專利名稱:繪制地層中異?，F(xiàn)象的垂直圖象的方法
本發(fā)明一般地涉及用于探測(cè)地層中的地質(zhì)異常現(xiàn)象的測(cè)試裝置和方法，更確切地說(shuō)，涉及與計(jì)算機(jī)輔助的圖象重建相結(jié)合的連續(xù)波中頻無(wú)線電成象技術(shù)，以提供礦層異常的圖解的電磁輻射確定的圖象。
存在于成層地層中的煤層或礦床已被許多不同類型的地質(zhì)機(jī)制作用而發(fā)生畸變。出現(xiàn)在周圍各層的不均勻壓實(shí)導(dǎo)致在煤層發(fā)生斷層、扭曲和背斜現(xiàn)象。古河流已將河床上的煤沖去，留下沙和巖的沉積。這種為眾所周知的河道沙沖刷的沉積，能導(dǎo)致沖蝕和弱的頂板。這種河流的畸變和巖石沉積是采礦設(shè)備的實(shí)際分界礦柱。在采煤工業(yè)中廣泛采用了兩種類型的地下開采技術(shù)。一種叫做房柱式采煤法或連續(xù)開采法，它能圍繞著許多這樣的分界礦柱開采。這種連續(xù)開采技術(shù)成本低廉，所需人力也不多。例如，通常只需安排一日三班每班8人的班組。不過(guò)，連續(xù)開采法的每班產(chǎn)量只有300噸左右。另一種廣泛采用的長(zhǎng)壁開采技術(shù)，在均質(zhì)煤層里的效率要高得多，該方法所達(dá)到的平均產(chǎn)量為每班1500噸。
在美國(guó)，礦業(yè)安全和健康管理機(jī)構(gòu)要求采用后退式，而不是前進(jìn)式長(zhǎng)壁開采法。另一方面，在歐洲則廣泛采用前進(jìn)式長(zhǎng)壁開采法。后退式長(zhǎng)壁開采法被安排成沿著主平巷的方向去開采，而前進(jìn)式長(zhǎng)壁開采法則背離主平巷采掘。連續(xù)開采技術(shù)被用來(lái)設(shè)定后退式長(zhǎng)壁開采法。從主平巷起，各平巷道在長(zhǎng)壁工作面盤區(qū)兩邊和垂直于主平巷處被開采。這些平巷道，排水巷道和回風(fēng)巷道，分別地延展長(zhǎng)壁開采盤區(qū)的長(zhǎng)度。在盤區(qū)的工作面端頭，排水巷道和回風(fēng)巷道之間形成一個(gè)橫巷。面對(duì)主平巷的橫巷的壁是長(zhǎng)壁工作面。長(zhǎng)壁采煤機(jī)沿著工作面的掘進(jìn)方向指向主平巷而架立。當(dāng)長(zhǎng)壁開采向前移時(shí)，頂板垮落在整個(gè)已采掘區(qū)段。未開采煤的保安煤柱礦塊被留在該平巷掘進(jìn)長(zhǎng)度的工作面端頭，以支撐覆蓋該主平巷的頂板。
長(zhǎng)壁開采法產(chǎn)量高這一點(diǎn)，使其用于可開采的長(zhǎng)的盤區(qū)時(shí)，尤為經(jīng)濟(jì)有利。一個(gè)典型的長(zhǎng)壁開采盤區(qū)包括的煤可達(dá)500，000至1，000，000噸。長(zhǎng)壁開采法的初始階段投資和裝配費(fèi)用是高的。設(shè)備費(fèi)平均可達(dá)成百上千萬(wàn)美元。建立長(zhǎng)壁開采，以一天三班，每班以12至14人計(jì)，則至少需要30天時(shí)間。因此，建造費(fèi)用是很大的，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壁開采法的低成本生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，需要均質(zhì)煤層，以確保長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行。礦層異常(諸如斷層，沖蝕，互層和巖脈)可導(dǎo)致長(zhǎng)壁開采法生產(chǎn)運(yùn)行周期的過(guò)早結(jié)束。在許多情況下長(zhǎng)壁開采法遇到某種異常后變成“包鐵的”。清除設(shè)備的這種“包鐵的”現(xiàn)象需要爆破，而這可能破壞設(shè)備并使礦工們面臨極端危險(xiǎn)。因此，如果在開采作業(yè)前能探測(cè)和分析這些煤層異常，則可事先部署采礦工藝以使生產(chǎn)成本減至最低。在用這種勘探法測(cè)得一個(gè)長(zhǎng)的連續(xù)煤礦層的地方，便可采用這種低成本的長(zhǎng)壁開采法。若發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)壁開采的分界礦柱，采礦工程部門便可采用連續(xù)開采法在分界礦柱周圍開采。
對(duì)具有潛在生產(chǎn)性煤層的地質(zhì)勘探可使用許多眾所周知的方法。這些方法運(yùn)用了種種技術(shù)。衛(wèi)星成象和攝影術(shù)提供了為礦山地質(zhì)工作者所用的綜合資料。然而，由于這種資料數(shù)據(jù)的粗略概括性，使其在確定煤層的可采性方面設(shè)計(jì)么價(jià)值。表面地層的宏觀勘測(cè)(底部勘測(cè))和露頭特征使地質(zhì)工作者能根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)去預(yù)報(bào)地層的特性?；诘卣鸷碗姶挪ū砻?zhèn)鞑サ娜舾煞椒ū粡V泛地用于對(duì)包括石油和煤氣的有用礦的礦床的地球物理測(cè)量。然而，宏觀勘測(cè)技術(shù)在檢查煤層的詳層結(jié)構(gòu)方面是不可靠的。
當(dāng)今，各種微觀勘測(cè)煤層內(nèi)的地震技術(shù)被用于產(chǎn)生和煤層異常有關(guān)的有用數(shù)據(jù)。在歐洲正在研究中的一項(xiàng)方法包括16個(gè)放炮點(diǎn)，信號(hào)進(jìn)入由120個(gè)地震檢波器組的礦區(qū)，每組由36個(gè)地震檢波器組成。對(duì)地震數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)化的處理得出斷層的檢測(cè)結(jié)果。至今，該方法要求以5英尺為間隔地裝藥并需要設(shè)置大批的電纜。地震技術(shù)主要用于前進(jìn)式，而不是后退式長(zhǎng)壁開采法。此外，此法還未證實(shí)其具有分辨河床沙異常的能力，特別是對(duì)部分沖蝕和較小的、不顯著異常的分辨能力更未能加以證實(shí)，也不能探測(cè)頂板、和/或底板巖石狀態(tài)。置于地表面配備以受控源的大地電磁法的頻譜的發(fā)射有透視地殼內(nèi)部的能力。這種方法看來(lái)似乎在探測(cè)地層的主要斷層方面是有用的，但不能分辨詳細(xì)的礦層結(jié)構(gòu)。
潛孔鉆探現(xiàn)已用于鉆探長(zhǎng)壁開采礦塊。鉆進(jìn)盤區(qū)六百英尺深的10-12孔模式提供礦層內(nèi)的煤樣品。但是，該方法的缺點(diǎn)是其所涉及范圍只占礦塊的很小比率。正因?yàn)檫@種有限的作用距離，該技術(shù)對(duì)探測(cè)和分辨可能存在于鉆孔之間的煤層內(nèi)的煤層異常是無(wú)用的。表面巖心鉆孔和測(cè)井仍屬煤層信息的最可靠的來(lái)源。巖心取樣提供了測(cè)繪成層介質(zhì)圖的有用數(shù)據(jù)。測(cè)井便于對(duì)鉆孔附近的地層進(jìn)行探查。當(dāng)前還不能使用測(cè)井法去探測(cè)和分辨可能存在于距離超過(guò)大約50英尺的兩個(gè)鉆孔之間的脈內(nèi)煤層異常。煤層內(nèi)的水平鉆探可探測(cè)煤層異常，但容易受與垂直鉆探相同的作用距離的限制。此外，水平鉆探是很昂貴的，每產(chǎn)一噸煤平均要化費(fèi)20美元。
現(xiàn)已試驗(yàn)企圖用電磁技術(shù)去提供一個(gè)檢查煤層的地球物理方法。在文獻(xiàn)中對(duì)傳統(tǒng)和綜合性雷達(dá)技術(shù)已有報(bào)道。由于雷達(dá)的高頻，使其在對(duì)接近鉆孔處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘測(cè)方面是極其有用的。然而，深層透射要求很高的發(fā)射功率以便供給各種有效的分辨力。這是因?yàn)楦哳l信號(hào)在礦層內(nèi)隨距離的增加而迅速地衰減。因此，目前的幾種雷達(dá)探測(cè)方法不能深入透視礦層中。
