CN111538095B - 一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法 - Google Patents

一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法，在钻孔内布设多个发射点，然后在每个发射点同一侧分别设有一个接收点，进行探测时，将无线电发射机放置在其中一个发射点并向钻孔周围地质层发射无线电波，接着采用无线电接收机放置在该发射点对应的接收点获取其场强数据；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对应的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，进而能判断钻孔周围探测区域内是否存在地质异常区；如存在能准确得出地质异常区所处空间位置及范围；因此本发明仅需单钻孔就能在地面进行地质勘探，并且其具有抗干扰能力好，操作简单，易于推广。

Description

一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法
技术领域
本发明涉及一种地面钻孔地质勘探的方法，具体是一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法。
背景技术
在钻孔钻进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、溶洞、裂隙带、富水区等。进行施工之前通常需要进行无线电波透视或者跨孔雷达进行地球物理测试，上述方式有利于查明地面下方的地质异常情况，从而指导工程安全施工。并且由于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，因此其广泛应用于工程环境物探、矿产勘查等领域中。
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个地面钻孔内，通过发射机在一个钻孔内持续发出无线电波，电波经过两个钻孔之间的地质层透射到另一个钻孔内被接收机接收，利用能量衰减来反演钻孔间的地质异常区域)，因此其对地质异常的探查还存在如下一些问题：(1)探测方式为透射方式，导致其对钻孔之间的大范围低值区及近垂向延展的地质异常区探测效果差；(2)对于相邻钻孔间距过大的情况下，透射后的电波场强值往往很低，因此导致难以有效探测出两个钻孔之间的地质异常区范围；(3)对于仅在地面施工单钻孔的情况下，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地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法，仅需单钻孔就能在地面进行地质勘探，并获取探测区域内地质异常区空间位置及范围，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：一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法，具体步骤为：
A、在所需探测区域的地面向下钻设一个钻孔，沿钻孔轴向在钻孔内等间距布设多个发射点，相邻两个发射点的间距为1～5米；
B、沿该钻孔轴向在每个发射点同一侧分别设有一个接收点，各个发射点与其对应的接收点之间的间距相同；
C、选择一台无线电发射机作为无线电发射源，选择一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将处于钻孔最深处的发射点确定为第一发射点，然后从该发射点沿钻孔向上依次对其余发射点进行顺序编号，完成后进入步骤②；
②设定每个发射点与对应的接收点之间的间距为L，将无线电发射机放置在第一发射点并向钻孔周围任意方向的地质层发射无线电波，此时无线电接收机的接收端放置在该发射点对应的接收点处，并获取该接收点处的无线电波场强数据；然后停止无线电发射机工作，并将其移动到下一个编号的发射点，无线电发射机发射无线电波、且发射方向与第一发射点时相同，同时无线电接收机的接收端放置在该发射点对应的接收点处，并获取该接收点处的无线电波场强数据；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，直至获取钻孔内每个发射点对应的各个接收点处的无线电波场强数据；
D、对获取的各个接收点处的无线电波场强数据进行分析处理，从而得出钻孔周围的地质异常区所处位置，具体过程为：
Ⅰ、先选择一个发射点及其对应的接收点，设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，无线电波在地质层内传播的能量衰减系数为β1，地质异常区距离钻孔的水平距离值为未知量Xp，地质异常区距离地面的深度为未知量Dp，进入步骤Ⅱ；
Ⅱ、若发射的无线电波在钻孔周围未遇到地质异常区，则无反射无线电波到达该接收点；接收点测量的场值为发射源通过钻孔空腔及钻孔液传播的无线电波直达能量；此时无线电波在钻孔空腔及钻孔液传播的能量衰减系数为β2；由于L、A、X0、D、β1和β2均为已知值，能得到该接收点的理论场强值B0为：
Figure BDA0002526394760000031
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，然后再选择一个发射点及其对应的接收点，重复步骤Ⅰ和Ⅱ，如此持续重复，直至完成所有发射点及其对应的接收点的数据处理，说明整个探测范围内无地质异常区，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、当无线电波在钻孔周围遇到地质异常区时，能得到该接收点的理论场强值Bp的表达式：
Figure BDA0002526394760000032
其中，
Figure BDA0002526394760000033
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 BDA0002526394760000034
进入步骤Ⅳ；
Ⅳ、为了求取步骤Ⅲ中公式(2)的Xp值，因此构建深度扫描谱S(Xp,|B-Bp|)，B为接收点的实测场强值，具体过程为：
