无线电波透视法及其应用

无线电波透视法及其应用
摘要:预先探明待采工作面的地质构造以保证采煤特别是综采的顺利进行, 是矿井地质工作中的重要任务。

随着采煤机械化程度的提高, 要求在采前探清待采工作面内的地质构造及地质现象的程度越来越高。

只局限地应用传统的地质手段和方法已不能很好地适应现代化采煤的要求。

无线电波透视法是利用无线电波在钻孔和坑道中的发射和接收来确定地下介质特性和地质构造的一种物探方法。

当电磁波在地下有耗介质中传播时，遇到岩性不同的分界面就会产生不同的电磁波反射、折射、透射和频散、吸收等，通过研究接收到的电磁波的性质达到探测地下目标物的目的。

本文简述了该方法的理论，描述了方法的分类，概述了目前使用的发射天线、接收天线和常用的仪器，总结了井下工作方法和解释方法，最后给出了应用实例说明其应用效果。

关键词: 综采无线电波透视法发射接收资料解释
1无线电波透视法技术原理
1.1点电流元在无限均匀有耗介质中的场
点电流元是指长度无限小或较波长甚小的线性电流单元，又称电偶极子或基本电阵子。

它本身不能单独存在，但是组成实际天线的基本单元。

设电偶极子位于球坐标系的原点，且沿坐标系的z 轴方向放置。

电偶极子的电流强度为I，是常数；dl 是电偶极子的长度，且电偶极子的长度dl≤el 和dl≤r(这里el 是导电介质中的波长，r 为收发距)，因此，可以近视地认为电偶极子是位于坐标原点的点电源。

在钻孔无线电波透视法的实际应用中，一般要求接收天线位于发射天线的远区场，即当kr≥1 或r≥el 时，电场分量和磁场分量可由下式表示
它们是电偶极子在远区场条件下产生的电磁场分量。

Hϕ表示的是磁场分量，E ϒ、Eϴ表示的是电场分量，电场分量与磁场分量之比为：
η称为介质的波阻抗。

在自由空间中，ε= ε0，μ=μ0，易于求出η=η0=120π。

1.2无线电波透视法工作原理
无线电波透视法是根据电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩层和煤层的电性(电阻率ρ和介电常数ε) 的不同，它们对电磁波的吸收不一致的原理，来探测待采工作面内的地质异常体。

当在工作面的一侧向另一侧发射电磁波,若其间存在着低于煤层电阻率的地质构造时，电磁波能量就会被吸收或完全屏敝，使信号显著减弱或收不到信号，从而形成一个“阴影区”，交换发射机与接收机的位置,测得同一个异常体的“阴影区”，即为所要探测的异常体的位置和范围。

在实际工作中，电磁波在穿过煤层途中遭到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常（又称阴影异常）。

研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释，这就是无线电波透视的基本工作原理。

2无线电波透视法的特点及局限性
仪器轻便，接收机与发射机一般都在5kg左右，加上辅助设备总重要也不很大，有利于在煤矿井下工作。

所需工作人员比较少，一般4~5人即可正常开展工作。

透视距离一般可达150~220m，抗干扰大透距仪器有可能达320 m。

坑透法局限性在于只能做透射测量，不能做反射测量，其主要工作必须在两条巷道内进行，探测两条巷道之间同一煤层内的地质异常体（地质构造），在只有一条巷道的情况下开展坑透工作要采用钻孔透视法。

