1、水工環(huán)物探方法和其應用-煤礦工作面無線電波透視技術無線電波透視技術發(fā)展與展望煤層工作面內(nèi)探測技術世界各主要產(chǎn)煤國家所采用的探測技術手段主要有3種：礦井物探、鉆探和巷探。礦井物探法具有快速、經(jīng)濟、直觀的特點受到了普遍的重視。礦井物探依其技術原理的不同，可分三大類：礦井地震法、礦井電磁法、其他地球物理方法(韓德品,等,2009; 于景邨,等,2007)。經(jīng)大量研究與實踐證實，適合于煤礦工作面條件下地質(zhì)異常探測的物探方法主要包括：(1)礦井地震法，主要為工作面地震槽波透視法和地震波縱橫波透視CT法(劉天放和李志聃,1993;劉盛東和李承華,2000;彭蘇萍,等, 2002, 2008;張平松,等,2

2、004, 2006)； (2)礦井電磁法，主要為工作面音頻電穿透法(李冬林,等, 2005; 李振峰,等, 2005)、礦井直流電法(程久龍,等,2008;劉盛東,等,2009;劉樹才,等,2009; 施龍青,等,2008; 吳榮新,等,2009, 2010c)、礦井瞬變電磁法(劉志新等,2006;于景邨,等,2007)、無線電波(坑道)透視法等(程久龍,等,1999;董守華和王琦,2003;高一峰,2007; 劉天放和李志聃,1993;寧書年,等,2001;湯友誼,等,2002;吳榮新,等, 2010a, 2010b)。 無線電波透視技術優(yōu)勢無線電波透視因儀器輕便、資料采集方便迅速、所需人員

3、較少、透視距離較大、探測效果較為顯著，已成為綜采工作面有效的物探方法之一，為目前國內(nèi)外工作面內(nèi)地質(zhì)構造探查最普遍采用的物探手段(于景邨,等,2007;高一峰,2007; 韓德品,等,2009)。 無線電波透視技術存在問題國內(nèi)外在此方向的基礎研究相對很少。近期發(fā)表的文獻多為工作面無線電波透視法應用效果的分析與評價(董守華和王琦,2003;高一峰,2007;寧書年,等,2001;湯友誼,等,2002;吳榮新,等,2001; 于景邨,等,2007; 王均雙,等,2008)質(zhì)心頻移法層析成像法盡管在數(shù)值模擬上有所進展(Liu and Lane, 1998; 劉廣亮和于師建,2008)，但在實際探測中極

4、少推廣應用；對于大面寬工作面（200米），常不能有效穿透;對于近走向展布斷層 及薄煤區(qū),空間分辨力差.無線電波透視技術展望實踐證明:無線電波透視為當前煤礦企業(yè)最快速、有效、經(jīng)濟的探測技術,易于推廣；我國煤炭工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位，要求進一步提高無線電波透視探測的精度、準確性，為煤礦工作面的高效生產(chǎn)提供技術保障。無線電波透視技術發(fā)展： 坑透儀器：發(fā)射功率更大，透視距離更遠 坑透原理： 進一步研究無 線電波傳播原理及煤巖電磁波吸收原理； 進一步研究坑透數(shù)據(jù)反演技術，提高坑透數(shù)據(jù)對地質(zhì)異常的分辨能力。課題組研究進展觀測方式：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集為“一發(fā)一收”，工作效率較低，物探人員勞動強度大；改進：采用“一

5、發(fā)雙收”、“雙發(fā)雙收”裝置進行探測經(jīng)過實踐證明，解決了長退尺工作面的現(xiàn)場探測時間與工作強度問題，取得了較好的效果(吳榮新,等,2010; 肖玉林,等,2010)。 坑透現(xiàn)場工作布置(a).一發(fā)一收;(b) 一發(fā)雙收示意圖雙發(fā)雙收：在工作面兩條巷道均布置一套完整的接收機和發(fā)射機。當1巷發(fā)射機在某發(fā)射點發(fā)射信號時，2巷接收機接收信號；在1巷發(fā)射機換站時，2巷發(fā)射機在布置的發(fā)射點發(fā)射信號，1巷接收機接收信號；保持兩巷發(fā)射機和接收機不間斷輪流發(fā)射接收。該方法有效縮短了坑透現(xiàn)場探測時間，減少了坑透探測人員的勞動強度；但該方法人員及儀器成本增加一倍，需2套坑透儀，8人操作。場強增量法接收總場強值和背景場強

