CN1035361A

CN1035361A - 用相位相干电磁装置探测长形垂直或水平电导体的方法

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Publication number: CN1035361A
Application number: CN89100306.1A
Authority: CN
Inventors: 拉里·G·斯托拉塞克
Original assignee: Stolar Inc
Current assignee: Stolar Inc
Priority date: 1988-01-14
Filing date: 1989-01-14
Publication date: 1989-09-06
Anticipated expiration: 2004-01-14
Also published as: CA1324635C; AU2834989A; US4994747A; AU607572B2; CN1020243C

Abstract

用于探测垂直或水平取向的地下电导体的方法和设备。该设备包括由光缆连接到相干频率源的地面或孔内发射机，以及孔内接收机。该方法包括：产生在由弱导电岩石包围的电导体中感生电流的第一电磁场，然后，检测由该导体中的感应电流产生的第二电磁场，作为接收机的接收信号。通过在相干频率源中的同步检测来处理接收到的信号，以便从接收到的信号中取出相移和幅值等数据。该方法还可用来查明两个钻孔的间距是否恒定。

Description

本发明总的涉及用于探测由导电性较差的岩石所包围的地下电导体的设备和方法，并更详细地涉及用于探测矿脉或位于地下隧道或钻孔中的导电设备的方法。相位相干接收机用来探测穿过包围该导体的导电性较差的岩石射出的电磁场的磁场分量，该电磁场是当由相位同步连续波发射机所激励的天线产生的EM（电磁）波的电场分量在该导体中感应出同步电流时产生的。

目前军事上用若干种技术方法来探测地下隧道。这些方法包括表面特征的视觉观察、表面钻孔、利用声学和测震设备以及利用各种地面的和孔内的电磁（EM）波传播方法。

在这些技术方法中，EM技术方法是最有前途的，因为EM技术方法对军火引爆和随机地质结构噪声是不敏感的。目前使用的两种EM技术方法是：授予Lytle等人的第4，161，687号美国专利中所申请的联络巷道高频折射检测法和由西南科学研究所开发的、目前美国陆军所使用的联络巷道脉冲EM系统（PEMS）。

这两种联络巷道技术方法都预定检测由隧道同两个钻孔之间的垂直平面相交所引起的地质介质的电参数的变化。然而，这两种技术方法都使用了孔内发射机和接收机，而它们都是由导电的电缆连接到地面上的设备的。这种导电电缆的使用影响了相移量的测量，因而妨碍了使用同步检测技术。

总的来说，在该文献中已经发表了在轻微导电的自然岩石中使用天线和电磁波传播方法，用于地下地质特征的遥感和测绘中，以及硬式军事通信和同正工作在或受阻于地下隧道中的矿工们进行无线电通信的应用场合。至今一直把该学科领域作为水下潜艇的通信领域来研究。一些评论文章（Hansen，R.C.发表在IEEE Trans.on An+.and Prop.，May 1963，题为“使用地下和水下天线的发射与接收”一文以及Moore，R.K.发表在IEEE Trans.on Ant.and Prop.，May 1963，题为“周围导电介质对天线分析的影响”一文追溯了从18世纪后期由Heaviside，O.开创的正则理论的历史发展情况，该理论是刊载在1882年英国伦敦MacMillan and Company Ltd出版的《Electrical papers》卷Ⅰ和卷Ⅱ中的。该理论课题研究了在轻微导电的地质介质的情况下天线和EM场分量的相互作用。就无线电通信来说，该理论课题研究了无线电波沿地球表面，穿过地球的直接路径，在两艘潜艇之间的往返路径的传播以及沿地球的自然波导传播的可能性。在地质勘探方面，该理论课题研究了化学成矿带的晕圈（halos）的探测，这些成矿带是伴随以下地质特征而产生的：断层和岩脉，夹着石油和天然气的砂岩和石炭岩空穴，煤、天然碱和钾碱的矿层，以及妨碍各种有价值的资源按序排出的异常现象。《Ann.Physik》Ser.4 Vol.81，№，17，pp 1135-1153，Dec.1926，标题为“Uber die Austreitung der Wallen in der Drahtlosen telegraphie”一文曾提供了对表面波通信的早期的理论见解，而作者Wait，J.R（调查编辑）在May 1963 issue of IEEE Trans.Ant.and Prop.Vol.Ap.1，№3中提供了有关用于研究地下地质特征的各种通信和技术方法的知识。

作者J.R.Wait和D.A.Hill在对美国矿务局的关于第Ho122061（1974年9月）号合同的初步报告中（标题为：“圆形隧道中传输线路上的同轴线和双线模式”）涉及了对于在隧道中导向波传播的研究，并系统地提出证明对于二线电缆、电车轨道以及电力电缆型导线存在单线和双线传播模式的理论模型。

另外，在《Radio Science》，Vol Ⅱ，№4（1976年4月）、作者为：R.N.Grubb，P.L.Oswell和J.H.Taylor，标题为：“在300KHz至25MHz频率范围内测量钻孔的导电率和介质常数”一文中，描述了一种用于测量地球的某一区域的大量电参数的方法，该方法包括测量在两个钻孔中同时接收到的电磁波的磁场强度和磁场相移量。

刊物名称为：《Proceeding of the IRE（1952年10月）》，作者为J.R.Wait，标题为：“浸入导电介质中的磁偶极子天线”一文指出：在电和磁偶极子天线之间存在从根本上不同的功耗关系。在电偶极子天线情况下，在偶极子附近的径向波阻抗基本上是实数，而在磁偶极子天线的情况下，该阻抗却是虚数。大的实数阻抗导致在该电偶极子附近耗散的能量大于向外流到远处的能量。

作者R.F.Harrington，在由Mc Graw Hill，N.Y.（1961年）出版的“时间谐波电磁场”一书中描述了用于计算由入射电场在导体中产生的电流量的公式。