坑透仪测量时干扰因素比较多，金属支架、接地铁轨、风管、水管、特别是电缆及其他金属导体以动力设备都可能造成干扰，坑透工作时，必须采取其它抗干扰的措施。

3无线电波坑道透视法的应用条件
无线电波坑道透视法的应用条件主要取决于煤、岩层对电磁波的吸收系数β。

不同的煤层和岩层，由于它们的电性不同，因此对电磁波的吸收程度（即吸收系数）也不相同。

这就是说，介质（煤层或岩层）的吸收系数越大，透视的距离越小，适用条件越差。

当透视距离不能满足一般采煤工作面对透射的需要时，无线电透视法就失去其使用价值。

当然，在降低工作面频率的情况下，探测距离就会有所增大，但探测精度也将降低。

由于全国各个矿区煤层的赋存情况、回采条件各不相同，故根据无线电波透视的特点将其适用条件简单归结为以下几个方面：
⑴煤的变质程度。

从褐煤到无烟煤，随着变质程度的不同，其电阻率也不相同，烟煤系列各种牌号的煤电阻率都比较高，吸收系数β小，因此坑透的透视距离大。

褐煤与无烟煤的电阻率比较低，吸收系数大，因此透视距离小。

当然，各地无烟煤的电性也不相同，例如阳泉的无烟煤电阻率比较高，使用坑透法就比较好，而北京、邯邢地区的无烟煤电阻率低，因此透距只达数十米。

⑵煤层厚度。

一般情况下，厚度在1m以下和10m以上的煤层都不适于采用无线电波透视测量。

因为薄煤层的开采条件差，影响坑透的探测距离和探测效果。

在厚煤层中，则往往由于小构造不显著，透视异常不明显，难以做出正确的判断。

⑶煤层倾角。

煤层倾角大、构造复杂的工作面使用坑透法受到限制。

由于透视异常往往由多种小构造叠加形成，因此无线电波透视法很难做出较准确的定性定量解释。

因此，坑道
无线电波透视仪应针对抗干扰能力，透视距离的难题进行研究，并应进一步研究电磁层析成像探测技术（电磁CT技术）的研究与应用。

4无线电波透视在井下的工作方法
4.1井上准备工作和坑透观测方法
在透视工作前，要做一些准备工作。

首先对坑透工作面中的干扰体进行调查, 了解坑透工作面中的电缆、金属管道、电器设备, 主要人工导体的分布以及巷道高度、支护材料、瓦斯浓度等情况，并针对干扰体制定出一套有效的抗干扰措施。

其次要对工作面内已揭露的地质体进行调查。

如调查工作面内已揭露的地质构造、水文地质条件等，在分析坑透资料时可参考这些已知的地质因素。

在实际透视工作前, 还要选择一种适合实际情况的观测方法，这一点很重要。

关系到坑透工作的成功与否。

井下观测方法有同步法和定点法2种。

（1）用同步法观测时, 发射天线和接收天线分别位于不同的巷道中，同时作等距离移动, 逐点发射和接收。

当工作面长度较大, 且两条巷道基本平行，人工干扰体又不能彻底消除的情况下，就可以选择用同步法进行观测。

采用这种观测方法, 因为透视距离大体相等，各处干扰情况相近，接收的又是穿煤层而过的直接波，避免接收各种干扰体形成的绕射、反射、散射波，可确保接收场强值的真实可靠性，有利于资料的分析。

但是用这种方法观测，容易形成盲区，有漏测的可能。

同步观测方法
（2）用定点法观测时，发射机的位置在一定的时间内相对固定，接收机在一定的范围逐点观测其场强值，即定点发射，多点接收。

当工作面长度不大，形状不规则，人工干扰体又可排除的情况下,就可以选择用定点法进行观测。

采用这种观测方法，可对工作面全面覆盖两次，不留盲区，并能运用两巷定点交汇法，根据坑透综合曲线图，具体确定地质异常体的性质和空间位置及大小，便于有目的地进行钻探验证，且投资少，见效快。

定点法是井下常用的观测方法。

定点法示意图
综上所述，2 种方法各有优缺点, 在选择观测方法时，一定要根据所调查的实际情况，选择一种合理的观测方法。

只有方法选择得当，获得的坑透资料才准确可靠。

选择好了观测方法后, 就可以布置发射点和观测点了。

同步法的布点方法简单，首先在透视工作面平面图(1：1000或1:2000)上布点，从巷道口起始，点号从1、2、，,标到另一巷道口止，不得有漏号和重号，上下巷道点号对应布置。

观测点间距一般为10 m，发射点间距一般为50 m，也可根据需要加密或加大间距，每个发射点可相应观测1 0 ~ 15个点, 呈扇形观测网，每个发射点都有若干重复观测点，以便交汇异常区。

