无线电磁波透视信号响应与数据校正方法研究
时间：2022-02-20 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技与工程 ★
无线电磁波透视信号响应与数据校正方法研究
现在无线电磁波透视探测技术已广泛应用于综采工作面内地质构造探测中，可以探测出工作面内的断层、陷落柱、火成岩侵入等多种地质异常体，能够较好地指导生产工作[1-6]。但是，在现场实际探测过程中，由于部分探测工作因现场环境的影响引起发射信号一致性差，导致了探测信号信噪比较低，影响了探测效果。为了更好地使用无线电磁波透视探测技术，通过理论与模拟的方法对影响无线电磁波透视探测技术的发射电磁场响应问题加以研究[7-9]，以便在今后的工作中提高无线电磁波透视探测的探测精度。
无线电磁波透视探测技术是通过发射天线辐射响应的电磁场信号数值变化的情况分析地质构造的大小及规模，从而分析构造的性质。在无线电磁波透视探测中保证发射天线辐射场的稳定、减少矿井巷道条件下的各种干扰，可更加准确地提取各种地质构造引起的异常信号，更加精确地探测地质异常体[10-12]。
保证发射天线辐射场的相对稳定，需要在无线电磁波透视探测的各个环节中尽可能地保持相同或相近的工作状态，如果因为现场施工条件的变化引起了辐射响应变化，需要根据参数的变化进行有针对的校正。只有发射辐射场一致性较好，才能突出有效信号，提高信噪比。
1 无线电磁波透视原理
无线电波透视技术中空间电磁波的场源实际上就是天线上的时变电流，求解天线信号问题本质上就是求解边值问题，即求解麦克斯韦方程组[12-22]。煤层工作面坑透通常采用的是偶极子天线发射，其电磁波的传播公式[23-28]为:
(1)
式中：H——介质中某点的实测电磁场强值，A/m；
S——发射天线面积，m2；
I——发射天线电流强度，A；
r——发射点到接收点之间的直线距离，m；
λ——发射电磁波波长，m；
θ——发射天线轴与观测点方向间的夹角，(°)。
由式(1)可知，影响发射辐射信号的主要因素有发射天线面积、发射天线电流强度、发射电磁波波长、发射天线轴与观测点方向间的夹角等因素，当发射频率选定后，发射电磁波波长则固定，可视为常数，因此，影响无线电磁波透视发射电磁信号的主要因素为发射天线面积、发射天线电流强度、发射天线轴与观测点方向间的夹角。
2 电磁波发射信号电磁辐射响应
2.1 发射信号电磁场响应影响因素
在矿井探测煤层中的电磁波信号时，由于现场环境条件复杂，巷道中的铁轨、金属支护、金属管道、电缆等都属于高噪声源，不同的噪声将使电磁波发射信号电磁辐射场产生信号屏蔽作用，从而对探测结果产生不同程度的影响，使探测结果分辨率下降，甚至会产生“假”异常的出现。
这样的问题通过加密测点的方法无法改善，只有从理论以及数值模拟的方法出发，研究电磁波的电磁辐射响应特征，利用更准确的测量参数以及相应的观测方式，对噪声干扰有效压制才是提升巷道电磁波透视法成像精度的有效途径。
由式(1)可知，在影响无线电磁波透视发射电磁信号的主要因素中，可以通过固定发射线圈的方式使发射天线面积不变，不会对探测结果产生影响；可以通过施工设计和现场测量相结合的方式提高发射天线轴与观测点方向间的夹角的精确度。发射天线电流强度受到现场环境的影响，不同的发射点之间由于现场条件的影响，实际产生的电磁场辐射强度不同。在数据处理中往往又忽略了这一点，无法有效提取有效信号，使探测分辨率较低，无法精准地对工作面地质构造进行探测。
无线电波透视系统的发射天线一般采用环形天线，其辐射的磁场电磁波是以线圈为中心，向周围空间辐射。通过推导得到磁源辐射的磁场表达式为：
式中：Hθ——与发射线圈平面垂直的磁场分量，A/m；
Hr——与发射线圈平面平行的磁场分量，A/m；
j——虚数单位；
k——波数，rad/m。
由式(2)和式(3)可以看出，磁场强度有两个分量Hr和Hθ。两个分量都随距离r的增加而呈指数衰减，只是不同分量随r衰减的快慢程度不同。在发射源附近的电磁场辐射响应与发射源远端的电磁场辐射响应有所不同，这是由于电磁场占优势的成分不同。对探测结果影响较大的往往是由于发射源远端的电磁场辐射响应引起的，这种发射源远端的电磁场辐射响应称为远区场。下面将磁源辐射的电磁场远区场进行分析。