W.R.Bennett and J.R.Davey在Mc Graw Hill图书公司（1965年）出版的“数据传输”一书中描述了各种同步检测原理。

最后，L.G.Stolarzyk的美国专利第4，577，153号“用于煤层结构成象的连续波中频信号传输勘测法”描述了利用无线电显象方法来构成煤层结构图象的方法。

先有技术未曾提出过用同步方法学来发现先前未发觉的地下隧道或矿脉的存在的实用方法。

因此，本发明的一个目的是描述一种用于可靠地测定地下是否存在有由导电性较差的岩石所包围的水平取向或垂直取向的电导体。

本发明的另一个目的是提供一种把隧道的最强特征作为测量对象的测定地下隧道的方法。

本发明的再一个目的是提供一种可精确测定隧道位置的地下隧道测定方法。

本发明的又一个目的是利用联络巷道相位相干测量仪器测定例如成矿矿脉的薄层岩石导体。

本发明的另外一个目的是在回采面采掘方法中利用联络巷道相位相干仪器测量各钻孔间的隔开距离。

简言之，本发明的最佳实施例包括以下步骤：

1.产生第一电磁场;

2.利用第一电磁场的电场分量在地下电导体中感应出同步电流;

3.利用由在该电导体中感生的电流所产生的第二电磁场的磁场分量在部署于钻孔中的相位相干接收机的天线中感应出信号以及

4.利用同步探测测量法和分析法来证实所述电导体的存在。

该第一电磁场可以或者由在长的地面导体中、或在孔内垂直磁偶极子天线（当被测电导体是水平取向时）中流动的电流来产生，或者由水平磁偶极子天线（当被测电导体是垂直取向时）来产生。在各种中间取向中，该电磁波的电场分量必须是对该电导体的表面极化的，即，与该表面相切的。该地面导体和孔内天线由发射机激励。矿井内的电设备所产生的噪声，或者地面上产生的电磁波，也都可在地下导体中感生电流。该导体应当具有长的轴向尺寸，并且由导电性较差的岩石所包围。例如，该电导体可能是安装在地下隧道中的电车轨道，或电话线、电源线。灌满隧道或流过隧道中的电解水也能象由导电性较差的岩石所包围的薄层化学矿化矿脉一样地起所述电导体的作用。

该相位相干接收机包括垂直或水平磁偶极子天线、混频器以及作为该接收机末级信号输出器的中频（IF）放大器。通过光缆把相干频率信号源既连接到发射机又连接到接收机。该相干频率信号源产生一种同步发射信号（该信号是一种未经调制的、连续波相位同步信号，通过光缆被送到发射机）和一种通过光缆送到接收机的同步本地振荡信号。该同步信号可以低于或高于该系统的工作频率。当该同步信号低于工作频率时，则该工作频率是通过把一个锁相环（PLL）锁定于该同步信号而产生的。把同步后的发送信号（S_T）加到发射机的功放级的输入端，后者产生发射机的输出信号。该发射机的输出信号激励长的地面导体或孔内天线，后者产生第一电磁场。该第一电磁场的电场分量在地下电导体中感生同步电流。由该感应电流所产生的第二电磁场的磁场分量被相位相干接收机所接收，在该接收机内，所收到的信号与同步后的本地振荡信号混频，以产生中频信号。把该中频信号通过上行光缆送回到相干频率信号源，在那里通过同步检测器测量所接收到的信号的强度和相移量。

该相位相干测量仪器也可用来检测用于例如矿块崩落开采、垂直爆破漏斗、再选或回采面开采等开采方法中的某对钻孔的相隔距离的变化。把该发射机和相位相干接收机沉降到各分开的钻孔中，并测量所收到信号的相移变化，从而，该相移变化与距离变化相关联。

本发明的一个优点是：由于使用了未调制的连续波载波信号和同步检测技术而使接收机的灵敏度增加了若干数量级。

本发明的另一个优点是：由于使用了光缆而可以准确地进行相移和幅值的测量。

本发明的又一个优点是：在检测方法中使用该电导体的轴向尺寸。

本发明的再一个优点是：能够测定地下电导体的垂直、水平或各种中间取向。

本发明的另外一个优点是：可以在回采面开采方法中使用联络巷道的相位相关测量方法来测定两个钻孔间所隔开距离的变化。

毫无疑问，对本技术领域的专业人员来说，在阅读了下面对以各附图所说明的最佳实施例所进行的详细描述以后，将会明白本发明的这些和其它各目的和优点。

在各附图中：

图1是带有地下隧道的地质区域的部分剖视立面图，并示出按照本发明的方法1的钻孔结构;

图2是供本发明的方法Ⅰ使用的天线结构的另一个实施例的顶视立面图;

图3是供本发明的方法Ⅰ使用的天线结构的再一个实施例的顶视立面图;

图4是按照本发明的用于相位同步信号的发射和接收的设备的电路框图;

图5是图4中所示设备的一个组成部分的同步检测器的电路框图;

图6是带有地下隧道的地质区域的部分剖视立面图，并示出按照本发明的方法Ⅱ的钻孔结构;

图7说明由调谐环形天线中的电流所产生的电磁波的各场分量;

图8是带有地下隧道的地质区域的部分剖视立面图，并示出按照本发明方法Ⅲ的钻孔结构;

图9是带有地下隧道的地质区域的部分剖祝立面图，并示出按照本发明方法Ⅳ的钻孔结构;

图10是带有地下隧道的地质区域的部分剖视立面图，并示出按照本发明方法Ⅴ的钻孔结构的部分剖视立面图，并示出按照本发明方法Ⅴ的钻孔结构;

图11是示于图4中的设备的另一个实施例的电路框图以及

图12是按照本发明方法Ⅵ的含有若干由待测定的距离所隔开的钻孔的矿脉的部分剖视立面图。

图1示出一个由岩层12所包围的、含有若干以电车轨道形式示出的电导体14的地下隧道10。岩层12的导电性远比电导体12差。电导体14可以是包含在隧道10中的，并且沿着隧道10的长度方向而延伸的任何导电物体。电导体14也可以是例如一种薄层矿化导电矿脉的、埋藏在岩层12中的导电物体。在隧道10中的其它可以起电导体14的作用的物体例子包括：小线径的铜的电源线或电话电缆、金属风管、电车供电线、在隧道10内的塑料水管中流动的电解水、或灌满整个隧道10的电解水。

若干钻孔18从地面区域20向下延伸，穿过岩层12。发射机24位于地面区域20上，并通过环形天线25耦合到至少一条电缆26上。连接电缆28把发射机24电连接到环形天线25。当发射机24接通电源时，环形天线25中流动的电流（环流）同加到发射机24的输入端30上的信号相位同步。通过感应，该环形电流引起在电缆26中流动的同步电流。电缆26起长线电流天线的作用，它可以是一段相对地直的绝缘导线，其长度在100至1500英尺范围内。另一方面，可以把若干电缆26展开成扇形图案，如图2所示，该图案所对的角近于90度。也可把电缆26做成如图3所示的具有大直径X的电缆环。

