矿井定向钻孔雷达煤厚识别及成像精度研究
许献磊1
李菁淋2
曹仕龙2
张皓冉2
袁正涵2
1.中国矿业大学(北京) 煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室,北京 1000832.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院,北京 100083
摘要：我国煤矿地质结构复杂,赋存煤层厚度及其走向的超前精准探测对煤矿安全智能开采具有重要意义.常规地球物理超前探测方法对煤岩结构的探测误差随超前距离的增加而不断扩大,而多数孔中物探设备受限于定向能力的不足,在煤厚识别中难以发挥有效作用.针对上述难题,研发了一种矿井定向钻孔雷达,通过定向雷达天线、高精度脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)电机控速与角度方位感知系统,并配套定位解算算法,实现煤层厚度的定向识别.开展定向钻孔雷达煤厚识别及成像精度分析研究,旨在为定向钻孔雷达现场作业以及随钻探测装备的研发提供指导.首先,系统阐述了定向钻孔雷达工作原理及煤厚探测方法,构建了定向钻孔雷达天线与目标体空间关系模型,实现目标探测方位的精准感知,方位角度感知误差最小为 1°(电机转速低于 3.71 r/min);其次,在明晰矿井定向钻孔雷达中PWM占空比与电机转速关系基础上,设计不同PWM占空比下探测试验,分析不同电机转速对采集精度的影响,得到数据采样精度误差小于2%时,最优电机转速为 7.84 r/min;针对矿井常规钻机推进速度为 0.01～0.30 m/s,设计探测速度在 0.05～0.40 m/s范围内的不同推进速度系列探测试验,详细分析并阐明了探测速度对采样精度,以及采集精度对成像精度的影响规律.试验结果表明,针对现有巷道钻机作业工况,当定向钻孔雷达采集转速为 7.84 r/min、探测推进速度为 0.05 m/s时,角度采集精度误差率最小为 2.8%,采集定位精度为 97.2%,目标体识别分辨率可达 0.256 m.矿井实测结果表明,定向钻孔雷达可探测到煤岩界面与煤层深度及其方位信息,煤厚探测精度误差为 3.15%.研究成果为矿井地质透明化以及煤矿智能化建设提供有效的技术支撑.
关键词：煤层厚度识别定向钻孔雷达方位感知探测精度分析成像精度分析
分类号：TD82(矿山开采)P631(天文学、地球科学)
资助基金：国家重点研发计划(2023YFC3008902)国家重点研发计划(2023YFB3211002)国家自然科学基金(52174155)
论文发表日期：2025-12-31
在线出版日期：2026-01-16（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：13( 5158-5170 )
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