基于介电特性的井下煤岩界面识别方法研究

摘要

无人化工作面开采技术是一种高效的安全开采方式，可以有效的减少人员事故，确保煤矿安全开采。要达到这一目的，首先要解决煤岩智能识别问题，煤岩识别是指采煤机切割煤层时应尽量沿着煤层和岩层的分界面开采，当切割到岩层时要及时调整采煤机滚筒高度避免造成欠割或过切割。这一问题一直是国内外的研究热点，虽然诸多学者提出了许多具有代表性的研究方法，但各个方法只是探讨了煤岩识别的可行性，并没有形成了一个普适的解决方案。目前存在以下问题： 1）缺少在复杂地质条件下适用性较广泛的识别方法。由于我国煤层赋存条件多变且复杂，不同煤矿的煤与岩石的种类千差万别，即便在同一煤矿中，煤层与岩层的界面也是没有规律可循，并且在开采的煤层中也可能出现断层与夹矸。 2）缺少适用于煤岩自身特性改变或相似时的煤岩识别方法。众多煤矿的煤岩特性及状态又不尽相同，不同种类的煤炭和岩石或许由于水分、密实度、颗粒度、自身包含的矿物质种类等原因存在自身性质的改变，需要对煤岩自身特性进行研究，探讨具有更好的适用性、可靠性的煤岩界面识别方法。 基于上述的考虑与分析，本文针对煤岩界面识别问题展开研究：首先，研究煤岩的物理特性、无机矿物质的种类与含量对煤岩介电特性的影响；其次，依据煤岩介电特性不同，基于 Bruggeman 理论提出一种煤含量估算模型；最后，利用Comsol Mutiphysics仿真软件，通过改进图像重建算法，提出一种煤岩界面可视化识别模型。 通过实物试验、理论验证与仿真试验可得：（1）在10KHz~30MHz检测频率内，试验中烟煤、无烟煤、岩石的物理特性（含水量、密实度、粒度）改变、或者无机矿物质（高岭石、方解石、石英石、褐铁）含量改变，煤岩介电常数总能区别；（2）基于Bruggeman理论提出的煤含量估算模型，在10 KHz~30 MHz的检测范围内，理论煤含量值与实际值的相对误差△q′较小，平均在4.10%以下；在高频区间内，理论煤含量的精确度相对较高，在500 KHz~30 MHz内，△q′平均可控制在2.6%左右；（3）利用Comsol Mutiphysics仿真软件和改进的图像重建算法，提出一种煤岩界面可视化识别模型，既能够很好的识别煤岩分层的界面，又可以识别煤层中存在夹矸的情况，适用于地质条件复杂的煤矿。 总体上，本文提出的基于介电特性的煤岩识别方法具有简单、适用性广泛的特点，为实现井下无人化开采提供一种新的煤岩识别方法。

目录

第一个书签之前