專利名稱:煤層結(jié)構(gòu)成象的電磁儀器及勘測方法
本發(fā)明一般關(guān)系到探測煤層中地質(zhì)異常的儀器和方法，明確地說，這件發(fā)明是利用連續(xù)波中頻無線電成象技術(shù)和計算機(jī)輔助構(gòu)圖技術(shù)來得出輻射產(chǎn)生的煤層異常圖。
成層的煤層或煤床由于種種地質(zhì)機(jī)理都是變了形的。周圍幾層壓緊程度的不同，會引起煤層的斷裂、曲折和隆起。古代河流刷去了煤床上的煤，留下沙子和巖石沉積。這種沉積，亦就是河道沙土沖刷，能夠引起沖蝕和薄弱的頂部。這種煤層變形和巖石沉積，都是采煤的物理障。在采煤工業(yè)中，廣泛采用兩種地下采煤技術(shù)，一種叫房柱式連續(xù)采煤，這種開采法可以繞過許多障礙進(jìn)行開采。連續(xù)開采技術(shù)化費少并且只需少量人力。例如，開采時通常只需八個人開三班。然而，連續(xù)開采每班只能生產(chǎn)約300噸煤。另一種廣泛采用的技術(shù)叫長壁開采。長壁技術(shù)在開采均勻煤床時很有效，生產(chǎn)率平均可達(dá)每班1500噸。
在美國，采礦安全和健康管理局要求采用后退式長壁，而不希望采用前進(jìn)式長壁。但在歐洲，前進(jìn)式長壁用得很多。后退式長壁是向著主巷道方向開采，而前進(jìn)式長壁是離開主巷道方向開采。在建立后退長壁時要用到連續(xù)開采技術(shù)。從主巷道、與主巷道成直角方向和在長壁采區(qū)的任一側(cè)，可以開采出兩條巷道路線。這些巷道路線，各為首巷和尾巷道，延長成長壁采區(qū)的長度。在長壁區(qū)的盡頭，在首巷道和尾巷道之間掘一橫巷，對著主巷道的橫巷的壁是長壁的面，長壁采煤機(jī)就沿這面掘進(jìn)，其頭就指向著主巷道。長壁向前移動時，挖出區(qū)上方的頂部就坍陷下來。在挖掘的盡頭要留未開采煤的阻擋塊，以支持主巷道上方的頂部。
在有長礦區(qū)可以開采的情況下，由于長壁采礦的高產(chǎn)量，采用長壁開采在經(jīng)濟(jì)上是有利的。一個典型的長壁采區(qū)可包括500，000至一百萬噸煤。長壁采煤的初始投資和建立費用都很高，設(shè)備費用平均數(shù)百萬美元，長壁的建立最少要30天，每天三班，每班十二至十四人。因此，建立費用非常大，而要得到長壁方法的低價生產(chǎn)利益，需要煤層是均勻的，以保持長期生產(chǎn)。煤層的異常，例如斷裂、沖蝕、礦床交錯和遇到巖脈，都能使長壁生產(chǎn)提早終止。在許多例子中，遇到異常后，長壁設(shè)備要換成“堅硬”的鉆頭，或者用炸藥炸開，這可能破壞設(shè)備并使礦工處于危險之中。因此，如果在開采以前能檢測和分析出煤層的異常，那么開采工藝就可計劃得使生產(chǎn)成本為最少。如果能勘測到一個長的連續(xù)的煤層，那么就可采用低成本的長壁技術(shù)。如果發(fā)現(xiàn)有長壁采礦的障礙，那么，采礦工程部門可以采用連續(xù)采礦法繞過這些障礙，或者例如采用沖刷或爆破辦法，把這些異常沖掉或炸掉。
對于有潛在生產(chǎn)價值煤礦的地質(zhì)勘探，已知有多種方法。這些方法采用了各種各樣的技術(shù)。衛(wèi)星成象和攝影給出過全球的數(shù)據(jù)供采礦地質(zhì)學(xué)家使用。然而，由于這種數(shù)據(jù)只能提供一個概貌，在決定煤層能否開采上，這種數(shù)據(jù)起不了作用。地表層和露頭的客觀勘查(踏勘)，根據(jù)地質(zhì)學(xué)家的光驗知識，可以預(yù)報出形成的特性，地表的地震和電磁波傳播方法，對于經(jīng)濟(jì)礦包括石油和天然氣，在地球物理勘探中也廣泛采用，然而，這些微觀勘測技術(shù)，在調(diào)查煤層的詳細(xì)結(jié)構(gòu)上并不可靠。
為了得出關(guān)于煤層異常的有用數(shù)據(jù)，目前采用的是各種微觀勘查的礦層內(nèi)的地震法。在歐洲，有一種正在發(fā)展的技術(shù)，它是從16個地點爆炸，用120組地音探測器收聽，每組有36個地音探測器。所得的地震數(shù)據(jù)用計算機(jī)處理，結(jié)果能發(fā)現(xiàn)斷裂。直到現(xiàn)在，這種方法需要在5英尺間隔處放置炸藥并需要安裝相當(dāng)長的電線。地震法主要對前進(jìn)長壁法而沒有想對后退長壁法使用。此外，還沒有證明這個方法有解決沙床異常的能力，特別對于部分沖蝕和不重要的小的異常。這個方法也不能探測頂部或底部巖石的狀況?；谟每刂圃吹牡卮欧椒▉砀‖F(xiàn)地表，也有看到地殼的能力。這個方法在探測礦層的主要斷裂時看來是有用的，但也不能解決詳細(xì)的礦層結(jié)構(gòu)。
鉆井對探測長壁障礙是有用的，在采礦區(qū)鉆600英尺的10×12個孔，以便對煤層那樣，然而，這方法的缺點是只復(fù)蓋障礙的一小部分。因為復(fù)蓋面積有限，所以這個方法在探測和解決鉆孔與鉆孔之間可能存在的礦層異常時是沒有用的。從地表鉆探巖心和測井記錄仍然是煤礦信息的最可靠來源，巖心樣本提供了描繪地層的有用數(shù)據(jù)，測井記錄能夠探測到鉆孔附近的組成。但是，如果鉆井與鉆井之間的距離超過約50英尺，目前所用的測井記錄方法都不能探測和解決礦層的異常。礦層內(nèi)的水平鉆探能夠探測到礦層異常，但它和垂直鉆探同樣受到復(fù)蓋面的限制。此外，水平鉆探很費錢，平均每生產(chǎn)一噸煤要化20美分。
曾經(jīng)研究過好幾種電磁技術(shù)，試圖提供一種能看到煤層內(nèi)部的地球物理方法。通常和合成的雷達(dá)技術(shù)已在文獻(xiàn)中有所報導(dǎo)。由于雷達(dá)的頻率很高，它對研究鉆孔附近的地質(zhì)結(jié)構(gòu)極其有用。然而，對于深層刺探，為了保持有用的分率，就需要非常高的發(fā)射功率，這是因為高頻信號隨著礦層中的距離迅速衰減。因此，目前的雷達(dá)方法不能看到礦層的深處。
R.J.LY+LE的文章“交叉鉆孔對附近高對比異常的電磁探測”(“CROSS BOREHOLE ELECTROMAGNETIC PROBING TO LOCAL HIGH-CONTRAST ANOMALIES”GEOPHYSICS，V.1.44，№10，OCT.1979)和“計算機(jī)化的地球物理層析成象術(shù)”(“COPUTERIZED GEOPHYSICAL TOMOG-RAPHY”PROC.IEEE，Vo.1.67，№7，JULY 1979)已經(jīng)說明了用連續(xù)波(CW)信號對煤層成象的方法。他的方法僅是附近兩孔間的層析成象。LY+1E的方法在距離和分辨率上都受限制，因為限于空間，使測量只能利用鉆孔內(nèi)用的探頭。為了滿足層析成象的要求，LYTLE采用較高的頻率，因此，作用距離很短。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)巖石的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于煤的電導(dǎo)率。在電導(dǎo)率(對比度)相差懸殊的地方，層析成象算法將是發(fā)散的，不能收斂，結(jié)果得不出圖象。