回到图1，通过从信号源32敷到输入端30的光缆34把该相干频率信号源32光连接到发射机24。同样，通过包括上行光纤38和下行光纤40（示于图4中）的光缆37把接收机36光连接到相干频率信号源32。接收机36包括带有基本上位于X-Z平面（磁矩矢量与Z轴一致）中的天线41的环形线圈的电短路铁氧体垂直环形磁偶极子天线41。相干频率信号源32能够产生至少两种在1至300KHz频率范围内的低频信号。该相干频率信号源还能够产生用于精确测量距离的高频（HF）和甚高频

（VHF）频带的各种频率。接收机36部署在至少一个钻孔18中的深度d₁处。

在该最佳实施例中，发射机24、相干频率信号源32和接收机36包括图4中所示的各部件。石英晶体基准振荡器42产生具有晶体频率f_c的晶体振荡器输出信号S_c，该频率f_c在状态分割机44中除以整数K，以产生具有基准频率f_ref、相位为零度的第一基准信号S_refa。所有从相干频率信号源32输出的信号都同信号S_refa相位同步。状态分割机44还产生相位偏离S_refa90度的第二基准信号S_refb。信号S_refa和S_refb都是在同步检测方法中需用的。

信号S_refa用于普通的锁相环路46中，以产生同信号S_refa相位同步的初级发射信号S_T′。另外，把振荡器41的输出信号S_c用作初级接收机的本地振荡器信号S_LO′。在把信号S_T′和S_LO′分别送到发射机24和接收机36之前，把它们频率变换到系统工作所需的频带。借助于接到晶体变频振荡器48中的差混频，对信号S_T′进行混频，以产生工作发射信号S_T。同样，S_LO′在混频器52中同同一晶体变频振荡器50的信号进行混频，以产生工作接收机本地振荡器信号S_LO。混频后信号S_T和S_LO的频率分别为f_O和f_LO。当用此种产生信号的方法导出信号S_LO和S_T时，这些信号就称为相位相干的。出现在变频振荡器50中的相移和偶然的相位变化同样地出现在信号S_T和S_LO中的总相位。在接收机混频过程中抵消了该相移和偶然的相位变化。

借助于下行光纤40把信号S_LO送到接收机36所包含的混频器60。接收机36还包括电连接到放大器64（该放大器电连接到混频器60）的铁氧体垂直环形磁偶极子天线41。混频器60电连接到IF放大器/光纤发射单元66，后者通过上行光纤38连接到包含在信号源32内的同步检测器70。微计算机72电连接到检波器70。基准信号Srefa经过引线76送到锁相环电路46，同时，经过引线78送到同步检测器70。基准信号Srefb经过引线80送到该同步检测器。

在相干频率信号源32中，信号S_C的晶体频率f_C可以是10.24MHz，信号Srefa的基准频率可以是2.5KHz，而整数K可以是4096。

另一方面，可以把同步信号Srefa经过光缆送到每个孔内仪器（见图11）中的锁相环（PLL）电路。这些PLL在该孔内仪器中产生发射信号（S_T）和接收机本地振荡信号（S_LO）。

天线41能够接收电磁波信号。例如，对适当取向的频率为100KHz的磁场H_θ来说，该环路emf由下式给出：

emf＝（4.02×10²）H_θ

该环路信号被放大器64放大，然后，在混频器60中同信号S_LO混频。S_LO的频率由下式给出：

f_LO＝f_o-fref

在混频器60中的差频混频过程产生中频信号S_IF，它可由下式表示：

S_IF＝Bsin（2πfref+θ₂）

相位θ₂是在从信号源32的输出端起一直到IF放大器66的输出端的信号通路中所遇到的所有相移量的总和。θ₂中包含地质介质的相移成份θ_m。普通同步检测器70同微计算机72一起测量信号S_IF的幅值和相位。

图5是同步检测器70的电路框图。信号S_IF经由上行光纤38进入检测器70，在那里，该信号遇到一对模拟开关单元90和92，该二单元分别接收信号Srefa和Srefb。开关90和92进行乘法操作S_IF×Srefa和S_IF×Srefb。在由一对低通滤波器94和96进行低通滤波以后，产生一对正交电压e_x和e_y，然后，该电压加到多路复用器98（模-数转换器）。相位θ₂可计算如下：

θ₂＝tan-le_x/ey。

而幅值B可计算如下：

B＝（e² _x+e² _y）^1/2。

图1所示系统的工作原理如下：首先，信号源32产生具有频率f_o的信号S_T所需要的相位同步信号，该信号f_o是经由电缆34送到发射机24的。信号S_T可以是具有表达式Asin（2πfot+θ_A）的正弦波，式中，A是幅度，t是时间，而θ_A是相移值。发射机24和天线25激励出电缆26中的初级电流。该初级电流使第一电磁场EM₁向下传播，穿过岩层12。如果电磁场EM₁的电场分量Ez遇到与电缆26的长度平行取向的电导体14，则在该平行导体14中将感应出增大的次级电流。在不与电缆26平行取向的导体14中也会感应出次级电流的，不过，这个非平行的电流的幅值将会是小的。示于图2中的由电缆26构成的扇形图案和示于图3中的大直径的环状构形预定使极化电场分量E_Z遇到平行电导体14的或然率达到最大值。

该次级电流将沿着导体14传播，并将产生第二电磁场EM₂，后者将穿过岩层12而传播，该EM₂具有频率fo，但具有不同于信号S_T的幅度和相移量。使接收机36内的垂直磁偶极子天线41适当取向，以便接收EM₂的磁分量Hφ，作为接收信号S_R。信号S_R具有波的形式Bsin（2πfo+θ_B），式中，B是新的幅度，而θ_B是新的相移量。信号S_R被放大器64放大，然后，被送到混频器60。此时，正以由相干频率信号源32所产生、并经由光纤40而输送到混频器60的信号S_LO供给混频器60。信号S_LO具有表达式Dsin2π（fo-fref）t的形式，式中，D是S_LO的幅值。混频器60通过把S_LO加到S_r上而产生最后的信号S_IF，从而，给出式（1）：