当r≫k/2π且k=2π/λ时，即接收场某点P与场源点之间的距离远大于波长λ的区域称为远区。由式(2)可以看出，在方向分量的磁场表达式中起主要作用的是低次幂项，忽略高次幂项，保留低次幂项整理得到：
(4)
由式(4)可以看出，无线电磁波透视的发射天线产生的电磁波是以线圈为中心，向周围空间辐射。远区场中有电磁能量向外辐射，辐射方向为r方向，即指向半径方向。远区场在与发射天线平面法向垂直的方向上，辐射场具有最大值，说明作为磁偶极子的发射天线辐射磁场具有方向性。通过分析发现，只有在远区场才有电磁能量向外辐射，磁源发射天线辐射场功率为：
(5)
式中：Pr——天线辐射场功率，J/m3；
a——发射天线边长，m；
λ0——空气(真空)中的波长，m。
由式(5)可以看出，发射天线的辐射功率主要与发射天线面积、发射电流、电磁波在空气(真空)中的波长有关。当发射天线频率选定时λ0则固定不变，当线圈固定在线框发射磁场辐射信号时S不变。原则上仪器的发射电流是恒定不变的，由于受到现场环境的影响，在发射天线产生电磁辐射后，发射电流会因为环境的不同而产生不同的电感效应，从而影响发射电流的大小，即影响磁源发射天线的辐射功率，最终导致探测不准确。
2.2 电磁场响应干扰校正方法
由于井下巷道各种电磁噪声因素的存在，使得发射天线电磁辐射信号中有很多干扰成分，对数据处理解释造成了一定程度的影响。消除实测数据中的噪声，是探测准确有效的重要前提。对金属干扰环境下无线电磁波透视探测数据，必须根据探测环境进行数据校正。
矿井无线电磁波透视的发射与接收装置均位于巷道内，其接收信号为探测范围内各种电磁感应信号的叠加，主要干扰因素包括巷道内的金属支护、电缆管线等。分析这些干扰因素影响下的无线电磁波透视响应特征对于数据处理有着重要意义。可以通过时域有限差分方法计算并模拟电磁波的传播扩散过程，通过对电磁场信号的数值分析，来进行干扰环境下无线电磁波透视数据校正。
由式(4)和式(5)可以看出，井下无线电磁波透视的磁场强度及磁源发射天线的辐射场辐射功率均与发射天线面积、发射电流、电磁波在空气(真空)中的波长有关。矿井无线电磁波透视电磁辐射场源为时间域电磁场，在选定频率后波长固定，发射线圈可通过支架固定以保证发射面积固定。此时只需要分析巷道干扰条件下对发射电流的影响。
假设干扰条件下发射电流为I′，由于巷道磁场干扰，使发射电磁辐射场在其他磁场干扰条件下产生电感的低阻屏蔽效应，结果使发射天线的实际发射电流减小，导致远区电磁辐射磁场强度
以及发射天线辐射场功率
都部分降低，由于不同巷道条件下干扰情况不同，因此需要通过数值计算的方法进行校正。在没有干扰和存在干扰条件下远区电磁场强度比与磁源发射天线辐射场功率比分别为：
式中：
电磁场强度，A/m；
I′——电流强度，A；
天线辐射场功率，J/m3。
令c=I/I′，c为巷道干扰条件下磁源发射天线辐射场校正系数，该系数只与仪器实际发射电流有关。因此，在矿井无线电磁波透视施工中，由于受到不同现场条件的干扰，不能默认仪器发射电流相同，应详细记录每个发射点的发射电流信息，在数据处理时首先通过校正系数对每个发射点对应的接收数据进行数据校正，这样才能使探测结果更加精确。
3 数值模拟
通过建立地电模型分析工作面内没有构造时，不同发射电流条件下对无线电波透视的影响，掌握不同参数时煤层内影响探测效果的规律，将相关结论应用于煤矿的无线电波透视探测工作，分析不同电磁辐射条件下对电磁波接收效果的影响，提高无线电磁波透视的精度。
由于无线电磁波透视电磁辐射接收响应信号同时受到煤(岩)层视电阻率、介电常数以及频率影响，在频率一致的前提下，需要考虑煤(岩)层视电阻率以及介电常数等电学参数。其中，煤的电阻率为100～1000 Ω·m，页岩的电阻率为50～300 Ω·m，砂岩的电阻率为10～1000 Ω·m，粉砂岩的电阻率为10～100 Ω·m，泥岩的电阻率为10～100 Ω·m，石灰岩的电阻率为60～10000 Ω·m，岩溶水的电阻率为15～30 Ω·m。
