无线电波透视技术

无线电磁波透视及其在工程中的应用中国矿业大学2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术主要内容一．引言二．无线电磁透视法基本工作原理2.1基本原理2.2资料处理2.3施工方法技术2.4资料解释三．应用实例分析2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术一．引言一些煤矿地质条件比较复杂，无论是地质构造、煤层稳定性、水文地质条件以及矿井瓦斯等变化都比较大，成为制约矿井安全与生产的主要控制因素。近年来很多矿务局为了满足综采地质工作需要,进行了井下综采工作面内的无线电波坑道透视试验与推广应用工作,较成功地探测出了综采工作面内的断层、冲刷、陷落柱、“门帘石”、火成岩墙、小褶皱、瓦斯聚集带、煤层分叉合并区等多种地质异常体,较好地指导了综采生产。2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术该方法最初的设想是由前苏联科学院院士A·A·彼得罗夫斯基在20年代提出的，开始称为阴影法，意即利用良导矿体对电磁波的强烈吸收造成的“阴影”来寻找井间或坑道间的盲矿体。后来又称为无线电波透视法、井中无线电波法。70年代中期，美国已故测井专家R·J·Lytle等人率先把层析技术应用于钻孔电磁波法的数据处理，推动了全球范围内电磁波CT的研究和应用，也进一步促进了钻孔电磁波法的推广和提高。一．引言2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术80年代后期，美国劳伦斯利物莫尔国家实验室（LLNL）等单位联合开发了音频电磁波数据采集系统和层析软件，这一突破性进展预示着无线电波透视法在油气开发工程中也有着广泛的应用前景。如今，这一方法除了继续用于矿床勘探和采煤工作面地质预报外，还在水文地质、工程地质、城建地质和环境地质等众多领域大显身手。一．引言2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术无线电波透视法：是利用探测目标与周围介质之间的电性差异来研究、确定目标体位置、形态、大小及物性参数的一种井中物探方法。所用的频率属于高频频段，一般为一百千赫至几十兆赫。无线电波透视法研究的是辐射场，它可以在真空及各种介质中传播。无线电波透视法就是通过研究电磁波在钻孔或坑道间传播特性和被介质吸收的情况来寻找、圈定各种目标的。一．引言2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术通常情况下，煤层和顶底板岩石对高频电磁波的吸收作用是不同的。低电导率的岩石对电磁波能量吸收作用大,因而接收的信号(即场强)较弱，而高阻煤层吸收作用小，接收的信号强。断层破碎带、陷落柱等则会使电磁波产生反射、折射和吸收，属低电阻体(高电导率)。一．引言2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术二、无线电磁波透视法基本原理坑道无线电波透视法，又称坑透法。电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性（电阻率ρ和介电常数ε）的不同，它们对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，也造成能量的损耗，致使接收巷道中的电磁波信号十分微弱甚至接收不到透射信号，形成所谓的透射异常（又称阴影异常，见图1a、b）。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，这就是坑透法的基本原理。1、基本原理2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术图１电磁波透视法工作原理图二、无线电磁波透视法基本原理1、基本原理2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术说明：坑透仪接收机测得的是发射机所发射的电磁波在水平方向上电磁波的一个分量。当发射机发送的电磁波穿越电磁性质不同的介质时,就会造成电磁场强度的变化;因此分析电磁场强度的变化就可以预测工作面内介质的物性变化。二、无线电磁波透视法基本原理1、基本原理2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术在无限均匀、各向同性介质中,距电磁波辐射源距离r处的电磁场强度H为:H0----初始场强,它决定于发射机功率及周围介质;β——煤层对电磁波能量的吸收系数;r——测点到辐射源原点的距离;sinθ——方向因子,θ是天线轴线与观测方向的夹角。sin0eHH二、无线电磁波透视法基本原理1、基本原理2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术β是影响场强辐射的主要参数,场强是以e-βγ呈指数规律随r衰减的,β越大,场强衰减越快。1/1212式中ω——角频率;μ——导磁率;ε——介电常数;σ——导电率。当频率f=2πω不变时,β=f(ε、μ、σ),即β是ε、μ、σ的函数。当电磁波穿越不同电性的煤岩层时,μ差别不太大。所以ε、σ的改变会明显引起β与H值的变化。二、无线电磁波透视法基本原理1、基本原理2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术二、无线电磁波透视法基本原理2、资料处理无线电波透视资料的解释方法有综合曲线法和成析层像法，在各矿区主要采用综合曲线和层析成像技术相结合的方法进行处理解释。2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术将各接收点实测场强H值与相应的理论计算场强H0值(经条件试验取得计算场强值)进行对比,取得的数据称为衰减系数η,即η=H/H0或lgη=lgH-lgH0取接收点点位为横坐标,取H、H0和η的对数或算术值为纵坐标,将同一发射点对应接收点的实测场强H值,理论强场H0值和衰减系数η值按比例绘制成图,就得到关于H、H0、η值的3条曲线,称为综合曲线图。二、无线电磁波透视法基本原理2.1、综合曲线法2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术在均匀各向同性介质中,实测场强等于理论场强,即H=H0,η=1,lgη=0但是,由于煤层的非均一性,一般η值接近1(或0)而不等于1(或0)。