由美國礦務(wù)局一家公司的A.D.LITTLE領(lǐng)導(dǎo)的一項研究，研究了連續(xù)波中頻信號在煤層中的傳播。A.G.EMSLIE以R.L.LAGACE在“RADIO SCIENCE”(VOL.Ⅱ，NO.4，APR.1976)上發(fā)表的結(jié)果是關(guān)于電磁波的利用，但只是為了通信的目的。此外，在所用的電波傳播方程中，可能還有錯誤。在KAISER申請的英國專利№.1，018，188中，透露了利用高頻無線電波試驗各種介質(zhì)的方法。在SCHLUMBERGER有限公司申請的EPO專利應(yīng)用№.0105801中，透露過一種測井記錄方法和儀器。這個方法不是用于深層穿透和成象，祇是用來測量鉆孔附近的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。
其它的電磁技術(shù)方法也同樣有作用距離和分辨率問題。以前的技術(shù)都沒有認(rèn)識到煤層中存在一個300-800KHE的傳輸窗口。因此，沒有一種先前技術(shù)能得出遠(yuǎn)距離、高分辨率的地質(zhì)異常圖象。
本發(fā)明的簡單說明因此，本發(fā)明的一個目的是提供煤層巷道內(nèi)和地面對煤層異常成象的儀器和方法，其作用距離足以對整個長壁采區(qū)成象。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是提供煤層異常成象的儀器和方法。其分辨率足以探測到斷裂、全部和部分的沖蝕、河道沙土沖刷、巖脈以及交錯礦床。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是利用斷裂走向的地面成象來降低生產(chǎn)成本，并且提供出長壁的合適走向。
本發(fā)明另一目的是在確定了采區(qū)的走向后，利用長壁采區(qū)的巷內(nèi)成象來降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明還有一個目的是減輕或消除由于意料不到的地質(zhì)異常對礦工構(gòu)成的危險。
本發(fā)明的另一目的是測定煤層的高度。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是在長壁的前面提供出詳細(xì)的煤層圖象。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是予測頂層的塌落。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是用信號強(qiáng)度測量裝置來驗證予測到的異常。
簡言之，本發(fā)明推薦的實施新型包括一臺連續(xù)波中頻發(fā)射機(jī)，它有調(diào)頻的能力，并配有環(huán)形定向天線，一臺連續(xù)波中頻接收機(jī)，配有環(huán)形定向天線，并能精確地測定并記錄接收信號的幅度和發(fā)射信號的相位，以及數(shù)據(jù)處理裝置，它根據(jù)得到的原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生出煤層的表達(dá)圖形。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都是便攜式的，且設(shè)計成兩種結(jié)構(gòu)一種是園柱形的，像一根探棒，以便向下插到煤層的鉆孔中，另一種是便攜式的，能攜帶到巷道中，適合于煤層巷道內(nèi)使用。
本發(fā)明還包括煤層結(jié)構(gòu)成象的勘測方法。這里提供了兩種煤層成象方法，方法的選用要視地形和煤層厚度而定。用向下鉆孔基于地面儀器的煤層成象可期望用于較淺的煤床和較好的地表鉆探條件。用層析成像技術(shù)的巷道內(nèi)成像可在需要煤層結(jié)構(gòu)的清楚圖像時使用。這兩種方法的合并，即鉆孔內(nèi)測量和巷內(nèi)測量合并使用，可以在上述環(huán)境中改善圖像的分辨率。
這里推薦的實施新型利用了連續(xù)波中頻(ME)信號，以較小的輸出功率，獲得煤層地質(zhì)異常的高分辨圖像。中頻的范圍一般定義為約300KHz至約3MHZ。因為煤層上下都被電導(dǎo)率與煤不同的巖石所限，在某些信號頻率下，電磁能量可以傳播到很遠(yuǎn)的距離。這種傳輸窗口，或叫煤層模式，可以用實施新型中的調(diào)諧環(huán)形天線來激勵，使MF信號在煤層中傳輸好幾百米。煤層的異常結(jié)構(gòu)，造成了一個其電參數(shù)與煤不同的區(qū)域。利用煤與異常結(jié)構(gòu)電參數(shù)的不同，就給出這里的成像方法。這種不同改變了電波在該處的傳播常數(shù)，因而分析該處遠(yuǎn)端收到的電波，便可決定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的煤層結(jié)構(gòu)。
中頻巷道內(nèi)連續(xù)儀器及層析成像儀器都采用窄帶的調(diào)頻(FM)信號。接收儀器則用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)來檢測和測量收到的信號，鎖相環(huán)接收機(jī)的信號檢測閥可以低于噪聲，因此能改善作用距離。在煤層和異常結(jié)構(gòu)的電參數(shù)有相當(dāng)差異的地方，可采用連續(xù)成像法。而當(dāng)電參數(shù)的差異較小時，可用層析成像術(shù)。如果進(jìn)行多方面的空間測量，則可改善層析成像儀器的分辨率，因此克服了內(nèi)在的雷達(dá)距離的限制。
采用向下鉆孔法時需要有一個鉆井計劃，使中頻信號能在鉆孔之間的煤層中傳播。在此方法中，煤層兩邊要鉆許多孔。發(fā)射機(jī)探頭和接收機(jī)探頭就分別插在煤層兩側(cè)的鉆孔中，且測量信號在煤層中的衰減。在一系列鉆孔中，變換發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的位置，可得出一系列數(shù)據(jù)點。測出信號衰減、路徑損失和相移且與計算值相比較，就能決定煤層中有沒有異常。此外，利用計算機(jī)輔助成像技術(shù)能把這些數(shù)據(jù)重構(gòu)成圖。得出煤層的表達(dá)圖形。探測到異常時，要在原來計劃兩孔的切面上再附加鉆一些孔以取得進(jìn)一步的讀數(shù)來確定異常的位置。煤層巷內(nèi)成像技術(shù)，除了把發(fā)射機(jī)和接收機(jī)等儀器放在被測煤層巷道的首巷和尾巷，其它進(jìn)行方式均與地面成像技術(shù)類似。
另外，這種儀器還能用來探測煤層火災(zāi)的趨向以提高采礦的安全性，煤層中的火災(zāi)影響了煤層的電導(dǎo)率，因此如同異常一樣能被探測出來，用煤層巷內(nèi)探測方法，知道了什么地方有火災(zāi)，就能控制它的蔓延。在另一種應(yīng)用中，下井的礦工如果裝備有小的接收機(jī)或收發(fā)信機(jī)，那么對被陷困的礦工就能建立通信。在被陷困礦工的可疑地區(qū)鉆個孔，插入孔內(nèi)用的儀器就能潮勵煤層，從而和被陷困的礦工通信。
本發(fā)明的優(yōu)點是用成像技術(shù)獲得煤層異常的表達(dá)圖像。
本發(fā)明另一優(yōu)點是選擇了適當(dāng)?shù)牟擅悍绞?，可使生產(chǎn)成本降到最低。
