专利名称：地层结构成象的电磁仪器的制作方法
技术领域：
本发明一般关系到探测煤层中地质异常的仪器，明确地说，这件发明是关于利用连续波中频无线电成象技术和计算机辅助构图技术来得出辐射产生的煤层异常图的仪器。
成层的煤层或煤床由于种种地质机理都是变了形的。周围几层压紧程度的不同，会引起煤层的断裂、曲折和隆起。古代河流刷去了煤床上的煤，留下沙子和岩石沉积。这种沉积，亦就是河道沙土冲刷，能够引起冲蚀和薄弱的顶部。这种煤层变形和岩石沉积，都是采煤的物理障碍。在采煤工业中，广泛采用两种地下采煤技术。一种叫房柱式连续采煤，这种开采法可以绕过许多障碍进行开
连续开采技术化费少并且只需少量人力。例如，开采时通常只需八个人开三班。然而，连续开采每班只能生产约300吨煤。另一种广泛采用的技术叫长壁开采。长壁技术在开采均匀煤床时很有效，生产率平均可达每班1500吨。
在美国，采矿安全和健康管理局要求采用后退式长壁，而不希望采用前进式长壁。但在欧洲，前进式长壁用得很多。后退式长壁是向着主巷道方向开采，而前进式长壁是离开主巷道方向开采。在建立后退长壁时要用到连续开采技术。从主巷道、与主巷道成直角方向和在长壁采区的任一侧，可以开采出两条巷道路线。这些巷道路线，各为首巷和尾巷道，延长成长壁采区的长度。在长壁区的尽头，在首巷道和尾巷道之间掘一横巷。对着主巷道的横巷的壁是长壁的面，长壁采煤机就沿这面掘进，其头就指向着主巷道。长壁向前移动时，挖出区上方的顶部就坍陷下来。在挖掘的尽头要留未开采煤的阻挡块，以支持主巷道上方的顶部。
在有长矿区可以开采的情况下，由于长壁采矿的高产量，采用长壁开采在经济上是有利的。一个典型的长壁采区可包括500，000至一百万吨煤。长壁采煤的初始投资和建立费用都很高，设备费用平均数百万美元。长壁的建立最少要30天，每天三班，每班十二至十四人。因此，建立费用非常大，而要得到长壁方法的低价生产利益，需要煤层是均匀的，以保持长期生产。煤层的异常，例如断裂、冲蚀、矿床交错和遇到岩脉，都能使长壁生产提早终止。在许多例子中，遇到异常后，长壁设备要换成“坚硬”的钻头，或者用炸药炸开，这可能破坏设备并使矿工处于危险之中。因此，如果在开采以前能检测和分析出煤层的异常，那么开采工艺就可计划得使生产成本为最少。如果能勘测到一个长的连续的煤层，那么就可采用低成本的长壁技术。如果发现有长壁采矿的障碍，那么，采矿工程部门可以采用连续采矿法绕过这些障碍，或者例如采用冲刷或爆破办法，把这些异常冲掉或炸掉。
对于有潜在生产价值煤矿的地质勘探，已知有多种方法。这些方法采用了各种各样的技术。卫星成象和摄影给出过全球的数据供采矿地质学家使用。然而，由于这种数据只能提供一个概貌，在决定煤层能否开采上，这种数据起不了作用。地表层和露头的宏观勘查(踏勘)，根据地质学家的现有知识，可以预报出地层的特性。地表的地震和电磁波传播方法，对于经济矿包括石油和天然气，在地球物理勘探中也广泛采用，然而，这些微观勘测技术，在调查煤层的详细结构上并不可靠。
为了得出关于煤层异常的有用数据，目前采用的是各种微观勘查的矿层内的地震法。在欧洲，有一种正在发展的技术，它是从16个地点爆炸，用120组地音探测器收听，每组有36个地音探测器，所得的地震数据用计算机处理，结果能发现断裂。直到现在，这种方法需要在5英尺间隔处放置炸药并需要安装相当长的电线。地震法主要对前进长壁法而没有想对后退长壁法使用。此外，还没有证明这个方法有解决沙床异常的能力，特别对于部分冲蚀和不重要的小的异常，这个方法也不能探测顶部或底部岩石的状况。基于用控制源的地磁方法来浮现地表，也有看到地壳的能力。这个方法在探测矿层的主要断裂时看来是有用的，但也不能解决详细的矿层结构。
钻井对探测长壁障碍是有用的。在采矿区钻600英尺的10×12个孔，以便对煤层取样，然而，这方法的缺点是只复盖障碍的一小部分。因为复盖面积有限，所以这个方法在探测和解决钻孔与钻孔之间可能存在的矿层异常时是没有用的。从地表钻探岩心和测井记录仍然是煤矿信息的最可靠来源。岩心样本提供了描绘地层的有用数据。测井记录能够探测到钻孔附近的组成。但是，如果钻井与钻井之间的距离超过约50英尺，目前所用的测井记录方法都不能探测和解决矿层的异常。矿层内的水平钻探能够探测到矿层异常，但它和垂直钻探同样受到复盖面的限制。此外，水平钻探很费钱，平均每生产一吨煤要化20美分。
曾经研究过好几种电磁技术，试图提供一种能看到煤层内部的地球物理方法。通常和合成的雷达技术已在文献中有所报导。由于雷达的频率很高，它对研究钻孔附近的地质结构极其有用。然而，对于深层刺探，为了保持有用的分辨率，就需要非常高的发射功率，这是因为高频信号随着矿层中的距离迅速衰减。因此，目前的雷达方法不能看到矿层的深处。
