巷道顶板离层的地质雷达监测与预警判据研究

Roof separation is the main precursor information of the roadway roof-fall，sepration detection is the important prevention means for this style accidents.This project addresses the existing problems and shortcomings of drilling detection method,puts forward the new idea of using GPR(geological penetrating radar) wave signal for roof sepration non-contact detection.Using the combining methods of experimental simulation,field test and theoretical analysis，in order to carry out "Study on Method of Roadway Roof Separation Non-contact Detection and Accident Warning".Firstly by 3D（three-dimensional） experimental simulation to reveal the coupling effects relationship between the parameters such as the sepration size and depth, the dielectric constant differences between the separtion and background mediums and the GPR system parameters such as the antenna frequency, window size, sampling frequency.Using image processing technology to deal with field experimental 3D GPR sepration signals，to improve interpretation and analysis algorithms of roof sepration GPR signal, so as to realize the target signal by qualitative analysis converted to quantitative analysis.Analyzing the roadway roof-fall mechanical balance equation, meanwhile based on the 3D GPR signal analysis results，deducing the critical sepration area value of roof instability, and establishing the classification of roof accident warning criterion.To lay a theoretical and applied foundation for the realization of roof separation non-contact detection and accident warning with GPR signal.

顶板离层是巷道冒顶事故的主要前兆信息，对离层进行监测是防治巷道冒顶事故的重要手段。本项目针对目前巷道顶板离层钻孔监测存在的问题与不足，提出采用地质雷达电磁波信号对顶板离层进行非接触式监测的新思路。运用实验模拟、现场试验与理论分析相结合的方法，开展巷道顶板离层的非接触式监测与预警判据研究。首先通过三维实验模拟揭示离层厚度、离层深度、离层与背景介质的介电常数差异等参数与地质雷达系统的天线频率、时窗大小、采样频率等参数之间的耦合影响关系。对现场试验获取的三维地质雷达离层信号，利用图像处理技术改进顶板离层地质雷达信号的解释与分析算法，从而实现三维离层目标信号由定性分析转换成定量分析。对巷道冒顶前的力学平衡方程进行理论分析，同时基于三维离层信号分析结果，推导得出顶板失稳的临界离层面积值，并建立分级的顶板事故预警判据。为实现地质雷达信号对顶板离层进行非接触式监测与预警奠定理论与应用基础。

本课题通过理论分析、数值模拟、物理模拟等多种手段，以地质雷达电磁波信号为监测手段，开展对巷道顶板离层的非接触式监测与预警判据研究。项目开展的主要研究工作以及取得的创新成果如下：.1．通过研究电磁波信号在顶板岩层中不同介质交界面的传播规律，并分析电磁波信号在顶板岩层中的传播衰减因素，得出所选择的地质雷达电磁波是采集顶板离层的一种最佳信号方式。.2．在研究了时域有限差分法的基本原理后，结合顶板离层的特点，通过改变频率、介电常数、离层厚度、离层深度等参数进行了相应的地质雷达数值模拟。.3．对顶板离层模型进行物理模拟，并对模拟得到的时间剖面图进行图像处理。首先对顶板离层地质雷达图像进行背景移除、FIR滤波、小波去噪等预处理。在对图像进行预处理后，运用一种改进的多尺度多方向自适应阈值算法对顶板离层进行边缘检测。同时改进了传统的灰度阈值分割算法，对顶板离层地质雷达图像进行分割并得到了很好的离层区域分割效果。.4．结合顶板离层值(挠度)提出了以顶板离层面积为预警指标并建立了三级事故预警阈值。通过工程实例分析，验证了事故预警阈值的准确性。