吳榮新，左汪會，肖玉林

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001）

建筑物對地面坑透實(shí)驗(yàn)電磁波信號的影響

吳榮新，左汪會，肖玉林

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001）

為在地面模擬煤層工作面坑透探測，利用地面建筑物作為探測目標(biāo)體，采用礦井工作面坑透探測的工作方法布置觀測系統(tǒng)進(jìn)行探測實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：（1）穿過地面建筑物路徑的電磁波場強(qiáng)值顯著降低，建筑物的高低及結(jié)構(gòu)不同，對電磁波信號影響程度不同；（2）建筑物范圍在場強(qiáng)平面圖上表現(xiàn)為較低的場強(qiáng)值，在電磁波吸收系數(shù)平面圖上表現(xiàn)為較高的電磁波吸收系數(shù)值；（3）建筑物適用于作為探測目標(biāo)體進(jìn)行地面坑透實(shí)驗(yàn)。

建筑物；坑透；電磁波；場強(qiáng)；工作面

0 引言

由于坑透具有工作效率高、探測精度高和費(fèi)用低等特點(diǎn)，已成為在煤層工作面地質(zhì)構(gòu)造探測中廣泛應(yīng)用的礦井物探技術(shù)，很多煤礦企業(yè)要求所有煤層工作面均進(jìn)行坑透探測，以查明工作面內(nèi)的地質(zhì)異常，為工作面的安全生產(chǎn)提供地質(zhì)保障[1-8]。

受坑透儀器及工作面探測條件限制，難以在地面實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立適合坑透探測的工作面地質(zhì)模型進(jìn)行坑透實(shí)驗(yàn)。地面建筑物是否對穿透路徑上的坑透無線電波場強(qiáng)具有顯著的衰減作用，能否利用地面建筑物作為探測目標(biāo)體設(shè)計(jì)坑透實(shí)驗(yàn)工作區(qū)，是在地面條件進(jìn)行坑透探測模擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問題，對于坑透技術(shù)教學(xué)及培訓(xùn)具有重要的意義。本文嘗試?yán)玫孛娼ㄖ镒鳛樘綔y目標(biāo)，開展了地面坑透實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 地面坑透實(shí)驗(yàn)探測理論基礎(chǔ)

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，它們對電磁波能量吸收不同，低電阻率巖層對電磁波具有較強(qiáng)的吸收作用。另外在波的傳播方向上遇到斷裂構(gòu)造時(shí)，電磁波將在界面上產(chǎn)生反射和折射作用，造成能量損耗。在煤礦井下工作面坑透時(shí)，通常煤層為相對高電阻率地層，為電磁波的導(dǎo)波地層；而在頂?shù)装宸较?，巖層通常為較低電阻率值地層，對電磁波的吸收作用強(qiáng)，電磁波傳播距離小。因此，在工作面一條巷道發(fā)射的電磁波，在穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其它構(gòu)造時(shí)，波能量將被吸收或完全被屏蔽，在另一巷道內(nèi)測只能收到微弱信號或收不到其透射信號，形成透視異常。因此通過工作面坑透成果可以有效地反映出地質(zhì)異常的平面展布范圍。

在地面場地進(jìn)行坑透實(shí)驗(yàn)時(shí)，空氣為高電阻率值介質(zhì)，對電磁波能量吸收較小，有利于電磁波的傳播；而混凝土或磚混建筑物電阻率值顯著低于空氣介質(zhì)，對電磁波具有較強(qiáng)的反射和折射作用，對透視過建筑物的電磁波也具有較強(qiáng)的吸收作用[9-10]，所以在電磁波傳播路徑上，建筑物的存在將會顯著降低電磁波的強(qiáng)度值，穿過建筑物的路徑上接收到的場強(qiáng)信號將變?nèi)趸蚴詹坏綀鰪?qiáng)信號。因此，理論上可以將建筑物所在范圍看作為坑透探測目標(biāo)體范圍，在建筑物兩側(cè)設(shè)計(jì)兩條平行測線，能夠模擬煤礦工作面坑透工作方式，探測出建筑物的平面位置，得到與煤礦工作面坑透相似的結(jié)果。

2 地面坑透實(shí)驗(yàn)

根據(jù)地面實(shí)際條件，在安徽理工大學(xué)校園內(nèi)選擇一教學(xué)樓作為探測目標(biāo)，教學(xué)樓長60 m，寬26 m，高30 m。在距教學(xué)樓南側(cè)和北側(cè)各8 m的位置上布置2條平行測線，測線的端點(diǎn)均超出建筑物兩端外緣10 m（圖1），左端為測線起點(diǎn)，右端為測線終點(diǎn)，測線長80 m。采用YDT-88型礦用本安型無線電波透視儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，工作方式為定點(diǎn)交會法，儀器工作頻率為0.365 MHz。發(fā)射點(diǎn)距為5 m，接收點(diǎn)距為0.5 m，兩測線共布置30個(gè)發(fā)射點(diǎn)，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對應(yīng)21個(gè)接收點(diǎn)。