R.J.LYTLE的文章“测定高对比异常的交叉钻孔电磁探测”(“CROSSBOREHOLEELECTROMAGNETICPROBINGTOLOCATEHIGH-CONTRASTANOMALIES”GEOPHYSICS，VOL.，44，№.10，OCT.1979)和“计算机化的地球物理层析成象术”(“COPUTERIZEDGEOPHYSICALTOMOGRAPHY”PROC.IEEE，VOL.，67，№.7，JULY1979)已经说明了用连续波(CW)信号对煤层成象的方法。他的方法仅是附近两孔间的层析成象。LYT1E的方法在距离和分辨率上都受限制，因为限于空间，使测量只能利用钻孔内用的探头。为了满足层析成象的要求，LYTLE采用较高的频率，因此，作用距离很短。此外，已经发现岩石的电导率远大于煤的电导率。在电导率(对比度)相差悬殊的地方，层析成象算法将是发散的，不能收敛，结果得不出图象。
由美国矿务局一家公司的A.D.LITTLE领导的一项研究，研究了连续波中频信号在煤层中的传播。A.G.EMSLIE和R.L.LAGACE在“RADIOSCIENCE”(VOL.Ⅱ，NO.4，APR.1976)上发表的结果是关于电磁波的利用，但只是为了通信的目的。此外，在所用的电波传播方程中，可能还有错误。在KAISER的英国专利№.1，018，188中，透露了利用高频无线电波试验各种介质的方法。在SCHLUMBERGER有限公司的EPO专利申请№.0105801中，透露过一种测井记录方法和仪器。这个方法不是用于深层穿透和成象，祇是用来测量钻孔附近的电导率和介电常数。
其它的电磁技术方法也同样有作用距离和分辨率问题。以前的技术都没有认识到煤层中存在一个300-800KHz的传输容器。因此，没有一种先前技术能得出远距离、高分辨率的地质异常图象。
本发明的简单说明因此，本发明的一个目的是提供煤层巷道内和地面对煤层异常成象的仪器，其作用距离足以对整个长壁采区成象。
本发明的进一步的目的是提供煤层异常成象的仪器，其分辨率足以探测到断裂、全部和部分的冲蚀、河道沙土冲刷、岩脉以及交错矿床。
本发明进一步的目的是利用断裂走向的地面成象来降低生产成本，并且提供出长壁的合适走向。
本发明另一目的是在确定了采区的走向后，利用长壁采区的巷内成象来降低生产成本。
本发明还有一个目的是减轻或消除由于意料不到的地质异常对矿工构成的危险。
本发明的另一目的是测定煤层的高度。
本发明的进一步的目的是在长壁的前面提供出详细的煤层图象。
本发明的进一步目的是予测顶层的塌落。
本发明的进一步目的是用信号强度测量装置来验证予测到的异常。
简言之，本发明推荐的实施例包括一台连续波中频发射机，它有调频的能力，并配有环形定向天线，一台连续波中频接收机，配有环形定向天线，并能精确地测定并记录接收信号的幅度和发射信号的相移，以及数据处理装置，它根据得到的原始数据产生出煤层的表达图形。发射机和接收机都是便携式的，且设计成两种结构一种是园柱形的，像一根探棒，以便向下插到煤层的钻孔中，另一种是便携式的，能携带到巷道中，适合于煤层巷道内使用。
这里推荐的实施例利用了连续波中频(ME)信号，以较小的输出功率，获得煤层地质异常的高分辨图像。中频的范围一般定义为约300KHz至约3MHZ。因为煤层上下都被电导率与煤不同的岩石所限，在某些信号频率下，电磁能量可以传播到很远的距离。这种传输窗口，或叫煤层模式，可以用实施新型中的调谐环形天线来激励，使MF信号在煤层中传输好几百米。煤层的异常结构，造成了一个其电参数与煤不同的区域。利用煤与异常结构电参数的不同，就给出这里的成像方法。这种不同改变了电波在该处的传播常数，因而分析该处远端收到的电波，便可决定发射机和接收机之间的煤层结构。
中频巷道内连续仪器及层析成像仪器都采用窄带的调频(FM)信号，接收仪器则用锁相环(PLL)技术来检测和测量收到的信号，锁相环接收机的信号检测阈可以低于噪声，因此能改善作用距离。在煤层和异常结构的电参数有相当差异的地方，可采用连续成像法。而当电参数的差异较小时，可用层析成像术。如果进行多方面的空间测量，则可改善层析成像仪器的分辨率，因此克服了内在的雷达距离的限制。
