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专利摘要

本发明公开了一种工作面复杂煤层结构精准探测装置及方法，属于煤层复杂结构探测领域。包括移动小车平台、液压升降系统、旋转机构及探地雷达系统；移动小车平台包括车轮、U型支撑板、车底板、三轴加速度传感器；液压升降系统由电动泵、支撑杆件及液压油缸组成；旋转机构包括旋转底架、悬臂杆与球铰接结构；探地雷达系统包括集发射与接受于一体的雷达天线、雷达主机。通过将多种频率的雷达天线探测结果进行数据融合，将多种探测信息融合到同一坐标图上，既保证探测精度又增加探测距离。能够实现煤层工作面30m范围内的断层、夹矸与空区等复杂结构的精准探测。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202210651697.3
申请日期:
2022-06-09
专利申请人:
中国矿业大学; 安徽理工大学
分类号:
G01S13/88; G01S13/89; G01S13/86; G01S7/02; G01C21/16; G01V3/12; H01Q3/02; H01Q1/22
发明/设计人:
刘万里，王诚龙，杨科，葛世荣，王世博，李港，徐健斌
权利要求: 1.一种工作面复杂煤层结构精准探测装置，其特征在于：包括移动小车平台，移动小车平台上方设有液压升降系统，液压升降系统上设有旋转机构，旋转机构的端部设有探地雷达系统；移动小车平台包括车底板(6)，车底板(6)下方通过四支U型支撑架(4)连接有四个车轮(2)，车底板(6)上方正中心的三轴加速度传感器(19)；液压升降系统包括框架结构的支撑底架(7)和上底板(9)，支撑底架(7)和上底板(9)之间设有剪刀伸缩架，剪刀伸缩架上设有横杆，横杆与车底板(6)之间设有控制剪刀伸缩架伸缩的液压油缸(17)，液压油缸(17)油路连接有设置在车底板(6)顶部的电动泵(5)；旋转机构包括设置在上底板(9)上方的旋转底架(10)，旋转底架(10)的上半部分相对下半部分可以进行水平旋转，旋转底架(10)顶部活动连接有可以在垂直方向摆动的悬臂杆(15)，悬臂杆(15)端部通过球铰接结构(14)与探地雷达系统连接、尾部设有用以保持平衡的配重杆件(11)；探地雷达系统包括集发射与接收于一体的雷达天线(12)和位姿传感器(13)，位姿传感器(13)设置在雷达天线(12)背面正中心位置。2.根据权利要求1所述一种工作面复杂煤层结构精准探测装置，其特征在于：移动小车平台的车轮(2)设有加厚的轮缘(1)，以保证四个车轮可与刮板书输送机的两侧充分衔接；车轮(2)两侧设有高度可调的螺纹孔结构(3)，通过螺纹孔结构(3)在车轮(2)的前方连接有用以清除移动轨道上小碎煤的V型除障机构(20)；U型支撑架(4)与车底板(6)之间通过位置可调且左右对称的螺纹孔(18)连接，通过调节U型支撑架(4)在螺纹孔(18)的位置从而调整轮距。3.根据权利要求1所述一种工作面复杂煤层结构精准探测装置，其特征在于：剪刀伸缩架由多个交叉设置的支撑杆件(8)组成，支撑底架(7)上端面位置处设有U型槽(16)，支撑杆件(8)在支撑底架(7)上U型槽(16)内滑动，实现上底板(9)升高与降低，实际调整最大高度为3.5m，以适应不同厚度煤层的探测。4.根据权利要求1所述一种工作面复杂煤层结构精准探测装置，其特征在于：所述雷达天线(12)包括发射与接收天线，通过对接收天线接收的煤层复杂结构的反射波进行分析，主要分析同相轴与振幅的变化确定电磁波的双程旅行时间t。5.根据权利要求1所述一种工作面复杂煤层结构精准探测装置，其特征在于：所述U型支撑件(4)的高度为0.45m的U型支撑件(4)。6.一种使用上述任一权利要求所述的一种工作面复杂煤层结构精准探测装置的探测方法，其特征在于步骤如下：利用移动小车平台驶至采煤工作面待测位置，通过调整车底板(6)上的螺纹孔(19)以改变车轮(2)的轴距，使车轮(2)和刮板输送机两侧充分衔接，从而使车轮(2)以刮板输送机的两侧为移动导轨；通过电动泵(5)驱动液压油缸(17)的进行伸缩，通过调整旋转机构的悬臂杆(15)的旋转角度、调整球铰接结构(14)的角度以调整雷达天线(12)发射电磁波的角度，使雷达天线(12)尽可能靠近采煤工作面，以减少电磁波在传播过程中的干扰因素；雷达天线(12)角度与高度调整完毕后，移动小车平台携带雷达天线(12)通过刮板输送机进行移动并同时采用不同频率的天线对同位置的煤层进行探测；对同位置的煤层使用不同频率的雷达天线(12)进行探测并收集数据，之后通过零点校定、数据滤波及重采样将获取的多种频率天线(12)的探测响应图进行数据融合以增强获得的探测深度与分辨率，通过分析融合后探测响应图的同相轴与振幅变化，从而确定该位置是否存在煤层复杂结构，若存在煤层复杂结构则计算电磁波的双程旅行时间，通过三轴加速度传感器(19)的位置数据信息确定雷达天线(12)位于刮板输送机所在平面的位置，结合电磁波的传播速度、位姿传感器(13)的数据与距离计算公式确定煤层复杂结构相对于雷达天线(12)的位置，通过坐标变换从而获取工作面煤层复杂结构相对与刮板输送机所在平面的精确位置信息。7.根据权利要求6所述探测方法，其特征在于：所述雷达天线(12)的频率包括GC100HF、GC270HF、GC900HF，不同的频率雷达天线开展相同位置的连续性探测，通过将多种频率的探测图像经过校零、配准处理实现图像的融合，既提高探测深度的同时有增加图像的分辨率。8.根据权利要求6所述探测方法，其特征在于：以移动平台所在的地平面为参考平面(Z＝0),移动平台初始起点为参考点，放置于车底板(6)正中心三轴加速度传感器(19)获取移动小车平台行进过程中的加速度a，将移动小车平台移动的起始点作为原点，通过对加速度进行二次积分获取移动小车平台移动终点的坐标(X,Y)：X＝∫∫aXdt、Y＝∫∫aYdt，aX为移动平台X方向的加速度；aY为移动平台Y方向的加速度；此时通过积分变换获取移动小车平台的位置坐标为(X,Y,Z＝0)，结合装置本身的高度H0、悬臂杆件(15)的长度L0与旋转角度θ0，确定雷达天线的所在位置为：(X,Y+L0cosθ0,H0+sinθ0)。9.根据权利要求8所述探测方法，其特征在于：利用位姿传感器(13)获取雷达天线的倾斜角度确定电磁波的发射角度，通过双程旅行时间、电磁波的传播速度与三轴加速度传感器(19)获取三维位置信息，可计算煤层复杂结构的位置坐标，计算后的位置坐标为：x＝X、式中：c为电磁波在真空中的传播速度；t为电磁波在煤层中的双程旅行时间；εr为煤层介电常数；θ为雷达天线的俯仰角；为雷达天线发射电磁波与水平方向的夹角；H0为装置本身的高度；L0、θ0为悬臂杆件的长度与旋转角度。结合雷达天线本身所处的位置，确定煤层复杂结构在刮板输送机平面参考坐标系中的精确位置坐标。