在1979年10月出版的地球物理學(xué)刊物(44卷第10期)上，由R.J.Lytle所著題為“橫貫地層的鉆孔電磁探測(cè)法確定高反差異?！币晃暮?979年7月出版的IEEE會(huì)刊(67卷，7號(hào))上登載的“計(jì)算機(jī)地球物理斷層掃描儀”一文均已描述了使用連續(xù)波(CW)信號(hào)來(lái)繪制煤層圖的方法。他所提出的方法僅僅是在接近的鉆孔之間進(jìn)行斷層掃描儀成象。Lytle的這種方法具有限的范圍和分辨力，因?yàn)槭褂脻摽滋筋^所進(jìn)行的可能的空間測(cè)量是有限的。為滿足斷層掃描儀的要求，Lytle使用了較高的頻率范圍，因而所達(dá)到的范圍更小。再者，早已發(fā)現(xiàn)巖石的導(dǎo)電率比煤層的導(dǎo)電率要大得多。導(dǎo)電率差別(反差)大的地方，斷層掃描儀算法將發(fā)散而不是收斂，從而導(dǎo)致沒(méi)有圖象。
為美國(guó)礦山資源局(Bureau of Mines)進(jìn)行的由Arthur D.Little公司主持的一項(xiàng)研究，勘測(cè)過(guò)連續(xù)波中頻信號(hào)在煤層中的傳播。由Alfred G.Emslie和Robert L.Lagace，在1976年4月的“無(wú)線電科學(xué)”(Ⅱ卷4期)所宣布的結(jié)果，僅論及了電磁波作為通信的應(yīng)用。此外，在所應(yīng)用的波的傳播方程中可能存在著差錯(cuò)。
其他電磁技術(shù)也遇到類似的范圍和分辨力的問(wèn)題。沒(méi)有一種先有技術(shù)認(rèn)識(shí)到在400-800KHz范圍內(nèi)存在著煤層傳輸窗口。因此，沒(méi)有一種現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)異常的長(zhǎng)距離、高分辨力的成象。
因此本發(fā)明的目的在于提供為地層異常的層內(nèi)和地表面成象的裝置和方法，其作用范圍足以使整個(gè)長(zhǎng)壁開采盤區(qū)成象。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用以對(duì)煤層異常成象的裝置和方法，其分辨能力足以查明斷層、完全和部分沖蝕、河槽沙沖刷、巖脈和互層。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是通過(guò)斷層方向的地表面測(cè)繪并在合適的地方提供長(zhǎng)壁開采掘進(jìn)工作面，以將生產(chǎn)成本減至最低限度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于在盤區(qū)掘進(jìn)工作面被開掘后，通過(guò)長(zhǎng)壁開采盤區(qū)的層內(nèi)成象，使生產(chǎn)成本降至最低限度。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是要減輕或消除由意想不到的地質(zhì)異常所造成的對(duì)礦工的危害。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，本發(fā)明的最佳實(shí)施例包括有調(diào)頻能力且裝備有定向環(huán)形天線的連續(xù)波中頻發(fā)射機(jī)，一個(gè)裝有定向環(huán)形天線并能精確地測(cè)量和記錄所接收的該被發(fā)射信號(hào)的幅值和相移的連續(xù)波中頻接收機(jī)，和根據(jù)所產(chǎn)生的的原始數(shù)據(jù)顯示煤層圖象的數(shù)據(jù)處理裝置。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩者均是可移動(dòng)的，并按兩種構(gòu)型而設(shè)計(jì)用于插入靠近煤層的鉆井、稱為探測(cè)器的圓柱狀構(gòu)型，另一種為宜用在煤層內(nèi)的輕便或巷道構(gòu)型。
本發(fā)明進(jìn)一步包含用以使煤層中的構(gòu)造成像的測(cè)繪方法。所提供的煤層成像方法有二種，采用那種方法則取決于巖層和煤層深度。置于地表面，具有潛孔連續(xù)性測(cè)量?jī)x的，煤層成像法，預(yù)期用在具有良好地表面鉆孔條件的中等淺度煤層。當(dāng)需要煤層構(gòu)造的清晰圖象時(shí)，則將采用煤層內(nèi)成像和斷層掃描技術(shù)。
最佳實(shí)施例利用連續(xù)波中頻(MF)信號(hào)，用相當(dāng)?shù)偷妮敵龉β识@得煤層中的地質(zhì)異常的高分辨率成像。因?yàn)槊簩拥纳稀⑾锣笥谟胁煌膶?dǎo)電性的巖石，在某些信號(hào)頻率下的電磁能量便被捕集并將傳播在很長(zhǎng)的距離上。該透射窗口，或即煤層透射模是由最佳實(shí)施例中采用的調(diào)諧環(huán)形天線所激發(fā)的，并使這些中頻信號(hào)在煤層中傳播數(shù)百米。煤屋異常產(chǎn)生一些其基本電氣參數(shù)相對(duì)于煤層而言是不同的區(qū)域。在煤和異常構(gòu)造之間電氣參數(shù)方面的這一對(duì)比差異便導(dǎo)致了這種成像方法的產(chǎn)生。該對(duì)比差異將改變?cè)谠搮^(qū)域的電磁波傳播常數(shù)，由此可分析在該區(qū)域的遠(yuǎn)側(cè)所接收的電磁波，以便確定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的地質(zhì)構(gòu)造。
該中頻煤層內(nèi)連續(xù)測(cè)量?jī)x和斷層掃描儀還應(yīng)用了具有窄的占有頻譜帶寬的調(diào)頻信號(hào)。這些接收儀用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。鎖相環(huán)接收器將信號(hào)檢測(cè)閾值適當(dāng)?shù)匮由斓皆肼晠^(qū)，從而提高工作范圍。當(dāng)煤層和異常構(gòu)造之間出現(xiàn)較大的電氣差異時(shí)，使用該連續(xù)性成像方法。差異小時(shí)則可用斷屋掃描術(shù)。斷層掃描術(shù)可通過(guò)進(jìn)行更多的空間測(cè)量來(lái)改善分辨率，從而克服固有的雷達(dá)探測(cè)范圍的局限性。
潛孔探測(cè)方法將需要一個(gè)能使中頻信號(hào)在鉆孔間的煤層中傳播的鉆探計(jì)劃。在該方法中，煤層兩側(cè)鉆以多個(gè)鉆孔。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)探頭插入該煤層相對(duì)兩側(cè)的鉆孔中，并對(duì)從煤層的一側(cè)到另一側(cè)的信號(hào)衰減進(jìn)行測(cè)量。將接收機(jī)和發(fā)射機(jī)置于潛孔內(nèi)部多個(gè)不同的標(biāo)高位置，通過(guò)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的聯(lián)系產(chǎn)生一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而形成縱斷面圖;又通過(guò)改變發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的位置并使他們從一系列鉆孔之一側(cè)轉(zhuǎn)至另一側(cè)則便形成橫斷面圖。測(cè)量信號(hào)的衰減、路徑的衰減和相移，并將測(cè)量值與計(jì)算值相比較，以確定是否出現(xiàn)煤層異常。另外，這些數(shù)據(jù)可由計(jì)算機(jī)輔助成像技術(shù)加以重建，以便產(chǎn)生表示該煤層的圖象。當(dāng)檢測(cè)到斷層時(shí)，在原鉆探計(jì)劃的鉆孔間的平分點(diǎn)上再鉆一些鉆孔，進(jìn)一步記錄數(shù)據(jù)以確定斷層的位置。煤層內(nèi)成像技術(shù)的實(shí)施方式是與置于地表面成像技術(shù)相似的，只不過(guò)在實(shí)施煤層內(nèi)成像技術(shù)時(shí)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)被置于靠近煤層的排水和回風(fēng)巷道之中。
