CN111474593B - 一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法 - Google Patents

一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法，在巷道内布设多个发射点，然后在每个发射点两侧对称布设多个接收点，进行探测时，将无线电发射机放置在其中一个发射点并持续向煤层工作面发射无线电波，接着采用无线电接收机依次经过该发射点两侧的接收点获取各个接收点的场强数据；然后将无线电发射机放置到下一个发射点，如此持续，从而获取每个发射点所有接收点的无线电波场强数据；最后对每个接收点获取的场强数据进行数据分析处理，进而能判断探测区域内的煤层工作面是否存在地质异常区；如存在能准确得出地质异常区所处深度及范围；因此本发明仅需单巷道就能对工作面进行探测，并且其具有抗干扰能力好，操作简单，易于推广。

Description

一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法
技术领域
本发明涉及一种矿井工作面探测方法，具体是一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法。
背景技术
矿井工作面回采过程中存在诸多影响安全高效生产的地质异常，主要包括断层、煤层变薄区、陷落柱、裂隙带、富水区等。矿井工作面在回采前通常需要进行无线电波透视探测，来查清工作面内地质异常赋存情况，保障煤矿工作面的安全高效生产。并且无线电波透视探测为非接触式探测，其具有现场操作简单快速，探测人员少的优点，是工作面内地质异常探查广泛应用的物探方法。
由于现有的无线电波探测技术为透视探测(即如图1所示，发射机和接收机分别处于两条巷道内，通过发射机在工作面一侧巷道内持续发出无线电波，电波经过工作面煤层后透射到工作面另一侧巷道内被接收机接收)，因此其对地质异常的探查还存在如下一些问题：(1)探测方式为透视方式，导致其对工作面内的大范围低值区及近走向延展的地质异常区探测效果差；(2)对于大面宽(大于240m)工作面，透视后的电波场强值往往很低，因此导致难以有效探测出工作面内的地质异常区范围；(3)对于仅具有单条巷道的煤层，无法探测其周边的地质异常赋存情况。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法，仅需单巷道就能对工作面进行探测，并获取探测区域内地质异常区所处深度及范围，不仅具有抗干扰能力好，对地质异常区的探测分辨率高，而且操作简单，易于推广。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法，具体步骤为：
A、沿巷道走向在巷道内等间距布设多个发射点，相邻两个发射点的间距为50～80m；
B、沿巷道走向在每个发射点两侧对称布设多个等间距的接收点，相邻两个接收点的间距为5～10m；
C、选择一台无线电发射机作为无线电发射源，选择一台或两台无线电接收机进行无线电数据接收，开始进行探测工作，具体为：
①先将处于两端的两个发射点其中之一确定为第一发射点，然后从该发射点沿巷道走向依次对其余发射点进行顺序编号，若采用一台无线电接收机，进入步骤②；若采用两台无线电接收机，进入步骤③；
②将无线电发射机放置在第一发射点并朝向煤层工作面持续发射无线电波，此时无线电接收机的接收端朝向煤层工作面并依次经过该发射点其中一侧的各个接收点，获取该侧每个接收点处的无线电波场强数据；然后无线电接收机对发射点另一侧的各个接收点，从而获取该发射点所有接收点处的无线电波场强数据；接着停止无线电发射机工作，并将其移动到下一个发射点，然后重复上述无线电发射机发射及无线电接收机接收的过程，从而获取该发射点所有接收点处的无线电波场强数据；如此持续，直至获取每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据；