6、值,進行增量計算.資料處理軟件更新：長期以來，隨坑透儀配備的軟件對工作面測點、工作方式的布置要求較為苛刻，靈活性差；現(xiàn)開發(fā)出新的ECT電磁波處理系統(tǒng)，功能更強、實現(xiàn)多種方式的數(shù)據(jù)反演；提出無線電波透視實測場強圖的解釋原理及處理方法，更加方便地利用實測場強值進行構造解釋。無線電波透視基本理論無線電波透視技術原理電磁波在地下巖層中傳播時，由于各種巖、礦石電性的不同，它們對電磁波能量吸收不同，低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用，當波前進方向遇到斷裂構造所出現(xiàn)的界面時，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，也造成能量的損耗。因此，在礦井下，電磁波穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其它構造時，波能量被吸收或完

7、全被屏蔽，則在接收巷道收到微弱信號或收不到透射信號，形成所謂的透視異常。研究采區(qū)煤層、各種構造及地質(zhì)體對電磁波的影響所造成的各種無線電波透視異常，從而進行地質(zhì)推斷和解釋。無線電波透視法的地質(zhì)地球物理基礎一、巖礦石電磁參數(shù)與頻散特性1、電阻率是決定電磁波在井下吸收介質(zhì)中傳播特性的主要參數(shù)。2、介電常數(shù)僅在高頻和高阻地層中才明顯對電磁場產(chǎn)生影響。電介質(zhì)的介電常數(shù)是指電容器極板間充滿電介質(zhì)時,電容增大的倍數(shù)，是表征介質(zhì)在外電場作用下極化程度的物理量。3、頻散現(xiàn)象：指巖、礦石電磁參數(shù)隨頻率的變化而變化。（1）低頻時，巖石表現(xiàn)出高阻特點，但隨頻率變化并不明顯；（2）在高頻段（f=105106Hz），電阻

8、率下降一個級次，當頻率提高到107Hz以上時，電阻率明顯變化，降低近兩個級次以上。（3）巖礦石介電常數(shù)r隨頻率的升高而減小。（4）、在f103Hz及電阻率小于105m的范圍內(nèi)，可忽略位移電流作用，可認為巖石導電性不隨頻率而改變。但對于頻率超過106Hz的無線電波透視法，需考慮頻散特性對觀測結果的影響。（5）引起頻散現(xiàn)象的原因：介質(zhì)極化的滯后現(xiàn)象；巖礦石由多種物質(zhì)成分組成，在交變電磁場作用下，介質(zhì)不同組合對交變電場呈現(xiàn)一定的阻抗，因此有效電導率和有效介電常數(shù)必然隨頻率不同而變化。巖石電阻率隨頻率的變化1-斑狀石灰?guī)r；2-粒狀大理巖；3-大理巖 巖、礦石的介電常數(shù)隨頻率的變化1-堿性花崗巖；2-白

9、云母斑狀花崗巖；3-花崗巖；4-白云母花崗巖；5-石英二、吸收系數(shù)與電磁參數(shù)的關系1、無線電波透視法基本公式-介質(zhì)吸收系數(shù)，奈培/m 基本波函數(shù)，表示向距離增大方向前進的正向行波，或稱空間變化部分 電磁波隨距離衰減示意圖（A波振幅） 2、介質(zhì)吸收系數(shù)在均勻無限介質(zhì)中，在偶極子的中垂線上選符合遠區(qū)條件的相距l(xiāng)m的兩個觀測點其場強為定義為“奈培”。所以，的單位定為奈培/m。 由吸收系數(shù)表達式可以看出，是下面介質(zhì)電磁參數(shù)工作頻率的函數(shù)，磁導率 介電常數(shù) 電導率 3、介質(zhì)吸收系數(shù)與電磁參數(shù)及工作頻率的關系式（1）當頻率f較低時，隨f的增加而增加，變化明顯；高頻情況下，值變化不明顯，達到某一極限值后趨于

10、飽和，且越大，其極限值越小。透視時，考慮大透視距離時，應選用較低工作頻率；為提高分辨能力，則選用高頻更適宜。（2）、介質(zhì)電阻率較低時，值主要決定于和f。坑透井下工作方法無線電波坑道透視儀WKT-6 型無線電波坑道透視儀 ，河北廊坊物化探所產(chǎn);工作頻率：， WKT-E型無線電波坑道透視儀，重慶煤科院產(chǎn);工作頻率：， ， YDT88型無線電波坑道透視儀，福州華虹產(chǎn).工作頻率：， ， ， 。 坑透觀測系統(tǒng) 井下坑透法一般在兩巷道間進行，如在回風巷布置發(fā)射點，向煤層中發(fā)射某一頻率的電磁波，在運輸巷安置接收機觀測電磁場場強H信號，電磁波在煤層傳播中遇到介質(zhì)電性變化時，電磁波被吸收或屏蔽，接收信號顯著減弱