此外，這些儀器通過(guò)檢測(cè)煤層中失火的掘進(jìn)工作面，以用于提高采掘的安全性。煤層失火會(huì)影響煤層的導(dǎo)電性，因而可用與檢測(cè)煤層異常相同的方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。在已知存在失火的地方，采用煤層內(nèi)檢測(cè)方法以確定失火的位置，這便可控制失火現(xiàn)象。在另一個(gè)應(yīng)用中，用小型接收機(jī)或無(wú)線電收發(fā)兩用機(jī)裝備礦工，這樣便可建立與陷于困境的礦工的通信聯(lián)系。通過(guò)在陷于困境的礦工所在的可疑區(qū)域中鉆孔，該潛孔儀器能激活該煤層傳播窗，且可用來(lái)與陷于困境的礦工取得聯(lián)系。
由成像技術(shù)產(chǎn)生地層異常的圖象顯示是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
可實(shí)現(xiàn)縱向掃描以形成所研究的地域的縱向圖象是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
選擇適當(dāng)?shù)牟擅悍绞娇墒股a(chǎn)成本降到最低限度是本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用最少的設(shè)備和最少的鉆孔便可實(shí)現(xiàn)成像。
本發(fā)明還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即用相當(dāng)?shù)偷陌l(fā)射機(jī)功率便可實(shí)現(xiàn)成像。
本發(fā)明再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)在工作期間對(duì)地質(zhì)異常的檢測(cè)，采煤的安全便可得以改善。
本發(fā)明又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可由本發(fā)明來(lái)檢測(cè)由河道沙沖刷所造成的部分沖蝕。
可由本發(fā)明來(lái)確定頂板/底板巖石的狀況是另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，可使用本發(fā)明的儀器與陷于困境的礦工取得聯(lián)系，從而增進(jìn)了采礦的安全性。
本發(fā)明再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可用本發(fā)明確定煤層失火的方位。
本專業(yè)普通技術(shù)人員，在看完下面如諸附圖所示的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明后，無(wú)疑會(huì)清楚地認(rèn)識(shí)本發(fā)明的這些其他的目的和優(yōu)點(diǎn)。
圖1為用于本發(fā)明的煤層內(nèi)接收機(jī)的正視立面圖;
圖2為用于本發(fā)明的煤層內(nèi)發(fā)射機(jī)的正視立面圖;
圖3為本發(fā)明所用的潛孔探頭的部分剖視圖;
圖4為圖3所示的潛孔接收機(jī)和發(fā)射機(jī)探頭的標(biāo)準(zhǔn)化組件的原理圖;
圖5為煤層理想化的剖示圖，圖中表示了供煤層內(nèi)斷層掃描儀所用的圖1中的接收機(jī)和圖2發(fā)射機(jī)的位置;
圖6為煤層理相化的剖視圖，圖中表示了多個(gè)靠近該煤層的鉆孔，潛孔中的探頭和地表面設(shè)備均處于應(yīng)有的位置;
圖7描述地層的一個(gè)平硐調(diào)查區(qū)域，其中接收機(jī)從兩個(gè)不同的位置與發(fā)射機(jī)通信;
圖8為場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度與(離發(fā)射天線)徑距關(guān)系的測(cè)量記錄圖;
圖9為地質(zhì)層的垂直方向成像的圖解說(shuō)明;
圖10A和10B描述垂直的雷達(dá)信息圖(RIM)沿橫貫地層的鉆孔的測(cè)量結(jié)果，其中圖10A描述斷層掃描術(shù)的衰減率與頻率的關(guān)系，而圖10B為衰減率等厚線圖;
圖11為各種物質(zhì)的電參數(shù)的圖解說(shuō)明;和圖12為應(yīng)用本發(fā)明檢測(cè)石油產(chǎn)品的圖象說(shuō)明。
圖1描述一個(gè)供礦層內(nèi)斷層掃描術(shù)成像用的輕便型連續(xù)波中頻(CWMF)接收機(jī)。這里所用的斷層掃描是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，它表示應(yīng)用中頻(MF)信號(hào)使煤層構(gòu)造成像的電磁過(guò)程。該成像過(guò)程可應(yīng)用或可不應(yīng)用斷層掃描術(shù)算法。以標(biāo)號(hào)10所指示的接收機(jī)是屬于單向變換型的、超外差式的、其頻率范圍為100至800千赫芝、可以5千赫芝的增量調(diào)諧。接收機(jī)10被設(shè)計(jì)成能自動(dòng)地測(cè)量一發(fā)射信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)，并將該所測(cè)場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以備下一步數(shù)據(jù)處理之用。接收機(jī)10包含調(diào)諧環(huán)形天線11，距離記錄鍵盤12、磁帶記錄器13和場(chǎng)強(qiáng)顯示器14。
圖2描述由標(biāo)號(hào)20指明的連續(xù)波中頻發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)20系乙類發(fā)射機(jī)、其頻率范圍為100至800千赫芝，可以5千赫的增量調(diào)諧。發(fā)射機(jī)20的輸出功率為20瓦。該功率在520千赫芝頻率下取決于傳播介質(zhì)足以達(dá)到至少1550英尺的距離。發(fā)射機(jī)20裝有調(diào)諧環(huán)形天線21。如同下面所說(shuō)明的并在圖4中所描述的那樣，發(fā)射機(jī)20和接收機(jī)10被制成適合煤層內(nèi)使用的構(gòu)型。接收機(jī)10和發(fā)射機(jī)20除了能有接收和發(fā)射連續(xù)波信號(hào)能力以外，發(fā)射機(jī)20還進(jìn)一步設(shè)計(jì)成能產(chǎn)生和發(fā)射窄帶調(diào)頻(FM)信號(hào)，而接收機(jī)10進(jìn)一步設(shè)計(jì)成能接收窄帶調(diào)頻信號(hào)和解調(diào)那些信號(hào)。這種能力可供相移測(cè)量使用，它在檢測(cè)地層異常并使之成像中給出一些附加的有用數(shù)據(jù)。為進(jìn)行這樣的測(cè)量，必須將基準(zhǔn)信號(hào)從發(fā)射機(jī)20送至接收機(jī)10。該信號(hào)經(jīng)由纖維光纜22發(fā)送，如圖5所示。纖維光纜22經(jīng)由基準(zhǔn)光纜連接器24與接收機(jī)10相連，并通過(guò)連接器21與發(fā)生機(jī)20相連。