S_IF＝Csin（2πfreft+θm）（1）

式中C是S_IF的幅度，而θm是其相移量。

通过上行光纤38把最后信号S_IF送到同步检测器70，在那里，通过使用同步检测原理来测定幅度C和相移量θm。如果不存在导体14，则幅度C将是零，因为接收机36和电缆26间的隔开距离太远以致不能收到信号S_T。

在该最佳实施例中，电缆26位于规定的位置上，而接收机36在若干钻孔18之间迁移，同时，在每个钻孔18的位置上至少进行一次相移量的测量。如果在每个钻孔18中的若干不同深度d₁处进行多次幅度和相移量的测量，则将会提高测到导体14的或然率。另一方面，也可以把接收机36固定在一个钻孔18中，而电缆26的位置却是变动的。

为方便起见，可把电缆26放在地面位置上，而通过利用孔内接收机36进行测量的方法称为方法1。通过理论与多次经验测量的结合，已经证实方法1是可行的。

在实际实验研究中，100米长的电缆沿着位于地下大约100米深的人和材料通道的大概方向而铺在York Canyon矿井的地面上。泥板岩顶部岩石的导电率近于1×10^-2mhos/m。在该电缆中可激励出300KHz的100毫安电流。在位于该通道中的电话电缆中可测得11微安的电流。

表A示出当把导体14同接收机36分开30米和70米径向距离时，各非相干和相干接收机的最小可检测到的次级电流强度。这些数字表明：在York Canyon矿井中所实际测得的11微安的信号对于利用同步检测方法Ⅰ来测定位于离开接收机36七十米远的导体14来说是足够的。

表A

最小可检测到的隧道电导体的

次级电流，单位为微安

（f＝100KHz;δ＝10×E＝03mho/m;ε_r＝10）

表A中的数据是通过下述方法计算出来的。首先，用下式（2）计算由次级电磁场EM₂所产生的磁场分量Hφ：

Hφ＝- （iI_Sk/4）H^（2） ₁（KP）（2）

式中P＝离开该导体的径向距离;

Is＝次级电流，单位为安培以及

H^（2） ₁（KP）＝一阶二类汉克尔函数

〔式（2）是摘自M.L.Burrows著作的《ELF Communicafion Antennas》一书的，它是由英国Peter Peregrinus有限公司在1978年出版的〕。

下一步，当Hφ穿过铁氧体垂直磁偶极子天线41的环形面积时，就按照式（3）产生由Faraday定律所给出的接收天线响应：

emf＝ANμrω｜Hφ｜（3）

式中A＝环形天线的面积，单位为m²;

N＝匝数;

μ_r＝该天线的导磁率以及

ω＝该系统的角频率。

非相位相干RIM（雷达情报图）接收机的灵敏度优于10毫微伏，而其相干灵敏度可改善到0.1毫微伏。垂直铁氧体杆状天线显示出表B中所示的各种电特性。

表B

在100KHz时，铁氧体杆状天线的电特性

（Hφ＝在该接收机位置处的磁场强度值）

最后，根据表B的数据确定隧道电导体中的最小可检测的电流;在径向距离为30和70m的情况下，根据公式（2）确定该孔内接收机的临界灵敏度和磁场强度值。使用叠片式信号变压器金属片，例如坡莫合金型的镍-铁合金，有可能提高该接收环形天线的灵敏度。能够获得10⁴倍于自由空间值数量级的极高的导磁率。通过利用绝缘的叠片来构成该铁芯的截面就可增加面积，并且，可把铁芯损耗降低到在与绕组损耗相比之下可忽略不计的水平。在工作频率低于10KHz情况下，细长的天线可实现与信号场的良好的耦合;但是，这些低频天线对地磁场也是敏感的。由于在钻孔中必定要使用垂直取取向的天线，所以，该天线将不会与地磁场构成强的耦合。

图6示出另一种用于探测电导体14′的方法。为方便起见，把这种方法称为方法Ⅱ。用图1所使用的相同的标号加上撇号来表明图6中与图1所示的相同的部件。

图6中，同步的孔内发射机100位于钻孔18′内的深度d₂处，并且，通过光纤102光连接到信号源32′上。发射机100包含诸如带有天线104的大致定位于X-Z平面中的环形线圈的铁氧体杆状天线的电短路垂直磁偶极子天线104。

图7示出由同Y轴一致的磁偶极子所产生的各种场。笛卡尔坐标系统（X、Y、Z）的取向使得该环形线圈位于水平的X-Z平面中，同时，其垂直方向的磁矩（M-NIA）沿Y轴定位。因此，图7描绘了一个垂直磁偶极子天线。用球坐标系统（θ、φ、r）来描述地质介质12中的各种场分量的总的取向。子午面106正交于X-Z平面，并包含Y轴。下面的公式4至6给出各磁偶极子场分量：

子午面水平分量：

Hθ＝（MK³/4π）〔1/（Kr）³+1/（Kr）²-1/（Kr）〕e^-ikrSinθ （4）

子午面径向分量：

Hr＝（MK³/2π）〔1/（Kr）³+1/（Kr²）〕e^-ikrCosθ （5）

纵向分量：

E_φ＝（MK³/4π）〔μ/ε〕^1/2〔-1/（Kr）+1/（Kr）²〕e^-ikrSinθ （6）

电向量是垂直于子午面的，并且构成环绕Y轴磁偶极子磁矩向量的一些同心圆。公式4、5和6中的各项均已写成r的负幂。在紧靠磁偶极矩的邻近地区中，1/r³和1/r²的“静的”和“感应”场起主要作用;而在距离r》λ/2π即Kr》1处，仅仅“辐射”场才具有显著值。各辐射场由下面的公式7和8给出：