③将无线电发射机放置在第一发射点并朝向煤层工作面持续发射无线电波，此时两台无线电接收机分别处于该发射点两侧，每台无线电接收机的接收端朝向煤层工作面并依次经过所处一侧的各个接收点，从而获取该发射点两侧所有接收点处的无线电波场强数据；接着停止无线电发射机工作，并将其移动到下一个发射点，然后重复上述无线电发射机发射及两台无线电接收机接收的过程，从而获取该发射点所有接收点处的无线电波场强数据；如此持续，直至获取每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据；
D、对获取的每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据进行分析处理，从而得出地质异常区所处深度及范围(处理原理为：由于煤层为无线电波的导波层，发射机发射的高频无线电波信号能量主要沿煤层传播，在遇到巷道周边断层等地质异常区时，将产生反射及透射现象。在直达信号与反射信号叠加的范围内，接收点场强值将显著升高；在无线电波穿过地质异常区界面后，透射后的接收场强值将显著降低。根据无线电波传播能量的反射及透射原理，对采集的同巷无线电波场强值进行处理，可以得到巷道周边的地质异常赋存位置)，具体过程为：
Ⅰ、先选择一个发射点，并在该发射点所有接收点中选择一个，设发射点和该接收点间的间距为X0，发射点所处巷道与工作面另一侧巷道的间距为D；无线电发射机发出的无线电波场强值为A，该接收点的实测场强值为B，无线电波在煤层内传播的能量衰减系数为β，地质异常区距离发射点所处巷道的深度为未知量Dp，进入步骤Ⅱ；
Ⅱ、若发射的无线电波在煤层工作面内未遇到地质异常区，则无反射无线电波到达该接收点；接收点测量的场强值为发射源通过巷道空腔及巷道表面传播的无线电波直达能量；此时无线电波在巷道空腔及巷道表面传播的能量衰减系数为β2；由于A、X0、D、β和β2均为已知值，能得到该接收点的理论场强值B0为：
Figure BDA0002526156610000031
若该接收点的实测场强值B＝B0，则说明该接收点接收的反射无线电波未遇到地质异常区，然后在该发射点所有接收点中再选择一个，重复步骤Ⅰ和Ⅱ，如此持续重复，直至完成所有发射点和所有接收点的数据处理，说明整个探测范围内的煤层工作面无地质异常区，完成探测过程；
若在持续重复过程中，任一接收点的实测场强值B≠B0，则说明该接收点接收的反射无线电波遇到地质异常区，此时停止重复过程，并对该接收点的实测场强值B进入步骤Ⅲ进行处理；
Ⅲ、当无线电波遇到工作面内地质异常区时，能得到该接收点的理论场强值Bp的表达式：
Figure BDA0002526156610000032
其中，
Figure BDA0002526156610000033
为地质异常区反射的无线电波传播路径长度，θp为与地质异常区反射的无线电波与无线电接收机的接收端朝向之间的夹角，
Figure BDA0002526156610000034
Ⅳ、为了求取步骤Ⅲ中公式(2)的Dp值，因此构建深度扫描谱S(Dp,|B-Bp|)，B为接收点的实测场强值，具体过程为：
a、设定Dp的扫描间隔距离为Δd，m为扫描次数，有0≤Dp＝mΔd≤D，并设定m值；
b、当m＝1时，Dp＝Δd；根据公式(2)能得出此时的Bp值，进而能求出对应的|B-Bp|m＝1；
c、再选择m＝2时，并重复步骤b，能求出|B-Bp|m＝2；如此重复直至达到步骤a设定的m值，从而得出整个深度扫描谱S(Dp,|B-Bp|)，在扫描谱中选择|B-Bp|的最小值对应的Dp，最终获得该接收点对应的地质异常区深度位置，进入步骤Ⅴ；
Ⅴ、再选择一个接收点，并进入步骤Ⅰ，直至对各个接收点均进行处理后，由于各个接收点对应的地质异常区深度位置均为其各自接收反射无线电波的反射点位置，因此将各个接收点对应的地质异常区深度位置进行整合，最终得出探测区域内地质异常区所处深度及范围。
进一步，所述无线电发射机的工作频率为0.3～1.5MHz。