煤層內(nèi)成像需要貼鄰該煤層的通道。如同前進(jìn)式長(zhǎng)壁開采法中尚未開挖排水和回風(fēng)巷道的情況下，或礦層深度為中淺同時(shí)具有良好的地表鉆探特性的情況下，便可應(yīng)用置于地表面的使用潛孔探頭的成像方法。圖3描述潛孔探頭或探測(cè)器的一般構(gòu)型，探頭由標(biāo)號(hào)30所指明。探頭30為圓柱形構(gòu)型，以便插入標(biāo)準(zhǔn)尺寸的鉆孔中。探頭30包含一空心結(jié)構(gòu)的外圓筒37，其直徑約為二又四分之一英寸。圓筒37可由各種材料制作，在最佳實(shí)施例中它是由可被電磁輻射透過(guò)的材料如纖維玻璃之類制成的?？尚D(zhuǎn)地安裝在圓筒37內(nèi)部的是一個(gè)支承架40。支承架40是一個(gè)開有軸向槽42的實(shí)心圓柱，其兩端是一對(duì)相對(duì)應(yīng)的平坦表面43。兩平坦表面43上分別安裝以一組合式電路板，它包含天線方位控制裝置44、調(diào)制解調(diào)器45，以及取決于希望該探頭具有接收能力還是具有發(fā)射能力而包含接收機(jī)46或發(fā)射機(jī)47。調(diào)諧環(huán)形天線48的導(dǎo)體位于軸向槽42之中。由于通過(guò)調(diào)諧環(huán)形天線48的無(wú)線電傳輸?shù)姆较蛐裕仨毺峁┻m當(dāng)?shù)难b置，以便用機(jī)械方法調(diào)整接收機(jī)和發(fā)射機(jī)探頭的各相關(guān)天線的方位、并使其共平面對(duì)準(zhǔn)。借助于傳動(dòng)電機(jī)49轉(zhuǎn)動(dòng)外圓筒37內(nèi)部的支承架40便可實(shí)現(xiàn)上述目的。傳動(dòng)電機(jī)49被安裝到圓筒37的近端，并用機(jī)械方法與支承架40相接合，從而使支承架40可在圓筒37內(nèi)作完整的360度旋轉(zhuǎn)。在最佳實(shí)施例中，傳動(dòng)電機(jī)49的動(dòng)力是由安裝在支承架40的近端恰在傳動(dòng)電機(jī)49下方的6節(jié)鎳鎘電池50所提供的。也可經(jīng)由潛孔提供以交流電能，并在探頭上進(jìn)行整流以產(chǎn)生供探頭線路所需要的直流電壓。圓筒37的遠(yuǎn)端由端蓋51、近端由端蓋52而密封。端蓋52包含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的四芯插座53，其中插有電纜54。電纜54是連接探頭30和地表面設(shè)備的裝置，并通過(guò)該電纜為成像過(guò)程發(fā)送數(shù)據(jù)。供潛孔接收機(jī)30用的地表面電子設(shè)備包括一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度顯示器/記錄器，一個(gè)調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)當(dāng)探頭以調(diào)頻方式工作時(shí)而用以發(fā)送探頭之間基準(zhǔn)信號(hào)的無(wú)線電發(fā)射機(jī)/接收機(jī)。
為保證探頭位于鉆孔的中央，如圖3a所示在探頭上裝有鉆孔探頭定中心裝置。這個(gè)定中心裝置包含一個(gè)固定在探頭近端端蓋52上的近端端蓋55。端蓋55中心有小孔，電纜54可從該孔中通過(guò)。套管56緊貼地圍繞探頭30的外圓筒40的遠(yuǎn)端。既固定在端蓋55上、又固定在套管56上的是3至4條帶57。這些帶57是由高強(qiáng)度彈性材料如薄不銹鋼之類制成。帶57受預(yù)壓應(yīng)力作用而彎曲成向外凸出的形狀，以接觸鉆孔的內(nèi)壁。帶57的彈性足以迫使探頭30處于鉆孔的中心，并便于使該探頭沿鉆孔而下。
最佳實(shí)施例設(shè)相潛孔探頭30和煤層內(nèi)使用的儀器10和20這兩者的組件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。這樣，生產(chǎn)成本降低了，且維修和保養(yǎng)也簡(jiǎn)單了。圖4為表示這種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的組件的通用的方框圖。
表1為標(biāo)明這些標(biāo)準(zhǔn)化組件的設(shè)備鑒別表，表2為表示各潛孔探頭30和煤層內(nèi)儀器10和20的組成部分的構(gòu)型組合行列表。
表1標(biāo)準(zhǔn)化組件 鑒別A1 接收機(jī)A3 發(fā)射機(jī)A10 (指令控制與通訊)C3調(diào)制解調(diào)器A13 顯示器/記錄器B6 鎳鎘電池調(diào)諧環(huán)形天線機(jī)殼C1 潛孔C2 觀察孔表2構(gòu)型組合行列表儀器 A1 A3 A10 A13 B6 C1 C2潛孔30發(fā)射機(jī) 1 1 1 1接收機(jī) 1 1 1 1地表面 1 1礦層內(nèi)(10或20)發(fā)射機(jī) 1 1 1接收機(jī)10 1 1 1 1在下表3至7中表示設(shè)備技術(shù)規(guī)格的實(shí)例。表3描述該系統(tǒng)總的工作參數(shù)。表4和5分別說(shuō)明發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的技術(shù)規(guī)格。表6描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線特性，而表7則給出調(diào)制解調(diào)器的技術(shù)規(guī)格。
表3系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格信號(hào)發(fā)送型式 連續(xù)波(CW)和窄帶調(diào)頻(FM)頻率放釋 100至800千赫芝調(diào)諧 5千赫芝增量波峰偏移 100赫芝調(diào)制頻率范圍 200赫芝環(huán)境工作溫度 -40至80℃探頭 500磅/平方英寸表4發(fā)射機(jī)型式 互補(bǔ)乙類組件說(shuō)明 A3頻率范圍 100至800千赫芝調(diào)諧 5千赫芝增量輸出功率 20瓦波形平頂性(flatness) ±1/2分貝射頻負(fù)載阻抗 50和200歐姆電壓駐波比(VSWR) 最大3∶1混頻器振蕩器 10.7兆赫芝信號(hào)振蕩器 100赫芝電源要求工作電壓 9至15伏(直流)需要電流 3.5安培連接器型號(hào) Molex輸出功率 2陶瓷可變電容器(VCC) 1接地 1纖維光纜 1
表5接收機(jī)型式 信號(hào)轉(zhuǎn)換 超外差組件說(shuō)明 A1頻范圍 100至800千赫芝調(diào)諧 5千赫芝增量中頻(IF)頻率 10.7兆赫芝電源阻抗 50歐姆靈敏度 0.1微伏(對(duì)于12分貝信噪比和失真比(Sinad))中頻(IF)頻率 10.7兆赫芝靈敏度3分貝帶寬 最小200赫芝70分貝帶寬 1千赫芝音頻靜噪 最小50分貝非靜噪 30分貝(100微伏)負(fù)載 8歐姆頻率響應(yīng)3分貝 10、70、100赫芝伏特計(jì)型式 與發(fā)射機(jī)本機(jī)振蕩器同步量程 0至360度表6天線型式 調(diào)諧環(huán)形天線頻率范圍 300至800千赫芝匝數(shù) 11磁矩潛孔型 8安·匝·米2在20瓦下輕便型 8安·匝·米2在20瓦下定位型式 磁通閘間羅盤(潛孔)表7C調(diào)制解調(diào)器型式 曼徹斯特編碼格式1B位碼功能電源 開/關(guān)天線位置 指令±30在設(shè)有煤層直接通道的地方，使用插入沿該煤層周圍的一系列鉆孔中的潛孔探頭而進(jìn)行表面成像。該方法在圖6中表示。
煤層的成像是建立在煤和異常結(jié)構(gòu)具有不同導(dǎo)電率的基礎(chǔ)上的。巖石的導(dǎo)電率比煤層的導(dǎo)電率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。調(diào)諧環(huán)形發(fā)射天線的垂直定向產(chǎn)生一個(gè)水平的磁場(chǎng)Hφ和一個(gè)垂直的電場(chǎng)Ez。這些場(chǎng)在該煤層的這一高度上幾乎是不變的。在離天線的徑向距離大的地方，這些場(chǎng)便以由有效衰減常數(shù)α所確定的比率按指數(shù)法則衰減，該比率取決于在煤和巖石這兩種介質(zhì)中的損失，和煤的介電常數(shù)。可預(yù)料該衰減率隨著煤層厚度的減小、煤層導(dǎo)電率的增加和相對(duì)介質(zhì)常數(shù)的增加而增加。衰減率隨巖石導(dǎo)電率的增加而減小。衰減率還取決于該發(fā)射信號(hào)的頻率和該煤層的水分。Emslie和Lagace兩人的測(cè)量結(jié)果指明，煤中的衰減率約4分貝/100英尺。這構(gòu)成了煤層連續(xù)性成像方法的基礎(chǔ)。
調(diào)諧環(huán)形天線按下述方程式(1)激勵(lì)該低損的天然煤層傳播模的信號(hào)Hφ＝→Mf(rαhεcεr)(1)式中M是發(fā)射天線的磁矩，r是發(fā)射機(jī)天線到接收機(jī)天線的距離，α是衰減常數(shù)，h等于煤層高度，εc和εr分別是煤和巖石的介電常數(shù)，而σc和σr分別為煤層和巖石的導(dǎo)電率。