采用向下钻孔法时需要有一个钻井计划，使中频信号能在钻孔之间的煤层中传播。在此方法中，煤层两边要钻许多孔。发射机探头和接收机探头就分别插在煤层两侧的钻孔中，且测量信号在煤层中的衰减。在一系列钻孔中，变换发射机和接收机的位置，可得出一系列数据点。测出信号衰减、路径损失和相移且与计算值相比较，就能决定煤层中有没有异常。此外，利用计算机辅助成像技术能把这些数据重构成图，得出煤层的表达图形。探测到异常时，要在原来计划两孔的切面上再附加钻一些孔以取得进一步的读数来确定异常的位置。煤层巷内成像技术，除了把发射机和接收机等仪器放在被测煤层巷道的首巷和尾巷，其它进行方式均与地面成像技术类似。
另外，这种仪器还能用来探测煤层火灾的趋向以提高采矿的安全性。煤层中的火灾影响了煤层的电导率，因此如同异常一样能被探测出来。用煤层巷内探测方法，知道了什么地方有火灾，就能控制它的蔓延。在另一种应用中，下井的矿工如果装备有小的接收机或收发信机，那么对被陷困的矿工就能建立通信。在被陷困矿工的可疑地区钻个孔，插入孔内用的仪器就能激励煤层，从而和被陷困的矿工通信。
本发明的优点是用成像技术获得煤层异常的表达图像。
本发明另一优点是选择了适当的采煤方式，可使生产成本降到最低。
本发明再有一优点是祇用最少的设备和最少的钻孔数目，便能得出图像。
本发明再有一优点是祇用比较低的发射功率就能成像。
本发明再有一优点是通过对工作面地质异常的探测，能够增加采煤的安全性。
另有一个优点是用本发明的仪器可以探测到由河道沙土冲刷引起的部分冲蚀。
还有一个优点是用本发明的仪器可以定出顶/底岩石的情况。
本发明的另一优点是可以用这个设备和被陷困的矿工通信，因此，增加了采煤的安全性。
再有一个优点是用本发明的仪器可以决定煤层火灾的趋向。
本发明再有一个优点是可以测定煤层的高度。
本发明再有一个优点是在长壁的前面就可得出详细的煤层图像。
本发明还有一个优点是可以予测顶层的坍落。
本发明还有一个优点是能够验证煤层内的异常。
对于那些在本技术方面具有一般技能的人来说，读了用各种附图详细说明的实施例以后，无疑能对本发明的这些和其它的目的和优点，会知道得更加清楚。
附1是用于本发明中的煤层巷内接收机的斜视图;
图2是用于本发明中的煤层巷内发射机的斜视图;
图3是用于本发明中钻孔内用的探头的截面图;
图3a是装有使探头居中在钻孔中的居中架的钻孔内用的探头的斜视图;
图4是图3钻孔内接收机和发射机探头部件的方框图;
图5是理想的煤层截面，表明了采用煤层巷道内层析成像时图2发射机及
图1接收机的位置;
图6是理想的煤层截面，表明了煤层附近的几个钻孔和钻孔内探头及地面设施的布置;
图7是理想的煤层顶视图，表明了顶层岩石成像方法;
图8是理想的煤层截面，表明了多个仪器勘测方法;
图9是理想的煤层截面，表明了煤层巷内和钻孔内仪器合并使用的勘测方法，其中有垂直钻孔和水平钻孔;
图10是验证煤层中异常的方法和仪器的理想顶视图;以及图11是本发明另一种钻孔内探头的实施例的简图。
图1表明了一个煤层巷道内层析成像用的可携带连续波中频(CWMF)接收机。层析成像正如这里所用的是一通用名词，用来表示中频(MF)信号对煤层结构的一种电磁成像方法。成像方法可用也可不用层析成像算法。接收机以数目字10表示，它是单次变换超外差型接收机，频率范围为300至800KHZ可调谐，且以5KHZ为增量。接收机被设计成它能自动测量发射信号的场强，并把测得的场强变换成数字信号，以备下一步数据处理使用。接收机10包括调谐环形天线11，距离记录键盘12，磁带记录器13和场强指示器14。
图2表示一连续波中频发射机，它以数目字20标志。发射机20是一个B类发射机，频率范围300至800KHZ可调谐，且以5KHZ为增量。发射机20的输出功率为20瓦。这足以在520KHZ下根据介质的不同，提供出作用距离至少1550英尺。发射机20也有一调谐环形天线21。发射机天线21和接收机天线11，例如可由一定圈数的导线夹在两片可弯曲的有弹性的塑料片中组成，塑料片固定在一个圈上。塑料片可被暂时弯曲，以便通过窄小的地方，其材料例如是市售“LEXAN”牌号的可弯曲塑料。发射机20和接收机10的外形，正如下面所说，要适合于巷内使用，它们的方框图如图4所示。接收机10和发射机20除了有连续波信号的能力外，发射机20还设计得能产生和发射窄带调频(FM)信号，而接收机10设计得能接收窄带FM信号且能解调这种信号。这种功能可用来测量相移，以便给出对地质异常探测和成像的附加有用数据。对于这种测量，发射机20必须对接收机10发射一个参考信号。这个信号如图5所示是通过光导纤维22传送。光导纤维22通过插头24藕合至接收机10，并通过插头26藕合至发射机20。
