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。