宽带信号，其输出的中心频率、频宽和输出功率见表1。

脉冲生成器输出中心频率5.3,5.7,6.4和7.8 GHz的频谱如图2所示，PGSelect为表1中的脉冲输出选择序号。与图2相对应的脉冲生成器输出波形，如图3 所示。

表1脉冲输出中心频率
Table1Pulseoutputcenterfrequency

脉冲输出选择输出中心频率/GHz-10 dB带宽输出频率/GHz最小典型最大平均输出功率/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

图2 不同中心频率的无线脉冲频谱Fig.2 Nano pulse spectrum at different center frequencies

图3 不同中心频率的脉冲雷达波形Fig.3 Pulse radar waveforms of several central frequencies

(4)输出中心频率估计:脉冲产生器PG输出脉冲的中心频率受环境因素影响，如环境温度和电压，以及由于计算负载和功率负荷变化而产生的温度变化等内部因素[18-22]。

任何给定时间的中心频率都可以通过秒表计时PGD(Pulse Generator Delay)来测量，实际测量的脉冲产生器延时PGD计算公式:

(11)

式中，PGMR为采样延时线测量结果;SWmcc为扫描测量周期数;fMCLK为测量时钟。

中心频率可以通过PGSelect=n和PGselect=12的测量结果之间的时间差来估计，通过求解公式(12)计算:

(12)

当a=-0.004 388,b=0.108 3,c=-0.983 1 和d=4.033，PGD单位为ns,fc是中心频率(GHz)。

图4显示了所有工作温度范围内PGSelect设置测量中心频率的脉冲延时。

图4 超宽带脉冲输出频率Fig.4 UWB pulse output frequency

2 工作面探测留顶煤厚度装置设计

2.1 工作面安装设计

受制于脉冲雷达高成本的因素，在应用初期还不能做到工作面煤层探测的全覆盖，可考虑每隔6/12/24台液压支架布置1台雷达，两个雷达之间的煤层可以进行曲线拟合，近似地表示煤岩分界位置。如图5所示。

图5 工作面雷达分布测量Fig.5 Pulse radar distribution measurement on workface

雷达根据设定的工作参数采集回波，将数据通过网络传输到巷道监控中心或采煤机的主控计算机上。主控计算机配套有煤岩分界面识别处理模块，提取各台雷达所在位置的煤层厚度信息，并实时显示在控制软件界面上。考虑到对煤岩分界探测需求分为一次采全高综采工作面和综放工作面，综采工作面的煤岩分界比较浅，绝大多数不会超过1 m;而综放工作面的放煤厚度可能超过10 m;而对于薄煤层工作面还包括对底煤厚度的探测。因此对煤岩分界探测装置和技术要适应从1～10 m的探测深度变化，需要不同频率范围的脉冲雷达技术，安装位置也要覆盖工作面顶、底板，如图6所示。

图6 透地雷达的煤岩分界应用场景Fig.6 Application scenario of coal-rock interface in mine-penetrating radar

2.2 装置电路设计

脉冲雷达的硬件构成为:一对收发天线、雷达模块及输入输出模块，雷达模块采用单芯片CMOS脉冲信号收发器，其性能特点为近距离、高分辨率、512位深度、大于30 Gbps的高速采样率、超低功率射频发射等。

(1)频率选择:有一定分辨率和穿透深度的探地雷达是实现采煤机滚筒自动调高的关键。低频探地雷达虽然穿透性好，但距离分辨率较差，难以准确判断出煤岩分界面。综合考虑煤层厚度和分辨率的测量要求，选用超宽带探地雷达，能够达到煤层厚度检测误差不超过20 mm。误差来源主要是煤的介电常数无法准确获取。

(2)设备形态:以UWB CMOS芯片+射频信号收发电路为模块，通过SPI-USB-Ethernet为通信接口发送已转换成数字量并成帧的雷达数据。可将雷达设为客户端模式，主控计算机为服务器模式，接收各雷达的回波数据。透地雷达设备可独立工作，也可根据需要通过总线组成网络。研制的雷达装置要求具备对综采工作面防尘、防水和防爆等恶劣环境的适应能力。

