建筑物对地面坑透实验电磁波信号的影响

吴荣新，左汪会，肖玉林

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001）

建筑物对地面坑透实验电磁波信号的影响

吴荣新，左汪会，肖玉林

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001）

为在地面模拟煤层工作面坑透探测，利用地面建筑物作为探测目标体，采用矿井工作面坑透探测的工作方法布置观测系统进行探测实验。结果表明：（1）穿过地面建筑物路径的电磁波场强值显著降低，建筑物的高低及结构不同，对电磁波信号影响程度不同；（2）建筑物范围在场强平面图上表现为较低的场强值，在电磁波吸收系数平面图上表现为较高的电磁波吸收系数值；（3）建筑物适用于作为探测目标体进行地面坑透实验。

建筑物；坑透；电磁波；场强；工作面

0 引言

由于坑透具有工作效率高、探测精度高和费用低等特点，已成为在煤层工作面地质构造探测中广泛应用的矿井物探技术，很多煤矿企业要求所有煤层工作面均进行坑透探测，以查明工作面内的地质异常，为工作面的安全生产提供地质保障[1-8]。

受坑透仪器及工作面探测条件限制，难以在地面实验室内建立适合坑透探测的工作面地质模型进行坑透实验。地面建筑物是否对穿透路径上的坑透无线电波场强具有显著的衰减作用，能否利用地面建筑物作为探测目标体设计坑透实验工作区，是在地面条件进行坑透探测模拟实验的关键问题，对于坑透技术教学及培训具有重要的意义。本文尝试利用地面建筑物作为探测目标，开展了地面坑透实验，取得了良好的效果。

1 地面坑透实验探测理论基础

电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，它们对电磁波能量吸收不同，低电阻率岩层对电磁波具有较强的吸收作用。另外在波的传播方向上遇到断裂构造时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，造成能量损耗。在煤矿井下工作面坑透时，通常煤层为相对高电阻率地层，为电磁波的导波地层；而在顶底板方向，岩层通常为较低电阻率值地层，对电磁波的吸收作用强，电磁波传播距离小。因此，在工作面一条巷道发射的电磁波，在穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量将被吸收或完全被屏蔽，在另一巷道内测只能收到微弱信号或收不到其透射信号，形成透视异常。因此通过工作面坑透成果可以有效地反映出地质异常的平面展布范围。

在地面场地进行坑透实验时，空气为高电阻率值介质，对电磁波能量吸收较小，有利于电磁波的传播；而混凝土或砖混建筑物电阻率值显著低于空气介质，对电磁波具有较强的反射和折射作用，对透视过建筑物的电磁波也具有较强的吸收作用[9-10]，所以在电磁波传播路径上，建筑物的存在将会显著降低电磁波的强度值，穿过建筑物的路径上接收到的场强信号将变弱或收不到场强信号。因此，理论上可以将建筑物所在范围看作为坑透探测目标体范围，在建筑物两侧设计两条平行测线，能够模拟煤矿工作面坑透工作方式，探测出建筑物的平面位置，得到与煤矿工作面坑透相似的结果。

2 地面坑透实验

根据地面实际条件，在安徽理工大学校园内选择一教学楼作为探测目标，教学楼长60 m，宽26 m，高30 m。在距教学楼南侧和北侧各8 m的位置上布置2条平行测线，测线的端点均超出建筑物两端外缘10 m（图1），左端为测线起点，右端为测线终点，测线长80 m。采用YDT-88型矿用本安型无线电波透视仪进行实验，工作方式为定点交会法，仪器工作频率为0.365 MHz。发射点距为5 m，接收点距为0.5 m，两测线共布置30个发射点，每个发射点对应21个接收点。

图1 地面坑透实验测线布置图Figure 1 Ground surface radiowave gallery penetration experiment prospecting line layout

实验得到的实测场强值为37～58 dB（图2）。测点0～20、140～160为教学楼外侧范围，电磁波传播未受建筑物阻碍，具有较高的实测场强值52～58 dB，实测场强曲线较为平直；测点40～120为建筑物主体范围，具有较低的实测场强值37～47 dB；测点20～40、120～140为建筑物边部，实测场强值表现为过渡特征，场强值为40～55 dB，向建筑物中心方向，场强值逐步降低。由此可见，在电磁波传播路径上，该建筑物通过反射、折射及透射吸收作用[9-10]，使得电磁波场强值有显著的降低，衰减幅度达10～15 dB。