进一步，所述相邻两个发射点的间距为50m；相邻两个接收点的间距为10m；发射点每侧的接收点数量为10个。
与现有技术相比，本发明沿巷道走向在巷道内等间距布设多个发射点，然后沿巷道走向在每个发射点两侧对称布设多个等间距的接收点选择无线电发射机作为无线电发射源，选择无线电接收机进行无线电数据接收，开始进行探测工作，将无线电发射机放置在其中一个发射点并持续向煤层工作面发射无线电波，接着采用无线电接收机依次经过该发射点两侧的接收点获取各个接收点的反射无线电波的场强值；然后将无线电发射机放置到下一个发射点，如此持续，从而获取每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据；最后对每个接收点获取的场强数据进行数据处理分析，判断探测区域内的煤层工作面是否存在地质异常区；如存在能准确得出地质异常区所处深度及范围；因此本发明仅需单巷道就能对工作面进行探测，并且其具有抗干扰能力好，对地质异常区的探测分辨率高，而且操作简单，易于推广。
附图说明
图1是现有的工作面无线电波探测示意图；
图2是本发明中一台无线电发射机和两台无线电接收机的探测示意图；
图3是本发明中一台无线电发射机和一台无线电接收机的探测示意图；
图4是本发明的探测原理图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图2至图4所示，本发明实施例1的具体步骤为：
A、沿巷道走向在巷道内等间距先布设4个发射点，相邻两个发射点的间距为50m；
B、沿巷道走向在每个发射点两侧对称布设多个等间距的接收点，相邻两个接收点的间距为10m；发射点每侧的接收点数量为10个；
C、选择一台无线电发射机作为无线电发射源，选择一台或两台无线电接收机进行无线电数据接收，开始进行探测工作，具体为：
①先将处于两端的两个发射点其中之一确定为第一发射点(即10号发射点)，然后从该发射点沿巷道走向依次对其余发射点进行顺序编号，分别为15号发射点、20号发射点和25号发射点；并对各个接收点进行编号，其中10号发射点两侧的接收点，分别为编号0～9和11～20；15号发射点两侧的接收点，分别为编号5～14和16～25；20号发射点两侧的接收点，分别为编号10～19和21～30；25号发射点两侧的接收点，分别为编号15～24和26～35；若采用一台无线电接收机，进入步骤②；若采用两台无线电接收机，进入步骤③；
②将无线电发射机放置在第一发射点并朝向煤层工作面持续发射无线电波，此时无线电接收机的接收端朝向煤层工作面并依次经过该发射点其中一侧的各个接收点(即编号为0～9)，获取该侧每个接收点处的无线电波场强数据；然后无线电接收机对发射点另一侧的各个接收点(即编号为11～20)，从而获取该发射点所有接收点处的无线电波场强数据；接着停止无线电发射机工作，并将其移动到下一个发射点，然后重复上述无线电发射机发射及无线电接收机接收的过程，从而获取该发射点所有接收点处的无线电波场强数据；如此持续，直至获取每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据；
③将无线电发射机放置在第一发射点并朝向煤层工作面持续发射无线电波，此时两台无线电接收机分别处于该发射点两侧，每台无线电接收机的接收端朝向煤层工作面并依次经过所处一侧的各个接收点(即其中一台依次经过编号为0～9的接收点，另一台依次经过编号为11～20的接收点)，从而获取该发射点两侧所有接收点处的无线电波场强数据；接着停止无线电发射机工作，并将其移动到下一个发射点，然后重复上述无线电发射机发射及两台无线电接收机接收的过程，从而获取该发射点所有接收点处的无线电波场强数据；如此持续，直至获取每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据；
D、对获取的每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据进行分析处理，从而得出地质异常区所处深度及范围，具体过程为：
