[发明专利]一种利用钻孔雷达构建煤矿透明工作面的方法

权利要求书

1.一种利用钻孔雷达构建煤矿透明工作面的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1，目标区域的资料收集；

步骤S2，设计钻孔组数、数量和开孔点；

步骤S3，钻孔雷达测量，测量开孔位置与顶底板界面实际距离；

步骤S4，煤层原位介电常数的计算；

步骤S5，钻孔雷达数据深度及时间校正处理；

步骤S6，钻孔雷达数据噪声消除处理；

步骤S7，利用孔口定位法进行顶底板同相轴分别追踪及重构；

步骤S8，顶底板同相轴偏移成像；

步骤S9，顶底板偏移后的数据合并；

步骤S10，钻孔轨迹测量数据预处理；

步骤S11，计算钻孔三维空间轨迹；

步骤S12，钻孔轨迹线性插值至其深度采样间隔与钻孔雷达深度采样间隔一致；

步骤S13，结合钻孔轨迹计算顶底板的空间位置，形成单孔顶底板空间位置数据集；

步骤S14，多个钻孔信息联合，形成迎头前方的地质体三维数据体。

2.如权利要求1所述的利用钻孔雷达构建煤矿透明工作面的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1，目标区域的资料收集：

收集开采区域以及开采工作面的资料，所述的资料包括开采工作面的长度L_k、开采工作面的宽度W_k、开采工作面的高度H_k和开采煤层厚度H_c；

步骤S2，设计钻孔组数、数量和开孔点：

每个钻孔的长度为l_s，l_s要求满足10ml_s15m，根据开采工作面的长度，设计钻孔的组数N_z，N_z满足如下公式：

N_z＝L_k/l_s；

根据开采工作面的宽度W_k，组内每个钻孔间隔为d_s，d_s要求2md_s4m，设计每组钻孔的数量n_i，n_i满足如下公式：

n_i＝W_k/d_s；

根据开采煤层的厚度H_c，设计钻孔的开孔位置，要求开孔位置钻孔与顶板界面距离H_hu、开孔位置与底板界面距离H_hd与钻孔雷达中心频率f_BHR以及煤层的相对介电常数ε_c的关系满足如下公式：

式中：

c为电磁波在真空中的传播速度，c＝3×10⁸m/s；

ε_c为煤层的相对介电常数；

f_BHR为钻孔雷达中心频率，单位：Hz；

步骤S3，钻孔雷达测量，测量开孔位置与顶底板界面实际距离：

当采煤机采到设计的钻孔组位置时，当前开采采煤机前方的设计的钻孔位置进行钻孔雷达探测，钻孔轨迹的测量，获取钻孔雷达以及钻孔轨迹的数据，测量钻孔开孔位置距离顶板的实际距离H_hu0和钻孔开孔位置距离底板的实际距离H_hd0，并测量孔口的大地坐标(x₀，y₀，z₀)；

步骤S4，煤层原位介电常数的计算：

在巷道波反射同向轴上随意取2个点P₁和P₂，读取这2个点沿钻孔的方向两个深度位置S_h1和S_h2以及时间轴上的时间t_h1和t_h2，煤层的相对介电常数ε_c计算公式如下：

式中：

S_h1和S_h2分别为巷道波的钻孔深度，单位：m；

t_h1和t_h2分别为巷道波的钻孔雷达时间，单位：s；

步骤S5，钻孔雷达数据深度及时间校正处理：

步骤S51，根据仪器的特征选择是否要进行钻孔雷达探测钻孔深度校正，钻孔雷达最终输出的深度为天线所在钻孔中的深度，如果仪器起始测量位置可人工设置，非自动从0开始，则不需要进行深度校正，如果钻孔雷达仪器起始测量深度始终记录从0开始，根据实际施工以及仪器测量的深度D_h0，天线距离孔口距离为d₀，则校正后钻孔雷达深度D_h为：

D_h＝D_h0+d₀

D_h0＝m×d_step

式中：

m为钻孔雷达采集的道数；

d_step为各道距离采样间隔；

步骤S52，钻孔雷达时间零点校正，由于仪器存在延时，根据仪器的收发天线的间隔d_sf，以及根据煤层相对介电常数，进行时间零点校正；记录的单道钻孔雷达信号的时间起点为T_i0，校正的时间为Δti，单道记录的时间时间零点校正公式为：

T_ij＝T_i-Δt，i＝1，…m；

T_i＝n×t_step

式中：

T_ij为第i道的校正后的时间，单位：s；

Δt为校正时间，单位：s；

n为雷达单道数据的采样点数；

t_step为雷达时间采样间隔；

d_sf为雷达收发天线的间隔，单位：m；

T_i0为第i道的雷达的信号的起始时间，单位：s；

c为电磁波在真空中的传播速度，c＝3×10⁸m/s；

ε_c为煤层相对介电常数；

原始测量的钻孔雷达数据集DB_m×n经过深度校正和时间零点校正后的钻孔雷达数据集为DBCor_m×n；

步骤S6，钻孔雷达数据噪声消除处理：

对前面经过深度校正和时间校正后的钻孔雷达数据集DBCor_m×n进行噪声消除处理，利用带通滤波或背景消除等方法进行噪声消除；其中带通滤波消除噪声消除方法如下：

步骤S61，设计一个带通滤波器，带通滤波器的滤波器系数H(f)的表达式如下：

式中：

f为输入信号的频率，单位：Hz；

H(f)为滤波器系数，无量纲；

f₁、f₂、f₃和f₄为四个频率分界点；

步骤S62，对钻孔雷达每道数据进行离散傅里叶变换，将其从时间域变换到频率域，对每一道进行带通滤波，将滤波后的频域数据通过傅里叶逆变换到时域，此时钻孔雷达的数据集为DBfilter_m×n；

