无线电波透视技术总结

无线电波透视（坑透）技术总结研究意义：1、本课题研究意义是熟悉复杂地质条件下电磁波在煤层中传播、反射和吸收的规律；对无线电波透视技术的现场观测系统进行改进，实现“一发双收”，从而更省时省力的勘探煤矿综采工作面；编写快速处理无线电波透视数据的软件系统，提高对煤矿综采工作面内各种地质条件的勘探和预报的准确率，努力为煤矿高产高效安全生产提供技术服务。2、煤层地质构造(小断层、陷落柱等)的分布预测有助于机械化采煤设计及地质灾害预防,在开采前探明工作面内隐藏地质构造具有重要意义。无线电波坑道透视法(坑透法)是常用的工作面地质构造探测方法之一，主要基于射线理论电磁波传播原理，采用联合代数迭代重建法(SIRT)对介质的电磁衰减系数进行层析像，从而推断煤层内的异常地质构造。概念：1、无线电磁波坑透技术(坑透法)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物探方法。2、坑道无线电波透视法是通过研究透射电磁波传播过程中的衰减系数异常(煤层、各种岩石及地质构造对电磁波吸收能力不同)来进行地质解释的一种方法。该方法原理简单，仪器轻便易操作，探测距离远，可探测采煤工作面内隐伏地质构造以及煤层厚度变化等，在煤矿地质灾害防治领域应用广泛。总结：无线电磁波坑透技术(坑透法)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物探方法。该方法原理简单，仪器轻便易操作，探测距离远，可探测采煤工作面内隐伏地质构造以及煤层厚度变化等，在煤矿地质灾害防治领域应用广泛。地球物理基础：1、电磁波在煤、岩层中传播时,其强度、相位大小直接与煤、岩电阻率、介电常数、和磁导率等电磁参数有关。在煤矿井下巷道间进行透视时,电磁波传播限制在层状介质中,层状煤层与顶底板岩层电阻率差异较大,所以电磁波顺煤层方向传播,在垂直方向上传播距离很小,煤层顶底板实际上起着屏蔽作用。这就是无线电波透视技术的地球物理物理基础。2、在井下煤、岩层中电磁波的传播，其强度、相位大小直接与煤、岩电阻率ρ、介电常数ε和磁导率μ等电磁参数有关。大量的现场实验和实验室煤、岩样测定结果表明，矿区各煤层与项底板都有明显的电磁性质的差异，这就是采用无线电波透视的地质地球物理基础。总结：电磁波在煤、岩层中的传播，其强度、相位大小直接与煤、岩电阻率ρ、介电常数ε和磁导率μ等电磁参数有关。煤矿井下巷道间，电磁波的传播在层状介质中受到限制，其传播方向沿顺煤层方向进行，在垂直方向上传播距离很小，矿区各煤层与顶底板岩层电阻率差异较大，因此煤层顶底板实际上起着屏蔽作用。这就是无线电波透视技术地质地球物理基础。煤的电磁参数：煤的变质程度对其电阻率有决定性的影响。在成煤过程中，随着炭化作用的进行，煤的变质程度增高。煤的含炭量逐渐增多，挥发物减少。煤的电阻率也相应的减小。另外，煤与其它岩层一样其电阻率与湿度的关系密切，煤层及其顶底板岩层中部分含有一定的水分。水溶解了煤和顶底板岩石的矿物质。呈一种带极性分子的溶液存在于煤层及岩层空隙中，为离子导电物质，因此对电阻率影响很大。水分越高，湿度越大，则电阻率变小，电磁能量的衰减增大。正因如此，井下利用无线电波透视可成功地探测含水破碎带及断层裂隙带等地质问题。原理：1、无线电波坑道透视技术是一种井下电磁波法。电磁波在地下煤岩层中传播时，各种岩、矿石电性（电阻率，介电常数等）不同，对电磁波的能量吸收存在一定差异，电阻率低的岩、矿石具有较强的吸收能力。伴随着陷落、断裂等构造出现的界面，能对电磁波产生折射、反射、散射等作用，也会使电磁波能量衰减和损耗。因此，如果将透视仪的发射机和接收机分别放在采煤工作面的两条顺槽中，让发射机发出的电磁波穿越工作面达到接收机，电磁波在穿越煤层的途径中，当存在与煤层电性不同的地质体（如陷落柱、断层、冲刷区等其他地质构造）时，电磁波能量就会被其部分吸收或完全屏蔽，造成信号明显减弱，甚至接收不到，形成透视异常区。