本發(fā)明再有一優(yōu)點是祇用最少的設(shè)備和最少的鉆孔數(shù)目，便能得出圖像。
本發(fā)明再有一優(yōu)點是祇用比較低的發(fā)射功率就能成像。
本發(fā)明再有一優(yōu)點是通過對工作面地質(zhì)異常的探測，能夠增加采煤的安全性。
另有一個優(yōu)點是用本發(fā)明的方法可以探測到由河道沙土沖刷引起的部分沖蝕。
還有一個優(yōu)點是用本發(fā)明的方法可以定出頂/底巖石的情況。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是可以用這個設(shè)備和被陷困的礦工通信。因此，增加了采煤的安全性。
再有一個優(yōu)點是用本發(fā)明的方法可以決定煤層火災(zāi)的趨向。
本發(fā)明再有一個優(yōu)點是可以測定煤層的高度。
本發(fā)明再有一個優(yōu)點是在長壁的前面就可得出詳細(xì)的煤層圖像。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點是可以予測頂層的坍落。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點是能夠驗證煤層內(nèi)的異常。
對于那些在本技術(shù)方面具有一般技能的人來說，讀了用各種附圖詳細(xì)說明的實施新型以后，無疑能對本發(fā)明的這些和其它的目的和優(yōu)點，會知道得更加清楚。
附圖圖1是用于本發(fā)明中的煤層巷內(nèi)接收機(jī)的斜視圖;
圖2是用于本發(fā)明中的煤層巷內(nèi)發(fā)射機(jī)的斜視圖;
圖3是用于本發(fā)明中鉆孔內(nèi)用的探頭的截面圖;
圖3a是裝有使探頭居中在鉆孔中的居中架的鉆孔內(nèi)用的探頭的斜視圖;
圖4是圖3鉆孔內(nèi)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)探頭部件的方框圖;
圖5是理想的煤層截面，表明了采用煤層巷道內(nèi)層析成像時圖2發(fā)射機(jī)及圖1接收機(jī)的位置;
圖6是理想的煤層截面，表明了煤層附近的幾個鉆孔和鉆孔內(nèi)探頭及地面設(shè)施的布置;
圖7是理想的煤層頂視圖，表明了頂層巖石成像方法;
圖8是理想的煤層截面，表明了多個儀器勘測方法;
圖9是理想的煤層截面，表明了煤層巷內(nèi)和鉆孔內(nèi)儀器合并使用的勘測方法，其中有垂直鉆孔和水平鉆孔;
圖10是驗證煤層中異常的方法和儀器的理想頂視圖;以及圖11是本發(fā)明另一種鉆孔內(nèi)探頭的實施新型的簡圖。
實施新型的說明圖1表明了一個煤層巷道內(nèi)層析成像用的可攜帶連續(xù)波中頻(CW MF)接收機(jī)，層析成像正如這里所用的是一通用名詞，用來表示中頻(MF)信號對煤層結(jié)構(gòu)的一種電磁成像方法。成像方法可用也可不用層析成像算法。接收機(jī)以數(shù)目字10表示，它是單次變換超外差型接收機(jī)，頻率范圍為300至800KHZ可調(diào)諧，且以5KHZ為增量。接收機(jī)被設(shè)計成它能自動測量發(fā)射信號的場強(qiáng)，并把測得的場強(qiáng)變換成數(shù)信號，以備下一步數(shù)據(jù)處理使用。接收機(jī)10包括調(diào)諧環(huán)形天線11，距離記錄鍵盤12，磁帶記錄器13和場強(qiáng)指示器14。
圖2表示一連續(xù)波中頻發(fā)射機(jī)，它以數(shù)目字20標(biāo)志。發(fā)射機(jī)20是一個B類發(fā)射機(jī)，頻率范圍300至800KHZ可調(diào)諧，且以5KHZ為增量。發(fā)射機(jī)20的輸出功率為20瓦。這足以在520KHZ下根據(jù)介質(zhì)的不同，提供出作用距離至少1550英尺。發(fā)射機(jī)20也有一調(diào)諧環(huán)形天線21。發(fā)射機(jī)天線21和接收機(jī)天線11，例如可由一定圈數(shù)的導(dǎo)線夾在兩片可彎曲的有彈性的塑料片中組成，塑料片固定在一個園上。塑料片可被暫時彎曲，以便通過窄小的地方，其材料例如是市售“LEXAN”牌號的可彎曲塑料，發(fā)射機(jī)20和接收機(jī)10的外形。正如下面所說，要適合于巷內(nèi)使用，它們的方框圖如圖4所示。接收機(jī)10和發(fā)射機(jī)20除了有連續(xù)波信號的能力外，發(fā)射機(jī)20還設(shè)計得能產(chǎn)生和發(fā)射窄帶調(diào)頻(FM)信號，而接收機(jī)10設(shè)計得能接收窄帶FM信號且能解調(diào)這種信號。這種功能可用來測量相移，以便給出對地質(zhì)異常探測和成像的附加有用數(shù)據(jù)。對于這種測量，發(fā)射機(jī)20必須對接收機(jī)10發(fā)射一個參考信號。這個信號如圖5所示是通過光導(dǎo)纖維22傳送，光導(dǎo)纖維22通過插頭24藕合至接收機(jī)10，并通過插頭26藕合至發(fā)射機(jī)20。
巷道內(nèi)成像需要進(jìn)入到煤層附近。對于首巷和尾巷尚未挖好的情況，例如在前進(jìn)式長壁情況，或者對于煤床相當(dāng)淺而地面鉆探特性相當(dāng)好的情況，可采用鉆孔內(nèi)探頭的地面成像。圖3表示了鉆孔內(nèi)探頭的一般形狀，并用數(shù)目字30標(biāo)出。探頭30是園柱形的，以便插到標(biāo)準(zhǔn)尺寸的鉆孔中。探頭30包括一個園柱式外殼37，直徑約2英寸。園柱外殼37可用各種材料做成，在本實施新型中最好選用玻璃鋼之類的透無線電輻射的材料。園柱外殼37內(nèi)裝有可旋轉(zhuǎn)的支架40。支架40是一實心園柱，有縱向槽42，兩頭是平面43。每個平面43上裝有模塊式電路板，包括天線指向控制44、調(diào)制解調(diào)器45以及接收機(jī)46或發(fā)射機(jī)47，這決定于這個探頭具有接收機(jī)能力還是發(fā)射機(jī)能力。在縱槽42內(nèi)，放有調(diào)諧環(huán)形天線48的導(dǎo)線。由于調(diào)諧環(huán)形天線無線電傳輸?shù)姆较蛐?，所以對接收機(jī)探頭和發(fā)射機(jī)探頭的天線都必須裝有機(jī)械旋轉(zhuǎn)的裝置，使這兩天線能調(diào)整到同一平面上，這是在園柱外殼37內(nèi)靠馬達(dá)49帶動支架40旋轉(zhuǎn)來完成。馬達(dá)49固定在園柱外殼37的近端處，和支架40有機(jī)械的連接，使支架40在外殼37內(nèi)能作完全的360°旋轉(zhuǎn)。在這個實施新型中，驅(qū)動馬達(dá)49的功率由6個鎘電池50供給，鎘電池50固定在支架40的近端，正好在馬達(dá)49的下面，園柱外殼37在遠(yuǎn)端用蓋帽51封住，在近端用蓋帽52封住。蓋帽52上裝有標(biāo)準(zhǔn)的4芯插座，以便插座電纜54?？侩娎|54把探頭30與地面設(shè)備聯(lián)接起來，且通過它傳送成像用的數(shù)據(jù)，配合鉆孔內(nèi)接收機(jī)30用的地面電子設(shè)備包括強(qiáng)度顯示器/記錄器，調(diào)制解調(diào)器以及當(dāng)探頭工作在FM模式時在兩探頭之間傳送參考信號的無線電發(fā)射機(jī)/接收機(jī)。