磁矩M本身取決于發(fā)射功率P和帶寬BW，如式(2)所示M=CPoBW]]>(2)這些式子一起表明調(diào)諧環(huán)形天線將激勵(lì)天然煤層傳播模的磁矩，從而提供最大磁矩結(jié)果產(chǎn)生最長(zhǎng)的距離。窄系統(tǒng)帶寬還導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度的提高，10分貝中頻信噪比S10dB由式(3)給出S10dB＝-164+10log10BWIF+10log10NF(3)式中BWIF是信號(hào)的中頻帶寬，NF是接收機(jī)的噪聲數(shù)值。
因而式(3)表示靈敏度隨帶寬的減小而增加。式(1)、(2)和(3)的結(jié)果表示，連續(xù)波中頻(MF)信號(hào)對(duì)地球物理勘測(cè)儀器是最佳的。這是因?yàn)檫@些信號(hào)的窄的帶寬，造成在煤中的信號(hào)傳播衰減率最小(式(3))，且磁矩最大(式(1)和(2))的緣故。其凈結(jié)果是在某一特定輸出功率下，這些儀器的工作距離達(dá)到最大。
該成像方法依賴于所計(jì)算的信號(hào)強(qiáng)度和由連續(xù)波中頻(CW，MF)儀器確定的所測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度相比較。分析所計(jì)算的信號(hào)強(qiáng)度有助于理解該方法。為了提供該成像方法的基線讀數(shù)，前面提到的式(1)用于計(jì)算在特定煤層中的預(yù)期的信號(hào)強(qiáng)度。在該特定煤層測(cè)量各種參數(shù)并將這些結(jié)果應(yīng)用于式(1)，便完成上述計(jì)算。
該所傳播的信號(hào)在遠(yuǎn)側(cè)接收機(jī)中被接收。沿一斷層的煤層路徑傳播的波會(huì)因“有效”煤層導(dǎo)電率增大、或該煤層高度減小，而導(dǎo)致較大的衰減率。因而比較被接收信號(hào)的數(shù)量級(jí)便可檢測(cè)出路徑異常。另外，中頻信號(hào)的折射率在純煤中變化緩慢，因而這些信號(hào)行進(jìn)在直線路徑上。在囿于導(dǎo)電率更高的上和下巖石的平面煤層中橫向電磁(TEM)傳播線型模在煤中的傳播取電場(chǎng)是垂直而磁場(chǎng)是水平的平行平面的形式。如巖石之類的煤層異常其折射率不同于煤，因此在較大程度上偏離該信號(hào)路徑。這些窄帶調(diào)頻信號(hào)可供這種路徑衰減測(cè)量之用，從而提供檢測(cè)異常地層的第二種裝置。最后，沿著該路徑的調(diào)頻信號(hào)的相移也表示在該煤層內(nèi)部有異常地層之存在。
當(dāng)希望獲得較高的分辨率時(shí)，使用斷層掃描術(shù)而不使用連續(xù)性成像技術(shù)。通過(guò)使用最小衰減率的頻率和進(jìn)行更頻繁的空間測(cè)量，斷屋掃描術(shù)便產(chǎn)生高分辨率。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的各空間方位測(cè)量衰減率，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助的成像技術(shù)對(duì)這些測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析，以便產(chǎn)生表示該異常現(xiàn)象的圖象。
為獲得良好的分辨率，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離應(yīng)該大于ic/2π，式中ic為在煤中的該信號(hào)波長(zhǎng)。因此，對(duì)于最佳實(shí)施例的520千赫芝的傳輸頻率來(lái)說(shuō)，在煤中的波長(zhǎng)為97.7米，則最小的相隔距離為15.56米。
因此如圖5所示，煤層內(nèi)斷屋掃描術(shù)是用輕便型巷道接收機(jī)10和發(fā)射機(jī)20、按照為達(dá)到最高分辨率所確定的方式而實(shí)施的。發(fā)射機(jī)20的調(diào)諧環(huán)形天線21的設(shè)計(jì)，使其以在300至800千赫芝范圍內(nèi)的某一預(yù)先選定的波長(zhǎng)下激勵(lì)自然煤層傳播模的水平磁場(chǎng)分量(Hφ)，從而產(chǎn)生在給定輸出功率下的最大場(chǎng)強(qiáng)。接收機(jī)調(diào)諧環(huán)形天線11被置于與發(fā)射機(jī)天線21共平面對(duì)準(zhǔn)的方位，以保證最大的場(chǎng)強(qiáng)。為產(chǎn)生最高的分辨率，使這些儀器間的距離大于15.56米。在最佳實(shí)施例中，煤層寬600英尺(200米)，因此可保證足夠的間距?？梢钥吹矫簩?0其內(nèi)包含巖/砂棚74。巖/砂棚74的作用如同電磁輻射確定的礦體并引起傳播信號(hào)的衰減。因?yàn)閿鄬訏呙栊g(shù)使用為發(fā)射機(jī)輸出功率最小創(chuàng)造條件的最低衰減率的信號(hào)頻率，排水和回風(fēng)巷道不要包含連續(xù)的電導(dǎo)體是一件重要的問(wèn)題。這樣的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生干擾接收信號(hào)電平測(cè)量的次級(jí)磁場(chǎng)。在斷層掃描術(shù)的煤層內(nèi)勘測(cè)中為獲得足夠的分辨率，必須通過(guò)空間測(cè)量收集大量的數(shù)據(jù)。其實(shí)施方法如下對(duì)于排水巷道78中的發(fā)射機(jī)的每個(gè)位置，在回風(fēng)巷道76中某些特定的位置(標(biāo)志為X0、X1…Xn)作一系列接收信號(hào)電平測(cè)量。同樣，發(fā)射機(jī)20被置于排水巷道78內(nèi)部的一系列特定的位置(標(biāo)志為Y0、Y1…Yn)，而接收機(jī)10置于回風(fēng)巷道76中的這些相應(yīng)的位置。接收機(jī)在巷道中的各個(gè)位置上，用距離記錄鍵盤12輸入表示相對(duì)于發(fā)射機(jī)的接收機(jī)位置的座標(biāo)。這些座標(biāo)，連同這些所測(cè)量的接收信號(hào)值，被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在磁帶上。在重建這些數(shù)據(jù)中，對(duì)于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的位置變化這些信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果可被校正。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位置的縱向間距由所要求的圖象分辨率確定。合成的接收信號(hào)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式并存儲(chǔ)在接收機(jī)10的盒式磁帶13上，并可用以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的斷層掃描術(shù)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這種計(jì)算機(jī)輔助成像算法將提供煤層構(gòu)造的詳圖。計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也可包含輸出煤層參數(shù)(導(dǎo)電率、灰分含量等)的打印裝置，及供礦山計(jì)算機(jī)圖象終端使用的數(shù)字磁帶。