4.2井下实际工作
井下实际工作时一般需发射机操作员1 人，辅助人员1~ 2 人，接收机操作人员1人，记录员1人。

发射与接收开始工作时，准确对好工作时间表，作好记录。

在透视工作之前，先选择地质条件正常, 无干扰和干扰因素少的地段，布置1~ 2个发射点进行透视条件试验，以求取该发射机的电磁波在工作面的初始场强值H0和最大穿透距离及煤层的吸收系数β0透视工作时, 把发射机框形天线与巷道平行，悬挂成四边形，接收机环形天线直立( 注意接收机应放置在远离金属导体的地方)，环面始终面向发射机方位，即观测场强最大值方向，把观测到的数据记入已设计好的表格内。

1、坑透时间一般在工作面圈出，未安装设备前。

2、编制《工作面坑透安全技术措施》。

坑透前应编制《工作面坑透安全技术措施》。

主要内容包括：施工设计（观测点的布置、井下实测、作业要求）、安全技术措施。

3、透视观测点的布置在透视工作面平面图（1：1000或1：2000）上布点，从切眼开始布点，点号为1、2、3……直至巷口为止。

不得有漏号或重号,进、回风巷道的点号要对应。

接收点间距一般为5m或10m，发射点间距一般为40 m或50 m，可根据需要加密或者加大距离。

成庄矿一般采用接收间距5m，发射间距40 m。

每个发射点可相应观测15-21个点，呈扇形观测网，每个点都应有若干个重复测量数值，这样在整个透视平面上，射线分布越密、平面覆盖的次数越多，越有利于交汇异常区。

5资料的处理和解释
（1）正常场参数的估算无论资料是计算机处理还是人工地质解译，都需要事先知道一些参数，如波源的振幅因子，围岩的吸收系数和位相常数、正常场等等。

由于介质的不均匀性，要精确地确定这些常数是困难的，通常采用一些行之有效的估算方法估算参数，如估算波源振幅因子和围岩吸收系数的两点法、图解法、线性叠代拟合方法等。

（2）异常的划分要从观测曲线上划分出异常场，必须首先考虑构成异常的量的标准，即超过正常场的最低限度。

随着探测对象地质条件的改变，这个标准有所不同。

划分异常的方法有阴影法、比较法、射线法等等。

（3）异常的定位异常的定位是指粗略地勾画出异常的轮廓，或者异常的中心位置。

限于目前钻孔电磁波法的实际水平，要准确地确定异常的位置和形态还比较困难。

异常的定位主要有交会法和综合平面法。

（4）干扰的识别与消除在解释资料的全过程中，要时时注意识别干扰或非目标体造成的异常，尤其是在划分异常阶段。

干扰主要分为两大类，一类是人文干扰，一类是地质干扰。

6无线电波透视技术在煤矿中应用的研究方向
无线电波透视技术虽然在矿井应用中已趋于成熟但还有些方面有待改进，通过仪器和探测方式的改善能使其探测更加完善成熟。

下面将说明坑透未来的一些研究趋势与展望。

6.1提高无线电波透视技术的探测精度
无线电波透视技术用于探查采煤工作面内隐伏地质小构造虽已取得良好效果,但由于现有仪器设备只能测量单一场强值,获取信息量少;测量方法上只能进行二巷间探测,一般只能沿层倾向而不能沿走向进行探测; 在探测效果上只表现出有无地质构造异常,其异常的位置和大小误差大,而且不能分辨相互平行或近似平行的2个或多个地质构造的存在。

为使无线电波透视技术能在煤矿探查地质小构造中发挥更大更好的作用，关键是要提高探测精度。

为此建议今后加强以下方面的研究。

a.仪器方面,制多频、多参数、具通讯功能的钻孔和坑道透视一体化的无线电波透视仪;
b.测量方法方面,究多频多参数和实现钻孔间、钻孔与巷道、巷道间的综合测量方法;
c.资料整理方面,一步完善和开发资料处理软件,实现数据采集和处理成一体的实时或半实时的资料处理系统和专家处理系统。