巷道内成像需要进入到煤层附近。对于首巷和尾巷尚未挖好的情况，例如在前进式长壁情况，或者对于煤床相当浅而地面钻探特性相当好的情况，可采用钻孔内探头的地面成像。图3表示了钻孔内探头的一般形状，并用数目字30标出。探头30是园柱形的，以便插到标准尺寸的钻孔中。探头30包括一个园柱式外壳37，直径约2英寸。园柱外壳37可用各种材料做成，在本实施新型中最好选用玻璃钢之类的透无线电辐射的材料。园柱外壳37内装有可旋转的支架40。支架40是一实心园柱，有纵向槽42，两头是平面43。每个平面43上装有模块式电路板，包括天线指向控制44、调制解调器45以及接收机46或发射机47，这决定于这个探头具有接收机能力还是发射机能力。在纵槽42内，放有调谐环形天线48的导线。由于调谐环形天线无线电传输的方向性，所以对接收机探头和发射机探头的天线都必须装有机械旋转的装置，使这两天线能调整到同一平面上，这是在园柱外壳37内靠马达49带动支架40旋转来完成。马达49固定在园柱外壳37的近端处，和支架40有机械的连接，使支架40在外壳37内能作完全的360°旋转。在这个实施新型中，驱动马达49的功率由6个镉电池50供给，镍镉电池50固定在支架40的近端，正好在马达49的下面。园柱外壳37在远端用盖帽51封住，在近端用盖帽52封住。盖帽52上装有标准的4芯插座，以便插接电缆54。靠电缆54把探头30与地面设备联接起来，且通过它传送成像用的数据。配合钻孔内接收机30用的地面电子设备包括信号强度显示器/记录器，调制解调器以及当探头工作在FM模式时在两探头之间传送参考信号的无线电发射机/接收机。
为了保证探头同心地放置在钻孔中，如图3a所示，探头上要装一居中定位夹子。这个居中定位夹一头有个近端盖帽55，这个盖帽能附在探头近端盖帽52上。盖帽55有一中心孔，电缆54穿过中心孔引出。套筒56紧套在探头30外壳37的远端。盖帽55和套筒56装有3条至4条箍带57。箍带57由坚韧有弹性的材料做成，例如用不锈钢薄条做成，箍带中部弯成向外凸出的弧形，便于与钻孔内壁接触，箍带57相当柔韧，能使探头30保持在钻孔中央，并使探头很容易在钻孔内滑下。
钻孔内的设备和地面勘测方法也可以在开采中使用，例如当开采煤煤层下面发现有新煤层时，在这种情况下，从现在的煤层中还可钻孔到下面煤层，仍采用钻孔内的仪器和方法。
本实施例对于钻孔内探头30和煤层巷内仪器10和20都打算采用模块式的元部件。这样可降低成本和便于维修。图4是模块式部件的一般方框图。
表1是一份模块部件的清单，表2是矩阵表示，说明每个钻孔内探头30和巷道内仪器10及20的组成。
表1模块部件A1接收机A3发射机A10 c3调制解调器A13显示器/记录器B6Nicd电池调谐环形天线附件C1钻孔式C2便携式表2组成矩阵仪器A1A3A10A13B6C1C2钻孔式(30)发射机1111接收机1111地面11巷道内(10或20)发射机20111接收机101111设备技术指标的一些例子都表明在表3至7内。表3列出了系统的一般工作参数。表4和表5列出了发射机和接收机的技术指标。表6说明发射机和接收机天线的特性，表7给出了调制解调器的指标。
表3系统技术指标信号发射形式CW及窄带FM频率范围300至800KHZ调谐5KHZ增量峰值频偏100HZ调制频率范围200HZ环境工作温度-40℃至80℃探头500磅/平方英寸表4发射机形式互补B类模块说明A3频率范围300至800KHZ调谐5KHZ增量输出功率20瓦平坦性±1/2DB射频负载阻抗50欧及200欧电压驻波比VSWR最大3∶1混频振荡器10.7MHZ信号振荡器100HZ电源工作电压9至15伏直流所需电流3.5安插头型式MOLEX输出功率2VCC1地线1光纤电缆(参考)11
表5接收机形式单变换超外差式模块说明A1频率范围300至800KHZ调谐5KHZ增量IF频率10.7MHZ电源阻抗50欧灵敏度0.1微伏(对于12DB信噪比)选择性3DB带宽200HZ(最小)70DB带宽1KHZ音频啸声抑制50DB(最小)无啸声抑制30DB(100UV)负载8欧频率响应3DB10、70、100HZ电压表型式与发射机本地振荡器同步量程0至360°
表6天线形式调谐环形天线频率范围300至800KHZ圈数11磁矩钻孔式 8ATM2@20瓦可携式 8ATM2@20瓦指向形式磁通门罗盘(钻孔式)表7C3调制解调器形式MANCHESTER码格式16位码功能电源开/关天线位置±30个指令在不能直接靠近煤层的场合，可以把钻孔内探头30插到煤层周边的一系列钻孔中进行地面成像，这种方法如图6所示。