当遇到η值远离1或0时,即出现负分贝值,说明在透视距离内,遇到了地质异常体,据η值的变化,并参考实测强场H和理论场强H0曲线,分析异常体的性质并对其进行解释。二、无线电磁波透视法基本原理2.1、综合曲线法2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术根据在η值曲线上显现的异常,可确定出异常体的边界点(或中心点),将边界点(或中心点)与对应的发射点相连,此线表示异常体的几何阴影范围(或中心点)。根据多条这样的连线交汇,就可圈定出异常体的大致轮廓。这种方法简便而直观,可以在现场快速作出初步推断。二、无线电磁波透视法基本原理2.1、综合曲线法2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术图2综合曲线图二、无线电磁波透视法基本原理2.1、综合曲线法2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术二、无线电磁波透视法基本原理2.2、层析成像法2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术二、无线电磁波透视法基本原理3、施工方法技术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β。透视工作时,把发射机框形天线与巷道垂直，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),环面与巷道垂直,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。2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术根据工作环境，无线电波透视法分为钻孔电磁波法和坑道电磁波法。前者按工作方式，又可分为单孔、双孔、三孔和地—井方式；后者又有同步法和定点法两种.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。关系到工作的成功与否。二、无线电磁波透视法基本原理3、施工方法技术2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术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。二、无线电磁波透视法基本原理3.1、同步法2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术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。二、无线电磁波透视法基本原理3.2、定点法2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术二、无线电磁波透视法基本原理3.2、定点法2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术二、无线电磁波透视法基本原理4、仪器设备WKT-E型无线电波透视仪实物图2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术二、无线电磁波透视法基本原理5、资料解释（1）正常场参数的估算（2）异常的划分（3）异常的定位（4）干扰的识别与消除2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术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。二、无线电磁波透视法基本原理5.1、正常场参数的估算2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术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。二、无线电磁波透视法基本原理5.2、异常的划分2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术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。二、无线电磁波透视法基本原理5.3、异常的定位2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术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。二、无线电磁波透视法基本原理5.4、干扰的识别与消除2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术3.1陷落柱探测三、应用实例分析2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术低阻陷落柱,其衰减系数与实测场强曲线呈漏斗形,或因透视距离关系呈半漏斗形或“V”字形。接近陷落柱时,η值开始减小,进入陷落柱中,η值降低至最小。实践中发现,进入陷落柱时,往往η011,煤与陷落柱的交界面在η曲线上反映出一个明显的拐点。3.1陷落柱探测三、应用实例分析2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术单支曲线2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术3.1陷落柱探测三、应用实例分析2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术3.2断层探测三、应用实例分析2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术断层在综合曲线上的反映一般是η小于1的低值异常,如果煤层在层理方向上电性变化不大,且正常场强确定比较准确,则lgη小于-5,即可能进入异常区。但是由于断层产状复杂,大小长短悬殊,落差随走向变化,发射点与断层之间的相互位置多变,所以断层反映在综合曲线上,衰减不如陷落柱显著,但情况却比陷落柱复杂。3.2断层探测三、应用实例分析2006.5中国矿业大学。地球探测与信息技术１）落差有变化的断层在综合曲线上的异常特征当电磁波穿越这种断层时,衰减增大,曲线变陡,出现“拐点”或“突变点”。这个特点往往是反映进入断层的重要依据。当断层落差变化不大时,电磁波穿越断层,曲线变