Hθ＝〔MK³/4π〕〔e^-ikr/（kr）〕Sinθ （7）

Eφ＝（MK³/4π〕〔μ/ε〕^1/2e^-ikr/（Kr）Sinθ （8）

各辐射场都是横向的（正交的），要求它是一种远离所有电磁场源而传播的波。用比值α/β和βr把磁场分量Hθ的幅度表示为：

Hθ＝（M/4πr³）〔βre-（α/β）βr｛〔（1/Br）-βr+（α/β）+βr（α/β）²〕²+〔1+2βr（α/β）〕²｝^1/2〕（9）

式中，

K＝β-iα以及

α＝衰减常数（波数的虚部），单位为奈培/米以及

β＝相位常数（复数波数的实部，单位为弧度/米）

相角θ可由下面的数学式表示：

θ＝-βr+Tan^-1〔1+2βr（α/β）〕/〔（1/βr）-βr-βr（α/β）²+（α/β）〕。（10）

接收环形天线104的轴线总是平行于钻孔18′的轴线的。其环路灵敏度由公式3（法拉第定律）给出。

在信号源32′中对所接收到的信号S_R的处理恢复了该环路灵敏度的对数表示如下：

20log₁₀Hθ＝20log₁₀（M/4πr³）+

20log₁₀〔A〕（11）

当βr小于0.5弧度时，该磁场相对来说是与介质电参数无关的;但是，当Br大于2时，该场的幅度强烈地依赖于比值（α/β）。如果βr小于0.5弧度，则相移量的变化范围小于4度。当βr在0.5和1.5弧度之间时，随着距离的变化，相移量的变化范围可能增大或减小，这依赖于（α/β）。当Br＝1.5以上时，相移量的变化范围增加。此时，相移量强烈地依赖于（α/β）。

电场分量E的幅度可表示成：

｜Eφ｜＝（M/4πr²）〔μ/ε〕^1/2〔Bre^-（α/β）βr｛〔-βr+（α/β）+βr（α/β）²〕²+〔1+2βr（α/β）〕²｝^1/2〕（12）

而相角θ可由下式表示：

θ＝-βr+Tan^-1〔1+2βr（α/β）〕/〔-βr+（α/β）+βr（α/β）²〕（13）

在均匀的地质介质中，子午面磁场分量（Hθ）的极化方向垂直于接收环形天线41′的面积。在100KHz时，该环路的emf由下式给出：

emf＝（4.02×10^-2）H_θ（14）

可以把方法Ⅱ归纳如下：

信号源32把频率为fo的信号S_T发送到发射机100。信号S_T具有与先前在方法Ⅰ中所描述的相同的波形，更准确地说，具有波形Asin（2πfot+θA）。于是，发射机100激励第一电磁场EM₁，并使它穿过岩层12′。同方法Ⅰ中的情况一样，当场EM₁的电场分量E₁遇到取向于Z方向的各电导体14′中之一时，就会在该电导体14′中感应出次级电流。各种计算表明：从1KHz（到至少300KHz），电流灵敏度只随随频率轻微变化。因此，该频带中的任一频率都可用作频率fo。但是，由于接收机62的输出电压随频率而增高，所以，最好用最高的实际频率，并且，最好用100KHz。放在与发射机100分开的钻孔18′中的接收机36′对由该次级电流所产生的磁场Hφ起反应。以先前在方法Ⅰ中所描述的相同的方式，根据在接收机36处所收到的数据，计算出相移量和幅值。

在方法Ⅱ中，当发射机钻孔18′和接收机钻孔18′各自的中心线正交于导体14′的轴向尺寸时，即，当导体14′和各钻孔18′都沿平行线延伸时，将实现最佳探测方法。此外，在方法Ⅱ中，各钻孔18′应当非常接近导体14′，一般在大约100米范围内。再者，通过变更接收机36′的深度d₁或发射机100的深度d₂，可在每个钻孔位置上进行若干次测量，深度d₁和d₂可以不同。

表C列出对由孔内发射机100在两英尺宽的矿井通风管（导体14′）中感应出的次级电流进行试验测量的结果。用调谐环形天线（300KHz）和场强计测量隧道中的磁场强度。那时，由公式（15）所定义的emf是以毫微伏分贝为单位计量和记录的。

表C

在某隧道中所测得的场强

（毫微伏分贝）

^＊＝各管端

emf＝AμN2πf｜H｜（15）

式中N＝设计天线中所用的匝数

A＝环形线圈的面积，单位为m²

f＝工作频率

μ＝天线的导磁率以及

H＝从表C中查得的场强

图8示出另外一种用于探测地下导体14′的方法。为方便起见，此方法将称为方法Ⅲ。同图1或图6相同的图8中的各部件均以同一标号，但在后面加一撇号标出。

图8中，发射机100′和接收机36′放入一对隔开距离为D的钻孔18′中，距离D跨在导体14′上（即，在导体14′的两侧各设置一个钻孔18′，使得发射机100′和接收机36′被容纳在与导体14′相交的垂直平面中）。在方法Ⅲ中，隔开距离D的最大值为大约20m。在一种利用方法Ⅲ的、称为勘测扫描的方法中，总是使发射机100和接收机36′相对地保持在例如d₃的同一深度处。在一次测量之后，把发射机100′和接收机36′各自移到第二深度，例如d₄，再进行另一次测量。

这种联络巷道勘测扫描方法预定在场强和相移都随深度而变化的情况下测量接收机钻孔总场强幅度和相移量。在相当于导体14′的位置的深度处出现变化。发射机100发射具有先前在方法Ⅱ所述的频率fo的平面波信号S_T。信号S_T的电场分量（Eⁱ _z）的极化方向平行于导体14′的方向（Z轴方向）。当信号S_T遇到导体14′时，就产生一种散射波，同时，在该导体中产生次级电流。当该电场分量是Z轴极化的时候，这种散射现象随导体14′厚度的减小而增强。散射波的电场分量（E^S _Z）也是在Z轴方向上极化的。导体14′外面任何点上的总电场（Ez）由下式给出：

Ez＝Eⁱ _z+E^S _Z（16）

通过在接收机36′的位置上测量Ez来确定幅值和相移量参数的变化。该相移量和幅值是象前面方法Ⅰ中所描述的那样来测定的。为计算起见，该接收机钻孔场是在从发射机环形天线104′延伸到接收机环形天线41′的径向距离r₁处算得的向量Eⁱ _z和在从导体14′延伸到接收机环形天线41′的径向距离r₂处算得的E^S _Z的矢量和。

在利用方法Ⅲ的发射机/接收机配位的第二种方法中，也可以相对于接收机36′在导体14′上下的深度来测量接收机钻孔场。此方法叫做阴影散射波扫描，在此方法中，把发射机100′固定在例如d₄的特定深度处，而把接收机移动到逐渐增加的高度，位于导体14′上下的d₃、d₄和d₅。在每个递增的高度上测量E₂。另外，也可使接收机36′的深度保持不变而变更发射机100′的深度。