煤层成像是基于煤和异常结构的不同电导率。岩石的电导率比煤的电导率要大几个数量级。调谐环形发射天线的垂直转向，产生出水平磁场Hφ及垂直电场Ez。在煤层高度上，这两个场强差不多是常数。在远离天线径向距离上，这两场强依指数式衰减，衰减率由有效衰减常数(α)决定，这个常数由煤和岩石中的损耗以及煤的介电常数所决定。煤层厚度减小、煤层电导率增加以及相对介电常数增加时，这个衰减率估计会增加。当岩石电导率增加时，这衰减率要减小。衰减率还依赖于发射信号的频率以及煤层的含水量。EMSLIE和LAGACE两人的测量结果表明，煤的衰减率约为4DB/100英尺。这些事实构成了煤层连续成像法的基础。
调谐环形天线依照下列方程(1)激励出低损耗煤层自然模式的信号(1)Hφ＝
f(rαhεcεrбcбr)其中M是发射天线的磁矩，r是发射天线至接收天线的距离，α是衰减常数，h为煤层高度，εc及εr各为煤层及岩石的电容率，бc及бr各为煤层及岩石的电导率。磁矩M本身依赖于发射功率P0以及带宽Bw，它可表示成方程(2)(2)M＝CPoBw]]>以上两个方程一起表明调谐环形天线将激励出煤层自然模式的磁矩，而若能提供最大的磁矩，就能达到最远的距离。窄的带宽也能改善接收机的灵敏度和作用距离。接收机中频(IF)信噪比为10dB时的接收机灵敏度S10dB由(3)式给出(3)S10dB＝-164+10log10BWIF+10log10NF其中BWIF是信号的中频带宽，NF是接收机的噪声系数。
(3)式表明带宽减小时灵敏度将增加。(1)、(2)及(3)式的结果表明对于地质勘测仪器来说，连续波中频(MF)信号是最佳的。这是因为窄频带信号将在煤层中以最低的衰减率(方程3)以及最高的磁矩(方程1及2)传播。结果在一定的输出功率下能使仪器的作用距离为最大。
成像方法依赖于算出的信号强度与由CW、MF仪器测出的信号强度的比较。而以上分析算出的信号强度将有助于对本方法的理解。为了对成像法提供一个基准读数，可用上述的(1)式算出特定煤层中希望获得的信号强度。为了做到这一点，可对待定的煤层测出各个参数，然后将测出的结果代入(1)式。
传播的信号是在远端接收机处接收。由于煤层“有效”电导率的增加或者煤层高度的减少，沿着有异常煤层的途径，电磁波的传播会受到较大衰减率的作用。因此，比较了许多接收信号的电平，可检测出途径上的异常。此外，中频无线电信号的折射率在纯煤中变化缓慢，因此信号基本上沿直线传播。煤层中的传播基本是平行平面横向电磁波(TEM)传输线模式，在以电导率高的上下岩石为边界的平面煤层中，电场是垂直的，磁场是水平的。像岩石这种煤层内的异常，其折射率不同于煤的折射率，因此，信号途径会偏出一个较大的度数。窄带调频(FM)信号可以测出这种途径损耗，从而提供出探测异常的第二种方法。最后，FM信号沿传播途径的相移也能指出煤层中异常的存在。
当需要有高分辨率时，层析成像比连续成像更受欢迎。层析成像采用了衰减率最低的频率以及多方面的空间测量，结果提高了分辨率。在发射机和接收机的各个方向上测出衰减率，再用计算机辅助成像方法去分析所得的数据点，就能得出异常的一个表达图形。
为了得到好的分辨率，发射机和接收机之间的距离应大于λc/2，其中λc是煤层中信号的波长。对于本实施例的520KHZ发射频率来说，煤层中的信号波长是97.7米。这使最小的分开距离为15.56米。
图5表明了煤层巷道内层析成像方法，因而要采用能在巷道内携带的接收机10及发射机20，且依据使分辨率成为最大的方式进行。发射机20的调谐环形天线21在300至800KHZ内事先选定的一个频率上激励出煤层自然模式的水平磁场分量(Hφ)，使在给定的功率输出下提供出最大的场强。接收机调谐环形天线11调整到与发射机天线21在同一平面，使接收到的场强成为最大。为了得到最大的分辨率，这两仪器的分开距离要大于15.56米。在本实施例中，煤层是600英尺(200米)宽，因此有足够的分开距离。从图5中看出，煤层70中若有岩石/沙土障碍74，这块岩石/沙土障碍74将作为一块对无线电波传播有影响的质量而引起传输信号的衰减。又因为层析成像方法采用了最低衰减率的信号频率以降低发射机的输出功率，所以在首巷道和尾巷道处不希望有连续的电导体存在。这种电导体能产生二次磁场，从而干扰了接收信号电平的测量。为了在巷内层析成像勘测中得出足够的分辨率，应该在不同位置进行测量和收集数据。这个步骤可以这样来完成，即对首巷道78中每个发射机位置，在尾巷道76的各个特定位置上(指定为X0、X1、……Xn)进行一系列接收信号强度的测量。同样，在首巷道78内，把发射机20放在一系列特定的位置(指定为Y0、Y1、……Yn)而接收机10放在尾巷道76的相应位置上。在巷道内每个接收机位置上，都要用记录键盘12来记录接收机相对于发射机的坐标位置。这些坐标都转成数字信号并且和测得的接收信号值一起存到磁带记录器内。因此在重构这些数据时，测得的信号可以根据发射机和接收机相对位置的改变而进行校正。发射机和接收机位置的纵向间隔决定于所需图象的分辨率。结果收到的信号数据都变换成数字形式后存入到接收机10的盒式磁带13内，并能用计算机层析成像算法进行分析。这种计算机辅助成像算法将提供出煤层结构的详细图象。计算机产生的数据也可包括把煤层参数(电异率、煤灰成分等)打印出来的打印和用于采煤计算机的图象终端的数字磁带。