步骤S7，利用孔口定位法进行顶底板同相轴分别追踪及重构：

根据实际测量钻孔开孔位置距离顶板和底板的实际距离H_hu0和H_hd0，以及煤层的相对介电常数，计算顶板和底板的到达时间，确定煤层与顶板界面反射波同相轴和煤层与底板界面的反射波同相轴，然后进行人机结合分别追踪拾取煤层与顶板界面的同相轴在钻孔雷达时间剖面上时间位置t_tongup和煤层与底板界面的反射波同相轴在钻孔雷达时间剖面上时间位置t_tongdown；提取出的煤层和顶板界面的钻孔雷达数据集DBhup_m×n以及煤层和底板界面的钻孔雷达数据集DBhdown_m×n如下：

分别对煤层与顶板界面反射波同相轴和煤层与底板界面反射波同相轴进行重构，煤层与顶板界面反射波的同相轴重构DBup以及煤层与底板界面反射波的同相轴重构DBdown的公式如下：

DBup＝DBhup_m×n*wave

DBdown＝DBhdown_m×n*wave

子波wave的表达式为：

式中：

f₀为钻孔雷达仪器的中心频率，单位：Hz；

步骤S8，顶底板同相轴偏移成像：

分别对煤层与顶板界面反射波的同相轴重构DBup以及煤层与底板界面反射波的同相轴重构DBdown进行偏移成像处理，偏移成像利用基尔霍夫偏移方法处理；偏移后的煤层与顶板界面数据为DBSup，煤层与底板界面数据为DBSdown；

步骤S9，顶底板偏移后的数据合并：

以钻孔倾角为0°进行合并，将顶底板的相对钻孔的位置进行归位；煤层与顶板界面在钻孔上方、煤层底板界面在钻孔下方；对煤层与顶板界面数据DBSup以钻孔为中心做对称处理，处理后的顶板界面数据为DBSdup，然后再与底板界面数据DBSdown合并，合并成像数据DBSh的表达式为：

DBSh＝DBSdup+DBSdown

步骤S10，钻孔轨迹测量数据预处理：

对钻孔轨迹仪测量的钻孔倾角集DDevi_k、方位数据集DAzim_k进行预处理，剔除部分测量无效的数据；

先对钻孔的所有倾角数据进行趋势分析，求取钻孔倾角中最小倾角值MinDevi，最大倾角值MaxDevi，求取钻孔方位角中最小方位角值MinAzim，最大方位角值MaxAzim，分别将倾角和方位角的最大值最小值区间分为N个区间；

计算各个区间内，倾角或方位数据分布的概率，然后根据各个区间的概率分布情况，选择处理算法，如果某一个区间概率小于fre，则认为分布在此区间的数据为异常值，需要将落在该区间的倾角或方位数据进行剔除，分别取其相邻倾角有效数据的平均值作为该点的倾角，取相邻方位数据；如果倾角或方位数据在任何区间均未出现概率偏小的情况，则认为倾角和方位没有异常值，不需要进行预处理；预处理后的钻孔倾角及方位数据集分别为CDevi_k和CAzim_k；

其中：

k＝1，…K，K为钻孔轨迹采样点数；

N＝K/5；

fre根据实际情况确定，一般范围为5％～10％；

步骤S11，计算钻孔三维空间轨迹：

利用预处理后的钻孔倾角和钻孔方位计算钻孔三维空间轨迹Tr(X_k，Y_k，Z_k)：

DLA_k＝arccos[cos(DEVI_k-1)cos(DEVI_k)+sin(DEVI_k-1)sin(DEVI_k)cos(AZIM_k-AZIM_k-1)]

式中：

k为当前点，k＝1，…K，K为钻孔轨迹数据测量的点数；

(X₀，Y₀，Z₀)为测量的孔口坐标；

X、Y和Z分别为孔间的坐标，单位：m；

ΔX、ΔY和ΔZ分别为各个方向的增量，单位：m；

MD为深度序列；

R为曲率，单位：m/弧度；

DLA为狗腿角，单位：弧度；

DEVI为倾角，单位：弧度；

AZIM为方位角，单位：弧度；

步骤S12，钻孔轨迹线性插值至其深度采样间隔与钻孔雷达深度采样间隔一致：

数据点数变为与钻孔雷达道数一致，重新采样后的钻孔轨迹数据为：

Tr1(X_i，Y_i，Z_i)，i＝1，…m；

式中，m为钻孔雷达采集的道数；

步骤S13，结合钻孔轨迹计算顶底板的空间位置，形成单孔顶底板空间位置数据集：

将步骤S9中得到的顶底板界面数据集中，利用钻孔轨迹的三维空间坐标将顶底板界面的坐标转换为空间三维坐标；

步骤S14，多个钻孔信息联合，形成迎头前方的地质体三维数据体：

利用克里金插值法，构建开采前方的透明地质体。