圖1 地面坑透實(shí)驗(yàn)測線布置圖Figure 1 Ground surface radiowave gallery penetration experiment prospecting line layout

實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)測場強(qiáng)值為37～58 dB（圖2）。測點(diǎn)0～20、140～160為教學(xué)樓外側(cè)范圍，電磁波傳播未受建筑物阻礙，具有較高的實(shí)測場強(qiáng)值52～58 dB，實(shí)測場強(qiáng)曲線較為平直；測點(diǎn)40～120為建筑物主體范圍，具有較低的實(shí)測場強(qiáng)值37～47 dB；測點(diǎn)20～40、120～140為建筑物邊部，實(shí)測場強(qiáng)值表現(xiàn)為過渡特征，場強(qiáng)值為40～55 dB，向建筑物中心方向，場強(qiáng)值逐步降低。由此可見，在電磁波傳播路徑上，該建筑物通過反射、折射及透射吸收作用[9-10]，使得電磁波場強(qiáng)值有顯著的降低，衰減幅度達(dá)10～15 dB。

圖2 實(shí)測場強(qiáng)曲線圖Figure 2 Measured field intensity curves

利用ECT電磁波處理軟件，對采集的實(shí)測場強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到場強(qiáng)分布平面圖和電磁波吸收系數(shù)平面圖（圖3、圖4）[1-2]。在水平方向上，對樓房的范圍探測情況對應(yīng)較一致：樓房外側(cè)表現(xiàn)為較高的電磁波場強(qiáng)值（55～57 dB）和較低的電磁波吸收系數(shù)值（0.10～0.12 dB/m）；樓房除兩邊緣10 m外，表現(xiàn)為較低的電磁波場強(qiáng)值（40～45 dB）和較高的電磁波吸收系數(shù)值（0.14～0.18 dB/m）；樓房兩邊10 m范圍介于前兩者之間。但在垂直方向上，對樓房范圍控制得較差，主要原因?yàn)闃欠康乃椒较蚍秶?，僅依靠兩條水平測線上的透射數(shù)據(jù)難以很好地控制垂向范圍。水平方向35～45 m為一層樓房的進(jìn)出通道，表現(xiàn)為相對略高的場強(qiáng)值（圖3）和略高的吸收系數(shù)值（圖4），反映出建筑物的不同結(jié)構(gòu)在坑透實(shí)驗(yàn)結(jié)果上也有一定反映。

從實(shí)測場強(qiáng)曲線、場強(qiáng)分布平面圖和電磁波吸收系數(shù)平面圖上，對于建筑物范圍都有顯著的反映，說明地面建筑物對于坑透實(shí)驗(yàn)的電磁波透視信號有顯著的衰減作用，衰減場強(qiáng)值可達(dá)10～15 dB?？油笇?shí)驗(yàn)的平面成果圖較好地反映了建筑物的平面范圍，說明利用地面建筑物作為探測目標(biāo)進(jìn)行坑透實(shí)驗(yàn)，能夠達(dá)到良好的教學(xué)及培訓(xùn)效果。

圖3 場強(qiáng)分布平面圖Figure 3 Field intensity distribution plan

3 討論

煤層工作面中不同落差的斷層對坑透信號的影響不同，較大落差的斷層常表現(xiàn)為顯著的場強(qiáng)值降低和高電磁波吸收系數(shù)值；而較小落差的斷層常表現(xiàn)為場強(qiáng)值略有降低和電磁波吸收系數(shù)值略有升高。不同高度的建筑物能否表達(dá)出不同落差斷層的效果呢？在校園中，采用與圖1相同的坑透觀測系統(tǒng)及儀器參數(shù)對一較低的樓房（高9 m）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。測點(diǎn)0～20和140～160未穿過樓房區(qū)，其實(shí)測場強(qiáng)值約55 dB；測點(diǎn)40～120為建筑物主體范圍，具有較低的實(shí)測場強(qiáng)值42～51 dB；測點(diǎn)20～40和120～140為建筑物邊部，實(shí)測場強(qiáng)值表現(xiàn)為過渡特征，實(shí)測場強(qiáng)值48～55 dB?？梢娸^低樓房主體對電磁波衰減影響程度相對要小5～10 dB（圖5），高低顯著不同的建筑物可以模擬落差大小不同的斷層。測點(diǎn)60～100為一層樓房的通道，具有較高的實(shí)測場強(qiáng)值（45～51 dB），也進(jìn)一步說明建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)差異在坑透實(shí)驗(yàn)結(jié)果上有一定反映。