图6表示的是基于煤层地面成像的地面设备。被成像的煤层用数目字80代表，可以看到在煤层中有一断层82存在。根据边界勘探方案而采用地面成像法时，要沿着长壁采区的边界钻许多孔84。在本实施例中，1200英尺总宽及6000英尺长的两块相邻长壁采区可以用10个钻孔的钻探计划来成像。这个钻探计划将能探测到采区中的煤层异常。如果在一个采区中发现了一种断层，就需制定一个收敛的搜索方案去决定它的走向。这种搜索方案就是在确定断层的边界内再钻一些平分的钻孔以确定断层的位。置煤层地面成像所进行的方式与煤层巷道内成像方法是类似的。在长壁采区的边界周围钻一系列孔后，便把探头30插入钻孔84中直到煤层的深度，这个深度在岩心取样时已经知道。图6表明了一种垂直位移的断层，结果是煤层一端比另一端深。因为信号是经过煤传送的，所以放到煤层深度的接收机探头30不一定和发射机探头30具有同样的深度。钻孔内的探头30，包括接收机探头和发射机探头，插在相对的两个钻孔84中。利用钻孔内探头30近端处的马达49，可把接收机和发射机天线段48调整到同一平面。天线的指向是通过地面控制单元85来决定和控制的，控制单元85则包括遥测和控制设备以及一个调制解调器。这些单元和探头控制设备以及电缆等都装在拖车86内。连续波FM中频(CWMF)的传输是按煤层巷道内成像方法同样的方式进行，并且测出衰减率和/或相移。在每个钻孔84中，要用接收机探头30以及发射机探头30重复进行这个过程。
这种地面测量的方法也可带到地下表面去做。当要勘测已经开采层下面的煤层时就出现这种情况。于是现有煤层的底就变成地面，并且在其上可以钻孔来探测下面的煤层。钻孔内的探头30仍插入所钻的孔中，而测量则依正常的地面探测方式读取。
然后分析所得的连续数据，看有没有出现衰减增加的地方。这些地方就是断裂区或其它地质异常区域。如果所钻的洞孔足够多，那么就可以用计算机辅助层析成像技术来分析这些数据，并和煤层巷内方法一样可得出图像的结果。
此外，利用连续波中波频率的连续测量可以决定底或顶的特性。这个方法和向下钻孔的连续测量相类似，但测顶层情况时要把接收机和发射机探头30放在煤层顶部，测底层情况时把它们放在底部。于是信号在附近的岩石中传播，信号衰减即被测出。这样可以定出岩石的类别和顶部或底部的情况。顶部岩石特性也可以用下面的方法来决定;即把巷道内接收机10发射机20放在尾巷道和首巷道76及78非常接近的地方，例如间隔约在25英尺，并用背面以及或者重构算法来得出一幅常数衰减率的等厚图。图7说明了正在开采的巷道100内获得顶部岩石情况图像的一种方法，这条巷道是处在已有巷道76及78之间。接收机10放在巷道76内一系列点处(X0、X1、……Xn)，发射机20则放在巷道78内一系列点处(Y0、Y1、……Yn)，而巷道100则在巷道76及78之间。从发射机20发送一中频信号至接收机10，就可测出衰减率，并可用背面及或重构算法分析结果的数据。为了改进所得的图像，仪器位置之间的距离可以缩短，例如25英尺或更短些。须注意，这个方法可用来在已有巷道76及78之间对单一巷道100成像，也可对多个巷道100成像。
图8说明了在煤层70内采用单一发射机20及多台接收机10的探测方法。这个方法加速了所需数据的获得，同样可以用单一接收机10及多台发射机20或多台接收机10及多台发射机20。
对于某些特定的目的，还可利用煤层巷内及向下钻孔探测技术的许多变更方法。如图9所示，在交叉钻孔探测方法中钻孔内探头30可以和巷道内接收机10及或发射机20一起使用，这样可以对正在开采的巷道旁一个未开采煤层102中存在的异常获得高分辨的图像。结果的数据也可用背面重构算法及或层析算法来分析。