11、或收不到有效信號，如沿巷道多點觀測，形成所謂的透視異常。發(fā)射點和接收點可布置在回風巷、運輸巷等易于通行和干擾小的地段。 井下觀測方法有同步法和定點法兩種方式。同步法 發(fā)射天線和接收天線分別位于不同巷道中，同時等距離移動，逐點發(fā)射和接收，較少采用。定點法 發(fā)射機相對固定于某巷道事先確定好的發(fā)射點位置上，接收機在相鄰巷道一定范圍內(nèi)逐點沿巷道觀測場強值。又稱定點交匯法。一般發(fā)射點距5080米，接收點距10米。每一發(fā)射點，接收機可相應觀測1121個點。 觀測基本步驟：（1）在觀測前，預先安排好觀測約定時間順序，列出時間表格，發(fā)射和接收各持一份；（2）觀測時，嚴格按時間表執(zhí)行，發(fā)射機天線應平行巷道，懸掛

12、成多邊形，應保持發(fā)射信號穩(wěn)定；（3）接收天線環(huán)面對準發(fā)射機的方向，即觀測最大值方向。定點法示意圖井下坑透觀測系統(tǒng)設計采用定點法 發(fā)射機在一定時間內(nèi)相對固定位置，接收機在一定范圍內(nèi)逐點觀測其場強值，定點發(fā)射多點（扇形）接收。這種方法速度快、效率高、易于協(xié)調(diào)工作。在采用定點法觀測時，需要調(diào)換發(fā)射與接收巷道的重復定點觀測方法，用以交匯，確定透視異常的所在位置和范圍。發(fā)射點和接收點的布置設計 首先在透視工作面平面圖（1：1000或1：2000）上設計觀測系統(tǒng)，從巷道口起始，點號1、2標到另一條巷道口為止，不得有漏號或重號。上下巷道點號對應布置。采用定點法測量時，觀測點間距一般為10米，發(fā)射點間距一般為

13、50-80米，也可以根據(jù)需要加密或者加大距離。每個發(fā)射點可相應觀測1121個點，呈扇形觀測網(wǎng)，每個接收點應有2個或以上重復測量數(shù)值，這樣在整個透視平面上，射線分布越密、平面覆蓋的次數(shù)越多，越有利于交匯異常區(qū)。 發(fā)射點與接收點布置時需要注意下列問題： （1）發(fā)射點應盡量設在沒有或少有人工導體（電纜、金屬管）的巷道中。 （2） 發(fā)射點應盡量設在遠離地質(zhì)異常帶。 （3） 井下實際布點時，起始點號應與圖上相符合。點號一般用白粉筆（或油漆）標在巷道支架立柱上，數(shù)字要清晰醒目，不可有重號或者漏號。觀測時間及觀測順序的確定 在下井之前需要將全部坑透工作做好計劃，預先安排好觀測點順序，并列成表格，一式兩份，收

14、發(fā)各執(zhí)一份。在井下工作面適當位置,確定現(xiàn)場觀測時間順序,再分頭工作.進行實際工作時，要嚴格按表格安排的程序進行測量。井下實際觀測 一般情況下，井下施工時共需工作人員46人，每臺儀器操作員1人，記錄員1人。 （注意：要分清高、低頻天線，大圈為低頻，小圈為高頻，并保證與發(fā)射機發(fā)射的頻率相對應。）坑透干擾因素的排除（1）地質(zhì)因素干擾的排除方法 測量時 ，各測點與發(fā)射機應處在同一層位中尤其時厚煤層更要注意這一點。對坑透工作面周圍巷道的地質(zhì)情況，作詳細調(diào)查、記錄、并結合礦區(qū)主要地質(zhì)構造的發(fā)育特點，進行資料綜合分析判斷，剔除干擾因素，以利測量資料的解釋更加符合實際 。（2）人工導體干擾因素的排除方法 人工

15、導體干擾的排除，概括起來就是：遠離電纜、導線、金屬管道、鐵軌等金屬導體，一切電動設備停止供電。坑透最佳時間 工作面掘進貫通之后，未安裝回采設備之前，借拆、裝設備的間隙時間，進行坑透工作最為合理有利，坑透生產(chǎn)兩不誤。此時進行坑透減少很多繁瑣的準備工作和輔助工時，并使坑透工作有良好的環(huán)境，取得較好的效果。4.4 資料整理與解釋一、數(shù)據(jù)整理與圖示1、場強對比法衰減系數(shù):將各接收點實測場強H與相應的理論計算場強值H0(或經(jīng)條件試驗取得的計算場強值)進行對比。 =H/H0或 =H H0通常用圖示方法來描述沿觀測巷道或在透射范圍內(nèi)場的變化規(guī)律。在均勻各向同性介質(zhì)中，實測場強等于理論場強，所以=1(或0dB)。由于煤層的非均一性和觀測誤差，一般值接近于l，而不等于1(或0)。當遇到值遠離l，(1，或1/2煤厚薄煤區(qū)實測曲線模式 異常程度H1/2煤厚薄煤區(qū)綜合曲線模式 低透視性工