3.4坑透.doc

PAGE  PAGE 8 §3.4 矿井无线电波透视CT成像技术 坑道无线电波透视法（又称坑透法）是较早用于查明工作面内部的地质构造的物探方法。随着采煤机械化程度的提高，要求在开采前查清工作面内隐伏构造及其它影响正常开采的不良地质体的程度越来越高，在这方面坑道无线电波透视法发挥了极其重要的作用。经过20多年的发展，特别是CT成像技术的应用，使得坑透技术探测工作面内小构造异常的能力大幅度提高，将坑透结果用于水文地质的综合分析，在煤矿防治水工作中的作用也逐步提高。 3.4.1 基本原理 电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性（电阻率和介电常数）的不同，它们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所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，造成能量的损耗。因此在矿井地质条件下，如果发射源发射的电磁波在穿过煤层途中遇到断层、陷落柱、含水裂隙、煤层变薄区或其它构造时，波能量将被吸收或完全屏蔽，则在接收巷道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（如图3-4-1）。 （a）矿井巷道工作布置图 （b）衰减曲线剖面图 图3-4-1 电磁波透视法工作原理图 目前的坑透仪器，只测某个固定频率的透射电磁波的磁场振幅分量。在电磁波射线路径上介质电磁性质的变化和波阻抗的变化，造成电磁场强度的变化；反之，分析电磁场强度的变化，就可以预测测区介质的物性变化。 煤层中传播的电磁波在介质中任意点的磁场表达式可表示为 （3-4-1） 式中 — 介质中某点的实测场强； — 决定发射功率和周围介质的初始辐射场强； — 发射机与接收机之间的直线距离； — 决定于工作频率、介质电阻率、介电常数等参数的介质吸收系数； — 发射天线轴与观测点方向间的夹角。 显然，值随和而变化，其中射线路径上值的变化，是使值发生异常变化的关键因素。 （3-4-2） 由式（3-4-2）可知，在一定频率（）时，值是煤或岩石的介电常数，导磁率，电导率的函数。由于煤层与顶底板岩石介电常数有较大差异，而导磁率产变化很小，所以在电磁波射线路径上出现煤层与岩层的交替时，就发生与值的明显变化。又由于煤层相对于顶底板岩层是一种波导介质，当它厚度发生变化时（如煤层变薄），其波阻抗就发生变化，也造成与值的变化。 3.3.2 工作方法 1）准备工作 在下井进行无线电波透视工作以前，应了解坑透工作面具体的工作环境，如电缆、金属管道、电气设备等主要人工导体的分布以及煤层顶底板岩性、煤质、工作面宽度、巷道高度、支护材料、瓦斯浓度、温度等情况，同时要了解工作面内已揭露的地质构造、水文地质条件等因素。在此基础上，可以确定工作频率，布置坑透测点，制定工作顺序和井下工作时间表。 2）观测方式及测点布置 观测方式采用定点法，即发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上，接收机在另一巷道一定范围内逐点沿巷道观测场强值，观测射线呈扇形分布，发射线圈与接收线圈所在平面应与巷壁垂直。为确定透视异常的位置与分布范围，要调换发射与接收巷道的位置，重复定点观测方式，用以射线交会，划分异常。 如图3-4-2所示的工作面，实际工作顺序可设计为：（1）在工作面的皮带巷、轨道巷按设计每10m一点进行标号；（2）在皮带巷的0、5、10、15、20点依次发射，相应在轨道巷的0～5、0～10、5～15、10～20、15～20测点段接受；（3）在轨道巷的20、15、10、5、0点依次发射，相应在皮带巷的15～20、10～20、5～15、0～10、0～5测点段接受。 测点布置视工作面具体情况而定，标注过程中不应有漏号或重号且上下两巷道点号相对应，一般发射点距50m，接收点距10m，根据工作面的宽度大小可适当调整发射、接收点点距。对应一个发射点，应保证接收点在12个以上，其原则是尽可能扩大电磁波覆盖面积，以利于探测工作面内的平行于两巷道的断层构造。 图3-4-2 定点观测方式示意图 3）时间同步 发射巷道与接收巷道之间通信不便，为了保持发射与接收同步，一般采取提前预定的办法，即提前设计好各个点发射与接收的具体时间，工作时可以将设计好的发射接收时间序列打印成表，发射方与接收方各持一份，按预先设定时间进行。 4）压制干扰 巷道中一般会有电缆、排水管道、铁轨、动力机械等良导体的存在。这些良导体可以使电磁波沿导体传播，并作为二次辐射源辐射出电磁波，对坑透工作造成了极大干扰，而且消耗了穿透煤层的电磁波能量，极大地影响着坑透的地质效果，因而井下工作时应注意避让。井下工作时，将电缆、水管断开，如可能将其拆下放置于巷道底帮一侧，对于金属导体来说，二次