变换发射机与接收机的位置，重复测得同一异常区的阴影区，这些“阴影区”交汇的地方，就是异常的具体位置，然后根据异常的强弱、形态等特征来确定其地质构造。2、无线电波坑透探测(CT)技术是利用电磁波在地下岩层中传播时，各种岩、矿石电性的不同，从而导致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或陷落柱、侵入体等地质异常时，一方面电磁波在其界面上产生反射和折射，造成能量的消耗;另一方面，当断层落差较大时，电磁波传播路径将穿过一部分岩石，而岩石的电阻率比煤层的电阻率低得多，造成能量损耗；因此在井下，电磁波穿过煤层途中遇到断层，陷落柱或者其他构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷收到微弱信号或收不到投射信号，形成所谓的透视异常。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。3、坑透法是以无线电磁波发射为基础，据电磁波传播理论，电磁波在均匀介质中的辐射场强随距离呈一定规律变化。4、无线电渡透视法(也称为坑透法)是向地下地质体发射高频无线电波，通过观测电磁波在传播过程中场强的衰减情况，以确定地质异常体的位置和形态的一种勘探方法。坑透法在两条巷道(回风巷和运输巷)之间进行，接收透过被探测地质体的电磁渡信号，当电磁渡在穿过煤层途中遇到地质异常区(特别是含水构造)时，在相应的接收点处能观测到无线电渡场强的明显衰减，通过改变发射点或接收点位置多次观测，即可确定地质异常体的位置和形态。坑透法在我国矿井中使用较多，对解决工作面内断层、陷落柱、含水裂腺、煤层变薄区或其它构造等起到很好的作用。工作面无线电波坑道透视是用来探测顺煤层两煤巷、两钻孔或煤巷与钻孔之问的各种地质构造异常体。发射机与接收机分别位于不同巷道或钻孔中，同时做等距离移动，逐点发射和接收。或发射机在一定时间内相对固定位置，接收机在一定范围内逐点观测其场强值。5、无线电波在煤(岩)层中传播时，由于各种煤(岩)层电性的不同，它们对电磁波能量的吸收不同。当无线电波在前进方向上遇到地质构造界面时，将在界面上产生反射和折射作用，造成能量的损耗，波能将被吸收或完全屏蔽，则在接收地点收到微弱信号或收不到透射信号，形成透视异常区，即为所要探测异常体的位置和范围［1］。6、无线电波透视法本质上属于投影重建图像技术,根据在工作面(一般是煤层外部的测量数据(在这里为电场强度),通过一定的物理和数学关系(Radon变换与其逆变换)反演内部介质的分布情况,并由计算机进行层析成像[5]。该方法的物理基础是煤层内部电性存在差异,这种差异主要体现在对电磁波的吸收作用上,差异越大,反演解释效果越好。电磁波传播过程中,穿过的介质会不断地吸收波的能量,造成衰减,而电阻率低的岩矿石比电阻率高的岩矿石具有更强的吸收能力[6]。当电磁波在前进方向上遇到断层等地质构造时,会在该界面上产生反射、折射和绕射作用,这同样造成能量的损耗,在计算机重建的图像上,形成明显的阴影异常(如图1-1)。无线电波透视法就是通过研究地下不同介质和地质构造对电磁波传播的影响,来寻找和确定工作面内存在的各种地质构造异常的。无线电波透视法是利用地下介质之间的电性差异来判断目标体位置、形态、大小及物性参数的一种井中物探方法。实际工作中,在工区巷道两端,一端激发电磁波,另一端接收,电磁波穿透目标层,利用各处介质的电磁性质(电导率、磁导率、介电常数)的较大差异,测量固定频率的电磁波的电场(或磁场)振幅分量。电磁波传播路径上衰减系数的变化,造成电磁场强度的变化;反之,通过场强数据,就可以推测测区介质的物性变化[4]。第一个过程(求电磁场强度的变化)称为正演,第二个过程(反推测区介质的物性)称为反演。