煤的相对介电常数为2～5，砂岩的相对介电常数为9～11，泥岩的相对介电常数为7～9，火成岩的相对介电常数为7～14，灰岩的相对介电常数为15，水的相对介电常数为80。常见煤层顶底板砂岩、泥岩和灰岩的相对介电常数与煤层有较大差异，这也是无线电磁波透视能够进行探测的地球物理前提。
建立简单的煤(岩)层地电模型，如图1所示，模型由3层地层组成，从上至下分别为砂岩、煤层、砂岩。设置煤层顶底板为砂岩，电阻率为100 Ω·m，相对介电常数为10；设置煤层电阻率为500 Ω·m，相对介电常数为5。电磁波发射频率为0.3 MHz，按照定点工作方式采集数据。
通过CT成像的数值模拟手段，采用SIRT算法计算矩阵方程，反演各单元吸收系数值，实现工作面内探测区域数据成像，绘制成果图。
图1 三层煤(岩)层地电模型
建立模拟施工布置见图2。模拟巷道长度300 m，巷道宽度100 m；分别在50 m、150 m、250 m发射无线电磁波信号，电磁波发射频率为0.3 MHz，在50 m处发射电流为1 A，在150 m处发射电流为2 A，在250 m处发射电流为3 A，通过在同一介质条件下接收到的数据，分析不同发射电流对探测结果的影响。
模拟磁场强度曲线对比见图3。由图3可以看出，在地层条件相同，只有发射电流不同的情况下，接收磁场强度有较大变化，在发射电流分别为3 A、2 A、1 A时，接收磁场强度最大值分别为90 A/m、60 A/m、30 A/m，接收磁场强度与发射电流成正比关系。这也与式(7)的理论计算值吻合，说明在地质条件相同时，只有发射电流不同，探测结果会受到很大影响。由于井下巷道条件复杂，各种人工干扰源较多，导致不同发射点实际发射电流会因现场条件的变化而变化，探测数据不准确，最终处理结果就会存在较大误差，探测精度大大较低。
图2 模拟施工布置
图3 模拟磁场强度曲线对比
4 应用实例
通过现场探测实例，分别记录了发射电流和接收场强，对探测数据进行校正，数据校正结果与校正前进行了对比，通过数据处理对比以及与验证情况的对比，分析了该校正方法在无线电磁波透视探测中的应用效果。校正前后探测成果对比如图4所示。
图4 校正前后探测成果对比
图中蓝色及绿色区域为探测构造异常区。由图4可以看出，校正前后探测成果差异较大，异常区域及范围都有所不同。大的异常区域影响较小，校正前后有所区别，但区别不大，凡遇到小异常区时两者差异明显，说明校正前在探测小构造方面不够精细，无法准确反映煤层中的地质构造信息。通过对探测成果的数据校正，结合矿方提供的钻探验证成果，见图5，综合分析无线电磁波数据校正对探测成果的影响。
图5 回采工作面地质构造
由图4与图5可以看出，校正前探测成果与现场验证情况差异较大。校正前探测结果能够反映0～150 m处的主要异常区，没有准确反映出200～330 m处异常区以及300～450 m处异常区。经过校正计算后的探测成果与实际揭露结果非常吻合，分别在该探测区域揭露断层5处，其中正断层3处，逆断层2处，揭露小型陷落柱2处。说明由于井下环境的干扰，在没有进行校正方法前，探测结果不够精确，无法准确反映地质构造信息。通过校正计算，探测成果能够准确反映地层的地质构造信息。说明该校正方法的可行性与实用性，能够应用于矿井无线电磁波透视探测工作中。
5 结论
分析了无线电磁波透视的基本理论与探测方法，无线电磁波透视在矿井巷道发射中，巷道金属体等干扰因素对发射电磁场信号的影响，无线电磁波透视探测结果受发射场源信号决定。
通过对发射场源信号的基本理论以及数值模拟的研究，分析了井下无线电磁波透视的磁场强度及磁源发射天线的辐射场辐射功率均与发射天线面积、发射电流、电磁波在空气(真空)中的波长有关。在选定频率后波长固定，发射电流的影响对探测结果影响较大、通过对发射电流以及探测角度的精细化校正，校正后的无线电磁波透视发射电磁场辐射响应，大大提高了探测准确性。经过现场试验和验证情况表明，无线电磁波透视技术发射信号电磁辐射响应校正技术与方法能够更加精准地反映地质异常的位置，应用效果良好。
建议在无线电磁波透视探测施工中详细记录发射电流，接收磁场强度以及巷道现场干扰情况，以便在后期的数据处理中进行数据校正，实现无线电磁波透视精细化探测。
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