一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法技术

本发明专利技术公开了一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，包括如下步骤：在煤矿井下根据前期的勘探资料，确定至少三个钻孔的位置，测量钻孔间的距离，并且根据设计轨钻孔迹进行打钻；在其中一个钻孔内进行钻孔雷达探测，并将一个金属杆分别放置在其他钻孔内，利用钻孔雷达探测金属杆的响应，确定金属杆在钻孔雷达上的响应的时间位置；根据钻孔之间的距离及金属杆的响应时间，计算电磁波在煤层中传输的速度及煤层的相对介电常数。本发明专利技术在煤矿井下现场操作，需要的钻孔深度无需太深，容易操作；在煤矿井下工作面内测量介电常数，提供的煤相对介电常数相对较准确，为煤矿井下其他的利用雷达进行探测提供准确的煤的相对介电常数，便于分析。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法
本专利技术属于应用地球物理勘探
，具体涉及一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法。
技术介绍
随着煤矿智能化开采的发展，当前煤层开采要求提前将煤层的顶底板位置、煤厚变化、煤层内的断层、陷落柱等构造探测出来，地质雷达作为一种高精度的探测方法，在煤矿井下探测至关重要。中国各个地方的煤的显微组分不同，煤的地球物理特征参数也不同，为了利用地质雷达(包括探地雷达、钻孔雷达)进行煤矿井下的顶底板位置、煤层厚度变化、煤层内断层、陷落柱等构造的准确定位，在各个地方进行雷达探测时需要进行煤矿井下的煤的介电常数原位测量。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷和不足，本专利技术提供了一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，以提供相对较准确的煤相对介电常数，为煤矿井下其他的利用雷达进行探测提供准确的煤的相对介电常数，便于分析。为达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，该方法首先在煤矿井下确定至少三个钻孔的位置，且个钻孔的钻孔轨迹相互平行，测量钻孔间的距离，并且根据设计钻孔轨迹进行打钻；在其中一个钻孔K0内进行钻孔雷达探测，并将一个金属杆分别放置在其他钻孔内，其他钻孔包括钻孔K1和钻孔K2，利用钻孔雷达探测金属杆的响应，确定金属杆在钻孔雷达上的响应的时间位置；再根据钻孔之间的距离及金属杆的响应时间，计算电磁波在煤层中传输的速度，进而得到煤层的相对介电常数；计算煤层的相对介电常数εr：式中：εr为煤的相对介电常数，无量纲；C为电磁波在真空中的传播速度，取3×108m/s；t1为钻孔K1内金属杆的响应时间，单位s；t2为钻孔K2内金属杆的响应时间，单位s，D01为钻孔K1与钻孔K0之间的距离，单位m；D02为钻孔K2与钻孔K0之间的距离，单位m。本专利技术包括如下技术特征：具体的，包括以下步骤：步骤1，设计钻孔的相对位置、轨迹及长度：设计三个钻孔的位置，在每个钻孔周围半径为dd内没有断层、陷落柱构造，其中dd为钻孔雷达的探测半径，单位m；三个钻孔分别为K0、K1、K2，对应的孔口分别标记为P0(x0,y0)，P1(x1,y1)、P2(x2,y2)，P0与P1之间的距离为D01且D01>H/2，H为煤层厚度，P0与P2之间的距离为D02且2D01<D02<dd；设计三个相互平行的钻孔的轨迹；三个钻孔的长度分别为L0、L1和L2，且满足如下的关系：L0＝L1±1m，L1＝L2±1m，L2＝L0±1m；且L0、L1和L2均大于3倍的l,其中l为钻孔雷达天线的长度，单位m；步骤2，打钻：现场根据设计轨迹以及现场孔口的位置标记进行打钻，采用人工钻或者机械钻机进行打钻均可，钻孔的直径大于50mm；步骤3，将金属杆放置于K1孔内，其中金属杆的直径d需要满足的要求为：d>0.5m，金属杆的长度L10需要满足要求为：l<L10<L1/2；将钻孔雷达送入钻孔K0内进行探测，获取钻孔雷达测量数据集W1*n1(t)，钻孔雷达的采样步长为s1，信号采样的时间间隔为t0，t是信号采样时间窗长，n1为测量的道数，测量的道数n1＝(L0-l)/s1；步骤4，将钻孔K1内金属杆取出，将金属杆置于K2孔内，将钻孔雷达送入钻孔K0内进行探测，获取钻孔雷达测量数据W2*n2(t)，钻孔雷达的采样步长为s1，信号采样的时间间隔为t0，t是信号采样时间窗长，信号采样的时间间隔为t0，n2为测量的道数，测量的道数n2＝(L0-l)/s1；步骤5，对测量的钻孔雷达数据进行处理，先是进行时间零点校正，让钻孔雷达的信号从直达波到达的时间tz开始，W1、W2经过零点校正后，变为W’1*n1(t01)，W’2*n2(t02)，其中，t01是钻孔K1内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长，t02是钻孔K2内放金属杆时零点校正后的信号采样时间窗长；步骤6，对零点校正后的钻孔雷达数据进行背景消除处理，处理方法包括带通滤波、小波分析和反褶积处理方法；步骤7，对钻孔雷达数据进行背景消除处理之后，在钻孔雷达的响应图上，依据金属杆的响应特征，提取钻孔K1内金属杆响应的时间t1，提取钻孔K2内金属杆响应的时间t2，然后计算得到煤层的相对介电常数εr。具体的，在进行所述步骤1之前，先进行测试区域基础资料收集：收集前期勘探资料，包括前期勘探煤层的厚度、煤层的基本走向、煤矿井下的巷道分布以及煤矿井下的构造的位置，并选择一个工作面作为测量的位置；并测量煤层在工作面内揭露厚度：在所选工作面内，测量煤层厚度H。本专利技术与现有技术相比，有益的技术效果是：(1)本专利技术在煤矿井下现场操作，需要的钻孔深度无需太深，容易操作；(2)在煤矿井下工作面内测量介电常数，提供的煤相对介电常数较准确，为煤矿井下其他的利用雷达进行探测提供准确的煤的相对介电常数，便于分析；(3)该测量方法也可用于其他类似的原位介电常数测量。附图说明图1是本专利技术的煤矿井下煤的相对介电常数原位测量的流程图；图2是本专利技术的钻孔位置及钻孔轨迹示意图；图3是钻孔雷达仪器在介质中遇到金属杆时高频电磁波传播的示意图；图4是钻孔雷达在煤层中遇金属杆时响应的时间剖面示意图；图5是钻孔雷达剖面零点校正后的示意图；附图标号含义：1-煤层，2-钻孔K2，3-钻孔K1，4-钻孔K0，5-K0钻孔在工作面的煤壁上的孔口位置P0(x0,y0)，6-K1钻孔在工作面的煤壁上的孔口位置P1(x1,y1)，7-K2钻孔在工作面的煤壁上的孔口位置P2(x2,y2)，8-煤矿井下工作面内进行打钻的煤壁示意，9-煤层厚度H，10-金属杆置于钻孔内的示意，11-钻孔雷达发射电磁波遇金属杆之后传播路线变化示意，a为发射波的路径示意，b为反射波的路径示意，12-钻孔雷达天线示意，前端为发射部分示意，后端为接收部分示意，13-钻孔雷达直达波的示意，14-金属杆的反射波的示意，15-钻孔雷达天线在钻孔中的位置与金属杆在钻孔中的位置内时的金属杆反射波的示意，16-钻孔雷达天线在钻孔中的位置超过金属杆在钻孔中的位置时的金属杆的反射波示意，17-零点校正后的钻孔雷达直达波的示意，18-零点校正后的金属杆的反射波的示意，19-零点校正后的钻孔雷达天线在钻孔中的位置与金属杆在钻孔中的位置内时的金属杆反射波的示意，20-零点校正后的钻孔雷达天线在钻孔中的位置超过金属杆在钻孔中的位置时的金属杆的反射波示意。以下结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术做具体说明。具体实施方式一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量的方法，在煤矿井下根据前期的勘探资料，确定至少三个钻孔的位置，测量钻孔间的距离，并且根据设计轨迹进行打钻；将其中一个钻孔内放置金属杆，另外一个钻孔内进行钻孔雷达的探测，利用钻孔雷达探测金属杆的响应，确定金属杆在钻孔雷达上的响应的时间位置。根据钻孔之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，其特征在于，该方法首先在煤矿井下确定至少三个钻孔的位置，且个钻孔的钻孔轨迹相互平行，测量钻孔间的距离，并且根据设计钻孔轨迹进行打钻；在其中一个钻孔K

