1.探地雷达（ GPR ）技术的应用分析

探地雷达技术是当前较为先进的勘探手段之一， 因体积小、质量轻，非常适合在空间紧张的地下硐室 中作业，其无损探测和实时显示连续剖面的特点可保 证探地雷达探测工作的高效率，使得探测工作的成果 客观，且图像资料简单易懂，在众多行业得到了 广泛使用。 GPR 已经在土木工程和地下工程中被广泛应 用。GPR 的核心吸引力在于它是非侵入性和非破坏 性的，并且可以提供地下特征的瞬时成像。基础的探 地雷达的原理涉及将能量传输到地面然后测量具有 不同介电值的材料界面由此产生的反射。接收到的 反射大小取决于地电导率和介电常数的大小和形状 目标、介电常数的差值以及一个边界、空隙、腔体和 其他介电界面可能引起脉冲回波的不连续性。通常 在煤层中发现的地质特征地层特别适合雷达成像。 这是相对于其主体地层来说，因为煤具有较低的导 电率和较高的电导率介电常数。迄今为止，GPR 尚 未广泛应用于煤矿煤层深度测量，这在很大程度上 由于敏感的电子设备不能简单适用于恶劣的煤炭开 采环境以及调控 GPR 返回雷达信号的复杂性。GPR 成功实施的关键要求煤炭测量系统使用信号处理将 原始雷达数据转换成合适的形式并立即被非专业人 员利用。大多数商用 GPR 系统不适合地下煤挖掘 （并不提供自动化的实时处理能力），因此常依靠经 过培训的运营商手动解释离线的原始雷达数据，最 终由传感器的典型原始 GPR 输出直接进入自由空 间。主峰表示一个天线 - 空气耦合特性，依据此特 性可以有效地得知煤层与岩石的边界导电率发生突 变。但是，需要额外复杂算法处理原始雷达数据才能 提供控制地层的煤层深度估计。 矿山开采过程中，为解决工作接续紧张问题，一 般需要预先查明后续计划开采矿层的可采价 值，主要通过确定矿层厚度来计算出储量大小。矿层 与顶底板岩性差异较大时，可以利用探地雷达确定 矿层上下界同探测位置的相对位置关系，由此得出 矿层厚度的值及其变化，并计算出探测区域的 矿层储量供开采设计参考。如某煤矿开采时大力使 用放顶煤技术，工作面上下顺槽超前工作面煤壁几 百米掘进，通过向顺槽顶板钻孔计算放顶煤工作面 的煤炭储量，效率非常低，且性较差，增加了巷 道顶板围岩的破碎度，影响了正常的运煤和行人。而 采用探地雷达技术向巷道顶板方向探测并沿巷道全 长得到雷达探测剖面图像，即可得到顶煤厚度值及 其变化情况，对采煤工作影响小且。一个典型的地下采矿作业的视图横截面，目的 是保持采煤机在煤层中遵循的采矿视野，确定 需要的煤炭厚度。

2.基于远程控制的惯性导航与传感系统

高瓦斯采矿是我国煤矿开采的重要难题，远程控 制的高壁采掘机被引入以前，主要采用露天煤矿（已 露出煤层）形式操作开采。目前，随着采掘机自动化水 平的提升，连续运输系统和基于远程控制的惯性导航与传感系统逐步被带入到现代的煤矿开采当中。 所谓惯性导航，其基础是要求平直，平行矿巷的 分离必须符合岩土设计要求，这样就必须要求挖掘 机在其需求侧实现采矿机器的位置和导航，以便可 以及时地阻止开采和远程控制。 国内外很多学者已经提出了许多方法用于横向 高壁采矿机械的指导。激光测量提供了的长壁 机器位置的潜力确定，但与场地有关的问题，如能 见度和视线范围意味着一般的方法不是可能被应 用的。一些光电 / 机械钻孔型测量方法已经被考虑 应用到实际工作当中，但也受到实际的影响，例如， 在一个非常恶劣的环境中需要的角度测量，但 这具有极高的执行难度。使用传统无线电的专用三 角测量系统，在实际使用当中无法实现所需的机器 位置度。所以，目前强烈建议铺设少量 GPR 外 部基础设施来启用位置感测系统（惯性导航），即使 使用低频率穿透覆土也可以实现很好的位置测量。 GPR 装置应用于地下煤矿，该机被称为长壁采 煤机。主要目的是确定雷达单元传感器是否可以用 作煤矿开采中的地层场景控制。为此，基于 GPR 的 传感器被安装在我国某大型煤矿中的一个长壁采煤 机上。整个 GPR 处理系统由三部分主要组件组成： 宽带（800 MHz）双基地脉冲雷达、数据处理单元和可 视化系统 。完整的 GPR 系统及时个在表面上组装 和测试，并搭配惯性导航系统。 为了保障实际工作中的矿坑安全，该煤矿地下 提前设有自动煤厚度潜力测量系统，以防止可能出 现的安全事故。已知此矿巷的顶板与煤层之间地板 是由灰分含量高的风化黏土层组成（70%~80％）的。 实际测量当中，配有 GPR 的采掘机在切割时尽可能 接近边界，好处是煤质量很高，惯性导航的度较 高。但是，在某些地区会开采到凝灰岩层，其周围的 煤炭产品的灰分含量急剧增加，这是在今后设计和 实践当中应该继续优化的问题。

3.结语

地面穿透雷达（GPR）煤层厚度传感器和惯性位 置导航系统应用于煤层控制不仅涉及通信、位置和 导航系统整合，还涉及了监控和故障排除，这均是本 论文涉及但未详述的关键问题。随着自动化技术的 不断发展，这些问题将逐步解决，并且集成多传感器 的综合控制系统将被认为是解决煤炭开采局限的有 利手段。