总结：电磁波在地下煤岩层中传播时，各种岩、矿石电性（电阻率，介电常数等）不同，低阻岩、矿石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或陷落柱、侵入体等地质异常时，一方面电磁波在其界面上产生反射、折射和绕射，造成能量的消耗;另一方面，当断层落差较大时，电磁波传播路径将穿过一部分岩石，而岩石的电阻率比煤层的电阻率低得多，造成能量损耗；因此，如果将透视仪的发射机和接收机分别放在采煤工作面的两条顺槽中，让发射机发出的电磁波穿越工作面达到接收机，电磁波在穿越煤层的途径中，当存在与煤层电性不同的地质体（如陷落柱、断层、冲刷区等其他地质构造）时，电磁波能量就会被其部分吸收或完全屏蔽，造成信号明显减弱，甚至接收不到，在计算机重建的图像上形成透视异常区。变换发射机与接收机的位置，重复测得同一异常区的阴影区，这些“阴影区”交汇的地方，就是异常的具体位置，然后根据异常的强弱、形态等特征来确定其地质构造。解释方法：综合曲线法：将各接收点实测场强H值与相应的理论计算场强H0进行对比，取得的数据称为衰减系数η，即η=H/H0以接收点为横坐标，H、H0和η为纵坐标，将同一发射点对应接收点的实测场强H、理论场强H0和衰减系数η按比例绘制成图，就得到3条曲线，称为综合曲线图（见图2）。图中三条参数曲线相互关联，缺一不可。理论场强曲线在综合曲线中是一条标准线，而理论场强的正确性又取决于吸收系数和理论场强值，它们取得越接近实际，就越能真实地反映异常。对煤系來说，由于成煤环境的差异，可能造成煤层的不均匀性。如煤变质程度区域性变化、煤厚变化、煤物理状态变化等，上述种种变化也将引起煤、岩层的电性变化，造成岩石的各向异性。为了确定正常场，要尽可能根据不同地段，分别求吸收系数值和正常场。根据参数值在曲线上显现的异常，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，此线就表示导电体的几何阴影范围。根据多条连线交汇，就可圈定出异常体的轮廓，得到交绘平面图（见图3）无线电波透视曲线交会法解释示意图层析成像法：目前，无线电波层析成像技术主要分为绝对衰减层析成像、相对衰减层析成像、平均法、中值法和评分法。这些方法都是基于场强的衰减，即介质对电磁波衰减系数的差异进行反演成像。绝对衰减层析成像和相对衰减层析成像原理相同，都是将成像区域网格化，计算各网格点的场强衰减值，然后利用ART、SIRT算法进行反演成像，便可得到吸收系数等值线图或色谱图（矿井无线电波透视资料处理技术研究进展2013年第38卷第一期，能源技术与管理）。工作面电磁波透视法采用偶极子天线发射，在介质中某点磁场强度表达式为式中H——介质中某点的实测场强；H0——决定发射功率和周围介质的初始辐射场强；sinθ——方向性因子，一般可认为等于1。把坑透工作面划分成有不同吸收系数的有限个小单元（像元）（见图4），每一个小单元内可视为介质均匀。假设电磁波的第i个传播路径为ri，则它可以表示为有限个小单元的距离之和对没有射线穿过的小单元，可视dij=0，于是公式变成两端取对数，可得公式（3）若在多个发射点上对场强分别进行多重观测，便可变形为矩阵方程[D]·[X]=[Y]式中[D]——系数矩阵；[X]——未知数矩阵；[Y]——已知数矩阵，即实测值。利用SIRT算法，计算矩阵方程可以反演各像元吸收系数值，从而实现工作面成像区内吸收系统反演成像。利用反演计算结果可以绘制成像区吸收系数等值线图和色谱图。绝对层析成像对构造的横向定位比较准确，但在纵向上有将构造“矿大”的趋势；相对层析成像在横向上有将构造“缩小”的趋势，易造成真实构造的缺失。层析成像（局限性）：目前，煤矿常规无线电波是单频电磁波,其工作频率范围约为几百千赫兹到几兆赫兹，电磁波模拟和处理的物理原理基于射线理论，层析方法采用联合代数迭代重建法(SIRT)。因采用的频率范围内的电磁波波长较大，用射线理论近似可能存在局限性,且SIRT层析方法要求足够角度的观测范围和密度，但受矿井观测方式及信号信噪比的限制，其电磁波“发-收”角度有限,且密度较小，不能满足SIRT方法的观测要求,导致层析反演结果的准确性和分辨率降低。解释原则：坑道无线电磁波透视CT解释主要依据吸收衰减系数成像结果来进行解释，不同的地质条件和不同的地质现象所引起的电磁波衰减特征不同。一般来说，正常煤层对电