融合顶底煤厚和截割轨迹的煤层三维模型动态修正技术

作     者：马修泽 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘万里

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：探地雷达 煤厚探测 截割轨迹 煤层三维模型 局部修正 

摘      要：无人化开采技术是国内外煤炭开采领域共同追求的前沿技术,在地质条件和煤层结构相对复杂的综采工作面难以通过记忆截割实现无人开采,为此需要构建精确的煤层三维模型,实现采煤工作面透明化。然而现有的煤层三维模型构建数据以钻孔为主,各种物探数据为辅,受制于物探精度低和钻孔数据数量少等因素,目前构建的煤层三维模型精度较低,垂向误差一般大于10%,难以满足无人化开采的要求。本文的目标是研究一种融合顶底煤厚和截割轨迹的煤层三维模型动态修正方法,在使用钻孔数据构建煤层初始三维模型的基础上,使用工作面已截割区域的截割轨迹以及探测到的顶底煤厚,对工作面待截割区域后三刀煤层顶底板高程值进行预测,并对煤层初始三维模型进行局部动态更新,提升煤层初始三维模型的局部精度,为无人化开采提供基础数据。首先,本文阐述了煤层初始三维模型构建所需数据以及数据的特点,并基于Arc GIS研究了煤层初始三维模型的构建方法,并基于斜沟煤矿18201工作面部分煤层数据建立了煤层初始三维模型;同时,本文阐述了采煤机截割轨迹的获取方法。然后,本文研究了基于探地雷达的煤层厚度动态探测技术。使用带通滤波算法滤除井下大部分干扰,实现煤岩分界面的识别。通过介电常数校正和介电常数插值方法,减小了夹矸厚度对煤层等效介电常数造成的影响,提高了煤厚探测的精度。基于时间同步原则,将三轴加速度计和雷达主机结合,实现在恶劣环境动态探测下雷达数据的定位。在塔山煤矿8222工作面开展井下巷道煤厚测量实验,煤层厚度范围为7.72-13.41m,探测结果表明煤厚探测误差小于10%。证明了该技术可以高效率探测出煤层厚度,并保证一定的精度。最后,基于以上研究提出了一种融合顶底煤厚和截割轨迹的煤层三维模型局部动态修正方法:对于第i回采阶段,在建立回采坐标系的基础上,将导航坐标系下的截割轨迹数据转换到回采坐标系下,与顶底煤厚数据进行加/减运算,计算出回采坐标系下第i回采阶段的煤层顶底板高度信息,实现截割轨迹数据和顶底煤厚数据的融合。以第i+1回采阶段顶板高度预测为例,基于第i回采阶段的煤层顶底板高度信息和第i+1回采阶段巷道区域顶底板高度数据建立克里金预测模型对后三刀煤层顶板高度进行预测模拟,并在实验室进行了实验,以验证其预测效果。模拟实验结果在后三刀范围内该预测方法都具有较高的精度,当第i阶段煤层顶板高度误差在-5%到+5%变化时,后三刀顶板高程预测值平均误差随着探测误差绝对值的增加而增加,平均预测误差为3.58%,修正后的局部煤层三维模型相较于煤层初始三维模型精度提升了13.13个百分点。实验室实验结果表明:该修正方法对于顶部不同形状的煤层三维模型均具有良好的修正效果,其中顶部全曲线煤层三维模型建模误差由2.98%下降为2.21%,顶部全直线煤层三维模型建模误差由3.56%下降为2.05%,顶部曲线+直线煤层三维模型建模误差由4.3%下降为2.01%。