无线电波透视法及特点

1、现状与应用效果

预先探明采煤工作面内的地质构造以保证采煤，特别是是综采的顺利进行，是矿井地质工作的重要任务。但是随着采煤机械化程度的提高，要求在开矿前、开采中提前查清地质构造及其它地质异常的程度越来越高。因此，必须寻找新的手段，采用原有地质手段和方法已不能很好地解决小构造的探测问题。

将0.5*106~107H2的高频发射机置于钻孔或坑道中，由它发射的高频电磁波通过地下岩石介质向四周空间传播。如在传播过程中遇到具有不同电学性质的矿体时，电磁波的传播规律将大大改变。在不同电性介质的分界面上，电磁波能量将有一部分被反射回来，称为反射波。另一部分穿过界面，在矿体中穿行，称为透射波。若测量的是穿过矿体的那部分电磁波，并根据矿体与岩石吸收电磁波能量的差异来推断矿体的存在与否，称为无线电波透视法。坑道无线电波透视法的物理基础。

坑道无线电波透视法是一种地下电磁波法。电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性不同，它们对电磁波能量的吸收有一定差异，电阻率低的岩，矿石具有较大的吸收作用。另外，伴随断裂构造所出现的界面，能对电磁波产生折射，反射等作用，也会使电磁波能量衰减和损耗。因此，如果在发射机和接收机之间，电磁波穿越煤层的途径中，存在与煤层电性不同的地质体，如陷落柱、断层或地质构造，电磁波能量就会被其吸收或完全屏蔽，信号显著减弱，甚至接收不到，形成透视异常变换发射机与接收机的位置，测得同一异常的“阴影区”这些“阴影区”交会的地方，就是异常的位置。研究煤层、各种岩石及地质构造对电磁波传播的影响所造成的各种异常，从而进行地质推断解释，就是坑道无线电波透视法的物理基础。

2、特点与应用条件

坑道无线电波透视法的主要特点：

坑道无线电波透视法的局限性。

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法的特点将其适用条件简单归结为以下几个方面：

煤的变质程度

煤层厚度

煤层倾角

井下工作方法

准备工作

在下井进行无线电波透视工作以前，应了解坑透工作面中电缆，金属管道、电气设备等主要人工导体颁布以及巷道高度、支护材料、瓦斯浓度等情况，同时要了解工作面内已揭露的地质构造、水文地质等。

在地面准备好下井仪器。检查发射机和接收机的电源、电压是否符合要求。

井下观测

观测方法

同步法：

定点法

布点时需注意下列问题：

1、发射点应尽量设置在没有或少有人工导体（电缆、金属管）的巷道中。

2、发射点应尽量在远离构造的位置上。

3、出现差错或发现明显异常时，需要重测或补设发射点，观测点也可知当加密。

接收机、发射机环形天线直立，环面法线沿着巷道方向。当巷道内有电缆和金属管道时，应尽量远离导体观测站。

干扰因素

坑道透视中，电磁波在煤矿中的传播介质主要是煤层。由于煤层存在着各向异性和顺层方向的不均一性以及地质体，引起电磁波传播规律的变化，当它们超过一定限度后，便给坑道透视的资料解释带来困难，而成为干扰，这将影响深测效果。

煤层的各向异性

煤层的不均一性

地质体的二次场干扰

煤层顶底板层的二次场辐射

人工导体的干扰

金属支架

接地的铁轨

风管、水管

电缆及其它金属导线。

动力设备的干扰

其它因素的干扰

辐射源与人体的影响

干扰因素的排除

地质因素干扰的排除

为了避免煤层在层理方向上的不均匀性，在做条件试验时，应尽量选择地质条件简单，煤层和顶底板岩层比较稳定，巷道干扰因素比较少的地段进行，而且应多测几条曲线，以选取吸由系数的平均值。

测量时各测点应尽量设置在与发射点同一分层的位置上，尤其是在厚煤层中测量时更要注意这一点。

对测量的曲线进行分析对比，确定是地质异常区，还是因工作的差错或者地质因素干扰造成的曲线变化。

对巷道周围的地质情况作详细调查、记录，并结合矿区地质构造的发育特点，进行资料的综合分析以便测量资料的解释结果更符合实际。

人工导体干扰的排除

拆除人工导体。

远离金属导体

测量中合理安排测点，注意接收机天线环的位置

对于有绝缘外皮的导休若是多条，应尽可能使其平行排，并归拢一起，采用金属网分段覆盖屏蔽接地。

采用另外一些措施

偏离人工导体仍不能消除干扰，如果探测的工作比较规则，则可采用同步法测量。

在巷道掘进过程，边掘边探也有利于消除干扰措施的实施。

资料整理与解释

资料的整理归纳为二种方法

第一种是人工运算绘图的方法。

第二种是计算机绘图方法。

解释方法

坑道无线电波透视法资料解释的目的是根据探测工作面内的地质构造、地球物理特性及透视区段电磁参数的分布规律，发现并预测有意义的异常，进而确定已知构造的发育规律，未知构造的空间位置、范围和大小，以及他们之间的相互关系，提供相对的定性、定量解释结果。

