本文選題：煤巖識(shí)別　切入點(diǎn)：探地雷達(dá)　出處：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：無(wú)人化/智能化工作面開(kāi)采技術(shù)是一種高效的安全開(kāi)采方式,可以有效的減少人員事故,確保煤礦安全開(kāi)采。煤炭科技“十三五”明確指出要全面實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略,攻克智能礦山中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),將智能化控制技術(shù)帶入到煤炭主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。要達(dá)到這一目的,首先要解決煤巖智能識(shí)別問(wèn)題,這也是當(dāng)前制約智能化采煤裝備的重大難題。煤巖識(shí)別是指采煤機(jī)切割煤層時(shí)應(yīng)盡量沿著煤層和巖層的分界面開(kāi)采,當(dāng)切割到巖層時(shí)要及時(shí)調(diào)整采煤機(jī)滾筒高度避免造成欠/過(guò)切割。這一問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn),雖然諸多學(xué)者提出了許多具有代表性的研究方法,但各個(gè)方法只是探討了煤巖識(shí)別的可行性,并沒(méi)有形成了一個(gè)完善的解決方案�？紤]到電磁波在煤層中的傳播規(guī)律受到煤巖介質(zhì)電磁參數(shù)的影響,而煤巖介質(zhì)的電磁參數(shù)會(huì)隨著電磁波頻率的變化而改變,通過(guò)選取合適的頻率有可能避開(kāi)煤巖介質(zhì)電磁參數(shù)相近的情況,這也是其它方法所無(wú)法做到的。此外,當(dāng)電磁波頻率達(dá)到太赫茲頻段時(shí),通過(guò)研究電磁波回波將能獲取煤巖介質(zhì)的物理信息。因此,本文以煤巖界面和煤巖介質(zhì)作為研究對(duì)象,利用不同頻段的電磁波技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究,并完成了以下工作。1)在微波頻段,以煤巖界面作為研究對(duì)象,建立了與煤巖電磁參數(shù)、地質(zhì)環(huán)境參數(shù)相關(guān)的煤巖界面電磁探測(cè)模型,探索了微波頻段的煤巖界面識(shí)別方法并研究了不同約束條件下的方法適用性問(wèn)題。從煤巖電特性差異以及煤巖界面目標(biāo)體距離方面分析了探地雷達(dá)技術(shù)的可行性。模擬了電磁波在煤巖介質(zhì)中的正演過(guò)程,研究了電磁波在復(fù)雜煤層中的傳播特性,開(kāi)展了不同測(cè)試頻率(微波頻段)、各種煤巖組合和簡(jiǎn)單/復(fù)雜地質(zhì)條件下的電磁探測(cè)適用性研究。仿真結(jié)果表明,探地雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)0.3~8 m之內(nèi)的煤巖界面探測(cè)。使用LTD-2100探地雷達(dá)并選取不同頻率的雷達(dá)天線進(jìn)行井下實(shí)驗(yàn),研究井下煤巖界面的獲取方法并通過(guò)案例分析來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以較好的和理論仿真數(shù)據(jù)相吻合,這也意味著絕大多數(shù)的煤層都可以用LTD-2100型探地雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)煤巖界面的檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中可以采取提前探測(cè)或讓雷達(dá)天線跟隨采煤機(jī)移動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)采探,結(jié)合地質(zhì)資料研究煤巖界面在雷達(dá)剖面上的反映特征,從而更好的解釋雷達(dá)探測(cè)圖像,獲取準(zhǔn)確的煤層厚度信息。2)提取了不同種類的煤巖太赫茲信號(hào)差異特征,分別采用物質(zhì)成分分析法和德拜/洛侖茲模型揭示了煤巖介質(zhì)的吸收、折射和介電特性變化規(guī)律并探索了煤巖光電特性機(jī)理,驗(yàn)證了在太赫茲頻段進(jìn)行煤巖識(shí)別的可行性。