a、设定Xp的扫描间隔距离为Δd，m为扫描次数，有0≤Xp＝mΔd，并设定m值；由于Xp的最大值受发射源能量，接收器灵敏度，地层吸收系数和背景噪声等多个因素影响。因此，需根据具体的测试环境，进行标定；
b、当m＝1时，Xp＝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Xp，进而根据该接收点所处的深度，能得出地质异常区的深度Dp，进而确定该接收点对应的地质异常区空间位置(Dp，Xp)，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空间位置均为其各自接收反射无线电波的反射点位置，将各个接收点对应的地质异常区空间位置进行整合，最终得出探测区域内地质异常区所处位置及范围。
进一步，所述无线电发射机的工作频率为8～24MHz。
进一步，所述相邻两个发射点的间距为3米。
与现有技术相比，本发明在所需探测区域的地面向下钻设一个钻孔，沿钻孔轴向在钻孔内等间距布设多个发射点，沿该钻孔轴向在每个发射点同一侧分别设有一个接收点，各个发射点与其对应的接收点之间的间距相同；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向钻孔周围的地质层发射无线电波，此时无线电接收机的接收端放置在该发射点对应的接收点处，并获取该接收点处的无线电波场强数据；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对应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，判断钻孔周围探测区域内是否存在地质异常区；如存在能准确得出地质异常区空间位置及范围；因此本发明仅需单钻孔就能在地面进行地质勘探，并获取探测区域内地质异常区空间位置及范围，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。
附图说明
图1是现有的双钻孔无线电波探测示意图；
图2是本发明的单钻孔无线电波探测示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明的具体步骤为：
A、在所需探测区域的地面向下钻设一个钻孔，沿钻孔轴向在钻孔内等间距布设多个发射点，相邻两个发射点的间距为1～5米；
B、沿该钻孔轴向在每个发射点同一侧分别设有一个接收点，各个发射点与其对应的接收点之间的间距相同；
C、选择一台无线电发射机作为无线电发射源，选择一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将处于钻孔最深处的发射点确定为第一发射点，然后从该发射点沿钻孔向上依次对其余发射点进行顺序编号，完成后进入步骤②；
②设定每个发射点与对应的接收点之间的间距为L，将无线电发射机放置在第一发射点并向钻孔周围任意方向的地质层发射无线电波，此时无线电接收机的接收端放置在该发射点对应的接收点处，并获取该接收点处的无线电波场强数据；然后停止无线电发射机工作，并将其移动到下一个编号的发射点，无线电发射机发射无线电波、且发射方向与第一发射点时相同，同时无线电接收机的接收端放置在该发射点对应的接收点处，并获取该接收点处的无线电波场强数据；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，直至获取钻孔内每个发射点对应的各个接收点处的无线电波场强数据；
D、对获取的各个接收点处的无线电波场强数据进行分析处理，从而得出钻孔周围的地质异常区所处位置，具体过程为：
Ⅰ、先选择一个发射点及其对应的接收点，设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，无线电波在地质层内传播的能量衰减系数为β1，地质异常区距离钻孔的水平距离值为未知量Xp，地质异常区距离地面的深度为未知量Dp，进入步骤Ⅱ；
Ⅱ、若发射的无线电波在钻孔周围未遇到地质异常区，则无反射无线电波到达该接收点；接收点测量的场值为发射源通过钻孔空腔及钻孔液传播的无线电波直达能量；此时无线电波在钻孔空腔及钻孔液传播的能量衰减系数为β2；由于L、A、X0、D、β1和β2均为已知值，能得到该接收点的理论场强值B0为：
Figure BDA0002526394760000061
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，然后再选择一个发射点及其对应的接收点，重复步骤Ⅰ和Ⅱ，如此持续重复，直至完成所有发射点及其对应的接收点的数据处理，说明整个探测范围内无地质异常区，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、当无线电波在钻孔周围遇到地质异常区时，能得到该接收点的理论场强值Bp的表达式：
Figure BDA0002526394760000062
其中，
Figure BDA0002526394760000063
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 BDA0002526394760000064
进入步骤Ⅳ；
Ⅳ、为了求取步骤Ⅲ中公式(2)的Xp值，因此构建深度扫描谱S(Xp,|B-Bp|)，B为接收点的实测场强值，具体过程为：
a、设定Xp的扫描间隔距离为Δd，m为扫描次数，有0≤Xp＝mΔd，并设定m值；由于Xp的最大值受发射源能量，接收器灵敏度，地层吸收系数和背景噪声等多个因素影响。因此，需根据具体的测试环境，进行标定；
b、当m＝1时，Xp＝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Xp，进而根据该接收点所处的深度，能得出地质异常区的深度Dp，进而确定该接收点对应的地质异常区空间位置(Dp，Xp)，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空间位置均为其各自接收反射无线电波的反射点位置，将各个接收点对应的地质异常区空间位置进行整合，最终得出探测区域内地质异常区所处位置及范围。
进一步，所述无线电发射机的工作频率为8～24MHz。
进一步，所述相邻两个发射点的间距为3米。