為了保證探頭同心地放置在鉆孔中，如圖3a所示，探頭上要裝一居中定位夾子。這個居中定位夾一頭有個近端蓋帽55，這個蓋帽能附在探頭近端蓋帽52上。蓋帽55有一中心孔，電纜54穿過中心孔引出。套筒56緊套在探頭30外殼37的遠(yuǎn)端，蓋帽55和套筒56裝有3條至4條箍帶57。箍帶57由堅韌有彈性的材料做成，例如用不銹鋼薄條做成。箍帶中部彎成向外凸出的弧形，便于與鉆孔內(nèi)壁接觸，箍帶57相當(dāng)柔韌，能使探頭30保持在鉆孔中央，并使探頭很容易在鉆孔內(nèi)滑下。
鉆孔內(nèi)的設(shè)備和地面勘測方法也可以在開采中使用，例如當(dāng)開采煤煤層下面發(fā)現(xiàn)有新煤層時，在這種情況下，從現(xiàn)在的煤層中還可鉆孔到下面煤層，仍采用鉆孔內(nèi)的儀器和方法。
本實施新型對于鉆孔內(nèi)探頭30和煤層巷內(nèi)儀器10和20都打算采用模塊式的元部件。這樣可降低成本和便于維修。圖4是模塊式部件的一般方框圖。
表1是一份模塊部件的清單，表2是矩陣表示，說明每個鉆孔內(nèi)探頭30和巷道內(nèi)儀器10及20的組成。
表1模塊 部件A1 接收機(jī)A3 發(fā)射機(jī)A10 C3調(diào)制解調(diào)器A13 顯示器/記錄器B6 Nicd電池調(diào)諧環(huán)形天線附件C1 鉆孔式C2 便攜式表2 組成矩陣儀器 A1 A3 A10 A13 B6 C1 G2鉆孔式(30)發(fā)射機(jī) 1 1 1 1接收機(jī) 1 1 1 1地面 1 1巷道內(nèi)(10或20)發(fā)射機(jī)20 1 1 1接收機(jī)10 1 1 1 1設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的一些例子都表明在表3至7內(nèi)。表3列出了系統(tǒng)的一般工作參數(shù)。表4以表5列出了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。表6說明發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線的特性，表7給出了調(diào)解解調(diào)器的指標(biāo)。
表3系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)信號發(fā)射形式 CW及窄帶FM頻率范圍 300至800KHZ調(diào)諧 5KHZ增量峰值頻偏 100HZ調(diào)制頻率范圍 200HZ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)形式 互補(bǔ)B類模塊說明 A3頻率范圍 300至800KHZ調(diào)諧 5KHZ增量輸出功率 20瓦平坦性 ±1/2DB射頻負(fù)載阻抗 50歐及200歐電壓駐波比VSWR 最大3∶1混頻振蕩器 10.7MHZ信號振蕩器 100HZ電源工作電壓 9至15伏直流所需電流 3.5安插頭型式 MOLEX輸出功率 2VCC 1地線 1光纖電纜(參考) 11
表5接收機(jī)形式 單變換超外差式模塊說明 A1頻率范圍 300至800KHZ調(diào)諧 5KHZ增量IF頻率 10.7MHZ阻抗 50歐靈敏度 0.1微伏(對于12DB信噪比)選擇性3DB帶寬 200HZ(最小)70DB帶寬 1KHZ音頻嘯聲抑制 50DB(最小)無嘯聲抑制 30DB(100UV)負(fù)載 8歐頻率響應(yīng)3DB 10、70、100HZ電壓表型式 與發(fā)射機(jī)本地振蕩器同步量程 0至360°
表6天線形式 調(diào)諧環(huán)形天線頻率范圍 300至800KHZ圈數(shù) 11磁矩鉆孔式 8ATM2@20瓦可攜式 8ATM2@20瓦指向形式 磁通門羅盤(鉆孔式)表7C3調(diào)制解調(diào)器形式 MANCHESTER碼格式16位碼功能功率 開/關(guān)天線位置 ±30個指令在不能直接靠近煤層的場合，可以把鉆孔內(nèi)探頭30插到煤層周邊的一系列鉆孔中進(jìn)行地面成像，這種方法如圖6所示。
煤層成像是基于煤和異常結(jié)構(gòu)的不同電導(dǎo)率。巖石的電導(dǎo)率比煤的電導(dǎo)率要大幾個數(shù)量級。調(diào)諧環(huán)形發(fā)射天線的垂直轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生出水平磁場Hφ及垂直電場Ez。在煤層高度上，這兩個場強(qiáng)差不多是常數(shù)。在遠(yuǎn)離天線軸向距離上，這兩場強(qiáng)依指數(shù)式衰減，衰減率由有效衰減常數(shù)(α)決定，這個常數(shù)由煤和巖石中的損耗以及煤的介電常數(shù)所決定。煤層厚度減小、煤層電導(dǎo)率增加以及相對介電常數(shù)增加時，這個衰減率估計會增加。當(dāng)巖石電導(dǎo)率增加時，這衰減率要減小。衰減率還依賴于發(fā)射信號的頻率以及煤層的含水量。EMSLIE和LAG-ACE兩人的測量結(jié)果表明，煤的衰減率約為4DB/100英尺。這些事實構(gòu)成了煤層連續(xù)成像法的基礎(chǔ)。
調(diào)諧環(huán)形天線依照下列方程(1)激勵出低損耗煤層自然模式的信號(1)Hφ＝
f(rαhεcεrσcσγ)其中M是發(fā)射天線的磁矩，γ是發(fā)射天線至接收天線的距離，α是衰減常數(shù)，h為煤層高度，εc及εr各為煤層及巖石的電容率，σc及σr各為煤層及巖石的電導(dǎo)率。磁矩M本身依賴于發(fā)射功率Po以及帶寬Bw，它可表示成方程(2)(2)M = CP0BW]]>以上兩個方程一起表明調(diào)諧環(huán)形天線將激勵出煤層自然模式的磁矩，而若能提供最大的磁矩，就能達(dá)到最遠(yuǎn)的距離。窄的帶寬也能改善接收機(jī)的靈敏度和作用距離。接收機(jī)中頻(IF)信噪比為10dB時的接收機(jī)靈敏度S10dB由(3)式給出(3)S10dB＝-164+10log10BWzF+10log10NF其中BWIF是信號的中頻帶寬，NF是接收機(jī)的噪聲系數(shù)。
(3)式表明帶寬減小時靈敏度將增加。(1)、(2)及(3)式的結(jié)果表明對于地質(zhì)勘測儀器來說，連續(xù)波中頻(MF)信號是最佳的。這是因為窄頻帶信號將在煤層中以最低的衰減率(方程3)以及最高的磁矩(方程1及2)傳播。結(jié)果在一定的輸出功率下能使儀器的作用距離為最大。
成像方法依賴于算出的信號強(qiáng)度與由CW、MF儀器測出的信號強(qiáng)度的比較。而以上分析算出的信號強(qiáng)度將有助于對本方法的理解。為了對成像法提供一個基準(zhǔn)讀數(shù)，可用上述的(1)式算出特定煤層中希望獲得的信號強(qiáng)度。為了做到這一點，可對待定的煤層測出各個參數(shù)，然后利用(1)式的結(jié)果。