Ⅰ、先选择一个发射点，并在该发射点所有接收点中选择一个，设发射点和该接收点间的间距为X0，发射点所处巷道与工作面另一侧巷道的间距为D；无线电发射机发出的无线电波场强值为A，该接收点的实测场强值为B，无线电波在煤层内传播的能量衰减系数为β，地质异常区距离发射点所处巷道的深度为未知量Dp，进入步骤Ⅱ；
Ⅱ、若发射的无线电波在煤层工作面内未遇到地质异常区，则无反射无线电波到达该接收点；接收点测量的场强值为发射源通过巷道空腔及巷道表面传播的无线电波直达能量；此时无线电波在巷道空腔及巷道表面传播的能量衰减系数为β2；由于A、X0、D、β和β2均为已知值，能得到该接收点的理论场强值B0为：
Figure BDA0002526156610000061
若该接收点的实测场强值B＝B0，则说明该接收点接收的反射无线电波未遇到地质异常区，然后在该发射点所有接收点中再选择一个，重复步骤Ⅰ和Ⅱ，如此持续重复，直至完成所有发射点和所有接收点的数据处理，说明整个探测范围内的煤层工作面无地质异常区，完成探测过程；
若在持续重复过程中，任一接收点的实测场强值B≠B0，则说明该接收点接收的反射无线电波遇到地质异常区，此时停止重复过程，并对该接收点的实测场强值B进入步骤Ⅲ进行处理；
Ⅲ、当无线电波遇到工作面内地质异常区时，能得到该接收点的理论场强值Bp的表达式：
Figure BDA0002526156610000062
其中，
Figure BDA0002526156610000071
为地质异常区反射的无线电波传播路径长度，θp为与地质异常区反射的无线电波与无线电接收机的接收端朝向之间的夹角，
Figure BDA0002526156610000072
Ⅳ、为了求取步骤Ⅲ中公式(2)的Dp值，因此构建深度扫描谱S(Dp,|B-Bp|)，B为接收点的实测场强值，具体过程为：
a、设定Dp的扫描间隔距离为Δd，m为扫描次数，有0≤Dp＝mΔd≤D，并设定m值；
b、当m＝1时，Dp＝Δd；根据公式(2)能得出此时的Bp值，进而能求出对应的|B-Bp|m＝1；
c、再选择m＝2时，并重复步骤b，能求出|B-Bp|m＝2；如此重复直至达到步骤a设定的m值，从而得出整个深度扫描谱S(Dp,|B-Bp|)，在扫描谱中选择|B-Bp|的最小值对应的Dp，最终获得该接收点对应的地质异常区深度位置，进入步骤Ⅴ；
Ⅴ、再选择一个接收点，并进入步骤Ⅰ，直至对各个接收点均进行处理后，由于各个接收点对应的地质异常区深度位置均为其各自接收反射无线电波的反射点位置，因此将各个接收点对应的地质异常区深度位置进行整合，最终得出探测区域内地质异常区所处深度及范围。
进一步，所述无线电发射机的工作频率为0.3～1.5MHz。

Claims (3)

1.一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法，其特征在于，具体步骤为：
A、沿巷道走向在巷道内等间距布设多个发射点，相邻两个发射点的间距为50～80m；
B、沿巷道走向在每个发射点两侧对称布设多个等间距的接收点，相邻两个接收点的间距为5～10m；
C、选择一台无线电发射机作为无线电发射源，选择一台或两台无线电接收机进行无线电数据接收，开始进行探测工作，具体为：
①先将处于两端的两个发射点其中之一确定为第一发射点，然后从该发射点沿巷道走向依次对其余发射点进行顺序编号，若采用一台无线电接收机，进入步骤②；若采用两台无线电接收机，进入步骤③；
②将无线电发射机放置在第一发射点并朝向煤层工作面持续发射无线电波，此时无线电接收机的接收端朝向煤层工作面并依次经过该发射点其中一侧的各个接收点，获取该侧每个接收点处的无线电波场强数据；然后无线电接收机对发射点另一侧的各个接收点，从而获取该发射点所有接收点处的无线电波场强数据；接着停止无线电发射机工作，并将其移动到下一个发射点，然后重复上述无线电发射机发射及无线电接收机接收的过程，从而获取该发射点所有接收点处的无线电波场强数据；如此持续，直至获取每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据；