主要的解释方法有场强对比法，平面交绘法，实测场强法和计算层折成像法。场强对比法是坑透法中基本，最主要的解释方法，而计算机层析成像法，则是近年来发展起来的新方法。

场强对比法

一般来说，场强的异常现象有以下三种：。

阴影异常：实测场强曲线的异常部分低于理论场强曲线，这是由于围岩或煤层的吸收系数小于构造体，所以异常的特征是阴影，场强值因异常体的屏蔽而小于正常场。

透明异常：实测场强曲线的异常部分高于理论场强曲线，形成这种异常有2个原因，一是煤层的吸收系数大于异常体，如有规律的火成岩侵入体等；二是透视范围内有规律的干扰场大于正常场。

干涉条纹：实测场强曲线相对于理论场强曲线，出现有规律的震荡现象，呈类似正弦波曲线的形式，但曲线比较尖、陡。这主要是由于层面反射波与直达波互相干扰引起的。

平面交绘法：交绘是根据观测到的异常，在确定异常的边界后，进一步圈定异常体范围大小的重要方法。他的优点是简便、直观。

平面交绘法的应用条件是需要具备2条以上的平行巷道，即穿透面可以视为平面。

实测场强法：将井下测得的场强值，逐点绘制在同一张直角坐标系中，连成实测场强曲线，横坐标为测点号，纵坐标为实测场强值（dB）。测点编号与比例尺大小应与工作面的平面图一致。

CT层析成像解释法：坑道无线电波透视的层析成像根据衰减系数分为2大类。通过测量场强值计算出被测区域内的衰减系数，这样取得的二维成像图称作绝对衰减层析成像；还有一类称作相对衰减层析成像。我们大多时候采用绝对衰减层析成像。

我们通过计算机处理，用绝对衰减法得到绝对衰减层析成像色块图。在复杂的地电条件下，计算机层析成像色块图效果明显，透视异常突出，醒目，异常体易于解释。

各种地质构造反映的异常特征

陷落柱异常曲线的特征

由于煤系底部可溶性岩体中岩溶空洞塌形成的落陷柱破坏了煤层的结构，使煤层缺失，而以大小不一，棱角分、棱角分、零乱的上覆岩层堆积物代之，使其和周围煤层的电性有明显差异，而且，陷落柱的形成往往伴随着邻近煤层的产状变化、裂隙发育、小断层增多，甚至大量充水等，这样的构造能够大量地吸收电磁波能量，反映在透视曲线上有明显特征。

电磁波遇到陷落柱，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或“V”字形。接近陷落柱昌，η值开始减小，进入陷落柱中，η降至最小，实践中发现，进入陷落柱状时往往η<0.1煤与陷落柱的交界面η曲线上反映出一个拐点。当发射机靠近陷落柱一侧透视时，就会出现大范围的阴影区，η曲线在低值区摆动，这是η曲线反映陷落柱的又一种形式。

断层异常曲线的特征

断层是普遍发育的一种地持构造。由于断层破坏了煤层的正常结构，它使煤层发生错

动与位移，在断层面附近煤层破碎、节理裂隙节育。而电磁波遇天各种规则或不规则的界面早就会发生折射、反射或散射等物理现象，比起正常煤层一般会对电磁波能量有更大的吸收，而断层带又常常充水，也会使断支，近电阻降低，吸收系数增大，如果断层的断距大于煤厚，则会使断层一盘的煤层完全与另一盘的煤层顶板或底板接触，而一般顶、底板岩性电阻率相对煤层而方为低阻。因此，当电磁波在穿越煤层的途径中有断层存在时，就会不同程度地被屏蔽，形成透视低值异常，只要发射点和接收点的布置适当，根据透视异常曲线的特征，综合分析资料，就可以利用无线电波透视法圈定工作面内的断层，确定某些断层相互关系。

断层在透视曲线上的反映一般是η<0的低值异常。如果煤层在沿层理主向的电性变化不大，而正常场确定比较正确，则η<-5dB即可进入异常区。但由于断层的产状复杂，大小、长短悬殊，而且落差随走变化，发射点，接收点与断层之间的相互位置关系多变，所以反映在透视曲线上，虽然衰减不如陷落柱那样显著，但情况却比较复杂。现初步分析，归纳如下。落差有变化断层的异常特征：当电磁波穿越断层时，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。但根据断层落差的不同变化，曲线将有以下三种情况：

1、发射与接收间电磁波穿越途径中，断层落差变化不大时，如图所示，接收按实线箭头方向进行，在单条巷道中进行透视，断层落差基本不变。电磁波穿越断层时，衰减增大，曲线变陡；而穿过断层后，场强又基本按正常煤层吸收系数衰减，η曲线在正常煤层中近于0dB ，过断层衰减一定数量后，又在某一值上下摆动。