傳播的信號是在遠(yuǎn)端接收機(jī)接收。由于煤層“有效”電導(dǎo)率的增加或者煤層高度的減少，沿著有異常煤層的途徑，電磁波的傳播會受到較大衰減率的作用。因此，比較了許多接收信號的電平，可檢測出途徑上的異常。此外，中頻無線電信號的折射率在純煤中變化緩慢，因此信號基本上沿直線傳播。煤層中的傳播基本是平面橫向電磁波(TEM)傳輸線模式，在以電導(dǎo)率高的上下巖石為邊界的平面煤層中，電場是垂直的，磁場是水平的，像巖石這種煤層內(nèi)的異常，其折射率不同于煤的折射率，因此，信號途徑會偏出一個較大的度數(shù)。窄帶調(diào)頻(FM)信號可以測出這種途徑損耗，從而提供出探測異常的第二種方法，最后，F(xiàn)M信號沿傳播途徑的相移也能指出煤層中異常的存在。
當(dāng)需要有高分辨率時，層析成像比連續(xù)成像更受歡迎。層析成像采用了衰減率最低的頻率以及多方面的空間測量，結(jié)果提高了分辨率。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的各個方向上測出衰減率，再用計算機(jī)輔助成像方法去分析所得的數(shù)據(jù)點，就能得出異常的一個表達(dá)圖形。
為了得到好的分辨率，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離應(yīng)大于λ0/2，其中λc是煤層中信號的波長。對于本實施新型的520KHZ發(fā)射頻率來說，煤層中的信號波長是97.7英尺。這使最小的分開距離為15.56米。
圖5表明了煤層巷道內(nèi)層析成像方法，因而要采用能在巷道內(nèi)攜帶的接收機(jī)10及發(fā)射機(jī)20，且依據(jù)使分辨率成為最大的方式進(jìn)行。發(fā)射機(jī)20的調(diào)諧環(huán)形天線21在300至800KHZ內(nèi)事先選定的一個頻率上激勵出煤層自然模式的水平磁場分量(Hφ)，使在給定的功率輸出下提供出最大的場強(qiáng)。接收機(jī)調(diào)諧環(huán)形天線11調(diào)整到與發(fā)射機(jī)天線21在同一平面，使接收到的場強(qiáng)成為最大。為了得到最大的分辨率，這兩儀器的分開距離要大于15.56米。在本實施新型中，煤層是600英尺(200米)寬，因此有足夠的分開距離。從圖5中看出，煤層70中若有巖石/沙土障礙74，這塊巖石/沙土障礙74將作為一塊對無線電波傳播有影響的質(zhì)量而引起傳輸信號的衰減。又因為層析成像方法采用了最低衰減率的信號頻率以降低發(fā)射機(jī)的輸出功率，所以在首巷道和尾巷道處不希望有連續(xù)的電導(dǎo)體存在。這種電導(dǎo)體能產(chǎn)生二次磁場，從而干擾了接收信號電平的測量。為了在巷內(nèi)層析成像勘測中得出足夠的分辨率，應(yīng)該在不同位置進(jìn)行測量和收集數(shù)據(jù)。這個步驟可以這樣來完成，即對首巷道78中每個發(fā)射機(jī)位置，在尾巷道76的各個特定位置上(指定為X0、X1、……Xn)進(jìn)行一系列接收信號強(qiáng)度的測量。同樣，在首巷道78內(nèi)，把發(fā)射機(jī)20放在一系列特定的位置(指定為Y0、Y1、……Yn)而接收機(jī)10放在尾巷道76的相應(yīng)位置上。在巷道內(nèi)每個接收機(jī)位置上，都要用記錄鍵盤12來記錄接收機(jī)相對于發(fā)射機(jī)的坐標(biāo)位置。這些坐標(biāo)都轉(zhuǎn)成數(shù)字信號并且和測得的接收信號值一起存到磁帶記錄器內(nèi)。因此在重構(gòu)這些數(shù)據(jù)時，測得的信號可以根據(jù)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相對位置的改變而進(jìn)行校正。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位置的縱向間隔決定于所需圖象的分辨率。結(jié)果收到的信號數(shù)據(jù)都變換成數(shù)字形式后存入到接收機(jī)10的盒式磁帶13內(nèi)，并能用計算機(jī)層析成像算法進(jìn)行分析。這種計算機(jī)輔助成像算法將提供出煤層結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖象。產(chǎn)生數(shù)據(jù)的計算機(jī)也可包括把煤層參數(shù)(電異率、煤灰成分等)打印出來的打印機(jī)和用于采煤計算機(jī)的數(shù)字磁帶圖象終端。
圖6表示的是基于煤層地面成像的地面設(shè)備。被成像的煤層用數(shù)目字80代表，可以看到在煤層中有一異常82存在。根據(jù)邊界勘探方案而采用地面成像法時，要沿著長壁采區(qū)的邊界鉆許多孔84。在本實施新型中，1200英尺總寬及6000英尺長的兩塊相鄰長壁采區(qū)可以用10個鉆孔的鉆探計劃來成像。這個鉆探計劃將能探測到采區(qū)中的煤層異常。如果在一個采區(qū)中發(fā)現(xiàn)了一種異常，就需制定一個收斂的搜索方案去決定它的走向。這種搜索向案就是在確定異常的邊界內(nèi)再鉆一些平分的鉆孔。煤層地面成像所進(jìn)行的方式與煤層巷道內(nèi)成像方法是類似的。在長壁采區(qū)的邊界周圍鉆一系列孔后，便把探頭30插入鉆孔84中直到煤層的深度，這個深度在巖心取樣時已經(jīng)知道。圖6表明了一種垂直位移的異常，結(jié)果是煤層一端比另一端深。因為信號是經(jīng)過煤傳送的，所以放到煤層深度的接收機(jī)探頭30不一定和發(fā)射機(jī)探頭30具有同樣的深度。鉆孔內(nèi)的探頭30，包括接收機(jī)探頭和發(fā)射機(jī)探頭，插在相對的兩個鉆孔84中。利用鉆孔內(nèi)探頭30近端處的馬達(dá)49，可把接收機(jī)和發(fā)射機(jī)天線段48調(diào)整到同一平面。天線的指向是通過地面控制單元85來決定和控制的，控制單元85則包括遙測和控制設(shè)備以及一個調(diào)制解調(diào)器。這些單元和探頭控制設(shè)備以及電纜等都裝在拖車86內(nèi)。連續(xù)波FM中頻(CWMF)的傳輸是按煤層巷道內(nèi)成像方法同樣的方式進(jìn)行，并且測出衰減率和/或相移。在每個鉆孔84中，要用接收機(jī)探頭30以及發(fā)射機(jī)探頭30重復(fù)進(jìn)行這個過程。
這種地面測量的方法也可帶到地下表面去做。當(dāng)要勘測已經(jīng)開采層下面的煤層時就出現(xiàn)這種情況。于是現(xiàn)有煤層的底就變成地面，并且在其上可以鉆孔來探測下面的煤層。鉆孔內(nèi)的探頭30仍插入所鉆的孔中，而測量則依正常的地面探測方式讀取。
然后分析所得的連續(xù)數(shù)據(jù)，看有沒有出現(xiàn)衰減增加的地方。這些地方就是斷裂區(qū)或其它地質(zhì)異常區(qū)域。如果所鉆的洞孔足夠多，那么就可以用計算機(jī)輔助層析成像技術(shù)來分析這些數(shù)據(jù)，并和煤層巷內(nèi)方法一樣可得出圖像的結(jié)果。