置于地表面的煤層成像設(shè)備的布置成如圖6所示。待成像的煤層由標(biāo)號(hào)80表示。圖中可見斷層82存在于煤層的內(nèi)部。在應(yīng)用以置于地表面的成像方法時(shí)，采用周邊勘探規(guī)約，沿長(zhǎng)壁開采盤區(qū)的周邊鉆下多個(gè)鉆孔84。在最佳實(shí)施例中，采用10孔鉆探計(jì)劃可使總寬度1200英尺、長(zhǎng)度6000英尺的兩個(gè)相鄰的長(zhǎng)壁開采盤區(qū)成像。這樣的一個(gè)粘探計(jì)劃將會(huì)檢測(cè)到在這些盤區(qū)內(nèi)部的煤層異常。如果在該盤區(qū)內(nèi)檢測(cè)到斷層，那末就需要采取集中勘探策略，以確定斷層的方位。實(shí)施這樣一個(gè)勘探策略的方法是在該盤區(qū)周邊內(nèi)鉆孔之間的分點(diǎn)上鉆孔，以確定斷層的位置。煤層的地表面成像方法的實(shí)施方式是與煤層內(nèi)成像方法相似的。在沿長(zhǎng)壁開采盤區(qū)的周邊已鉆成一系列鉆孔之后，在地表面探頭30便插入鉆孔84、插到由巖心樣品所確定的煤層深度。圖6描述導(dǎo)致煤層一頭比另一個(gè)深的垂直位移斷層。因?yàn)樾盘?hào)勢(shì)必通過(guò)煤層傳播，所以接收機(jī)探頭30被置于煤層內(nèi)，但不必置于和發(fā)射機(jī)探頭30相同的深度。包括接收機(jī)探頭和發(fā)射機(jī)探頭的潛孔探頭30被插入相對(duì)應(yīng)的鉆頭84之中。借助于位于潛孔探頭端處的傳動(dòng)電機(jī)49，使接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的天線部分48以同平面的方式對(duì)齊。通過(guò)使用包含遙測(cè)和控制設(shè)備以及一調(diào)制解調(diào)器的地表面控制單元，對(duì)天線方位進(jìn)行測(cè)定和控制。這些單元，連同探頭控制設(shè)備和電纜線路一起安裝在礦車86之中。連續(xù)波中頻(CWMF)或調(diào)頻信號(hào)傳播方式與煤層內(nèi)成像方法中的信號(hào)傳播方式相似，因而也可對(duì)衰減率和/或相移進(jìn)行測(cè)量。上述過(guò)程，對(duì)于每一個(gè)鉆孔84內(nèi)的接收機(jī)探頭30和發(fā)射機(jī)探頭30都須反復(fù)進(jìn)行測(cè)量。
這一地表面成像方法也可在一地下表面上來(lái)實(shí)施。這種情況發(fā)生在從現(xiàn)有的已采煤層起著手進(jìn)行更低層的煤層勘探。于是現(xiàn)有煤層的底便變成表面，從該表面鉆鑿鉆孔，以便勘探更低層的煤層。潛孔探頭30被插入這些鉆孔中，并按照通常地表面勘探方式進(jìn)行測(cè)量。
分析合成連續(xù)性數(shù)據(jù)，以便確定是否存在衰減率增加的區(qū)域。這樣一些區(qū)域表示斷層區(qū)域或其他地質(zhì)異常。如果鉆鑿足夠多的孔，那末就可運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描成像技術(shù)分析這些數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生相同于用煤層內(nèi)成像方法所產(chǎn)生的圖象結(jié)果。
另外，使用連續(xù)波中頻的連續(xù)性測(cè)量，可測(cè)定底板/頂板巖石的特性，該方法除了為測(cè)量煤層頂板的條件而將接收機(jī)和發(fā)射機(jī)探頭30放置于該煤層頂板之上外，是與潛孔煤層連續(xù)測(cè)量類似的。于是這些信號(hào)便通過(guò)該周圍巖石傳播，并可測(cè)量這些信號(hào)的衰減。由此，關(guān)于巖石的類型及其生成的頂板/底板條件便可被測(cè)量。
其中在垂直平面上測(cè)量衰減率的垂直成象也是重要的能力。通過(guò)在地質(zhì)調(diào)查中確定沿直線途徑的電磁波的綜合傳播系數(shù)(衰減率)，便可實(shí)現(xiàn)成像。衰減率取決于傳播介質(zhì)的電體系(介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率)。在一均勻介質(zhì)中其衰減率理論上是已知的，且已知在地質(zhì)擾動(dòng)區(qū)域衰減率有變化;也已知在斷層區(qū)域由于化學(xué)礦化作用結(jié)果產(chǎn)生電導(dǎo)率增加的局部放礦溜口使衰減率增加，在積水平硐電導(dǎo)率增加因而其衰減率也增加。在被充氣平硐貫穿的區(qū)域，和在鄰近巖石結(jié)構(gòu)因采掘平硐而造成爆破裂隙所產(chǎn)生地質(zhì)擾動(dòng)區(qū)域衰減率減小。
本發(fā)明的無(wú)線電成像方法可供評(píng)估垂直平面中的地質(zhì)構(gòu)造。應(yīng)用具有適用的斷層掃描術(shù)算法的本發(fā)明方法，便可用圖解方法重建橫斷該成像區(qū)的化學(xué)礦化作用的礦區(qū)和平硐。例如在地質(zhì)構(gòu)造中有平硐的地方，重建圖象顯示在環(huán)繞該平硐的巖石中可檢測(cè)到地質(zhì)擾動(dòng)的凹地。在這樣一個(gè)環(huán)境中可設(shè)置多個(gè)鉆孔。然后將潛孔無(wú)線電發(fā)射機(jī)置于一鉆孔中，而潛孔無(wú)線電接收機(jī)則置于第二個(gè)鉆孔之中。每個(gè)孔有許多測(cè)量站(例如25個(gè)測(cè)量站)，各自在不同的垂直標(biāo)高位置。利用各鉆孔中25個(gè)測(cè)量站，例如可進(jìn)行625次接收機(jī)測(cè)量，而這些測(cè)量可用于測(cè)定在各點(diǎn)沿著潛孔發(fā)射機(jī)和潛孔接收機(jī)之間路徑的平均衰減率。然后這些數(shù)據(jù)可用計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)算法加以收集和分析，依次測(cè)定這625個(gè)單元所包含的作用距離的整個(gè)垂直圖象面中的每一個(gè)單元的衰減率。
地質(zhì)構(gòu)造的垂直測(cè)定將展現(xiàn)諸如平硐、空隙和化學(xué)礦化作用礦區(qū)等的異?，F(xiàn)象的圖像。實(shí)驗(yàn)已表明;沿著直線路徑傳播的電磁波成像信號(hào)傳播的正確模型主要是一個(gè)呈現(xiàn)球形傳換的平面波。電磁(EM)準(zhǔn)平面波的磁場(chǎng)分量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Hφ＝C (e-αr)/(r) (4)式中r為離波源的徑向距離(英尺);α是衰減率，用每百英尺分貝數(shù)表示;而c則為常數(shù)。
在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，如圖7所示，接收機(jī)測(cè)量是沿著平硐的中心線進(jìn)行的。發(fā)射機(jī)位于一精選的鉆孔中時(shí)，所測(cè)量的數(shù)據(jù)如圖8所示，在地下平硐中的平均衰減率為每百英尺16.8分貝，接近每百英尺18.6分貝的理論上的衰減率。在圖8中通過(guò)分析推定求得系數(shù)“c”，其值為185。實(shí)驗(yàn)是以300千赫的成像頻率在片巖介質(zhì)中進(jìn)行呈現(xiàn)波長(zhǎng)為305.7英尺。該波長(zhǎng)比鉆孔和平硐的直徑大得多，所以由反射作用機(jī)制而引起的傳播干擾可忽略不計(jì)。此外，平硐截止頻率約為22兆赫，因而就不存在潛在的產(chǎn)生測(cè)量干擾問(wèn)題的平硐波的傳播問(wèn)題。在校正測(cè)量數(shù)據(jù)20log Hφ(見圖8曲線A)、20log r(見圖8曲線B)作為球形傳播的效應(yīng)之后，最后所得到的線C的斜率等于在該片巖介質(zhì)中電磁波的衰減率。因此，平硐的存在有助于測(cè)定半均勻介質(zhì)中的波傳播的特性。
圖7和圖9用圖解方法說(shuō)明由總標(biāo)號(hào)100所指一地層的垂直成像平面的構(gòu)成。在地層100中的不同位置鉆鑿鉆孔101和102。這些鉆孔確定該再建圖的垂直邊緣。在潛孔101內(nèi)部設(shè)定了多個(gè)潛孔發(fā)射機(jī)探測(cè)站106的位置，而在潛孔102中設(shè)定了多個(gè)潛孔接收機(jī)測(cè)量站108的位置。每一潛孔有多個(gè)發(fā)射機(jī)站，如圖9畫了25個(gè)站因而可有625個(gè)測(cè)量值。在收集數(shù)據(jù)過(guò)程中，潛孔發(fā)射機(jī)30首次設(shè)置在潛孔101內(nèi)部的第一站106，潛孔接收機(jī)設(shè)置在潛孔102中的第一接收機(jī)站108。在這些位置，成像信號(hào)從發(fā)射機(jī)位置106發(fā)送到測(cè)量信號(hào)電平和相位的接收機(jī)測(cè)量站108。然后，潛孔接收機(jī)站移至鉆孔102中的第二接收機(jī)站108，且再進(jìn)行一次測(cè)量。對(duì)于鉆孔102中其余接收機(jī)站3至25中的每一個(gè)站，該過(guò)程均重復(fù)進(jìn)行。然后，潛孔發(fā)射機(jī)移至鉆孔101中的發(fā)射機(jī)站2，并對(duì)鉆孔102中的接收機(jī)站1至25的測(cè)量積累數(shù)據(jù)。然后，潛孔內(nèi)發(fā)射機(jī)依次設(shè)置在鉆孔101內(nèi)部的發(fā)射機(jī)站3至25，并重復(fù)這個(gè)過(guò)程。圖9中為描述起見，電磁信號(hào)的直線路徑110被描述為從每個(gè)發(fā)射機(jī)站106至多個(gè)接收機(jī)站108的投射。例如每個(gè)發(fā)射機(jī)站確定了一個(gè)至各個(gè)接收機(jī)站的電磁波直線路徑圖110。