(3)天线设计:参考脉冲雷达芯片射频电路设计Vivaldi收发天线，天线参数见表2。

表2天线特性
Table2Antennacharacteristics

天线类型尺寸/(mm×mm)带宽/GHz波束宽度Vivaldi150×1330.9～9 水平:20°,垂直:50°H-plane

2.3 信号解析

脉冲雷达信号按30 Gbps的采样率，则每个点的采样周期为0.033 ns，在电磁波传播速率为260 mm/ns的空气介质中进行验证实验。

如图7所示，47为采样点序号，53.7表示信号幅值(mV)，0.395表示转换成的距离值(m)。对采样点47从理论上计算得到的距离:

47×0.033 ns×260 mm/ns=403 mm

计算值403 mm与图中实字交叉线的实际测量值0.395 m的差值为8 mm。

图7 脉冲雷达信号分析Fig.7 Pulse radar signal analysis

图8为反射回波两个峰值最高为53.46 mV和最低45.66 mV，可用于判断2种不同介质的界面反射位置。

图8 脉冲雷达峰值信号判断Fig.8 Pulse radar peak signal judgment

3 实验结果

3.1 测试方式

通过现场实验测试脉冲雷达对煤层的穿透能力和测量精度，选择留顶煤的中厚煤层，测量工作面顶煤的厚度、测量工作面底板的深度，也可以在巷道中测量顶、底煤的厚度进行精度验证。测厚雷达用于采煤机自动调高原理如图9所示。

图9 采煤机根据煤层厚度自动调整滚筒高度Fig.9 Shearer automatically adjusts drum height with depth of coal seam

(1)透地雷达的基本功能实验。验证对煤层的穿透性，验证测量煤层厚度的精度，检验雷达对不同煤岩的适应性。

(2)通过实验找到雷达天线的最佳安装方式。天线垂直、贴近煤层，放置在两个支架的间隙处;天线也可放置于采煤机滚筒割煤后裸露出来的顶煤层下;在巷道可垂直于顶板和底板并贴近放置。

(3)测试验证。先用雷达测试，记录数据后，将煤层剥离，直至露出煤岩分界线，测量、记录作为实际煤层厚度，与雷达测量厚度对照。

(4)介电常数和传播速度。通过实验室测定或查阅进行实验的煤介电常数，计算出在煤介质中的电磁波传播速率。

3.2 综采工作面回风巷道底板深度检测

(1)在北京门头沟某矿综采工作面进行底板探测实验。工作面位于千北向斜北翼，煤层总体北东倾，地层产状:走向100°～150°，倾向10°～60°，倾角5°～20°，平均倾角:14°。工作面内小褶曲及断层发育，断层带附近煤层顶、底板破碎，煤层厚度变化较大，对回采有一定影响。

工作面煤层顶底板岩性见表3，工作面其他参数见表4。

表3工作面煤层顶底板岩性参数
Table3Coalseamroofandfloorlithologyparameter

顶底板名称岩石名称厚度/m岩性特征基本顶细砂岩30～35黑灰色、中厚层状直接顶粉砂岩2.0～3.0灰黑色、中厚层状伪顶碳质粉砂岩0.2～0.5黑灰色、薄层状直接底粉砂岩3.0～5.0中厚层状基本底凝灰质粉砂岩25～30灰黑色、中-厚层状水平层理

(2)标定煤层介电常数为3，选用频率5.3～8.2 GHz雷达设备，在巷道进行了长度为6 m的底煤厚度测量、采集和分析，如图10所示。

(3)采用雷达信号灰度图可直观地看出煤岩分界位置。灰度图中最深的黑色和最亮的白色分别表示信号的波谷和波峰，代表了介电常数有较大差异的煤岩两种介质的分界位置，通过波谷或波峰到起点的时间差计算出煤层厚度。图11表示了采用 5.3 GHz频率的雷达测试结果，能够清晰显示雷达探测到的空气/煤层界面和煤层/底板界面，图中第1次反射的信号是煤层与空气的接触面，最深色和最亮色表示反射信号最强;第2次反射在4.5 ns处，反映了煤岩层的分界位置，按煤层中电磁波传播速率122 mm/ns计算，可得到底煤厚度为549 mm。