此外，利用連續(xù)波中波頻率的連續(xù)測量可以決定底或頂?shù)奶匦浴＿@個方法和向下鉆孔的連續(xù)測量相類似，但測頂層情況時要把接收機(jī)和發(fā)射機(jī)探頭30放在煤層頂部，測底層情況時把它們放在底部。于是信號在附近的巖石中傳播，信號衰減即被測出。這樣可以定出巖石的類別和頂部或底部的情況。頂部巖石特性也可以用下面的方法來決定;即把巷道內(nèi)接收機(jī)10發(fā)射機(jī)20放在尾巷道和首巷道76及78非常接近的地方，例如間隔約在25英尺，并用背面以及或者重構(gòu)算法來得出一幅常數(shù)衰減率的等厚圖。圖7說明了正在開采的巷道100內(nèi)獲得頂部巖石情況圖像的一種方法，這條巷道是處在已有巷道76及78之間。接收機(jī)10放在巷道76內(nèi)一系列點處(X0、X1，……Xn)，發(fā)射機(jī)20則放在巷道78內(nèi)一系列點處(Y0、Y1、……Yn)，而巷道100則在巷道76及78之間。從發(fā)射機(jī)20發(fā)送一中頻信號至接收機(jī)10，就可測出衰減率，并可用背面及或重構(gòu)算法分析結(jié)果的數(shù)據(jù)。為了改進(jìn)所得的圖像，儀器位置之間的距離可以縮短，例如25英尺或更短些。須注意，這個方法可用來在已有巷道76及78之間對單一巷道100成像，也可對多個巷道100成像。
圖8說明了在煤層70內(nèi)采用單一發(fā)射機(jī)20及多臺接收機(jī)10的探測方法。這個方法加速了所需數(shù)據(jù)的獲得，同樣可以用單一接收機(jī)10及多臺發(fā)射機(jī)20或多臺接收機(jī)10及多臺發(fā)射機(jī)20。
對于某些特定的目的，還可利用煤層巷內(nèi)及向下鉆孔探測技術(shù)的許多變更方法。如圖9所示，在交叉鉆孔探測方法中鉆孔內(nèi)探頭30可以和巷道內(nèi)接收機(jī)10及或發(fā)射機(jī)20一起使用，這樣可以對正在開采的巷道旁一個新開采煤層102中存在的異常獲得高分辨的圖像。結(jié)果的數(shù)據(jù)也可用背面重構(gòu)算法及或?qū)游鏊惴▉矸治觥?br>圖9也說明沿著水平巷道內(nèi)鉆孔104方向測定煤層高度的一種方法。這個方法仍采用交叉鉆孔法，用一個巷道內(nèi)發(fā)射機(jī)20以及插在水平鉆孔104內(nèi)的鉆孔型的探頭30，鉆孔104垂直于發(fā)射機(jī)勘測線A。接收機(jī)探頭30橫放在鉆孔104內(nèi)，對于發(fā)射機(jī)位置Y0、Y1……Yn中的每一位置，探頭30在不同位置讀取信號衰減。分析了衰減率對水平鉆孔104中儀器位移的一個圖形后，便可定出沿鉆孔104的煤層高度。然而這個方法打算用于煤層70，這個煤層已經(jīng)有預(yù)先存在的巷道76及78或巷道100可以放置巷內(nèi)儀器10或20，采用這個方法時，還可以把探頭10插到一系列鉆孔108中，這些鉆孔位在垂直于鉆孔104的一條線上。圖9還說明一種巷內(nèi)平行鉆探法，它可以對兩個水平縱向鉆孔110之間的煤層70成像。鉆孔式探頭30插入到鉆孔110中，和所有其它勘測方法一樣，要在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的各個位置上得出一系列讀數(shù)。這種方法的一種變形是鉆出縱向的水平孔110和橫向的水平孔104，無線電波便在鉆孔104及110的對角線上傳輸，象所有的方法一樣，也可把垂直的鉆孔內(nèi)儀器和水平移動的儀器之一或兩者一起使用。在這里可以注意一下，利用現(xiàn)代的定向鉆探技術(shù)，可以用地面鉆機(jī)鉆出水平的巷內(nèi)洞孔，因此進(jìn)一步擴(kuò)展了鉆孔勘探方法的范圍。鉆孔110以及或104可在煤層70內(nèi)，在幾個不同的高度上開鉆。上述任一種煤層巷內(nèi)勘測方法都可在坍陷法開采中用來對坍陷的成像。
用以上任一種勘測方法測出的異常，可以把直接信號和反射信號比較一下得以證實。如圖10所示，煤層70中放一臺發(fā)射機(jī)，它可以是巷內(nèi)儀器20或鉆孔內(nèi)儀器30，它向異常74發(fā)射連續(xù)波MF信號。再把一臺接收機(jī)放在發(fā)射機(jī)旁邊，它可以是巷內(nèi)儀器10或鉆孔內(nèi)探頭30，用來接收從異常74反射回來的信號。從發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)來的信號經(jīng)過方向合器112的第一接口由環(huán)形天線111發(fā)射，然后遇到異常74，把一部分信號反射回來。反射回來的信號通過天線111進(jìn)入方向合器112的第二接口，并在合器112內(nèi)比較了發(fā)出信號的功率和反射回來的信號的功率。異常74的存在將在煤層70反射回來的功率上增加反射功率。
在采煤區(qū)70中，一旦找到了異常，對長壁開采的影響可以這樣來改善，就是把長壁分成幾段。比如第一段避開這種異常，第二段向異常掘進(jìn)，在異常的任一側(cè)垂直于長壁的前進(jìn)方向，利用連續(xù)開采技術(shù)開采出采下房區(qū)和準(zhǔn)備房區(qū)。整個長壁繼續(xù)掘進(jìn)直到第二部分進(jìn)入采下房區(qū)。到達(dá)這點時，這部分就采下了并且準(zhǔn)備開采準(zhǔn)備房區(qū)。同時，長壁的第一部分繼續(xù)掘進(jìn)，并和異常區(qū)遠(yuǎn)端的第二部分重新聯(lián)在一起。另一種不中斷長壁開采的方法是用已知的手段來使異常破裂。比如，用高壓的泥漿沖刷，或者用通常的爆破手續(xù)等。
對深于1700英尺的鉆孔，鉆孔時很費時費錢，并且加護(hù)套所化的代價也高。如果不加護(hù)套的話，鉆桿取出后鉆孔則會被堵住。對于這種鉆孔，可以采用探頭30的另一種實施的新的類型(如圖11所示)。這類探頭120主要包括環(huán)形天線42′，馬達(dá)49′與天線42′在機(jī)械上聯(lián)在一起，并能使天線42′繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。電壓電平標(biāo)定電路121以及與功率及控制裝置123相聯(lián)的電纜122。地面的功率及控制單元123包括發(fā)射機(jī)以及/或接收機(jī)電路，用來發(fā)射信號至環(huán)形天線48′或自環(huán)形天線48′接收信號。電源和信息信號都從單元123供至探頭120，接收回來的信息信號通過電纜122仍送回單元123。電壓電平標(biāo)電路121產(chǎn)生一精確的信號電平，用來標(biāo)定從天線至控制裝置123整個信號途徑。當(dāng)鉆探方案完成后，探頭120可以留在鉆孔中很長一段時間，需要時即可用它。探頭120也可以包括密碼封鎖電路124，這樣可以防止非有關(guān)單位去使用這個探頭120，典型情況是，探頭通過塑料管插到鉆孔內(nèi)，或者經(jīng)過鉆桿直接插入。塑料管或鉆桿取走后探頭120便留在鉆孔中。
雖然這項發(fā)明已經(jīng)用這里所推薦的實施新型來說明，但應(yīng)認(rèn)識到不能把這種透露解釋成一種限制。對于那些熟悉這門技術(shù)的人來說，讀了本透露的內(nèi)容以后，無疑能夠作出許多變化和修改。因此，這里打算把所附的權(quán)利要求
解釋成包括落入本發(fā)明真正精神和范圍內(nèi)的所有的變化和修改。
權(quán)利要求