Claims (3)

1.一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法，其特征在于，具体步骤为：
A、在所需探测区域的地面向下钻设一个钻孔，沿钻孔轴向在钻孔内等间距布设多个发射点，相邻两个发射点的间距为1～5米；
B、沿该钻孔轴向在每个发射点同一侧分别设有一个接收点，各个发射点与其对应的接收点之间的间距相同；
C、选择一台无线电发射机作为无线电发射源，选择一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将处于钻孔最深处的发射点确定为第一发射点，然后从该发射点沿钻孔向上依次对其余发射点进行顺序编号，完成后进入步骤②；
②设定每个发射点与对应的接收点之间的间距为L，将无线电发射机放置在第一发射点并向钻孔周围任意方向的地质层发射无线电波，此时无线电接收机的接收端放置在该发射点对应的接收点处，并获取该接收点处的无线电波场强数据；然后停止无线电发射机工作，并将其移动到下一个编号的发射点，无线电发射机发射无线电波、且发射方向与第一发射点时相同，同时无线电接收机的接收端放置在该发射点对应的接收点处，并获取该接收点处的无线电波场强数据；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，直至获取钻孔内每个发射点对应的各个接收点处的无线电波场强数据；
D、对获取的各个接收点处的无线电波场强数据进行分析处理，从而得出钻孔周围的地质异常区所处位置，具体过程为：
Ⅰ、先选择一个发射点及其对应的接收点，设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，无线电波在地质层内传播的能量衰减系数为β1，地质异常区距离钻孔的水平距离值为未知量Xp，地质异常区距离地面的深度为未知量Dp，进入步骤Ⅱ；
Ⅱ、若发射的无线电波在钻孔周围未遇到地质异常区，则无反射无线电波到达该接收点；接收点测量的场值为发射源通过钻孔空腔及钻孔液传播的无线电波直达能量；此时无线电波在钻孔空腔及钻孔液传播的能量衰减系数为β2；由于L、A、X0、D、β1和β2均为已知值，能得到该接收点的理论场强值B0为：
Figure FDA0002526394750000021
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，然后再选择一个发射点及其对应的接收点，重复步骤Ⅰ和Ⅱ，如此持续重复，直至完成所有发射点及其对应的接收点的数据处理，说明整个探测范围内无地质异常区，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、当无线电波在钻孔周围遇到地质异常区时，能得到该接收点的理论场强值Bp的表达式：
Figure FDA0002526394750000022
其中，
Figure FDA0002526394750000023
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 FDA0002526394750000024
进入步骤Ⅳ；
Ⅳ、为了求取步骤Ⅲ中公式(2)的Xp值，因此构建深度扫描谱S(Xp,|B-Bp|)，B为接收点的实测场强值，具体过程为：
a、设定Xp的扫描间隔距离为Δd，m为扫描次数，有0≤Xp＝mΔd，并设定m值；
b、当m＝1时，Xp＝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Xp，进而根据该接收点所处的深度，能得出地质异常区的深度Dp，进而确定该接收点对应的地质异常区空间位置(Dp，Xp)，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空间位置进行整合，最终得出探测区域内地质异常区所处位置及范围。
2.根据权利要求1所述的一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法，其特征在于，所述无线电发射机的工作频率为8～24MHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于地面单钻孔内反射无线电波的地质勘探方法，其特征在于，所述相邻两个发射点的间距为3米。
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