進(jìn)行勘察過(guò)程中，一對(duì)鉆孔之間的所有測(cè)量結(jié)果均被收集后，潛孔發(fā)射機(jī)30可移到另一鉆孔中。為便于說(shuō)明問(wèn)題，圖7表示地質(zhì)調(diào)查區(qū)域100內(nèi)部的平硐調(diào)查區(qū)，圖中示有鉆已101和102。當(dāng)可能相隔100米的鉆孔101和102之間圖象被編制后，潛孔發(fā)射機(jī)可移到鉆孔112，而且包括直線路徑110的成像面再次在鉆孔112和102之間被確定，這兩孔可能相隔30米或30米以上。最好能精確地知道鉆孔101、102和112內(nèi)部的發(fā)射機(jī)站和接收機(jī)站的垂直距離和定位。使用鋼繩絞車測(cè)量裝置，可實(shí)現(xiàn)上述目的，其結(jié)果從套筒鉆孔101、102、112等的頂凸緣至各測(cè)量站的垂直距離便精確地被測(cè)定。
在實(shí)施該方法時(shí)，接收機(jī)可降落到鉆孔102頂部附近被指定為測(cè)量起始站108的某一特定的深度。配對(duì)的潛孔發(fā)射機(jī)降落在潛孔102或112內(nèi)部的相應(yīng)站106。在各發(fā)射機(jī)站106，發(fā)射天線被置于垂直平面中，且在如圖9所示的直線路徑110上的激勵(lì)電磁波傳播。該天線是在垂直面上形成調(diào)諧諧振回路的小磁偶極子。同樣，接收機(jī)有小磁偶極子天線，該天線在垂直面有諧振回路。
因具有調(diào)諧諧振回路天線，發(fā)射機(jī)便在接收機(jī)站處產(chǎn)生被配對(duì)的調(diào)諧回路天線所接收的水平磁場(chǎng)分量。直線路徑110的磁場(chǎng)分量切割調(diào)諧諧振回路接收天線，感應(yīng)由鉆孔102中的接收機(jī)所測(cè)量出來(lái)的電動(dòng)勢(shì)(EMF)電壓。該電壓值是在實(shí)際磁場(chǎng)分量值的校正系數(shù)范圍之內(nèi)。該電壓極其小，是用1毫微伏以上所對(duì)應(yīng)的分貝進(jìn)行測(cè)量(記錄)的。電磁波沿著每個(gè)徑向直線路徑、從潛孔發(fā)射機(jī)傳播到潛孔接收機(jī)時(shí)，電磁波與介質(zhì)起作用，產(chǎn)生可測(cè)量到的能量損失。其結(jié)果，磁場(chǎng)分量的強(qiáng)度隨著沿路徑的距離而衰減。沿著直線路徑(遠(yuǎn)場(chǎng))，占支配地位的磁場(chǎng)(Hφ)分量由下式給出Hφ＝C (e-αr)/(r) (4)磁場(chǎng)分量的衰減部分是由電磁波離開電的短磁偶極子天線而傳播的該波的球形傳播而造成的。用式(4)的分母中距發(fā)射天線的徑向距離(r)的一次方表示球形傳播。常數(shù)c取決于發(fā)射天線的磁矩(NIA)，并由下式給出
式中K為該環(huán)形天線的面積系數(shù);
N為該環(huán)形天線中的匝數(shù);
I為在環(huán)形天線中流動(dòng)的峰值電流;和A為該天線的面積。
式(5)的右邊表示磁矩(M)對(duì)發(fā)射機(jī)功率(P)和天線帶寬(BW)的依賴關(guān)系。發(fā)射功率增加10倍，磁矩增加10分貝。式(4)中的系數(shù)c取決于介質(zhì)100的電導(dǎo)率(a)。沿路徑的衰減還強(qiáng)烈地取決于電磁波在介質(zhì)100中的衰減率(α)。平面波的衰減率在數(shù)學(xué)上表示為α=ω ［μoε2(1+(σεω)2+1)］12]]>(6)式中ω為RIM信號(hào)的角頻率;
μ0為介質(zhì)100的磁導(dǎo)率(例如對(duì)非磁性巖石μ＝4π×10);
ε＝εrεo，為介質(zhì)100的介電常數(shù)(對(duì)頁(yè)巖ε＝10，ε= 1/(36π×10-9) ;和σ為介質(zhì)100的電導(dǎo)率(姆/米)對(duì)于每個(gè)潛孔接收機(jī)位置，以1毫微伏以上的分貝測(cè)量和記錄從發(fā)射環(huán)形天線出發(fā)的諸直線路徑的各終端的信號(hào)。然后按照計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)算法，收集和分析這些測(cè)量數(shù)據(jù)。如圖10A所示，衰減率取決于介質(zhì)的電導(dǎo)率(姆/米)。在300千赫以下，衰減率對(duì)介質(zhì)的電導(dǎo)率極敏感。如圖10B所示，斷層掃描術(shù)算法測(cè)定該垂直勘測(cè)面中的衰減率。
這些衰減率數(shù)據(jù)用于畫等值線程序，以便畫出圖面中等衰減率的等值線，這些等值線以每百英尺一分貝遞增。如圖10B的等厚線圖所示，這些等值線重建地質(zhì)構(gòu)造的圖象。在30和100米掃描中，圖象單元分別可為5英尺×3.9英尺，和5英尺×13英尺。圖10B的左面表示該礦區(qū)等衰減率的等值線，在圖的右面所示為一個(gè)在另一個(gè)之上的三個(gè)平硐。
簡(jiǎn)要說(shuō)明在略微導(dǎo)電的介質(zhì)中電磁波傳播理論的某些方面也許是有用的。電磁波發(fā)射天線為電短路磁偶極了。磁矩(M)向量處于水平面。磁偶極子天線產(chǎn)生遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)形天線圖案，而實(shí)際天線的平面處于X-Y平面。該天線產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)向量(Hr)，水平磁場(chǎng)分量(Hφ)和電場(chǎng)分量(Eφ)。在自由空間這些場(chǎng)方程式如下Hφ=MB34π［－1(Br)-1j(Br)2+1(Br3)］e-jBrSINθ]]>(7)Hr=MB32π［-1j(Br)2+1(Br)3］e-jBrcosθ]]>(8)Eφ=MB44πω εo［-1(Br)-1j(Bt)2］ejBrSINθ]]>(9)式中B＝2π/λ(弧度/米)。
當(dāng)r變大時(shí)，包含r-1的諸項(xiàng)便成為主要的，因而從式(7)得到遠(yuǎn)場(chǎng)的磁場(chǎng)項(xiàng)為Hφ=[ (MB2)/(4π) ] (e-αr)/(r) ;θ=90°(10)括號(hào)里的這一項(xiàng)在數(shù)學(xué)上表示式(4)中的那個(gè)系數(shù)。
在鉆孔天線附近，占支配地位的場(chǎng)強(qiáng)是磁場(chǎng)。因而該天線的近場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在其磁場(chǎng)之中。作為比較，如果天線結(jié)構(gòu)是短電偶極子，那末類似式(7)至(9)的兩套方程式在數(shù)學(xué)上確定近場(chǎng)分量HφEφ、HrEr、EH，而且電場(chǎng)項(xiàng)Eφ和Er是主要的。這些電場(chǎng)項(xiàng)使電流密度J＝E在極靠近該天線的介質(zhì)中流動(dòng)，導(dǎo)致顯著的能量耗散，結(jié)果形成很短的且不可接收的成像系統(tǒng)。因而我們可看到在地下成像中采用電的短磁偶極子天線的優(yōu)點(diǎn)。
圖11描述采用300千赫成像頻率所預(yù)期的典型地質(zhì)材料電特性值的范圍。為比較起見，平面電磁波在湖水、片巖和煤介質(zhì)中的衰減率(α)是根據(jù)式(6)計(jì)算的，并表示在表A中。
表A.