2、发射与接收间电磁波穿越途径中，接收距离的增大与断层落差减小的方向一致时，接收按实线箭头方向进行，接收距离的增大与断层落差减小的方向一致。这时，可以看到穿过断层后η曲线会慢慢回升，脱离断层尖灭点后，η值将接近于0dB。

3、接收距离的增大与断层落差增大的方向一致时，接收按实线箭头方向进行，接收距离的增大与断层落差增大的方向一致。这时，穿过断层后η曲线上的负值将越来越远离0dB。

隐伏断层的异常特征：隐伏断层的存在常给煤矿造成严重影响，地质人员一般无法预料和推断，坑透探测隐伏断层有比较明显的效果。

1、相对于一个发射点而言，接收范围完全在断层的另一盘时，这时实测场强曲线低于理论场强曲线，而η值的大小则与断层的落差、性质有关。

2、落差较大，走向不长的隐伏断层，当隐伏断层（尤其是走向断层）走向不长，能在一个发射点所对应的接收范围内时，断层的实测场强曲线呈不规则的槽形。

当然，上面2种情况是比较典型的，图形也是比较理想化的，而实际情况却要复杂得多。

煤层厚度变化异常曲线的特征：煤层厚度的变化，无论是原生沉积不均匀，还是后生构造变动，均会使煤层结构、层理的均匀性和连续性遭到不同程度的破坏，而电磁波在穿越变化区时就会受到不同程度屏蔽和衰减。

煤层变化异常曲线的特征：1、煤厚变化不太大（当然也不是微小的变化），而影响范围较大或呈条带状时，在透视综合曲线上的异常与断层相似；2、而当煤层完全或接近完全被冲刷、但影响范围较小时，其异常曲线与陷落柱相似。

褶曲线引起的曲线异常特征：工作面内存在小褶曲构造时，在透视综合曲线上亦有明显的反映。若发射与接收处在褶曲轴部的两侧，则η曲线会出现类似陷落柱异常曲线的特征，η值的变化较大。

火成岩异常曲线的特征：由于火成岩与煤层的电性差异较大，用无线电波透视法探测工作面

内的火成岩体，从理论上讲是可能的。但由于煤层中的火成岩体种类多，产状复杂，电性变化大，反映在透视曲线上的变化也大，既有可能出现低值异常，又有可能出现高值异常，给资料的分析解释带来一定困难。因此，用坑透法探测火成岩，其规律性尚有待在今后的实践中逐步加深认识。

需要进一步探讨的问题

定性问题：目前的坑道无线电波透视，是根据测量磁场水平分量的极大值这一参数来判断异常的。虽然对于造成电磁场变化的各种地质构造，都能反映出异常，有的构造（如陷落柱）透视异常曲线特征明显，而有些构造在某些条件下，异常曲线较难分辨。因此，在定性方面，如何确切地分辨地质构造的异常性质，则需进一步地根据透视异常曲线，结合矿区构造发育的特点，综合分析，找出规律。

定量问题：在定量方面，对于断层的大小（落差、断层带破坏程度），目前还只能根据异常衰减系数的大小相对估计，而一条落差大的断层和与其相当的一组落差较小的断层，在曲线上可能造成同样的结果；在一些情况下，对于长的平行于顺槽的断层，虽然可以测定其尖灭点的位置，但中间的上下弯曲的确切位置还难以确定；相隔很近的平行断层，也不易确切地分别查清。而对于断层产状的某些要素，如断层性质、倾向、倾角等，目前尚无法测知。

进入异常区的η值问题：η值的问题是定量问题的另一个方面。前面谈到，进入陷落柱，一般η<-20 dB；而η<-5dB，则可能是进入断层异常区。这里的条件是，煤层在沿层理方向上的电性变化不大，即煤层各处的吸收系数变化不大。如果煤层横向上由于岩性的变化造成电性变化比较大，就会给解释工作造成困难，可能将这种变化误判为构造变化。因此，这时必须考虑煤（岩）层的非均匀性的影响。这就需要加强介质电性参数的研究，开展非均匀介质的模拟实验。

探测实例与效果

陷落柱的探测

由于陷落柱和煤层接触的界限比较明显，而且和煤层的电性差异大，所以利用列线电波透视法，不但可以区分正常和异常区，而且可以比较准确地确定工作面内陷落柱的位置，开关和大小，从大小尺寸来看，曾经探测到的陷落柱最小直径约15m，没有发现过再小的陷落柱。当然实践中，情况是多变的，有的陷落柱，其实测场强度虽有衰减，但不明显η值也远达不到-20dB，有的明显是陷落柱的异常特征，但实际是黄铁矿结结核。因此，在实践中必须注意可能出现的特殊情况。

断层的探测

用坑透法测定巷道中揭露断层的延伸方向和尖灭点的大致位置。

坑透法预测某些断层的相互关系。

探测工作面内的隐伏断层

其它地质构造的探测