表D列出在典型的阴影散射波扫描测量中测得的结果。在该系统中，fo是10KHz，而岩层12′的导电率是.001mho/m。距离D等于20m，而天线104′离导体14′的距离是5米。使用同步探测技术时，可以测得优于0.1dB的幅值分辨率和优于0.3度的相移量分辨率。

因为受到可允许的D值范围的限制，所以，方法Ⅲ大多用于在用方法Ⅰ或Ⅱ粗略测定导体14′的位置以后、精确地测定导体14′的位置。方法Ⅲ也可用于导体14′是岩层12′中薄的导电矿脉的场合。

图9说明另一种用于探测导体14′的方法。为方便起见，把这方法称为方法Ⅳ。图9中与图1、6和8相同的各部件都用与图1、6和8中所用的相同的标号来标明，但加上撇号。

在图9中，把接收机36′下降到钻孔18′中。接收机36′是用电缆37′连接到信号源32′的。至少有一部矿井电设备110位于矿井10′内。该矿井电设备110可以是电动机、电车电源设备、大功率变压器或其它可在该供电分配系统中产生非连续波的电压或电流（电噪声）的电设备。

在方法Ⅳ中，矿井电设备110产生可在电导体14中感生出电流的电噪声。这种导体电流产生一种在岩层12′中传播的电磁场，后者可被接收机36′检测到。例如，各种电动机和供电系统的开关瞬态在地下矿井电导体中感生电噪声信号电流。发生在地面上的供电传输线路或地下矿井中的各种开关瞬态可产生多种高能量的、持续时间为毫秒级范围内的瞬变过程。在电动机起动期间，交流感应电动机产生三角波形电流。所产生的频谱呈现1/f²的的幅度函数，同时，各频谱分量被电力系统的频率隔开。电车供电系统产生具有Sinx/x的幅度函数的噪声信号电流。这种频谱的特点是：SinX/X频谱中的零点相对来说是没有噪声的。大功率变压器经常会产生1800Hz的铁电响应。这些噪声信号都可在矿井电导体中产生电流。

各方法Ⅰ至Ⅳ也可互相结合在一起使用。例如，可以用方法Ⅳ来粗略地指明电导体14的存在。方法Ⅰ或Ⅱ可用来识别电导体14的大致位置，而方法Ⅲ可用来精确确定导体14的位置。方法Ⅲ最适用于探测与钻孔18之间的平面相交的薄层导电矿脉。

图10说明用于实施本发明的另一种方法。为方便起见，把这方法称为方法Ⅴ。图10的与图1、6、8和9中的相同的部件用与图1、6、8和9相同的，但在其后加撇号的标号来标明。

图10中，电导体114从地面区116垂直向下（在Y轴方向上）延伸。图10中，把导体114绘成由金属或其它材料制的套管118所限定的钻孔。另一方面，导体114可以是一个无套管的钻孔，或一个垂直取向的、充有高导电的矿化岩或海水或其它电导物的垂直破碎带。导体114并不需要一直延伸到地面区116。地面区116可包括例如土壤、水泥或导电水。该导电水可以充满钻孔。

若干水平钻孔120向离开地下区域124的方向水平地延伸（即，大抵在X-Z平面中）。只要发射的E场的极化方向与所述导体的取向一致，则钻孔120的其他中间取向也是可行的。地下区域124是同地下隧道10相似的，但可以包含或不包含若干电导体14。各钻孔120中至少两个应当处在基本上垂直于导体114的长度方向的水平平面（X-Z平面）内。这两个钻孔120隔开距离D，并且是分开在导体114两侧的。

把发射机100′放入至少一个钻孔120中。然而，在方法Ⅴ中，发射机100′包括电短路的水平磁极子天线126，例如铁氧体杆状天线，而不是垂直的磁偶极子天线104′。天线126的线圈大致位于图10的Y-Z平面中。

把接收机36′插入至少一个不包含发射机100′的钻孔120中。接收机36′包含电短路的水平磁偶极子天线128，例如铁氧体杆状天线，其线圈大致位于图10的Y-Z平面中。

用光缆102′和37′分别把发射机100′和接收机36′连接到相干频率信号源32′。在方法Ⅴ中，信号源32′可以位于地下区域124中。

可以用与前述方法Ⅲ（示于图8中）所用的相似方法，把方法Ⅴ用于探测垂直电导体114。可以用以下方法来探测导体114的存在：勘测扫描法，其中，发射机100′和接收机36′总是保持在钻孔120内的平行位置;阴影散射法，其中接收机36′的相对位置是相对于发射机100′的位置递增地改变的。

在这两种方法中，总的场强幅度和相移量是象前面关于方法Ⅲ所详述的那样测得的。但是，在方法Ⅴ中，信号S_T的电场分量是沿Y轴方向极化的，这是因为该方向就是导体114的取向。只要所发射的E场的极化方向是与该导体的取向一致的，其他中间取向也是可行的。

图11示出总的用标号134表示的相干频率信号源32的另外一个实施例。另一实施例134的与相干频率信号源32的相同的各部件都用加上撇号的相同的标号来表示。

在信号源134中，省去了锁相环路46，而在混频器60′和状态分割机44′之间，通过光缆138连接一个接收器锁相环（PPL）路136。在该配置中，Srefa＝S_Lo·PPL电路136是包含在放入钻孔18中的接收机36′内的。发射机锁相环（PPL）路140通过光缆142连接到电缆138。PPL电路140还连接到发射机100′。PPL电路140、发射机100′以及天线104′组成可放入钻孔18′中的发射机单元143。

借助于信号源134，可以通过电缆138和142输送声音频带Srefa，以便使分别在各自的孔内探测器中的PLL电路136和140同步。该光纤通路带宽低于10KHz，从而降低了设计成本。

图12说明另外一种实施本发明的方法。为方便起见，把该方法称为方法Ⅵ。图12的与前面在图1、6、8、9和10中所述的相同的各部件都用与图1、6、8、9和10所用的相同的标号加上撇号来标明。