图9也说明沿着水平巷道内钻孔104方向测定煤层高度的一种方法。这个方法仍采用交叉钻孔法，用一个巷道内发射机20以及插在水平钻孔104内的钻孔型的探头30，钻孔104垂直于发射机勘测线A。接收机探头30在钻孔104内横向移动，对于发射机位置Y0、Y1……Yn中的每一位置，探头30在不同位置读取信号衰减。分析了衰减率对水平钻孔104中仪器位移的一个图形后，便可定出沿钻孔104的煤层高度。然而这个方法打算用于煤层70，这个煤层已经有预先存在的巷道76及78或巷道100可以放置巷内仪器10或20，采用这个方法时，还可以把探头10插到一系列钻孔108中，这些钻孔位在垂直于钻孔104的一条线上。图9还说明一种巷内平行钻探法，它可以对两个水平纵向钻孔110之间的煤层70成像。钻孔式探头30插入到钻孔110中，和所有其它勘测方法一样，要在发射机和接收机的各个位置上得出一系列读数。这种方法的一种变形是钻出纵向的水平孔110和横向的水平孔104，无线电波便在钻孔104及110的对角线上传输。象所有的方法一样，也可把垂直的钻孔内仪器和水平移动的仪器之一或两者一起使用。在这里可以注意一下，利用现代的定向钻探技术，可以用地面钻机钻出水平的巷内洞孔，因此进一步扩展了钻孔勘探方法的范围。钻孔110以及或104可在煤层70内，在几个不同的高度上开钻。上述任一种煤层巷内勘测方法都可在坍陷法开采中用来对坍陷的成像。
用以上任一种勘测方法测出的异常，可以把直接信号和反射信号比较一下得以证实。如图10所示，煤层70中放一台发射机，它可以是巷内仪器20或钻孔内仪器30，它向异常74发射连续波MF信号。再把一台接收机放在发射机旁边，它可以是巷内仪器10或钻孔内探头30，用来接收从异常74反射回来的信号。从发射机或者接收机来的信号经过方向耦合器112的第一接口由环形天线111发射，然后遇到异常74，把一部分信号反射回来。反射回来的信号通过天线111进入方向耦合器112的第二接口，并在耦合器112内比较了发出信号的功率和反射回来的信号的功率。异常74的存在将在煤层70反射回来的功率上增加反射功率。
在采煤区70中，一旦找到了异常，对长壁开采的影响可以这样来改善，就是把长壁分成几段。比如第一段避开这种异常，第二段向异常掘进，在异常的任一侧垂直于长壁的前进方向，利用连续开采技术开采出采下房区和准备房区。整个长壁继续掘进直到第二部分进入采下房区，到达这点时，这部分就采下了并且准备开采准备房区。同时，长壁的第一部分继续掘进，并和异常区远端的第二部分重新联在一起。另一种不中断长壁开采的方法是用已知的手段来使异常破裂。比如，用高压的泥浆或高膨胀性的松脂冲刷，或者用通常的爆破手段等。
对深于1700英尺的钻孔，钻孔时很费时费钱，并且加护套所化的代价也高。如果不加护套的话，钻杆取出后钻孔则会被堵住。对于这种钻孔，可以采用探头30的另一种实施的新的类型(如图11所示)。这类探头120主要包括环形天线42′，马达49′与天线42′在机械上联在一起，并能使天线42′绕垂直轴旋转。电压电平标定电路121以及与电源及控制装置123相联的电缆122。地面的电源及控制单元123包括发射机以及/或接收机电路，用来发射信号至环形天线48′或自环形天线48′接收信号。电源和信息信号都从单元123供至探头120，接收回来的信息信号通过电缆122仍送回单元123。电压电平标定电路121产生一精确的信号电平，用来标定从天线至控制装置123整个信号途径。当钻探方案完成后，探头120可以留在钻孔中很长一段时间，需要时即可用它。探头120也可包括密码封锁电路124，这样可以防止非有关单位去使用这个探头120，典型情况是，探头通过塑料管插到钻孔内。或者经过钻杆直接插入。塑料管或钻杆取走后探头120便留在钻孔中。
虽然这项发明已经用这里所推荐的实施例来说明，但应认识到不能把这种透露解释成一种限制。对于那些熟悉这门技术的人来说，读了本透露的内容以后，无疑能够作出许多变化和修改。因此，这里打算把所附的权利要求解释成包括落入本发明真正精神和范围内的所有的变化和修改。
权利要求
1.探测和分析地质异常的仪器，其特征在于，它包括一套钻孔发射机，它有一调谐环形天线，用以在矿层中垂直定向，这个天线和发射机电气地耦合在一起，并机械地与一驱动装置耦合，从而使天线能绕一垂直轴旋转，所说发射机在300KHz至800KHz的中频频带上发射连续波窄带FM信号，一个与所说发射机及电缆装置耦合的调制解调器以便将所说发射机与地面的控制装置相连接，所说地面控制装置包括控制天线方向的装置，发射机还包括一细长的探头及一封闭装置，以将所说发射机、天线、驱动装置及调制解调器封装起来，一套钻孔接收机，它有一调谐环形天线，用以在所说矿层中垂直定向，这个天线和连续波中频接收机电气地耦合在一起，该接收机可以接收由发射机发射的信号，该天线并与一驱动装置机械地耦合，从而使天线能绕一垂直轴旋转，所说接收机包括测量和记录装置，用以测量及记录多数的数据，包括所接收信号的特征，一个与所说接收机和一电缆装置耦合的调制解调器以便将该接收机和地面分析及控制装置相连接，所说地面分析及控制装置包括控制天线方向的装置，所说接收机还包括一细长的探头及一封闭装置，以将所说接收机、天线、驱动装置、及调制解调器封装起来，一个计算机辅助处理装置，以接收、处理和解释所说记录数据，所说记录数据由所说地面分析及控制装置存储于一磁性存储介质上，以便稍后由该计算机辅助处理装置进行分析。