表4工作面参数
Table4Workfaceparameter

参数参数值工作面平均倾斜长/m240煤层平均倾角/(°)14煤密度/(t·m-3)1.77煤硬度2～4煤层平均厚度,采高/m3.6,3.0

图10 测量底煤雷达安装示意Fig.10 Installation diagram for radar to detect floor

图11 频率5.3 GHz脉冲雷达信号灰度波形Fig.11 F5.3 GHz pulse radar signal gray waveform

图12 频率8.2 GHz脉冲雷达信号灰度波形Fig.12 F8.2 GHz pulse radar signal gray waveform

(4)频率8.2 GHz雷达测试结果。探测波形如图12所示，空气/煤层界面和煤层/底板界面清晰，其中底煤回波时间为5.1 ns，按122 mm/ns计算，可得到底煤厚度为622 mm。

3.3 综采工作面顶板测量

在山西同煤集团某矿进行了顶板煤岩分界面的雷达探测试验。工作面位于12号层406盘区，工作面可采走向长280 m，倾向长143.5 m，平均煤厚3.54 m，设计采高3.2 m。尾巷标高1 006 m，头巷标高980 m，头尾巷落差达到26 m，平均倾角10°。煤体密度为1 450 kg/m3,煤层普氏硬度f为0.3～0.4。煤层直接顶为2.05 m的粉细砂岩互层，基本顶为11.74～14.68 m 的细砂岩。

选用雷达设备的中心频率为5.3 GHz，根据标定煤的介电常数为4,测量装置布置如图13所示。

在综采工作面回风巷进行了多个测点的探测，对采集的数据进行处理与分析。

图13 雷达测量顶煤安装示意Fig.13 Installation diagram for radar to detect roof

(1)测点1。图14是5.3 GHz天线对巷道顶煤层进行探测得到的雷达图像。图中用点划线对煤岩分界面做了标注，深度在1.5 m左右。

图14 测点1的脉冲雷达信号灰度波形Fig.14 Pulse signal gray waveform at site 1

(2)测点2。如图15所示，有两个清晰的分界面，上面一个是煤岩分界面，用点划线对分界面做了标注，煤层厚度实测值分布在0.45 m左右，下面一个分界面是不同岩层的分界。

图15 测点2脉冲雷达信号灰度波形Fig.15 Pulse signal gray waveform at site 2

(3)测点3。如图16所示，用点划线对煤岩分界面做了标注，顶煤厚度分布在0.2～0.4 m之间，对应测点附近岩石裸露的位置，该处顶煤实际厚度为0.23 m。

图16 在测点3的脉冲雷达信号灰度波形Fig.16 Pulse signal gray waveform at site 3

(4)测点4。如图17所示，顶煤厚度分布在0.2～0.4 m之间，图中用点划线对煤岩分界面做了标注，该处顶煤实际厚度为0.3 m。

图17 在测点4的脉冲雷达信号灰度波形Fig.17 Pulse signal gray waveform at site 4

4 结 论

(1)研究了脉冲雷达用于煤岩分界的原理，选择5.3～8.8 GHz脉冲频段可以得到毫米级分辨率、厘米级的煤层厚度测量精度。

(2)测量精度达到了20 mm，满足了采煤机滚筒自动调高对煤岩分界的高度定位要求，为实现综采工作面智能化和无人化安全生产创造了条件。

(3)能够穿透超过2 m煤岩层厚度，如果需要穿透更深的煤层，可以试验降低频率和增强雷达发射功率。

(4)后续研究需要考虑含水煤层和夹矸煤层的介电常数化后对测量厚度和精度的影响。