在图12中，已经把发射机100′及其天线104′沿着中心线152（它是与钻孔150的几何中心相重合的一条直线）降入垂直钻孔150中。钻孔150是从下掏主巷平面154、通过矿脉156而到次巷平面158垂直钻出的。矿脉156是将通过诸如矿块崩落开采法、垂直爆破漏斗法、再选法或通过回采面开采法来开采的自然矿源介质。下掏主巷平面154是在该矿脉顶上的开挖区，而次巷平面158是大致平行于下掏主巷平面154而延伸的矿脉上的开挖区。接收机36′及其天线已降入大致平行于钻孔150、其中心线162与钻孔的几何中心线重合的第二垂直钻孔160中。中心线152和162在不同的深度d₁和d₂处分别隔开D₁和D₂距离。如果钻孔150和160不是平行的，则D₁将不等于D₂。

方法Ⅵ用来测定钻孔150和160是否平行。因为在矿块崩落开采法、垂直爆破漏斗法、再选法或回采面开采法中，钻孔150和160都是冲击式地钻进、然后装入炸药的，所以，各钻孔是否平行是很重要的。炸药的爆炸引起矿脉156的碎裂，从而产生细小的岩屑，这些岩屑将由在次巷平面158上的铲运机或远程翻斗机（LHD）运走。水平的或近于垂直的坍塌平面会使钻孔150和160具有非零的倾斜方位角。如果联络巷道距离D₁或D₂太大，则该碎裂过程就会产生巨砾，以致增加开采成本。因此，联络巷道距离的测量可改善采掘效率。

在方法Ⅵ中，发射机100′用来发射电磁（EM）波，该电磁波穿过矿脉156而传播到接收机36′。该EM场分量的场强和相位取决于距离D₁和地质介质的电参数，例如，电导率（δ）、介质常数（ε）和导磁率（μ）。在方法Ⅵ中，最佳工作频率是10MHz，而在某些应用中可以高到100MHz。

通过分析可以看到：当中心线152和162之间的距离变化1英寸时，相位就要变化1.8电角度（即1.8°）。可以在对应于距离D₁的深度d₁处测量诸如相位θ_R的基准参数。在深度d₁处，可通过已证实其可靠性的近地面孔内测量方法，例如，确定各钻孔中心线位置的地面激光探测仪器来精确地测定D₁。当把发射机100′和接收机36′同时降落到新的深度d₂时，天线41就对EM波的磁分量起反应。信号源32′读出并记录这些基准参数，例如，接收到的信号的强度和相位，如前面方法Ⅰ中所描述的那样。偏离基准值θ_R的任何相移变化表明钻孔中心距离的变化。

借助于图10中所示的接收机/发射机配置方式，方法Ⅵ也可用来检测两个水平钻孔间的中心线距离的变化量。

虽然已经利用目前的最佳实施例对本发明进行了描述，但是，显然不应当把这样的公开理解为限制性的。无疑，对本技术领域中的专业人员来说，在已经研究过上述公开以后，显然可做出各种变化和变更。因此，希望把所附的权利要求书理解为复盖所有属于本发明的真实精神和范围的所有变形和变更。

Claims

1、一种用于探测地下电导体的方法，特征在于包括以下步骤：

a)在估计至少包含一条地下细长电导体的地区的全范围钻出若干钻孔，

b)在所述地区内安置一部相位同步发射机，

c)在其中至少一个钻孔中安置至少一部相位相干接收机，

d)操纵所述发射机以产生能够在所述电导体中感应出电流的第一电磁场以及

e)操纵所述相位相干接收机以检测由所述电导体中的所述电流所引起的第二电磁场。

2、权利要求1的方法，其特征在于还包含有：

操纵所述发射机以使所述第一电磁场的一个分量在所述电导体的纵轴方向上极化，而所述分量在所述电导体中感应出所述电流以及

操纵所述接收机以使所述第二电磁场的一个分量被所述接收机检测到。

3、权利要求1的方法，其特征在于所述电导体包括由弱导电性的岩石所包围的矿脉。

4、权利要求1的方法，其特征在于所述电导体包括交流供电线。

5、权利要求1的方法，其特征在于所述电导体包括电话电缆。

6、权利要求1的方法，其特征在于所述电导体包括金属管。

7、权利要求1的方法，其特征在于所述电导体包括金属轨道。

8、权利要求1的方法，其特征在于包括通过若干光缆把所述发射机和接收机连接到相干频率信号源。

9、权利要求1的方法，其特征在于包括把所述发射机电耦合到至少一条作为长电流源天线的长电缆，以及把所述长电缆布置在沿所述电导体的大致方向的表面位置上。

10、权利要求8的方法，其特征在于所述发射机包括垂直磁偶极子天线。

11、权利要求8的方法，其特征在于还包含下述步骤：

把含有幅值和相移量信息的信号从所述接收机送到所述相干频率信号源。

12、权利要求9的方法，其特征在于还包含下述步骤：

a）在所述地面位置上的所述长电缆中产生初级电流，以及

b）在若干钻孔之间顺序地迁移所述接收机，以及，在所述接收机位于其中至少两个钻孔中的一段时间间隔内产生所述初级电流。

13、权利要求1的方法包括：

所述发射机电耦合到至少一个大型调谐环形天线，该天线位于所述电导体附近的地面位置上，其特征在于包括以下步骤：

f）在所述环形天线中产生初级电流以及

g）在若干钻孔之间顺序地迁移所述接收机，并且，在所述接收机位于其中至少两个钻孔中的一段时间间隔内产生所述初级电流。

14、权利要求10的方法，其特征在于还包括下述步骤：

f）把所述接收机往下放到不含所述接收机的若干钻孔中的至少一个钻孔内。

15、权利要求14的方法，其特征在于还包括下述步骤：

g）改变所述接收机在所述钻孔内的位置。

16、权利要求14的方法，其特征在于还包括下述步骤：

g）改变所述发射机在所述钻孔内的位置。

17、权利要求10的方法，其特征在于：所述若干钻孔中包括若干组钻孔，其中每一组包括第一钻孔和第二钻孔，所述第一和第二钻孔沿着一条直线伸展，该直线大体垂直于所述电导体的纵方向而延伸。