利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)獲取了典型煤巖介質(zhì)的太赫茲信號(hào),由于煤巖介質(zhì)在太赫茲頻段內(nèi)并沒(méi)有特征吸收峰,因此需要在太赫茲頻段研究并提取出介質(zhì)的特征信息。通過(guò)光譜分析技術(shù)從時(shí)域、頻域和時(shí)頻域三個(gè)方面開(kāi)展了煤巖太赫茲信號(hào)特征和物理特性的研究。獲取了煤巖介質(zhì)在太赫茲頻段的光學(xué)常數(shù)并利用光學(xué)常數(shù)與電導(dǎo)率、介電常數(shù)的關(guān)系得到了煤巖介質(zhì)在該頻段內(nèi)的介電特性和損耗特性,將煤巖介質(zhì)在0.5 THz的電參數(shù)與其在100 MHz時(shí)的電參數(shù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率上升到太赫茲時(shí),煤巖介質(zhì)的介電常數(shù)都有所降低,但巖樣的介電常數(shù)變化較大,這也意味著煤壁的反射特性并未發(fā)生太多變化,而該種巖壁的反射特性將發(fā)生較大改變;此外,煤巖的電導(dǎo)率增大了約7個(gè)數(shù)量級(jí),這也意味著煤巖介質(zhì)在太赫茲頻段具有較強(qiáng)的衰減特性。利用德拜/洛侖茲模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了闡述和解釋,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在三階模型下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)可以較好的吻合,其均方根誤差小于0.01,平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.96。利用煤巖太赫茲信號(hào)在時(shí)域、頻域、時(shí)頻域的信號(hào)差異與物理特征差異初步驗(yàn)證了在太赫茲頻段進(jìn)行煤巖界面識(shí)別的可行性。此外,還研究了不同煤種的變質(zhì)程度、灰分、揮發(fā)分等因素對(duì)煤巖介質(zhì)在太赫茲頻段下物理特性的影響,指出了煤的變質(zhì)程度和灰分含量是影響其太赫茲頻段物理特性的主要因素。3)在太赫茲頻段,利用煤巖的吸收特性和折射率特性的差異特征提出了一種基于THz-PCA-SVM的煤巖識(shí)別方法,解決了煤巖特性相近時(shí)的煤巖識(shí)別問(wèn)題。利用主成分分析對(duì)100組不同煤巖介質(zhì)的吸收特性和折射特性進(jìn)行降維和特征提取,并對(duì)PCA結(jié)果進(jìn)行了物質(zhì)特征分析。數(shù)據(jù)表明,無(wú)論是吸收譜還是折射率譜的前三個(gè)主成份的貢獻(xiàn)度都超過(guò)了99%,大大降低了數(shù)據(jù)維度。此外,在吸收譜的二元PCA得分中,煤巖介質(zhì)雖然沒(méi)有被完全區(qū)分開(kāi),但是各個(gè)種類的煤巖被較好的匯聚在了一起;而在折射率譜的二元PCA得分中,煤和巖雖然被完全區(qū)分了出來(lái),但是各個(gè)煤種的主元得分呈現(xiàn)發(fā)散的趨勢(shì)。將光譜技術(shù)與數(shù)學(xué)方法結(jié)合起來(lái)提出了一種基于THz-PCA-SVM的煤巖介質(zhì)快速識(shí)別方法,并分析了不同核函數(shù)以及支持向量機(jī)參數(shù)對(duì)分類結(jié)果的影響。結(jié)果表明經(jīng)過(guò)PCA預(yù)處理后,無(wú)論是煤巖的吸收譜數(shù)據(jù)集還是折射率譜數(shù)據(jù)集均可以構(gòu)建準(zhǔn)確的分類模型,并達(dá)到100%準(zhǔn)確的分類結(jié)果。這也說(shuō)明即使在煤巖介質(zhì)特性相近且不具備吸收峰的情況下,THz-PCA-SVM分類方法依然可以快速、高效、準(zhǔn)確的識(shí)別出不同的煤巖介質(zhì),可以通過(guò)該方法來(lái)描述采煤機(jī)的截割狀態(tài)(割煤/割巖)。此外,該方法也可以作為一種快速無(wú)損的煤質(zhì)檢測(cè)方法對(duì)不同煤種進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)分,為煤質(zhì)監(jiān)測(cè)提供了一種新的研究思路和解決方法。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD82;O441

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本文編號(hào)：1558507