定義本發(fā)明的權(quán)利要求
如下1、探測和分析地質(zhì)異常的儀器，它包括一套發(fā)射機(jī)，它有一調(diào)諧環(huán)形天線，天線能在礦層中垂直旋轉(zhuǎn)，這個天線和發(fā)射機(jī)藕合在一起，在直至約800KHZ的中頻頻帶上發(fā)射連續(xù)波窄帶FM信號；一套接收機(jī)，它有一調(diào)諧環(huán)形天線，天線能在所說礦層中垂直旋轉(zhuǎn)，這個天線和連續(xù)波中頻接收機(jī)藕合在一起，可以接收由發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號，所說的接收機(jī)包括測量裝置，至少可以測出接收信號的場強(qiáng)，所說的接收機(jī)還包括記錄裝置，用來記錄所說的場強(qiáng)；以及計算機(jī)輔助處理裝置，用來解釋結(jié)果記錄的數(shù)據(jù)。
2.權(quán)項1的儀器，其中所說的中頻頻率范圍約為300至800KHZ。
3.權(quán)項1的儀器，其中一套發(fā)射機(jī)包括鉆孔內(nèi)用的發(fā)射探頭，發(fā)射探頭包括一加長的裝有附件的裝置。其中亦包括所說的發(fā)射機(jī)，所說的天線電氣上與所說發(fā)射機(jī)藕合，機(jī)械上與驅(qū)動裝置藕合，所說天線能繞所說探頭的中心垂直軸旋轉(zhuǎn)，所說探頭還包括一調(diào)制解調(diào)器，后者與所說發(fā)射機(jī)以及電纜相聯(lián)，而電纜則把所說探頭與地面控制設(shè)備聯(lián)接起來;一套接收機(jī)包括鉆孔內(nèi)用的接收探頭，接收探頭包括一加長的裝有附件的裝置，其中亦包括所說的接收機(jī)，所說的天線電氣上與所說接收機(jī)藕合，機(jī)械上與驅(qū)動裝置藕合，所說天線能繞所說探頭的中心垂直軸旋轉(zhuǎn)，所說探頭還包括一調(diào)制解調(diào)器，后者與所說接收機(jī)以及電纜相聯(lián)，而電纜則把所說探頭與若干個地面分析設(shè)備相聯(lián);以及所說地面分析設(shè)備包括顯示器和記錄器，用來顯示和記錄收到信號的所說特性。
4.權(quán)項3的儀器，其中地面控制設(shè)備包括一個調(diào)制解調(diào)器，功率輸出控制裝置以及天線指向控制裝置;以及地面分析設(shè)備還包括一個調(diào)制解調(diào)器和天線指向控制裝置。
5.權(quán)項3的儀器以及進(jìn)一步包括一個參考信號輸出插頭，后者與發(fā)射機(jī)藕合，經(jīng)過它直接傳送FM參考信號;一個參考信號輸入插頭，它與接收機(jī)藕合，用來直接接收所說FM參考信號;以及一個參考信號傳輸裝置，它使所說參考信號輸出插頭與所說參考信號輸入插頭藕合，在其間靠它傳送參考信號。
6.權(quán)項3的儀器，其中所說參考信號傳輸裝置包括一個與所說地面控制設(shè)備藕合的地面發(fā)射機(jī)，適應(yīng)于發(fā)射FM參考無線電波信號;以及一個與所說地面分析設(shè)備藕合的地面接收機(jī)，適應(yīng)于接收所說FM參考無線電波信號。
7.依照權(quán)項1的儀器，其中
一套發(fā)射機(jī)包括一個攜帶式機(jī)殼裝置，機(jī)殼內(nèi)亦包括所說的發(fā)射機(jī)。所說調(diào)諧環(huán)形天線藕合至所說發(fā)射機(jī)并裝在機(jī)殼裝置的外面，有一與所說發(fā)射機(jī)藕合的FM參考信號輸出插頭，適應(yīng)于與參考電纜裝置相聯(lián);一套接收機(jī)包括一個攜帶式機(jī)殼裝置，機(jī)殼內(nèi)亦包括所說的接收機(jī)，所說調(diào)諧環(huán)形天線藕合至所說接收機(jī)并裝在機(jī)殼裝置的外面，有一與所說接收機(jī)藕合的FM參考信號輸入插頭，適應(yīng)于與參考電纜裝置相聯(lián)，所說接收機(jī)還包括一個與所說接收機(jī)相藕合的顯示記錄器，一個與所說顯示記錄器藕合的磁帶傳動機(jī)構(gòu)以及一個與所說顯示記錄器藕合的距離巷道鍵盤;以及計算機(jī)輔助處理裝置包括一種算法，能把記錄的數(shù)據(jù)構(gòu)成圖像，以便說明所說結(jié)構(gòu)的特性。
8.權(quán)項7的儀器以及進(jìn)一步包括一個參考信號輸出插頭，它與發(fā)射機(jī)藕合，經(jīng)過它直接傳送FM參考信號;一個參考信號輸入插頭，它與接收機(jī)藕合，用來直接接收所說FM參考信號;以及一個參考信號傳輸裝置，它使所說參考信號輸出插頭與所說參考信號輸入插頭藕合，在其間靠它傳送參考信號。
9.權(quán)項8的儀器，其中所說參考信號傳輸裝置包括一根電纜。
10.依照權(quán)項9的儀器，其中所說電纜是一根光導(dǎo)纖維纜。
11.權(quán)項1的儀器，其中一套發(fā)射機(jī)包括一嵌入的環(huán)形天線，以便插在鉆孔內(nèi)，有一馬達(dá)在機(jī)械上與所說天線藕合，天線能繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，一個電壓電平標(biāo)定電路，電壓電平標(biāo)定電路電氣上與所說天線藕合，用來供出精確的信號電平，以及地面發(fā)射機(jī)及控制裝置，地面發(fā)射機(jī)及控制裝置通過一根長電纜與所說天線、馬達(dá)以及標(biāo)定電路藕合。
12.權(quán)項11的儀器以及進(jìn)一步包括一個編碼封鎖電路，它與所說馬達(dá)、所說標(biāo)定電路以及所說地面發(fā)射機(jī)及控制裝置相藕合。
13.權(quán)項1的儀器，其中一套接收機(jī)包括一個嵌入的環(huán)形天線，以便插在鉆孔內(nèi)，有一馬達(dá)在機(jī)械上與所說天線藕合，天線能繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，一個電壓電平標(biāo)定電路，電壓電平標(biāo)定電路電平上與所說天線藕合，用來供出精確的信號電平，以及地面發(fā)射機(jī)及控制裝置，地面發(fā)射機(jī)及控制裝置通過一根長電纜與所說天線、馬達(dá)以及標(biāo)定電路藕合。
14.權(quán)項13的儀器以及進(jìn)一步包括一個編碼封鎖電路，它與所說馬達(dá)、所說標(biāo)定電路以及所說地面發(fā)射機(jī)及控制裝置相藕合。
15.權(quán)項6的儀器，其中發(fā)射機(jī)天線和接收機(jī)天線都放置在遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的地方。
16.權(quán)項1的儀器，其中所說發(fā)射機(jī)及接收機(jī)調(diào)諧環(huán)形天線包括可彎曲塑料材料做的第一及第二塑料帶，這兩條塑料帶固定在一起并在一個園上，其間夾有若干個導(dǎo)線繞組。