③将无线电发射机放置在第一发射点并朝向煤层工作面持续发射无线电波，此时两台无线电接收机分别处于该发射点两侧，每台无线电接收机的接收端朝向煤层工作面并依次经过所处一侧的各个接收点，从而获取该发射点两侧所有接收点处的无线电波场强数据；接着停止无线电发射机工作，并将其移动到下一个发射点，然后重复上述无线电发射机发射及两台无线电接收机接收的过程，从而获取该发射点所有接收点处的无线电波场强数据；如此持续，直至获取每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据；
D、对获取的每个发射点所有接收点处的无线电波场强数据进行分析处理，从而得出地质异常区所处深度及范围，具体过程为：
Ⅰ、先选择一个发射点，并在该发射点所有接收点中选择一个，设发射点和该接收点间的间距为X0，发射点所处巷道与工作面另一侧巷道的间距为D；无线电发射机发出的无线电波场强值为A，该接收点的实测场强值为B，无线电波在煤层内传播的能量衰减系数为β，地质异常区距离发射点所处巷道的深度为未知量Dp，进入步骤Ⅱ；
Ⅱ、若发射的无线电波在煤层工作面内未遇到地质异常区，则无反射无线电波到达该接收点；接收点测量的场强值为发射源通过巷道空腔及巷道表面传播的无线电波直达能量；此时无线电波在巷道空腔及巷道表面传播的能量衰减系数为β2；由于A、X0、D、β和β2均为已知值，能得到该接收点的理论场强值B0为：
Figure FDA0002526156600000021
若该接收点的实测场强值B＝B0，则说明该接收点接收的反射无线电波未遇到地质异常区，然后在该发射点所有接收点中再选择一个，重复步骤Ⅰ和Ⅱ，如此持续重复，直至完成所有发射点和所有接收点的数据处理，说明整个探测范围内的煤层工作面无地质异常区，完成探测过程；
若在持续重复过程中，任一接收点的实测场强值B≠B0，则说明该接收点接收的反射无线电波遇到地质异常区，此时停止重复过程，并对该接收点的实测场强值B进入步骤Ⅲ进行处理；
Ⅲ、当无线电波遇到工作面内地质异常区时，能得到该接收点的理论场强值Bp的表达式：
Figure FDA0002526156600000022
其中，
Figure FDA0002526156600000023
为地质异常区反射的无线电波传播路径长度，θp为与地质异常区反射的无线电波与无线电接收机的接收端朝向之间的夹角，
Figure FDA0002526156600000024
Ⅳ、为了求取步骤Ⅲ中公式(2)的Dp值，因此构建深度扫描谱S(Dp,|B-Bp|)，B为接收点的实测场强值，具体过程为：
a、设定Dp的扫描间隔距离为Δd，m为扫描次数，有0≤Dp＝mΔd≤D，并设定m值；
b、当m＝1时，Dp＝Δd；根据公式(2)能得出此时的Bp值，进而能求出对应的|B-Bp|m＝1；
c、再选择m＝2时，并重复步骤b，能求出|B-Bp|m＝2；如此重复直至达到步骤a设定的m值，从而得出整个深度扫描谱S(Dp,|B-Bp|)，在扫描谱中选择|B-Bp|的最小值对应的Dp，最终获得该接收点对应的地质异常区深度位置，进入步骤Ⅴ；
Ⅴ、再选择一个接收点，并进入步骤Ⅰ，直至对各个接收点均进行处理后，将各个接收点对应的地质异常区深度位置进行整合，最终得出探测区域内地质异常区所处深度及范围。
2.根据权利要求1所述的一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法，其特征在于，所述无线电发射机的工作频率为0.3～1.5MHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于单巷道反射无线电波探测矿井工作面的方法，其特征在于，所述相邻两个发射点的间距为50m；相邻两个接收点的间距为10m；发射点每侧的接收点数量为10个。
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