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，其特征在于，该方法首先在煤矿井下确定至少三个钻孔的位置，且个钻孔的钻孔轨迹相互平行，测量钻孔间的距离，并且根据设计钻孔轨迹进行打钻；在其中一个钻孔K0内进行钻孔雷达探测，并将一个金属杆分别放置在其他钻孔内，其他钻孔包括钻孔K1和钻孔K2，利用钻孔雷达探测金属杆的响应，确定金属杆在钻孔雷达上的响应的时间位置；再根据钻孔之间的距离及金属杆的响应时间，计算电磁波在煤层中传输的速度，进而得到煤层的相对介电常数；
计算煤层的相对介电常数εr：



式中：εr为煤的相对介电常数，无量纲；C为电磁波在真空中的传播速度，取3×108m/s；t1为钻孔K1内金属杆的响应时间，单位s；t2为钻孔K2内金属杆的响应时间，单位s，D01为钻孔K1与钻孔K0之间的距离，单位m；D02为钻孔K2与钻孔K0之间的距离，单位m。


2.如权利要求1所述的煤矿井下煤的相对介电常数原位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设计钻孔的相对位置、轨迹及长度：设计三个钻孔的位置，在每个钻孔周围半径为dd内没有断层、陷落柱构造，其中dd为钻孔雷达的探测半径，单位m；
三个钻孔分别为K0、K1、K2，对应的孔口分别标记为P0(x0,y0)，P1(x1,y1)、P2(x2,y2)，P0与P1之间的距离为D01且D01>H/2，H为煤层厚度，P0与P2之间的距离为D02且2D01<D02<dd；
设计三个相互平行的钻孔的轨迹；
三个钻孔的长度分别为L0、L1和L2，且满足如下的关系：
L0＝L1±1m，L1＝L2±1m，L2＝L0±1m；且L0、L1和L2均大于3倍的l,
其中l为钻孔雷达天线的长度，单位m；
步骤2，打钻：现场根据设计轨迹以及现场孔口的位置标记进行打钻，采用人工钻或者机械钻机进行打钻均可，钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋必辞，程建远，田小超，燕斌，张鹏，王博，刘磊，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61