圖4 電磁波吸收系數(shù)平面圖Figure 4 Electromagnetic adsorption coefficient plan

圖5 低樓實(shí)測場強(qiáng)曲線圖Figure 5 Measured low building field intensity curves

目前，坑透廣泛采用的儀器為WKT-6型、WKT-E型和YDT-88型坑透儀，廣泛采用的探測工作頻率為0.3～0.965 MHz[1-4]。在校園實(shí)驗(yàn)場地附近，采用YDT-88型坑透儀，工作頻率為0.365 MHz和0.965 MHz進(jìn)行對比試驗(yàn)。在60 m內(nèi)的收發(fā)距離r內(nèi)，兩種工作頻率所測得的電磁波場強(qiáng)值H總體相當(dāng)，只是0.965 MHz的電磁波場強(qiáng)值衰減得略快一些，無線電波信號在空氣介質(zhì)中的傳播差異相對較小，0.3～0.965 MHz不同工作頻率對地面建筑物坑透實(shí)驗(yàn)影響較?。▓D6）。

圖6 地面實(shí)驗(yàn)H-r關(guān)系圖Figure 6 Ground surface experiment H-r relationship

礦井工作面的寬度通常為100～240 m，長度通常為500～2000 m。而坑透有效的探測距離往往在240 m以下，因此，礦井工作面大多不適合于作四條巷道的兩兩穿透探測，在沿回采方向的兩條長巷道內(nèi)進(jìn)行坑透探測具有典型的代表性。如圖3、圖4所示，本次實(shí)驗(yàn)在建筑物的垂向上控制較差，這也是目前坑透實(shí)際存在的問題，在礦井工作面內(nèi)對走向斷層的位置及大?。ɑ蚍秶┫鄬刂戚^差。

4 結(jié)論

（1）穿過地面建筑物路徑的電磁波場強(qiáng)值有顯著的降低，建筑物的高低及結(jié)構(gòu)不同，對電磁波信號影響程度不同；

（2）建筑物范圍在場強(qiáng)平面圖上為較低的場強(qiáng)值范圍，在電磁波吸收系數(shù)平面圖上為較高的電磁波吸收系數(shù)值范圍，建筑物適合于作為探測目標(biāo)體開展地面坑透實(shí)驗(yàn)。

[1]吳榮新，劉盛東，肖玉林，等.工作面無線電波透視實(shí)測場強(qiáng)成像分析及應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2010，31(增1)：435-440.

[2]吳榮新，張平松，劉盛東，等.礦井工作面無線電波透視“一發(fā)雙收”探測與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(增刊)：170-174.

[3]吳榮新，肖玉林，張平松.坑透和并行電法探查大面寬綜采工作面地質(zhì)異常探討[J].中國煤炭地質(zhì).2013.25(4):63-67.

[4]肖玉林，吳榮新，嚴(yán)家平，等.回采工作面多頻率無線電波透視探測研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2016，44(5)：146-148.

[5]寧書年，張紹紅，楊峰，等.無線電波層析成像技術(shù)及在礦井坑透中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(5)：468-472.

[6]董守華，王琦.層析成像在巷道無線電波透視法中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(5)：579-582.

[7]王均雙，薄夫利，馬沖.坑透CT成像技術(shù)在工作面地質(zhì)構(gòu)造探測中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(10)：93-96.

[8]梁慶華，吳燕青，宋勁.無線電波坑道透視探測的定性分析及其應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(11)：113-118.

[9]皮坤寶，葛萬成，王兆強(qiáng).多層建筑物的室內(nèi)場強(qiáng)預(yù)測模型的探討[J].信息技術(shù)，2004，28(12):72-75.

[10]王長清，祝西里.建筑物內(nèi)電磁波傳播的計(jì)算問題[J].微波學(xué)報(bào)，1995，11(3)：176-181.

Impacting on Electromagnetic Wave Signal from Buildings during Radiowave Gallery Penetration Experiment on Ground Surface

Wu Rongxin,Zuo Wanghui and Xiao Yulin
(School of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001)

In order to simulate coal face radiowave gallery penetration prospecting on ground surface,taking surface buildings as the target,in accordance with mine working face radiowave gallery penetration working mode laid out field setup and carried out prospecting experiment.The result has shown that:(1)the field intensity values of electromagnetic wave pass through buildings have significant reduction,buildings with different heights and structures have different impacting degrees on electromagnetic wave signal;(2)on the field intensity plan,within the range of buildings shown lower field intensity values,on the electromagnetic wave adsorption coefficient plan shown higher adsorption coefficient values;(3)buildings are suitable to use as prospecting target to carry out ground surface radiowave gallery penetration experiment.

building;radiowave gallery penetration;electromagnetic wave;field intensity;working face

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.15

1674-1803(2017)01-0069-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41172137)

吳榮新（1972—），男，安徽鳳臺人，教授，主要從事地質(zhì)工程、地球探測信息技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。

2016-12-17

責(zé)任編輯：孫常長