18、权利要求17的方法，其特征在于还包含以下步骤：

f）把所述发射机往下放到所述各组中一组的第一钻孔中，

g）把所述接收机往下放到所述各组中所述一组的第二钻孔中

h）把所述发射机固定在所述第一钻孔内的固定深度处，

i）在所述第二钻孔内移动接收机到若干深度位置，

j）在所述若干深度位置中的至少两个深度位置上，利用所述接收机检测所述第二电磁场以及

k）移动所述第一和所述第二钻孔中的所述发射机和接收机，并且，在所述各组的第二组中重复进行步骤f至k。

19、权利要求18的方法，其特征在于：所述接收机固定在恒定深度处，而把所述发射机移动到若干深度位置。

20、一种用于探测地下隧道的方法，其特征在于包含以下步骤：

a）在估计包含至少装有一条细长电导体的地下隧道的区域的全范围内钻出若干钻孔，

b）把接收机放入所述各钻孔中至少一个钻孔内以及

c）用所述接收机检测来源于所述地下隧道的信号，后者是由出现于所述电导体中的电噪声信号电流所产生的磁场。

21、权利要求20的方法，其特征在于包含：

通过光缆把所述接收机连接到地面控制单元，后者的部分功用是分析所述信号。

22、一种用于探测地下电导体的设备，其特征在于包括：

发射机，它包括用于产生第一电磁场的发射天线，

同步频率信号源，它用于产生第一频率信号，该信号通过把该频率信号源连接到所述发射机的第一光缆输送到所述发射机，所述信号源还能产生第二频率信号，并且，能够测量包含在最后信号中的相移和幅度信息，以及

部署在钻孔中的接收机，后者包括：用于检测第二电磁场，并且把所述第二电磁场变换成接收信号的垂直磁偶极子接收天线，用于放大所述接收信号的放大器以及混频器，该混频器用于通过把所述同步频率信号源连接到所述接收机的第二光缆而接收来自所述信号源的所述第二频率信号，并用于使所述接收信号同所述第二频率信号混频、以产生所述最后信号，后者是通过所述第二光缆而送到所述频率信号源的。

23、权利要求22的设备，其特征在于：所述发射天线包括至少一条部署在地面位置上的长导线。

24、权利要求22的设备，其特征在于：所述发射天线包括部署在地面位置上的大型环形天线。

25、权利要求22的设备，其特征在于：所述第一频率信号是在50至300KHz范围内的。

26、权利要求22的设备，其特征在于：所述发射机是可部署在钻孔中的以及所述发射天线包括垂直磁偶极子天线。

27、权利要求26的设备，其特征在于：所述发射天线包括铁氧体杆状天线以及所述垂直磁偶极子接收天线包括铁氧体杆状天线。

28、权利要求22的设备，其特征在于：所述接收机包括锁相环电路。

29、权利要求26的设备，其特征在于：所述发射机包括锁相环电路。

30、权利要求8的方法，其特征在于：所述发射机包括水平磁偶极子天线。

31、权利要求30的方法，其特征在于：所述接收机包括水平磁偶极子天线。

32、权利要求31的方法，其特征在于：所述电导体是沿着垂直方向取向的，而所述若干钻孔是沿水平方向钻出的。

33、权利要求32的方法，其特征在于：所述若干钻孔包含若干组钻孔，所述每组钻孔包括第一钻孔和第二钻孔，这些钻孔位于大致垂直于所述电导体纵方向的水平平面中。

34、权利要求33的方法，其特征在于还包括以下各步骤：

f）把所述发射机插到所述钻孔组之一的所述第一钻孔中，

g）把所述接收机插到所述钻孔组中所述一组的所述第二钻孔中，

h）把所述发射机固定在所述第一钻孔中的固定深度处，

i）在所述第二钻孔内移动所述接收机到若干位置上以及

j）利用所述接收机，在所述若干位置中的至少两个位置上检测所述第二电磁场。

35、权利要求34的方法，其特征在于：把所述接收机固定在不变的深度，而把所述发射机移动到若干位置上。

36、一种用于探测垂直取向的地下电导体的设备，其特征在于包括：

部署在第一水平取向的钻孔中的发射机，所述发射机包括用于产生第一电磁场的发射天线，

用于产生待发送到所述发射机的第一频率信号的同步频率信号源，后者能够产生第二频率信号，并且，能够测量包含在最后信号中的相移量和幅值信息，

用于把所述信号源连接到所述发射机的第一光缆以及

部署在第二水平取向的钻孔中的接收机，后者包括：用于检测第二电磁场以及把所述第二电磁场变换成接收信号的接收天线，用于放大所述接收信号的放大器以及混频器，该混频器用于通过把所述信号源连接到所述接收机的第二光缆接收来自该同步频率信号源的所述第二频率信号，并用于使所述接收到的信号同所述第二频率信号混频，以产生通过所述第二光缆输送到所述频率信号源的最后信号。

37、权利要求36的设备，其特征在于：所述发射天线包括水平磁偶极子天线。

38、权利要求36的设备，其特征在于：所述接收天线包括水平磁偶极子天线。

39、一种用于在采矿过程中测定两个钻孔隔开的距离的变化量的方法，其特征在于包括：

a）钻出若干穿过位于下掏主巷平面和次巷平面间的矿脉的钻

b）把发射机插入第一钻孔中，并把所述发射机固定在第一发射机位置上，

c）把接收机插入第二钻孔中，并且，把该接收机固定在平行于所述第一发射机位置并与所述第一发射机位置隔开的第二接收机位置上，

d）利用所述发射机产生第一电磁波，

e）在所述接收机处接收所述电磁波分量，作为第一接收信号，

f）利用所述第一接收信号计算作为基准参数的第一数值，

g）在所述第一钻孔中，把所述发射机移到第二发射机位置上，

h）在所述第二钻孔中，把所述接收机移到平行于所述第二发射机位置并同所述第二发射机位置隔开第二间距的所述第二接收机位置上，

i）利用所述发射机产生第二电磁波，

j）接收第二电磁波分量，作为第二接收信号，

k）利用所述第二接收信号计算作为所述基准参数的第二数值以及

l）把所述第一数值与所述第二数值进行比较，以确定所述第二间距是否不于所述第一间距。

40、权利要求39的方法，其特征在于：所述第一钻孔和所述第二钻孔是垂直钻孔。

41、权利要求39的方法，其特征在于：所述第一钻孔和第二钻孔是水平钻孔。

42、权利要求39的方法，其特征在于：所述基准参数包括所述电磁波的所述分量的相位。

43、权利要求39的方法，其特征在于：所述基准参数包括所述电磁波的所述分量的幅值。

44、权利要求39的方法，其特征在于：所述电磁波的所述分量包括磁场分量。

45、权利要求39的方法，其特征在于：所述第一电磁波具有10MHz以上的频率。