超宽带雷达波在煤中传播规律与定位基础研究

发布时间：2020-05-18 19:16

【摘要】：矿山事故时期,科学、快速的应急救援是减少遇险人员伤亡和避免事故后果扩大化的有效措施。目前,矿山应急救援的方式有两种:井下巷道救援与地面钻孔救援。其中地面钻孔救援占据重要地位,如2015年山东省平邑石膏矿事故,采用该方式,成功救出4名遇险人员。创造了我国首次,也是世界第三次钻孔救援的成功案例,在矿山救援史上具有里程碑意义。救援虽已成功,但有些问题仍值得研究与思考。如在实施探人钻孔时,若钻孔的终孔位置偏离设计位置,或目标位置附近巷道发生坍塌,而目前的多数钻孔生命信息探测设备(如视/音频、红外热成像等)不具备穿透探测的能力,此时应采取什么方式穿透煤岩冒落物进行生命信息探测?超宽带生命探测雷达技术是解决这一问题的未来研究方向。本文开展了相关基础研究工作:测试了不同变质程度煤的介电常数和电阻率,分析了电性参数随频率的变化规律并给出了相应的拟合函数;从煤分子组分、微观结构和表面结构分析了煤电性参数变化的影响因素,即研究了上述函数中系数随变质程度变化的内在关系;分析了超宽带雷达波在煤中传播关键参数;理论分析并模拟了超宽带雷达波在煤中传播规律,并提出了遇险人员定位方法。介电常数与电阻率是超宽带雷达波在煤中传播的基础物理量,为了研究其随变质程度与频率的变化规律,利用Concept 80宽带介电谱测试系统,测试了褐煤、长焰煤、气煤、贫瘦煤和无烟煤的介电常数和电导率。为研究介电常数与频率函数中系数的变化规律,即介电常数随煤变质程度的内在因素,开展了煤的工业分析、元素分析、SEM分析及压汞等实验。为研究电阻率与频率函数中系数的变化规律,即电阻率随煤变质程度的内在因素,开展了煤的X射线衍射分析、全元素分析、核磁共振分析等实验。通过以上研究构建了超宽带雷达波在煤中传播控制方程组,利用时域有限差分法与GprMax软件,模拟分析了超宽带雷达波在煤中传播规律。研究发现:天线中心频率为500 MHz的Ricker激励源是最佳探测方式;人体目标返回波为负峰,煤柱与掘进巷交界面返回波为正峰;人体返回波幅值强度大于交界面返回波幅值强度;频率越高电磁波在煤中的传播速度越快;人体返回波的幅值强度与煤柱厚度呈指数函数关系,据此可以建立各个矿区的煤柱厚度与幅值强度谱图数据库。本文研究成果可为矿用钻孔超宽带雷达的设计研发和探测数据的解析提供重要参考,对矿山事故救援具有重要的科学价值和实际意义。
【图文】：

煤矿事故

1 绪论1.1 选题背景和研究意义据国家煤矿安全监察总局统计，2011~2015 年煤矿事故死亡人数分别为 573、446、440、258、189、129，即死亡人数逐年呈下降趋势（如图 1.1 所示）。2016 年，煤矿领域共发生煤矿事故次数较上年下降 29.2％、死亡人数较上年下降 10.1％，即实现了事故总次数与死亡人数同时下降；3人以上10人以下死亡事故次数较上年下降37.2％、死亡人数较上年下降 39.3％；2015 年煤炭百万吨死亡率较上年下降 3.8％。这得益于煤矿理论、技术、装备、管理及人员素质等各方面水平的全面提高。但是像瓦斯气体与煤尘爆炸、矿井火灾、水灾、冲击地压及顶板等灾害仍时有发生[1]。2015 年中国百万吨煤死亡率下降到历史较低水平，但仍是欧美等矿业发达国家的 5~10 倍（如图 1.2所示）。各种灾害引发的后果在物质财产上给国家带来了巨大的损失，也给很多家庭造成了极大的不幸，同时让百姓对煤矿企业产生错误认知，给社会造成了严重的不良影响[1,2]。

百万吨死亡率

1 绪论1.1 选题背景和研究意义据国家煤矿安全监察总局统计，，2011~2015 年煤矿事故死亡人数分别为 573、446、440、258、189、129，即死亡人数逐年呈下降趋势（如图 1.1 所示）。2016 年，煤矿领域共发生煤矿事故次数较上年下降 29.2％、死亡人数较上年下降 10.1％，即实现了事故总次数与死亡人数同时下降；3人以上10人以下死亡事故次数较上年下降37.2％、死亡人数较上年下降 39.3％；2015 年煤炭百万吨死亡率较上年下降 3.8％。这得益于煤矿理论、技术、装备、管理及人员素质等各方面水平的全面提高。但是像瓦斯气体与煤尘爆炸、矿井火灾、水灾、冲击地压及顶板等灾害仍时有发生[1]。2015 年中国百万吨煤死亡率下降到历史较低水平，但仍是欧美等矿业发达国家的 5~10 倍（如图 1.2所示）。各种灾害引发的后果在物质财产上给国家带来了巨大的损失，也给很多家庭造成了极大的不幸，同时让百姓对煤矿企业产生错误认知，给社会造成了严重的不良影响[1,2]。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD76

【参考文献】