此外,还必须加强现场示范探测研究和技术培训的力度。

因为无线电波透视技术探查矿井地质小构造是一种多学科技术在工程中的应用,同时与生产密切相关,所起作用影响重大。

因此,运用该技术的人员,必须掌握仪器、地质、生产等方面的知识,而且要有认真负责的工作精神,才能将无线电波透视技术在煤矿中应用得更好。

6.2井无线电波透视技术的应用范围
目前的无线电波透视技术只能在两条巷道间进行探测,而在煤矿生产中大量急需解决的是工作面形成之前的超前探测。

因此,除提高无线电波透视技术的探测精度外,为实现超前探测以及加大透视距离,也很有必要开展煤矿井下沿煤层钻孔无线电波透视技术研究。

最近重庆分院和西山矿务局正在合作进行煤层钻孔无线电波透视技术的研究,除解决仪器设备外,还要研究测量方法和专用探头传递方法及工艺。

若研究成功将可增加无线电波透视技术的透视距离和实现超前探测,又可大幅度提高该法的探测精度。

此外,我们在无线电波透视技术的推广应用中,曾阳泉局一矿,平顶山十二矿、十矿,韩城局桑树坪矿等处探查瓦斯聚集区的试验,取得一定效果。

因此,今后有必要进行深入细致研究,使无线电波透视技术在煤矿安全生产中发挥更大作用。

6.3下穿煤层的通讯技术
目前煤矿井下通讯方法多采用有线电话或感应电话。

国处有超高频无线通讯机,用于大巷或采场附近语音通讯,但通讯范围很有限,而且不能穿煤岩层通讯。

当前煤矿生产管理和矿山救灾中迫切要求可靠的通讯联络。

在煤矿中应用的无线电波透视技术,穿煤的透视距离一般为350 m 以上,个别煤层达600 m。

由此,我们认为利用无线电波透视技术开发井下穿煤岩层通讯在技术上是可行的。

重庆分院于1994年立项研究具有通讯功能的无线电波透视技术,经过两年多的努力,于1996年底样机在南桐矿务局、达竹矿务局等进行了工业性试验,取得穿煤层的语言通讯距离达到220 m以上,沿有电缆、水管导体的煤巷距离达到1000 m以上。

目前正依据这一研究成果,加紧矿井穿煤岩层通讯系统的研究,无线电波透视技术将可在矿井通讯领域发挥作用。

6.4础理论和实验室试验研究
从多年实践中认识到,无线电波透视技术在煤矿井下可采煤层中应用,其传播介质沿煤层垂直方向为典型的非均匀介质体; 沿煤层层理方向,在一定范围内是相对均匀介质体,而且煤层顶底板岩性与煤层的电性上有较大差异。

因此,只要选用适当工作频率和测量方法是可以探清煤层中隐伏地质小构造的。

还认识到,无线电波沿煤层是“波导”式传播,同一频率在煤层中传播的波长与在空气介质中相比要短很多,有关无线电波在介质中传播的物理现象,与在空气或均匀介质中相比有很大差异,如绕射现象不如所想象的严重。

但是人们对有关传播方式与工作频率、煤岩性质、煤层厚度、煤层顶底板岩层和煤层的电性等方面关系的认识很肤浅,缺乏深入研究。

这对无线电波透视技术在煤矿中应用和扩大效果有很大影响,很有必要在今后加强基础理论和实验室的试验研究。

7结语
通过大量实际工作经验可得出无线电波透视技术对对陷落柱的探测效果很好，煤层变薄带次之，断层探测效果最差。

一般陷落柱的探测准确率在90%以上，直径15m以上的陷落柱探测准确率达到100%。

对于造成电磁场变化的各种地质构造，都反映出异常，但有的构造如陷落柱，透视异常曲线特征明显，有的构造在某些条件下,异常曲线较难分辨。

因此, 要想确定异常体的性质及具体位置，还得结合各矿区构造发育特征，结合传统手段和已揭露的情况，合分析，找出规律。