图2 实测场强曲线图Figure 2 Measured field intensity curves

利用ECT电磁波处理软件，对采集的实测场强数据进行处理，得到场强分布平面图和电磁波吸收系数平面图（图3、图4）[1-2]。在水平方向上，对楼房的范围探测情况对应较一致：楼房外侧表现为较高的电磁波场强值（55～57 dB）和较低的电磁波吸收系数值（0.10～0.12 dB/m）；楼房除两边缘10 m外，表现为较低的电磁波场强值（40～45 dB）和较高的电磁波吸收系数值（0.14～0.18 dB/m）；楼房两边10 m范围介于前两者之间。但在垂直方向上，对楼房范围控制得较差，主要原因为楼房的水平方向范围太大，仅依靠两条水平测线上的透射数据难以很好地控制垂向范围。水平方向35～45 m为一层楼房的进出通道，表现为相对略高的场强值（图3）和略高的吸收系数值（图4），反映出建筑物的不同结构在坑透实验结果上也有一定反映。

从实测场强曲线、场强分布平面图和电磁波吸收系数平面图上，对于建筑物范围都有显著的反映，说明地面建筑物对于坑透实验的电磁波透视信号有显著的衰减作用，衰减场强值可达10～15 dB。坑透实验的平面成果图较好地反映了建筑物的平面范围，说明利用地面建筑物作为探测目标进行坑透实验，能够达到良好的教学及培训效果。

图3 场强分布平面图Figure 3 Field intensity distribution plan

3 讨论

煤层工作面中不同落差的断层对坑透信号的影响不同，较大落差的断层常表现为显著的场强值降低和高电磁波吸收系数值；而较小落差的断层常表现为场强值略有降低和电磁波吸收系数值略有升高。不同高度的建筑物能否表达出不同落差断层的效果呢？在校园中，采用与图1相同的坑透观测系统及仪器参数对一较低的楼房（高9 m）进行实验，结果如图5所示。测点0～20和140～160未穿过楼房区，其实测场强值约55 dB；测点40～120为建筑物主体范围，具有较低的实测场强值42～51 dB；测点20～40和120～140为建筑物边部，实测场强值表现为过渡特征，实测场强值48～55 dB。可见较低楼房主体对电磁波衰减影响程度相对要小5～10 dB（图5），高低显著不同的建筑物可以模拟落差大小不同的断层。测点60～100为一层楼房的通道，具有较高的实测场强值（45～51 dB），也进一步说明建筑物内的结构差异在坑透实验结果上有一定反映。

图4 电磁波吸收系数平面图Figure 4 Electromagnetic adsorption coefficient plan

图5 低楼实测场强曲线图Figure 5 Measured low building field intensity curves

目前，坑透广泛采用的仪器为WKT-6型、WKT-E型和YDT-88型坑透仪，广泛采用的探测工作频率为0.3～0.965 MHz[1-4]。在校园实验场地附近，采用YDT-88型坑透仪，工作频率为0.365 MHz和0.965 MHz进行对比试验。在60 m内的收发距离r内，两种工作频率所测得的电磁波场强值H总体相当，只是0.965 MHz的电磁波场强值衰减得略快一些，无线电波信号在空气介质中的传播差异相对较小，0.3～0.965 MHz不同工作频率对地面建筑物坑透实验影响较小（图6）。

图6 地面实验H-r关系图Figure 6 Ground surface experiment H-r relationship

矿井工作面的宽度通常为100～240 m，长度通常为500～2000 m。而坑透有效的探测距离往往在240 m以下，因此，矿井工作面大多不适合于作四条巷道的两两穿透探测，在沿回采方向的两条长巷道内进行坑透探测具有典型的代表性。如图3、图4所示，本次实验在建筑物的垂向上控制较差，这也是目前坑透实际存在的问题，在矿井工作面内对走向断层的位置及大小（或范围）相对控制较差。

4 结论

（1）穿过地面建筑物路径的电磁波场强值有显著的降低，建筑物的高低及结构不同，对电磁波信号影响程度不同；

（2）建筑物范围在场强平面图上为较低的场强值范围，在电磁波吸收系数平面图上为较高的电磁波吸收系数值范围，建筑物适合于作为探测目标体开展地面坑透实验。

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Impacting on Electromagnetic Wave Signal from Buildings during Radiowave Gallery Penetration Experiment on Ground Surface

Wu Rongxin,Zuo Wanghui and Xiao Yulin
(School of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001)

In order to simulate coal face radiowave gallery penetration prospecting on ground surface,taking surface buildings as the target,in accordance with mine working face radiowave gallery penetration working mode laid out field setup and carried out prospecting experiment.The result has shown that:(1)the field intensity values of electromagnetic wave pass through buildings have significant reduction,buildings with different heights and structures have different impacting degrees on electromagnetic wave signal;(2)on the field intensity plan,within the range of buildings shown lower field intensity values,on the electromagnetic wave adsorption coefficient plan shown higher adsorption coefficient values;(3)buildings are suitable to use as prospecting target to carry out ground surface radiowave gallery penetration experiment.

building;radiowave gallery penetration;electromagnetic wave;field intensity;working face

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.15

1674-1803(2017)01-0069-04

国家自然科学基金资助项目(41172137)

吴荣新（1972—），男，安徽凤台人，教授，主要从事地质工程、地球探测信息技术方面的教学与研究工作。

2016-12-17

责任编辑：孙常长