2.权利要求1所述的仪器，其特征是，所说地面控制装置包括一个调制解调器，一功率输出控制装置和一个天线方向控制装置，而所说地面分析及控制装置包括一个调制解调器和一个天线方向控制装置。
3.权利要求1所述的仪器，其特征是，所说的中频频率范围为400至600KHz。
4.权利要求1所述的仪器，其特征在于还包括一个耦合到所说发射机的参考信号输出连接器，以便由此直接发射FM参考信号，一个耦合到所说接收机的输入连接器，以便直接接收所说FM参考信号，和一个参考信号传输装置，以便将所说参考信号输出连接器与所说参考信号输入连接器相耦合，从而使一个参考信号可在它们之间被传输。
5.权利要求4所述的仪器，其特征是，所说参考信号传输装置包括一地面定向天线，该天线与所说参考信号输出连接器相耦合，并适宜于传输所说FM参考信号，和一地面天线、该天线与所说参考信号输入连接器和所说地面分析装置相耦合，并适宜于接收所说FM参考信号。
6.权利要求4所述的仪器，其特征是，所说参考信号传输装置包括一电缆。
7.权利要求1所述的仪器，其特征是，所说发射机天线和接收机天线安装在远隔发射机和接收机的地方。
8.权利要求1所述的仪器，其特征是，所说发射机和接收机调谐环形天线分别包括互相扣紧的第一和第二可变形的塑料带，并在一环形中，以导线多圈缠线，从而被夹紧于其间。
9.权利要求1所述的仪器，其特征在于进一步包括一个参考信号输出插头，它与发射机耦合，经过它直接传送FM参考信，一个参考信号输入插头，它与接收机耦合，用来直接接收所说FM参考信号，以及一个参考信号传输装置，它使所说参考信号输出插头与所说参考信号输入插头耦合，从而靠它在其间传送参考信号。
10.权利要求9所述的仪器，其特征是所说参考信号传输装置包括一根电缆。
11.一种探测和分析地质异常的仪器，其特征在于，它包括含有一发射机和第一控制装置的第一地面控制单元，所说发射机适宜于发射频率范围在300HKz至800KHz之间的连续波窄带FM信号，所说第一地面控制装置适宜于向一发射机提供电功率和信息信号和接收来自一发射机的电功率及信息信号，一个含有第一可插入的调谐环形天线，以便把它插入钻孔内，所说第一可插入天线包括一支撑装置及与之相耦合的第一驱动装置，以便驱动所说第一可插入天线绕一垂直轴旋转，一个与所说第一可插入天线电气地耦合的第一电压电平校正器电路，以便供应一准确信号电平来校正从所说第一可插入天线至所说第一控制装置的信号路径，第一电缆装置，以便将所说第一可插入天线与第一地面控制单元电气地耦合，第二地面控制单元，该单元包括一适宜于接收来自所说发射机的所说连续波窄带FM信号的接收机以及第二控制装置，所说接收机还包括一测量及记录装置以测量并记录所接收到的信号包括信号特性的多数数据，所说第二控制装置适宜于对一接收机提供电功率及信息信号及接收来自一接收机的电功率及信息信号，一个包括第二可插入调谐环形天线以便插入于钻孔的接收机，所说第二可插入天线包括一支撑装置及与之相耦合的第二驱动装置，以便将所说第二可插入天线驱动并绕一垂直轴旋转，一个与所说第二可插入天线电气地耦合的第二电压电平校正器电路，以便向该天线供应一准确信号电平以校正从所说第二可插入天线至所说第二控制装置的信号路径，和第二电缆装置，以便将所说第二可插入天线与第二地面控制单元相耦合。
12.权利要求11所述的仪器，其特征是进一步包括一个第一编码封锁电路，它与所说马达、第一驱动装置、所说第一校正器电路以及所说发射机和控制装置相耦合，一个第二编码封锁电路，它与所说第二驱动装置、所说第二校正器电路以及所说接收机和控制装置相耦合。
全文摘要
一种用于对地质岩层的异常进行检测和分析的装置，该装置包括一与调谐回路天线相连的发射机，天线在地质岩层中垂直地面对一定方向。发射机在约300～800KHz的中频频带上发射连续的波窄带FM信号。一连续波中频接收机能接收到发射机的信号，并且与一在地质岩层中垂直地面对一定方向的调谐回路天线相连。该接收机包括用来测量和记录所接收到信号的场强的装置，以及一计算机辅助处理装置，用来解释结果记录数据。
文档编号G01V3/38GK1040439SQ8910767
公开日1990年3月14日 申请日期1985年6月19日 优先权日1983年4月8日
发明者斯托拉尔锡克 申请人:斯托拉尔公司