17.在地下煤層結(jié)構(gòu)中探測地質(zhì)異常的一種方法，它包括在需要分析的煤層附近，放一FM發(fā)射機(jī)，這臺發(fā)射機(jī)具有發(fā)射連續(xù)波的能力，頻率為約800KHZ以下的中頻范圍，發(fā)射機(jī)包括一個調(diào)諧環(huán)形天線，用來使電波在所說煤層中傳播;在所說煤層附近但遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)的地方，放一中頻FM接收機(jī)，所說煤層是在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間，這個接收機(jī)具有接收連續(xù)波的能力，并包括一調(diào)諧環(huán)形天線，所說接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的調(diào)諧環(huán)形天線，放得彼此平行且與所說煤層相垂直，所說接收機(jī)還包括測量和記錄裝置，用來測量和記錄通過所說煤層而收到所說電波的特征;算出信號經(jīng)過所說煤層的若干傳輸特性;令所說煤層暴露于連續(xù)波中頻電波的多次傳輸中，在這種傳輸中，電波從發(fā)射機(jī)經(jīng)過所說煤層水平地傳播到接收機(jī);測出信號經(jīng)過所說煤層的若干傳輸特性;在所說煤層附近，把發(fā)射機(jī)和接收機(jī)放在一些不同位置上，產(chǎn)生出許多數(shù)據(jù)點，此時對于發(fā)射機(jī)的每一位置，接收機(jī)要放在所說煤層附近一系列予先選好的點上;以及比較所說算出的信號傳輸特性與所說測出的信號傳輸特性，并由此產(chǎn)生出所說結(jié)構(gòu)的一個表達(dá)圖像。
18.權(quán)項17的方法，其中所得的數(shù)據(jù)用計算機(jī)層析成像算法分析，由此產(chǎn)生出煤層異常的表達(dá)圖形。
19.權(quán)項17的方法，它進(jìn)一步包括在需要成像的所說煤層一側(cè)附近，鉆一系列第一組鉆孔，在煤層相反一側(cè)鉆一系列第二組鉆孔，煤層介于第一組鉆孔及第二組鉆孔之間;依此在第一組鉆孔的每一鉆孔中，插入所說中頻發(fā)射探頭，而在第二組鉆孔中插入所說中頻接收探頭，接收探頭及發(fā)射探頭都插到所說煤層的深度，且兩者的深度差不多相等;在第一組鉆孔的每一鉆孔中，從所說發(fā)射探頭發(fā)射中頻信號至一系列第二組鉆孔中的接收探頭，使每個發(fā)射機(jī)地點的信號都送到一系列所說第二組鉆孔的每一鉆孔處的接收探頭，并在每一地點測出若干個信號特性;算出信號通過所說煤層的若干傳輸特性;比較所說沿著每條傳輸途徑測出的特性與所說由煤層成分決定的算出的信號特性，并比較沿著不同途徑的路途衰減，由此來析測煤層的異常;以及用計算機(jī)輔助成像技術(shù)來分析數(shù)據(jù)，結(jié)果得出異常的圖形。
20.權(quán)項19的方法，其中的鉆孔相距約1200英尺。
21.權(quán)項19的方法，其中煤層異常用下法來定位，即在原來發(fā)現(xiàn)有高信號衰減出現(xiàn)的一些鉆孔之間，在其平分點處再鉆一些孔，這樣可產(chǎn)生出另外的一些數(shù)據(jù)點。
22.權(quán)項17的方法，其中地下的結(jié)構(gòu)是煤結(jié)構(gòu);以及異常是煤層中的火災(zāi)。
23.權(quán)項17的方法，所說的信號傳輸特性包括信號的場強(qiáng)。
24.權(quán)項17的方法，所說的發(fā)射機(jī)進(jìn)一步包括一個輸出插座裝置，通過它發(fā)送參考信號;所說的接收機(jī)還包括一個輸入插座裝置，用來接收所說的參考信號;所說的信號輸入及輸出插座裝置都與參考信號傳輸裝置藕合;以及所說測出的信號傳輸特性包括一個相移，這個相移是這樣決定的，即經(jīng)過參考信號傳輸裝置發(fā)送所說參考信號，并把所說發(fā)射的參考信號與經(jīng)過所說煤層發(fā)射的所說信號相比較。
25.權(quán)項17的方法，其中所說測出的信號傳輸特性包括信號的場強(qiáng)。
26.權(quán)項17的方法，其中所說的中頻范圍是在約300KHz至800KHz之間。
27.權(quán)項17的方法，其中若在煤層巷道內(nèi)放一臺接收機(jī)，則至少有一接收機(jī)放在鉆孔內(nèi)。若在煤層巷道內(nèi)放一臺接收機(jī)，則至少有一發(fā)射機(jī)放在鉆孔內(nèi)。
28.權(quán)項17的方法，其中在煤層附近放置若干臺發(fā)射機(jī)和若干臺接收機(jī)，并且同時產(chǎn)生出若干個數(shù)據(jù)點。
29.權(quán)項17的方法，其中在煤層中鉆出橫向的水平鉆孔，并有一個鉆孔內(nèi)用的儀器插在鉆孔內(nèi)的各個點處。
30.權(quán)項17的方法，其中地質(zhì)異常是頂板巖石情況;以及發(fā)射機(jī)放在煤層第一側(cè)邊附近的一系列地方，接收機(jī)放在與所說的第一側(cè)邊相對的煤層的第二側(cè)邊附近的一系列地方，而煤層和一個正在開采的巷道都介在這些發(fā)射機(jī)和接收機(jī)地點的中間。
31.權(quán)項17的方法，其中在煤層中至少鉆有一個第一水平鉆孔和一個第二水平鉆孔，發(fā)射機(jī)插入所說的第一鉆孔中而接收機(jī)插入所說的第二鉆孔中，所說的連續(xù)波FM信號就在這兩鉆孔之間傳送，但發(fā)射機(jī)和接收機(jī)須在所說的鉆孔中處于各個不同的位置。
32.權(quán)項31的方法，其中所說的第一及所說的第二鉆孔彼此平行并沿著煤層的縱方向。
33.權(quán)項31的方法，其中所說的第一及第二鉆孔彼此垂直。
34.權(quán)項31的方法，以及進(jìn)一步至少包括一個垂直向下的鉆孔和用在其中的探頭，連續(xù)波FM信號就在垂直鉆孔和至少一個水平鉆孔之間傳輸。
35.權(quán)項17的方法，其中證實煤層異常的方法是(a)把發(fā)射機(jī)放在煤層內(nèi)異常的附近，把接收機(jī)放在發(fā)射機(jī)附近;(b)把發(fā)射機(jī)藕合到方向藕合器上，并向煤層內(nèi)的異常經(jīng)過煤層直射一個信號，然后在方向藕合器中接收反射回來的信號;(C)在方向藕合器內(nèi)比較直射信號和反射信號的信號強(qiáng)度，反射信號強(qiáng)度與直射信號強(qiáng)度的比值較低時說明沒有異常存在，而比值較高時說明有異常存在。
專利摘要
一種用于對地質(zhì)巖層的異常進(jìn)行檢測和分析的裝置，該裝置包括一與調(diào)諧回路天線相連的發(fā)射機(jī)，天線在地質(zhì)巖層中垂直地面對一定方向。發(fā)射機(jī)在約800KHZ的中頻頻帶上發(fā)射連續(xù)的波窄帶FM信號。一連續(xù)波中頻接收機(jī)能接收到發(fā)射機(jī)的信號，并且與一在地質(zhì)巖層中垂直地面對一定方向的調(diào)諧回路天線相連。該接收機(jī)包括用來測量和記錄所接收到信號的場強(qiáng)的裝置，以及一計算機(jī)輔助處理裝置，用來解釋結(jié)果記錄數(shù)據(jù)。
文檔編號G01V3/12GK85104704SQ85104704
公開日1986年12月17日 申請日期1985年6月19日
發(fā)明者斯托拉爾錫克 申請人:斯托拉爾公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan