水工環(huán)物探方法和其應(yīng)用--煤礦工作面無線電波透視技術(shù)

1、水工環(huán)物探方法和其應(yīng)用-煤礦工作面無線電波透視技術(shù)無線電波透視技術(shù)發(fā)展與展望煤層工作面內(nèi)探測技術(shù)世界各主要產(chǎn)煤國家所采用的探測技術(shù)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(jì)、直觀的特點(diǎn)受到了普遍的重視。礦井物探依其技術(shù)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(shí)踐證實(shí)，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(shù)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(gòu)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(shù)存在問題國內(nèi)外在此方向的基礎(chǔ)研究相對(duì)很少。近期發(fā)表的文獻(xiàn)多為工作面無線電波透視法應(yīng)用效果的分析與評(píng)價(jià)(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(jìn)展(Liu and Lane, 1998; 劉廣亮和于師建,2008)，但在實(shí)際探測中極

4、少推廣應(yīng)用；對(duì)于大面寬工作面（200米），常不能有效穿透;對(duì)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(shù)展望實(shí)踐證明:無線電波透視為當(dāng)前煤礦企業(yè)最快速、有效、經(jīng)濟(jì)的探測技術(shù),易于推廣；我國煤炭工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位，要求進(jìn)一步提高無線電波透視探測的精度、準(zhǔn)確性，為煤礦工作面的高效生產(chǎn)提供技術(shù)保障。無線電波透視技術(shù)發(fā)展： 坑透儀器：發(fā)射功率更大，透視距離更遠(yuǎn) 坑透原理： 進(jìn)一步研究無 線電波傳播原理及煤巖電磁波吸收原理； 進(jìn)一步研究坑透數(shù)據(jù)反演技術(shù)，提高坑透數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)異常的分辨能力。課題組研究進(jìn)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(dòng)強(qiáng)度大；改進(jìn)：采用“一

5、發(fā)雙收”、“雙發(fā)雙收”裝置進(jìn)行探測經(jīng)過實(shí)踐證明，解決了長退尺工作面的現(xiàn)場探測時(shí)間與工作強(qiáng)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(jī)和發(fā)射機(jī)。當(dāng)1巷發(fā)射機(jī)在某發(fā)射點(diǎn)發(fā)射信號(hào)時(shí)，2巷接收機(jī)接收信號(hào)；在1巷發(fā)射機(jī)換站時(shí)，2巷發(fā)射機(jī)在布置的發(fā)射點(diǎn)發(fā)射信號(hào)，1巷接收機(jī)接收信號(hào)；保持兩巷發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(shí)間，減少了坑透探測人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(qiáng)增量法接收總場強(qiáng)值和背景場強(qiáng)

6、值,進(jìn)行增量計(jì)算.資料處理軟件更新：長期以來，隨坑透儀配備的軟件對(duì)工作面測點(diǎn)、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(qiáng)、實(shí)現(xiàn)多種方式的數(shù)據(jù)反演；提出無線電波透視實(shí)測場強(qiáng)圖的解釋原理及處理方法，更加方便地利用實(shí)測場強(qiáng)值進(jìn)行構(gòu)造解釋。無線電波透視基本理論無線電波透視技術(shù)原理電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種巖、礦石電性的不同，它們對(duì)電磁波能量吸收不同，低阻巖層對(duì)電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波前進(jìn)方向遇到斷裂構(gòu)造所出現(xiàn)的界面時(shí)，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(gòu)造時(shí)，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(hào)或收不到透射信號(hào)，形成所謂的透視異常。研究采區(qū)煤層、各種構(gòu)造及地質(zhì)體對(duì)電磁波的影響所造成的各種無線電波透視異常，從而進(jìn)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(chǔ)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(duì)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(shí),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(shí)，巖石表現(xiàn)出高阻特點(diǎn)，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(gè)級(jí)次，當(dāng)頻率提高到107Hz以上時(shí)，電阻率明顯變化，降低近兩個(gè)級(jí)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(rèn)為巖石導(dǎo)電性不隨頻率而改變。但對(duì)于頻率超過106Hz的無線電波透視法，需考慮頻散特性對(duì)觀測結(jié)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(duì)交變電場呈現(xiàn)一定的阻抗，因此有效電導(dǎo)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(guān)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(jìn)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(yuǎn)區(qū)條件的相距l(xiāng)m的兩個(gè)觀測點(diǎn)其場強(qiáng)為定義為“奈培”。所以，的單位定為奈培/m。 由吸收系數(shù)表達(dá)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(dǎo)率 介電常數(shù) 電導(dǎo)率 3、介質(zhì)吸收系數(shù)與電磁參數(shù)及工作頻率的關(guān)系式（1）當(dāng)頻率f較低時(shí)，隨f的增加而增加，變化明顯；高頻情況下，值變化不明顯，達(dá)到某一極限值后趨于

10、飽和，且越大，其極限值越小。透視時(shí)，考慮大透視距離時(shí)，應(yīng)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(shí)，值主要決定于和f?？油妇鹿ぷ鞣椒o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(jìn)行，如在回風(fēng)巷布置發(fā)射點(diǎn)，向煤層中發(fā)射某一頻率的電磁波，在運(yùn)輸巷安置接收機(jī)觀測電磁場場強(qiáng)H信號(hào)，電磁波在煤層傳播中遇到介質(zhì)電性變化時(shí)，電磁波被吸收或屏蔽，接收信號(hào)顯著減弱

11、或收不到有效信號(hào)，如沿巷道多點(diǎn)觀測，形成所謂的透視異常。發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)可布置在回風(fēng)巷、運(yùn)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(diǎn)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(shí)等距離移動(dòng)，逐點(diǎn)發(fā)射和接收，較少采用。定點(diǎn)法 發(fā)射機(jī)相對(duì)固定于某巷道事先確定好的發(fā)射點(diǎn)位置上，接收機(jī)在相鄰巷道一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)沿巷道觀測場強(qiáng)值。又稱定點(diǎn)交匯法。一般發(fā)射點(diǎn)距5080米，接收點(diǎn)距10米。每一發(fā)射點(diǎn)，接收機(jī)可相應(yīng)觀測1121個(gè)點(diǎn)。 觀測基本步驟：（1）在觀測前，預(yù)先安排好觀測約定時(shí)間順序，列出時(shí)間表格，發(fā)射和接收各持一份；（2）觀測時(shí)，嚴(yán)格按時(shí)間表執(zhí)行，發(fā)射機(jī)天線應(yīng)平行巷道，懸掛

12、成多邊形，應(yīng)保持發(fā)射信號(hào)穩(wěn)定；（3）接收天線環(huán)面對(duì)準(zhǔn)發(fā)射機(jī)的方向，即觀測最大值方向。定點(diǎn)法示意圖井下坑透觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用定點(diǎn)法 發(fā)射機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)固定位置，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測其場強(qiáng)值，定點(diǎn)發(fā)射多點(diǎn)（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(diǎn)法觀測時(shí)，需要調(diào)換發(fā)射與接收巷道的重復(fù)定點(diǎn)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(diǎn)和接收點(diǎn)的布置設(shè)計(jì) 首先在透視工作面平面圖（1：1000或1：2000）上設(shè)計(jì)觀測系統(tǒng)，從巷道口起始，點(diǎn)號(hào)1、2標(biāo)到另一條巷道口為止，不得有漏號(hào)或重號(hào)。上下巷道點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)布置。采用定點(diǎn)法測量時(shí)，觀測點(diǎn)間距一般為10米，發(fā)射點(diǎn)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(gè)發(fā)射點(diǎn)可相應(yīng)觀測1121個(gè)點(diǎn)，呈扇形觀測網(wǎng)，每個(gè)接收點(diǎn)應(yīng)有2個(gè)或以上重復(fù)測量數(shù)值，這樣在整個(gè)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(diǎn)與接收點(diǎn)布置時(shí)需要注意下列問題： （1）發(fā)射點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)在沒有或少有人工導(dǎo)體（電纜、金屬管）的巷道中。 （2） 發(fā)射點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)在遠(yuǎn)離地質(zhì)異常帶。 （3） 井下實(shí)際布點(diǎn)時(shí)，起始點(diǎn)號(hào)應(yīng)與圖上相符合。點(diǎn)號(hào)一般用白粉筆（或油漆）標(biāo)在巷道支架立柱上，數(shù)字要清晰醒目，不可有重號(hào)或者漏號(hào)。觀測時(shí)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(jì)劃，預(yù)先安排好觀測點(diǎn)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(dāng)位置,確定現(xiàn)場觀測時(shí)間順序,再分頭工作.進(jìn)行實(shí)際工作時(shí)，要嚴(yán)格按表格安排的程序進(jìn)行測量。井下實(shí)際觀測 一般情況下，井下施工時(shí)共需工作人員46人，每臺(tái)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(jī)發(fā)射的頻率相對(duì)應(yīng)。）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(shí) ，各測點(diǎn)與發(fā)射機(jī)應(yīng)處在同一層位中尤其時(shí)厚煤層更要注意這一點(diǎn)。對(duì)坑透工作面周圍巷道的地質(zhì)情況，作詳細(xì)調(diào)查、記錄、并結(jié)合礦區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育特點(diǎn)，進(jìn)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(shí)際 。（2）人工導(dǎo)體干擾因素的排除方法 人工

15、導(dǎo)體干擾的排除，概括起來就是：遠(yuǎn)離電纜、導(dǎo)線、金屬管道、鐵軌等金屬導(dǎo)體，一切電動(dòng)設(shè)備停止供電。坑透最佳時(shí)間 工作面掘進(jìn)貫通之后，未安裝回采設(shè)備之前，借拆、裝設(shè)備的間隙時(shí)間，進(jìn)行坑透工作最為合理有利，坑透生產(chǎn)兩不誤。此時(shí)進(jìn)行坑透減少很多繁瑣的準(zhǔn)備工作和輔助工時(shí)，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(qiáng)對(duì)比法衰減系數(shù):將各接收點(diǎn)實(shí)測場強(qiáng)H與相應(yīng)的理論計(jì)算場強(qiáng)值H0(或經(jīng)條件試驗(yàn)取得的計(jì)算場強(qiáng)值)進(jìn)行對(duì)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(shí)測場強(qiáng)等于理論場強(qiáng)，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(dāng)遇到值遠(yuǎn)離l，(1，或1/2煤厚薄煤區(qū)實(shí)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