300千赫平面電磁波在單一介質(zhì)中的衰減率電導(dǎo)率(姆/米) 分貝/百英尺10-2(湖水) 26.484×10-3(頁(yè)巖) 18.64×10-4(煤) 7.88表A表示在片巖中的衰減率接近18.6分貝/百英尺。相移率可由下式確定B=ω ［με2(1+(σεω)2-1)］12]]>(11)
在煤和片巖介質(zhì)中傳播的平面波的波長(zhǎng)(λ＝ (2π)/(B) )和趨膚深度(δ＝ 1/2 )表示在表B中。
表B單一介質(zhì)中的波長(zhǎng)和趨膚深度電導(dǎo)率 波長(zhǎng)(λ) 趨膚深度(δ)(姆/米) (米/英尺) (米/英尺)4×10-3(片巖) 93.22/305.7 14.2/46.64×10-4(煤) 395.2/1296 33.6/110.2在平硐中各點(diǎn)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度(Hφ)。這些測(cè)量是當(dāng)發(fā)射天線在鉆孔101中時(shí)進(jìn)行的。這些測(cè)量是用調(diào)諧回路天線和輕便型場(chǎng)強(qiáng)計(jì)進(jìn)行的。該天線的輸出電壓被測(cè)量。例如，表C舉例說(shuō)明在天線輸出電壓不變的條件下所測(cè)的平硐內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)。
表C在平硐內(nèi)部測(cè)量的場(chǎng)強(qiáng)(1毫微伏對(duì)應(yīng)的分貝)測(cè)量 近似距離 巖巷中心場(chǎng)強(qiáng)(英尺) (每毫微伏分貝)1 300 85.62 250 823 200 864 150 1015 100 1116 50 1237 50 131在圖8中把這些測(cè)量值(20log10Hφ)畫成曲線(點(diǎn)劃線表示的曲線)。
假設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射狀態(tài)，這些測(cè)量應(yīng)符合式(4)的對(duì)數(shù)形式，即20log10Hφ＝20log10［ (ce－αr)/(r) ］＝20log10c-αr-20log10r。(12)在圖8中另畫了兩條曲線，以便從這些測(cè)量值能定出c和α。在上面的這條曲線(虛線加“+”號(hào))是在各測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)上加球形傳播系數(shù)(20log10r)而繪制的。對(duì)于離發(fā)射天線的距離r超過(guò)以下值，即r＞ (λ)/(2π) ＝ 305.7/6.28 ＝48.67′(13)所作的測(cè)量，該曲線是線性的。
當(dāng)r＞100英尺時(shí)，所繪制的線近似于線性，其斜率為16.8分貝/100英尺。這似乎進(jìn)一步證實(shí)RIM圖象信號(hào)在片巖介質(zhì)中呈強(qiáng)的球形傳播。所測(cè)的衰減率是與表A中給出的預(yù)期在頁(yè)巖中的衰減率一致的?？梢钥闯?，常系數(shù)的值為185分貝/毫微伏)。
在均勻片巖介質(zhì)中，將式(12)代入式(10)中帶括號(hào)的項(xiàng)中，便可用分析法求得常數(shù)c。該天線耦合常數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為C＝ (Mμoσf)/4 ;σ＞ωε(14)式中σ為該介質(zhì)的電導(dǎo)率;
μO為磁導(dǎo)率;
ε為介電常數(shù);和f為成像信號(hào)的頻率。
在非磁性的巖石中，磁導(dǎo)率在自由空間保持不變，其值為4π×10-7。成像信號(hào)頻率(f)和天線磁矩(M)也是不變的。耦合系數(shù)與片巖介質(zhì)的電導(dǎo)率(σ)成正比。還可以證明，該系數(shù)與在這些介質(zhì)中的該信號(hào)波長(zhǎng)的負(fù)二次方成正比。片巖介質(zhì)相對(duì)于煤介質(zhì)的波長(zhǎng)比由下式給出，即K＝395米/93米＝4.24。這表示相對(duì)于煤層中求得的c值增加20log10K＝25.12分貝。在煤中測(cè)量的c值為160，因而預(yù)期數(shù)值185與所測(cè)得的片巖中的c值十分接近的。
垂直成像，即在垂直平面中測(cè)量衰減率，正如在此所教導(dǎo)的那樣，可以供斷層的斷層掃描術(shù)圖象的垂直重建之用。因?yàn)樵诘叵颅h(huán)境中、化學(xué)礦化作用發(fā)生在這些斷層區(qū)域，所以垂直成像對(duì)于硬巖石開采也是一種重要的探礦手段。
垂直成像方法也可應(yīng)用于儲(chǔ)氣層和儲(chǔ)油層的分析。如圖13所示，因?yàn)闈B砂油層的電導(dǎo)率，在其連通的孔隙中充滿油或天然氣時(shí)減小，而在充滿水時(shí)則增加。儲(chǔ)油層和儲(chǔ)水層之間的電導(dǎo)率的明顯差別，使衰減率和相移率顯著地改變貫穿不同介質(zhì)的電磁波直線路徑。
雖然通過(guò)這些最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限限于所公開的內(nèi)容。在看完本說(shuō)明后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員無(wú)疑可作各種變更和修改。因此，所附的權(quán)利要求
意圖包羅符合本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)和屬于本發(fā)明范圍之內(nèi)的所有這些變更和修改。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用于在地下地層中的一個(gè)垂直面上使地質(zhì)異常成象的方法，其特征在于包括如下步驟-在所述地層周圍鉆鑿多個(gè)位置彼此運(yùn)離的潛孔；-在所述潛孔的第一鉆孔內(nèi)安置一臺(tái)具有大約在100KHz至800KHz中頻范圍內(nèi)發(fā)射連續(xù)波能力的發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)包括一電的短的磁偶極子天線，使電磁波通過(guò)所述地層傳播；-在所述潛孔的第二鉆孔內(nèi)安置一臺(tái)具有在約為100KHz到800KHz的中頻范圍內(nèi)接收連續(xù)波能力的接收機(jī)，該接收機(jī)包括一根用以接收由所述發(fā)射機(jī)發(fā)射而傳送的波的直立調(diào)諧環(huán)形天線，所述接收機(jī)還包括用于測(cè)量和記錄所述被接收的傳送波的多種特征的測(cè)量和記錄裝置；-順次地改變所述第一鉆孔由所述發(fā)射機(jī)的標(biāo)高至不同的發(fā)射站；-在每個(gè)發(fā)射站，發(fā)送多個(gè)連續(xù)波中頻波，所述波以球面?zhèn)鞑ズ途哂幸粋€(gè)向前傳播的水平磁場(chǎng)分量形式傳送并由所述接收機(jī)的天線接收；-測(cè)量接收到的水平磁場(chǎng)分量的多種信號(hào)傳輸特性；-計(jì)算通過(guò)所述地層傳播的信號(hào)的多種期望的信號(hào)傳輸特性；及-將上述計(jì)算得到的信號(hào)傳輸特性同所述測(cè)得的信號(hào)傳輸特性進(jìn)行比較并借助斷層掃描重建術(shù)來(lái)產(chǎn)生所述垂直地層結(jié)構(gòu)的地理圖象。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，特征在于還包括當(dāng)所述發(fā)射機(jī)位于各發(fā)射站的同時(shí)，在所述第二鉆孔內(nèi)順次地改變所述接收機(jī)的標(biāo)高至各個(gè)接收站這樣一個(gè)步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，特征在于還包括如下一個(gè)步驟預(yù)先確定各發(fā)射機(jī)站間的距離并順次地將所述發(fā)射機(jī)移到所述預(yù)定發(fā)射站。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2的方法，特征在于還包括如下一個(gè)步驟預(yù)先確定各接收機(jī)站間的距離并順次地將所述接收機(jī)移到所述預(yù)定接收站。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，特征在于還包括如下一個(gè)步驟以所述發(fā)射機(jī)位于每個(gè)發(fā)射站的同時(shí)，順次地改變?cè)谒龅诙@孔內(nèi)的各個(gè)所述接收機(jī)的標(biāo)高的增量至不同的接收站。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5的方法，特征在于其中發(fā)射機(jī)變化的每個(gè)增量基本上等于接收機(jī)變化的各增量。
7.根據(jù)權(quán)利要求
2的方法，特征在于還包括以下步驟-從所述潛孔的第一鉆孔取出該發(fā)射機(jī);-將該發(fā)射機(jī)放在所述潛孔的第三鉆孔內(nèi)，并在所述第三鉆孔內(nèi)順次地改變所述發(fā)射機(jī)的標(biāo)高至不同的發(fā)射站;-在所述第三鉆孔內(nèi)的每個(gè)發(fā)射站，發(fā)送多次發(fā)射的連續(xù)波中頻波，所述波具有一種向前傳播的水平磁場(chǎng)分量的傳播并被所述接收機(jī)的天線接收;-測(cè)量接收到的水平磁場(chǎng)分量的多個(gè)信號(hào)傳輸特性;-計(jì)算通過(guò)所述地層傳播的信號(hào)的多個(gè)期望信號(hào)傳輸特性;和-將所述計(jì)算得出的信號(hào)傳輸特性同所述測(cè)量得出的信號(hào)傳輸特性進(jìn)行比較并借助斷層掃描重建術(shù)來(lái)產(chǎn)生所述垂直地層結(jié)構(gòu)的地理圖象。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，特征在于其中所述電的短的磁偶極子天線是一個(gè)直立調(diào)諧環(huán)形天線。
專利摘要
用于探測(cè)存在于地層中的地質(zhì)異常的裝置和方法。該裝置包括中頻連續(xù)波窄帶調(diào)頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對(duì)。兩儀器的構(gòu)型是用于插入鉆孔的潛孔儀器。提供了通過(guò)信號(hào)衰減、路徑衰減和信號(hào)相移來(lái)探測(cè)異常情況的勘測(cè)方法。在鉆孔內(nèi)的不同深度上的連續(xù)測(cè)量?jī)x，為判定各種異常情況的存在提供了數(shù)據(jù)。運(yùn)用斷層掃描術(shù)提供了一幅異?，F(xiàn)象的可見圖象。計(jì)算機(jī)輔助重建術(shù)提供了來(lái)自所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的這類可見圖象。
文檔編號(hào)G01V3/30GK87104302SQ87104302
公開日1987年12月9日 申請(qǐng)日期1987年6月16日
發(fā)明者拉里·G·斯托拉爾齊克 申請(qǐng)人:斯托拉爾公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan