专利名称:绘制地层中异常现象的垂直图象的方法本发明一般地涉及用于探测地层中的地质异常现象的测试装置和方法，更确切地说，涉及与计算机辅助的图象重建相结合的连续波中频无线电成象技术，以提供矿层异常的图解的电磁辐射确定的图象。存在于成层地层中的煤层或矿床已被许多不同类型的地质机制作用而发生畸变。出现在周围各层的不均匀压实导致在煤层发生断层、扭曲和背斜现象。古河流已将河床上的煤冲去，留下沙和岩的沉积。这种为众所周知的河道沙冲刷的沉积，能导致冲蚀和弱的顶板。这种河流的畸变和岩石沉积是采矿设备的实际分界矿柱。在采煤工业中广泛采用了两种类型的地下开采技术。一种叫做房柱式采煤法或连续开采法，它能围绕着许多这样的分界矿柱开采。这种连续开采技术成本低廉，所需人力也不多。例如，通常只需安排一日三班每班8人的班组。不过，连续开采法的每班产量只有300吨左右。另一种广泛采用的长壁开采技术，在均质煤层里的效率要高得多，该方法所达到的平均产量为每班1500吨。在美国，矿业安全和健康管理机构要求采用后退式，而不是前进式长壁开采法。另一方面，在欧洲则广泛采用前进式长壁开采法。后退式长壁开采法被安排成沿着主平巷的方向去开采，而前进式长壁开采法则背离主平巷采掘。连续开采技术被用来设定后退式长壁开采法。从主平巷起，各平巷道在长壁工作面盘区两边和垂直于主平巷处被开采。这些平巷道，排水巷道和回风巷道，分别地延展长壁开采盘区的长度。在盘区的工作面端头，排水巷道和回风巷道之间形成一个横巷。面对主平巷的横巷的壁是长壁工作面。长壁采煤机沿着工作面的掘进方向指向主平巷而架立。当长壁开采向前移时，顶板垮落在整个已采掘区段。未开采煤的保安煤柱矿块被留在该平巷掘进长度的工作面端头，以支撑覆盖该主平巷的顶板。长壁开采法产量高这一点，使其用于可开采的长的盘区时，尤为经济有利。一个典型的长壁开采盘区包括的煤可达500，000至1，000，000吨。长壁开采法的初始阶段投资和装配费用是高的。设备费平均可达成百上千万美元。建立长壁开采，以一天三班，每班以12至14人计，则至少需要30天时间。因此，建造费用是很大的，为了实现长壁开采法的低成本生产的优点，需要均质煤层，以确保长时间的生产运行。矿层异常(诸如断层，冲蚀，互层和岩脉)可导致长壁开采法生产运行周期的过早结束。在许多情况下长壁开采法遇到某种异常后变成“包铁的”。清除设备的这种“包铁的”现象需要爆破，而这可能破坏设备并使矿工们面临极端危险。因此，如果在开采作业前能探测和分析这些煤层异常，则可事先部署采矿工艺以使生产成本减至最低。在用这种勘探法测得一个长的连续煤矿层的地方，便可采用这种低成本的长壁开采法。若发现长壁开采的分界矿柱，采矿工程部门便可采用连续开采法在分界矿柱周围开采。对具有潜在生产性煤层的地质勘探可使用许多众所周知的方法。这些方法运用了种种技术。卫星成象和摄影术提供了为矿山地质工作者所用的综合资料。然而，由于这种资料数据的粗略概括性，使其在确定煤层的可采性方面设计么价值。表面地层的宏观勘测(底部勘测)和露头特征使地质工作者能根据现有知识去预报地层的特性。基于地震和电磁波表面传播的若干方法被广泛地用于对包括石油和煤气的有用矿的矿床的地球物理测量。然而，宏观勘测技术在检查煤层的详层结构方面是不可靠的。当今，各种微观勘测煤层内的地震技术被用于产生和煤层异常有关的有用数据。在欧洲正在研究中的一项方法包括16个放炮点，信号进入由120个地震检波器组的矿区，每组由36个地震检波器组成。对地震数据的计算机化的处理得出断层的检测结果。至今，该方法要求以5英尺为间隔地装药并需要设置大批的电缆。地震技术主要用于前进式，而不是后退式长壁开采法。此外，此法还未证实其具有分辨河床沙异常的能力，特别是对部分冲蚀和较小的、不显著异常的分辨能力更未能加以证实，也不能探测顶板、和/或底板岩石状态。置于地表面配备以受控源的大地电磁法的频谱的发射有透视地壳内部的能力。这种方法看来似乎在探测地层的主要断层方面是有用的，但不能分辨详细的矿层结构。潜孔钻探现已用于钻探长壁开采矿块。钻进盘区六百英尺深的10-12孔模式提供矿层内的煤样品。但是，该方法的缺点是其所涉及范围只占矿块的很小比率。正因为这种有限的作用距离，该技术对探测和分辨可能存在于钻孔之间的煤层内的煤层异常是无用的。表面岩心钻孔和测井仍属煤层信息的最可靠的来源。岩心取样提供了测绘成层介质图的有用数据。测井便于对钻孔附近的地层进行探查。当前还不能使用测井法去探测和分辨可能存在于距离超过大约50英尺的两个钻孔之间的脉内煤层异常。煤层内的水平钻探可探测煤层异常，但容易受与垂直钻探相同的作用距离的限制。此外，水平钻探是很昂贵的，每产一吨煤平均要化费20美元。现已试验企图用电磁技术去提供一个检查煤层的地球物理方法。在文献中对传统和综合性雷达技术已有报道。由于雷达的高频，使其在对接近钻孔处的地质结构的勘测方面是极其有用的。然而，深层透射要求很高的发射功率以便供给各种有效的分辨力。这是因为高频信号在矿层内随距离的增加而迅速地衰减。因此，目前的几种雷达探测方法不能深入透视矿层中。在1979年10月出版的地球物理学刊物(44卷第10期)上，由R.J.Lytle所著题为“横贯地层的钻孔电磁探测法确定高反差异常”一文和1979年7月出版的IEEE会刊(67卷，7号)上登载的“计算机地球物理断层扫描仪”一文均已描述了使用连续波(CW)信号来绘制煤层图的方法。他所提出的方法仅仅是在接近的钻孔之间进行断层扫描仪成象。Lytle的这种方法具有限的范围和分辨力，因为使用潜孔探头所进行的可能的空间测量是有限的。为满足断层扫描仪的要求，Lytle使用了较高的频率范围，因而所达到的范围更小。再者，早已发现岩石的导电率比煤层的导电率要大得多。导电率差别(反差)大的地方，断层扫描仪算法将发散而不是收敛，从而导致没有图象。为美国矿山资源局(Bureau of Mines)进行的由Arthur D.Little公司主持的一项研究，勘测过连续波中频信号在煤层中的传播。由Alfred G.Emslie和Robert L.Lagace，在1976年4月的“无线电科学”(Ⅱ卷4期)所宣布的结果，仅论及了电磁波作为通信的应用。此外，在所应用的波的传播方程中可能存在着差错。
其他电磁技术也遇到类似的范围和分辨力的问题。没有一种先有技术认识到在400-800KHz范围内存在着煤层传输窗口。因此，没有一种现有技术实现了地质异常的长距离、高分辨力的成象。
因此本发明的目的在于提供为地层异常的层内和地表面成象的装置和方法，其作用范围足以使整个长壁开采盘区成象。
本发明的另一个目的是提供用以对煤层异常成象的装置和方法，其分辨能力足以查明断层、完全和部分冲蚀、河槽沙冲刷、岩脉和互层。
本发明的再一个目的是通过断层方向的地表面测绘并在合适的地方提供长壁开采掘进工作面，以将生产成本减至最低限度。
本发明的另一个目的在于在盘区掘进工作面被开掘后，通过长壁开采盘区的层内成象，使生产成本降至最低限度。
本发明还有一个目的是要减轻或消除由意想不到的地质异常所造成的对矿工的危害。
简单地说，本发明的最佳实施例包括有调频能力且装备有定向环形天线的连续波中频发射机，一个装有定向环形天线并能精确地测量和记录所接收的该被发射信号的幅值和相移的连续波中频接收机，和根据所产生的的原始数据显示煤层图象的数据处理装置。发射机和接收机两者均是可移动的，并按两种构型而设计用于插入靠近煤层的钻井、称为探测器的圆柱状构型，另一种为宜用在煤层内的轻便或巷道构型。
本发明进一步包含用以使煤层中的构造成像的测绘方法。所提供的煤层成像方法有二种，采用那种方法则取决于岩层和煤层深度。置于地表面，具有潜孔连续性测量仪的，煤层成像法，预期用在具有良好地表面钻孔条件的中等浅度煤层。当需要煤层构造的清晰图象时，则将采用煤层内成像和断层扫描技术。
最佳实施例利用连续波中频(MF)信号，用相当低的输出功率而获得煤层中的地质异常的高分辨率成像。因为煤层的上、下囿于有不同的导电性的岩石，在某些信号频率下的电磁能量便被捕集并将传播在很长的距离上。该透射窗口，或即煤层透射模是由最佳实施例中采用的调谐环形天线所激发的，并使这些中频信号在煤层中传播数百米。煤屋异常产生一些其基本电气参数相对于煤层而言是不同的区域。在煤和异常构造之间电气参数方面的这一对比差异便导致了这种成像方法的产生。该对比差异将改变在该区域的电磁波传播常数，由此可分析在该区域的远侧所接收的电磁波，以便确定发射机和接收机之间的地质构造。
该中频煤层内连续测量仪和断层扫描仪还应用了具有窄的占有频谱带宽的调频信号。这些接收仪用锁相环(PLL)技术对信号进行检测。锁相环接收器将信号检测阈值适当地延伸到噪声区，从而提高工作范围。当煤层和异常构造之间出现较大的电气差异时，使用该连续性成像方法。差异小时则可用断屋扫描术。断层扫描术可通过进行更多的空间测量来改善分辨率，从而克服固有的雷达探测范围的局限性。
潜孔探测方法将需要一个能使中频信号在钻孔间的煤层中传播的钻探计划。在该方法中，煤层两侧钻以多个钻孔。发射机和接收机探头插入该煤层相对两侧的钻孔中，并对从煤层的一侧到另一侧的信号衰减进行测量。将接收机和发射机置于潜孔内部多个不同的标高位置，通过发射机和接收机之间的联系产生一系列数据点，从而形成纵断面图;又通过改变发射机和接收机的位置并使他们从一系列钻孔之一侧转至另一侧则便形成横断面图。测量信号的衰减、路径的衰减和相移，并将测量值与计算值相比较，以确定是否出现煤层异常。另外，这些数据可由计算机辅助成像技术加以重建，以便产生表示该煤层的图象。当检测到断层时，在原钻探计划的钻孔间的平分点上再钻一些钻孔，进一步记录数据以确定断层的位置。煤层内成像技术的实施方式是与置于地表面成像技术相似的，只不过在实施煤层内成像技术时，发射机和接收机被置于靠近煤层的排水和回风巷道之中。
此外，这些仪器通过检测煤层中失火的掘进工作面，以用于提高采掘的安全性。煤层失火会影响煤层的导电性，因而可用与检测煤层异常相同的方法对其进行检测。在已知存在失火的地方，采用煤层内检测方法以确定失火的位置，这便可控制失火现象。在另一个应用中，用小型接收机或无线电收发两用机装备矿工，这样便可建立与陷于困境的矿工的通信联系。通过在陷于困境的矿工所在的可疑区域中钻孔，该潜孔仪器能激活该煤层传播窗，且可用来与陷于困境的矿工取得联系。
由成像技术产生地层异常的图象显示是本发明的一个优点。
可实现纵向扫描以形成所研究的地域的纵向图象是本发明的一个优点。
选择适当的采煤方式可使生产成本降到最低限度是本发明的另一个优点。
本发明再一个优点是使用最少的设备和最少的钻孔便可实现成像。
本发明还有一个优点，即用相当低的发射机功率便可实现成像。
本发明再一个优点是通过在工作期间对地质异常的检测，采煤的安全便可得以改善。
本发明又一个优点在于可由本发明来检测由河道沙冲刷所造成的部分冲蚀。
可由本发明来确定顶板/底板岩石的状况是另一个优点。
本发明又一个优点在于，可使用本发明的仪器与陷于困境的矿工取得联系，从而增进了采矿的安全性。
本发明再一个优点是可用本发明确定煤层失火的方位。
本专业普通技术人员，在看完下面如诸附图所示的最佳实施例的详细说明后，无疑会清楚地认识本发明的这些其他的目的和优点。
图1为用于本发明的煤层内接收机的正视立面图;
图2为用于本发明的煤层内发射机的正视立面图;
图3为本发明所用的潜孔探头的部分剖视图;
图4为图3所示的潜孔接收机和发射机探头的标准化组件的原理图;
图5为煤层理想化的剖示图，图中表示了供煤层内断层扫描仪所用的图1中的接收机和图2发射机的位置;
图6为煤层理相化的剖视图，图中表示了多个靠近该煤层的钻孔，潜孔中的探头和地表面设备均处于应有的位置;
图7描述地层的一个平硐调查区域，其中接收机从两个不同的位置与发射机通信;
图8为场信号强度与(离发射天线)径距关系的测量记录图;
图9为地质层的垂直方向成像的图解说明;
图10A和10B描述垂直的雷达信息图(RIM)沿横贯地层的钻孔的测量结果，其中图10A描述断层扫描术的衰减率与频率的关系，而图10B为衰减率等厚线图;
图11为各种物质的电参数的图解说明;和图12为应用本发明检测石油产品的图象说明。
图1描述一个供矿层内断层扫描术成像用的轻便型连续波中频(CWMF)接收机。这里所用的断层扫描是一个通用术语，它表示应用中频(MF)信号使煤层构造成像的电磁过程。该成像过程可应用或可不应用断层扫描术算法。以标号10所指示的接收机是属于单向变换型的、超外差式的、其频率范围为100至800千赫芝、可以5千赫芝的增量调谐。接收机10被设计成能自动地测量一发射信号的场强，并将该所测场强转换成数字信号，以备下一步数据处理之用。接收机10包含调谐环形天线11，距离记录键盘12、磁带记录器13和场强显示器14。
图2描述由标号20指明的连续波中频发射机。发射机20系乙类发射机、其频率范围为100至800千赫芝，可以5千赫的增量调谐。发射机20的输出功率为20瓦。该功率在520千赫芝频率下取决于传播介质足以达到至少1550英尺的距离。发射机20装有调谐环形天线21。如同下面所说明的并在图4中所描述的那样，发射机20和接收机10被制成适合煤层内使用的构型。接收机10和发射机20除了能有接收和发射连续波信号能力以外，发射机20还进一步设计成能产生和发射窄带调频(FM)信号，而接收机10进一步设计成能接收窄带调频信号和解调那些信号。这种能力可供相移测量使用，它在检测地层异常并使之成像中给出一些附加的有用数据。为进行这样的测量，必须将基准信号从发射机20送至接收机10。该信号经由纤维光缆22发送，如图5所示。纤维光缆22经由基准光缆连接器24与接收机10相连，并通过连接器21与发生机20相连。
煤层内成像需要贴邻该煤层的通道。如同前进式长壁开采法中尚未开挖排水和回风巷道的情况下，或矿层深度为中浅同时具有良好的地表钻探特性的情况下，便可应用置于地表面的使用潜孔探头的成像方法。图3描述潜孔探头或探测器的一般构型，探头由标号30所指明。探头30为圆柱形构型，以便插入标准尺寸的钻孔中。探头30包含一空心结构的外圆筒37，其直径约为二又四分之一英寸。圆筒37可由各种材料制作，在最佳实施例中它是由可被电磁辐射透过的材料如纤维玻璃之类制成的。可旋转地安装在圆筒37内部的是一个支承架40。支承架40是一个开有轴向槽42的实心圆柱，其两端是一对相对应的平坦表面43。两平坦表面43上分别安装以一组合式电路板，它包含天线方位控制装置44、调制解调器45，以及取决于希望该探头具有接收能力还是具有发射能力而包含接收机46或发射机47。调谐环形天线48的导体位于轴向槽42之中。由于通过调谐环形天线48的无线电传输的方向性，必须提供适当的装置，以便用机械方法调整接收机和发射机探头的各相关天线的方位、并使其共平面对准。借助于传动电机49转动外圆筒37内部的支承架40便可实现上述目的。传动电机49被安装到圆筒37的近端，并用机械方法与支承架40相接合，从而使支承架40可在圆筒37内作完整的360度旋转。在最佳实施例中，传动电机49的动力是由安装在支承架40的近端恰在传动电机49下方的6节镍镉电池50所提供的。也可经由潜孔提供以交流电能，并在探头上进行整流以产生供探头线路所需要的直流电压。圆筒37的远端由端盖51、近端由端盖52而密封。端盖52包含一个标准的四芯插座53，其中插有电缆54。电缆54是连接探头30和地表面设备的装置，并通过该电缆为成像过程发送数据。供潜孔接收机30用的地表面电子设备包括一个信号强度显示器/记录器，一个调制解调器和一个当探头以调频方式工作时而用以发送探头之间基准信号的无线电发射机/接收机。
为保证探头位于钻孔的中央，如图3a所示在探头上装有钻孔探头定中心装置。这个定中心装置包含一个固定在探头近端端盖52上的近端端盖55。端盖55中心有小孔，电缆54可从该孔中通过。套管56紧贴地围绕探头30的外圆筒40的远端。既固定在端盖55上、又固定在套管56上的是3至4条带57。这些带57是由高强度弹性材料如薄不锈钢之类制成。带57受预压应力作用而弯曲成向外凸出的形状，以接触钻孔的内壁。带57的弹性足以迫使探头30处于钻孔的中心，并便于使该探头沿钻孔而下。
最佳实施例设相潜孔探头30和煤层内使用的仪器10和20这两者的组件的标准化设计。这样，生产成本降低了，且维修和保养也简单了。图4为表示这种标准化设计的组件的通用的方框图。
表1为标明这些标准化组件的设备鉴别表，表2为表示各潜孔探头30和煤层内仪器10和20的组成部分的构型组合行列表。
表1标准化组件 鉴别A1 接收机A3 发射机A10 (指令控制与通讯)C3调制解调器A13 显示器/记录器B6 镍镉电池调谐环形天线机壳C1 潜孔C2 观察孔表2构型组合行列表仪器 A1 A3 A10 A13 B6 C1 C2潜孔30发射机 1 1 1 1接收机 1 1 1 1地表面 1 1矿层内(10或20)发射机 1 1 1接收机10 1 1 1 1在下表3至7中表示设备技术规格的实例。表3描述该系统总的工作参数。表4和5分别说明发射机和接收机的技术规格。表6描述发射机和接收机的天线特性，而表7则给出调制解调器的技术规格。
表3系统技术规格信号发送型式 连续波(CW)和窄带调频(FM)频率放释 100至800千赫芝调谐 5千赫芝增量波峰偏移 100赫芝调制频率范围 200赫芝环境工作温度 -40至80℃探头 500磅/平方英寸表4发射机型式 互补乙类组件说明 A3频率范围 100至800千赫芝调谐 5千赫芝增量输出功率 20瓦波形平顶性(flatness) ±1/2分贝射频负载阻抗 50和200欧姆电压驻波比(VSWR) 最大3∶1混频器振荡器 10.7兆赫芝信号振荡器 100赫芝电源要求工作电压 9至15伏(直流)需要电流 3.5安培连接器型号 Molex输出功率 2陶瓷可变电容器(VCC) 1接地 1纤维光缆 1
表5接收机型式 信号转换 超外差组件说明 A1频范围 100至800千赫芝调谐 5千赫芝增量中频(IF)频率 10.7兆赫芝电源阻抗 50欧姆灵敏度 0.1微伏(对于12分贝信噪比和失真比(Sinad))中频(IF)频率 10.7兆赫芝灵敏度3分贝带宽 最小200赫芝70分贝带宽 1千赫芝音频静噪 最小50分贝非静噪 30分贝(100微伏)负载 8欧姆频率响应3分贝 10、70、100赫芝伏特计型式 与发射机本机振荡器同步量程 0至360度表6天线型式 调谐环形天线频率范围 300至800千赫芝匝数 11磁矩潜孔型 8安·匝·米2在20瓦下轻便型 8安·匝·米2在20瓦下定位型式 磁通闸间罗盘(潜孔)表7C调制解调器型式 曼彻斯特编码格式1B位码功能电源 开/关天线位置 指令±30在设有煤层直接通道的地方，使用插入沿该煤层周围的一系列钻孔中的潜孔探头而进行表面成像。该方法在图6中表示。
煤层的成像是建立在煤和异常结构具有不同导电率的基础上的。岩石的导电率比煤层的导电率大几个数量级。调谐环形发射天线的垂直定向产生一个水平的磁场Hφ和一个垂直的电场Ez。这些场在该煤层的这一高度上几乎是不变的。在离天线的径向距离大的地方，这些场便以由有效衰减常数α所确定的比率按指数法则衰减，该比率取决于在煤和岩石这两种介质中的损失，和煤的介电常数。可预料该衰减率随着煤层厚度的减小、煤层导电率的增加和相对介质常数的增加而增加。衰减率随岩石导电率的增加而减小。衰减率还取决于该发射信号的频率和该煤层的水分。Emslie和Lagace两人的测量结果指明，煤中的衰减率约4分贝/100英尺。这构成了煤层连续性成像方法的基础。
调谐环形天线按下述方程式(1)激励该低损的天然煤层传播模的信号Hφ＝→Mf(rαhεcεr)(1)式中M是发射天线的磁矩，r是发射机天线到接收机天线的距离，α是衰减常数，h等于煤层高度，εc和εr分别是煤和岩石的介电常数，而σc和σr分别为煤层和岩石的导电率。
磁矩M本身取决于发射功率P和带宽BW，如式(2)所示M=CPoBW]]>(2)这些式子一起表明调谐环形天线将激励天然煤层传播模的磁矩，从而提供最大磁矩结果产生最长的距离。窄系统带宽还导致接收机灵敏度的提高，10分贝中频信噪比S10dB由式(3)给出S10dB＝-164+10log10BWIF+10log10NF(3)式中BWIF是信号的中频带宽，NF是接收机的噪声数值。
因而式(3)表示灵敏度随带宽的减小而增加。式(1)、(2)和(3)的结果表示，连续波中频(MF)信号对地球物理勘测仪器是最佳的。这是因为这些信号的窄的带宽，造成在煤中的信号传播衰减率最小(式(3))，且磁矩最大(式(1)和(2))的缘故。其净结果是在某一特定输出功率下，这些仪器的工作距离达到最大。
该成像方法依赖于所计算的信号强度和由连续波中频(CW，MF)仪器确定的所测量的信号强度相比较。分析所计算的信号强度有助于理解该方法。为了提供该成像方法的基线读数，前面提到的式(1)用于计算在特定煤层中的预期的信号强度。在该特定煤层测量各种参数并将这些结果应用于式(1)，便完成上述计算。
该所传播的信号在远侧接收机中被接收。沿一断层的煤层路径传播的波会因“有效”煤层导电率增大、或该煤层高度减小，而导致较大的衰减率。因而比较被接收信号的数量级便可检测出路径异常。另外，中频信号的折射率在纯煤中变化缓慢，因而这些信号行进在直线路径上。在囿于导电率更高的上和下岩石的平面煤层中横向电磁(TEM)传播线型模在煤中的传播取电场是垂直而磁场是水平的平行平面的形式。如岩石之类的煤层异常其折射率不同于煤，因此在较大程度上偏离该信号路径。这些窄带调频信号可供这种路径衰减测量之用，从而提供检测异常地层的第二种装置。最后，沿着该路径的调频信号的相移也表示在该煤层内部有异常地层之存在。
当希望获得较高的分辨率时，使用断层扫描术而不使用连续性成像技术。通过使用最小衰减率的频率和进行更频繁的空间测量，断屋扫描术便产生高分辨率。在发射机和接收机的各空间方位测量衰减率，并运用计算机辅助的成像技术对这些测量结果数据点进行分析，以便产生表示该异常现象的图象。
为获得良好的分辨率，发射机和接收机之间的距离应该大于ic/2π，式中ic为在煤中的该信号波长。因此，对于最佳实施例的520千赫芝的传输频率来说，在煤中的波长为97.7米，则最小的相隔距离为15.56米。
因此如图5所示，煤层内断屋扫描术是用轻便型巷道接收机10和发射机20、按照为达到最高分辨率所确定的方式而实施的。发射机20的调谐环形天线21的设计，使其以在300至800千赫芝范围内的某一预先选定的波长下激励自然煤层传播模的水平磁场分量(Hφ)，从而产生在给定输出功率下的最大场强。接收机调谐环形天线11被置于与发射机天线21共平面对准的方位，以保证最大的场强。为产生最高的分辨率，使这些仪器间的距离大于15.56米。在最佳实施例中，煤层宽600英尺(200米)，因此可保证足够的间距。可以看到煤层70其内包含岩/砂棚74。岩/砂棚74的作用如同电磁辐射确定的矿体并引起传播信号的衰减。因为断层扫描术使用为发射机输出功率最小创造条件的最低衰减率的信号频率，排水和回风巷道不要包含连续的电导体是一件重要的问题。这样的导体会产生干扰接收信号电平测量的次级磁场。在断层扫描术的煤层内勘测中为获得足够的分辨率，必须通过空间测量收集大量的数据。其实施方法如下对于排水巷道78中的发射机的每个位置，在回风巷道76中某些特定的位置(标志为X0、X1…Xn)作一系列接收信号电平测量。同样，发射机20被置于排水巷道78内部的一系列特定的位置(标志为Y0、Y1…Yn)，而接收机10置于回风巷道76中的这些相应的位置。接收机在巷道中的各个位置上，用距离记录键盘12输入表示相对于发射机的接收机位置的座标。这些座标，连同这些所测量的接收信号值，被转换成数字信号并存储在磁带上。在重建这些数据中，对于发射机和接收机的位置变化这些信号强度的测量结果可被校正。发射机和接收机位置的纵向间距由所要求的图象分辨率确定。合成的接收信号数据被转换成数字形式并存储在接收机10的盒式磁带13上，并可用以计算机为基础的断层扫描术算法对这些数据进行分析。这种计算机辅助成像算法将提供煤层构造的详图。计算机产生的数据也可包含输出煤层参数(导电率、灰分含量等)的打印装置，及供矿山计算机图象终端使用的数字磁带。
置于地表面的煤层成像设备的布置成如图6所示。待成像的煤层由标号80表示。图中可见断层82存在于煤层的内部。在应用以置于地表面的成像方法时，采用周边勘探规约，沿长壁开采盘区的周边钻下多个钻孔84。在最佳实施例中，采用10孔钻探计划可使总宽度1200英尺、长度6000英尺的两个相邻的长壁开采盘区成像。这样的一个粘探计划将会检测到在这些盘区内部的煤层异常。如果在该盘区内检测到断层，那末就需要采取集中勘探策略，以确定断层的方位。实施这样一个勘探策略的方法是在该盘区周边内钻孔之间的分点上钻孔，以确定断层的位置。煤层的地表面成像方法的实施方式是与煤层内成像方法相似的。在沿长壁开采盘区的周边已钻成一系列钻孔之后，在地表面探头30便插入钻孔84、插到由岩心样品所确定的煤层深度。图6描述导致煤层一头比另一个深的垂直位移断层。因为信号势必通过煤层传播，所以接收机探头30被置于煤层内，但不必置于和发射机探头30相同的深度。包括接收机探头和发射机探头的潜孔探头30被插入相对应的钻头84之中。借助于位于潜孔探头端处的传动电机49，使接收机和发射机的天线部分48以同平面的方式对齐。通过使用包含遥测和控制设备以及一调制解调器的地表面控制单元，对天线方位进行测定和控制。这些单元，连同探头控制设备和电缆线路一起安装在矿车86之中。连续波中频(CWMF)或调频信号传播方式与煤层内成像方法中的信号传播方式相似，因而也可对衰减率和/或相移进行测量。上述过程，对于每一个钻孔84内的接收机探头30和发射机探头30都须反复进行测量。
这一地表面成像方法也可在一地下表面上来实施。这种情况发生在从现有的已采煤层起着手进行更低层的煤层勘探。于是现有煤层的底便变成表面，从该表面钻凿钻孔，以便勘探更低层的煤层。潜孔探头30被插入这些钻孔中，并按照通常地表面勘探方式进行测量。
分析合成连续性数据，以便确定是否存在衰减率增加的区域。这样一些区域表示断层区域或其他地质异常。如果钻凿足够多的孔，那末就可运用计算机辅助断层扫描成像技术分析这些数据，以便产生相同于用煤层内成像方法所产生的图象结果。
另外，使用连续波中频的连续性测量，可测定底板/顶板岩石的特性，该方法除了为测量煤层顶板的条件而将接收机和发射机探头30放置于该煤层顶板之上外，是与潜孔煤层连续测量类似的。于是这些信号便通过该周围岩石传播，并可测量这些信号的衰减。由此，关于岩石的类型及其生成的顶板/底板条件便可被测量。
其中在垂直平面上测量衰减率的垂直成象也是重要的能力。通过在地质调查中确定沿直线途径的电磁波的综合传播系数(衰减率)，便可实现成像。衰减率取决于传播介质的电体系(介电常数、磁导率和电导率)。在一均匀介质中其衰减率理论上是已知的，且已知在地质扰动区域衰减率有变化;也已知在断层区域由于化学矿化作用结果产生电导率增加的局部放矿溜口使衰减率增加，在积水平硐电导率增加因而其衰减率也增加。在被充气平硐贯穿的区域，和在邻近岩石结构因采掘平硐而造成爆破裂隙所产生地质扰动区域衰减率减小。
本发明的无线电成像方法可供评估垂直平面中的地质构造。应用具有适用的断层扫描术算法的本发明方法，便可用图解方法重建横断该成像区的化学矿化作用的矿区和平硐。例如在地质构造中有平硐的地方，重建图象显示在环绕该平硐的岩石中可检测到地质扰动的凹地。在这样一个环境中可设置多个钻孔。然后将潜孔无线电发射机置于一钻孔中，而潜孔无线电接收机则置于第二个钻孔之中。每个孔有许多测量站(例如25个测量站)，各自在不同的垂直标高位置。利用各钻孔中25个测量站，例如可进行625次接收机测量，而这些测量可用于测定在各点沿着潜孔发射机和潜孔接收机之间路径的平均衰减率。然后这些数据可用计算机断层扫描术算法加以收集和分析，依次测定这625个单元所包含的作用距离的整个垂直图象面中的每一个单元的衰减率。
地质构造的垂直测定将展现诸如平硐、空隙和化学矿化作用矿区等的异常现象的图像。实验已表明;沿着直线路径传播的电磁波成像信号传播的正确模型主要是一个呈现球形传换的平面波。电磁(EM)准平面波的磁场分量，其数学表达式为Hφ＝C (e-αr)/(r) (4)式中r为离波源的径向距离(英尺);α是衰减率，用每百英尺分贝数表示;而c则为常数。
在进行实验时，如图7所示，接收机测量是沿着平硐的中心线进行的。发射机位于一精选的钻孔中时，所测量的数据如图8所示，在地下平硐中的平均衰减率为每百英尺16.8分贝，接近每百英尺18.6分贝的理论上的衰减率。在图8中通过分析推定求得系数“c”，其值为185。实验是以300千赫的成像频率在片岩介质中进行呈现波长为305.7英尺。该波长比钻孔和平硐的直径大得多，所以由反射作用机制而引起的传播干扰可忽略不计。此外，平硐截止频率约为22兆赫，因而就不存在潜在的产生测量干扰问题的平硐波的传播问题。在校正测量数据20log Hφ(见图8曲线A)、20log r(见图8曲线B)作为球形传播的效应之后，最后所得到的线C的斜率等于在该片岩介质中电磁波的衰减率。因此，平硐的存在有助于测定半均匀介质中的波传播的特性。
图7和图9用图解方法说明由总标号100所指一地层的垂直成像平面的构成。在地层100中的不同位置钻凿钻孔101和102。这些钻孔确定该再建图的垂直边缘。在潜孔101内部设定了多个潜孔发射机探测站106的位置，而在潜孔102中设定了多个潜孔接收机测量站108的位置。每一潜孔有多个发射机站，如图9画了25个站因而可有625个测量值。在收集数据过程中，潜孔发射机30首次设置在潜孔101内部的第一站106，潜孔接收机设置在潜孔102中的第一接收机站108。在这些位置，成像信号从发射机位置106发送到测量信号电平和相位的接收机测量站108。然后，潜孔接收机站移至钻孔102中的第二接收机站108，且再进行一次测量。对于钻孔102中其余接收机站3至25中的每一个站，该过程均重复进行。然后，潜孔发射机移至钻孔101中的发射机站2，并对钻孔102中的接收机站1至25的测量积累数据。然后，潜孔内发射机依次设置在钻孔101内部的发射机站3至25，并重复这个过程。图9中为描述起见，电磁信号的直线路径110被描述为从每个发射机站106至多个接收机站108的投射。例如每个发射机站确定了一个至各个接收机站的电磁波直线路径图110。
进行勘察过程中，一对钻孔之间的所有测量结果均被收集后，潜孔发射机30可移到另一钻孔中。为便于说明问题，图7表示地质调查区域100内部的平硐调查区，图中示有钻已101和102。当可能相隔100米的钻孔101和102之间图象被编制后，潜孔发射机可移到钻孔112，而且包括直线路径110的成像面再次在钻孔112和102之间被确定，这两孔可能相隔30米或30米以上。最好能精确地知道钻孔101、102和112内部的发射机站和接收机站的垂直距离和定位。使用钢绳绞车测量装置，可实现上述目的，其结果从套筒钻孔101、102、112等的顶凸缘至各测量站的垂直距离便精确地被测定。
在实施该方法时，接收机可降落到钻孔102顶部附近被指定为测量起始站108的某一特定的深度。配对的潜孔发射机降落在潜孔102或112内部的相应站106。在各发射机站106，发射天线被置于垂直平面中，且在如图9所示的直线路径110上的激励电磁波传播。该天线是在垂直面上形成调谐谐振回路的小磁偶极子。同样，接收机有小磁偶极子天线，该天线在垂直面有谐振回路。
因具有调谐谐振回路天线，发射机便在接收机站处产生被配对的调谐回路天线所接收的水平磁场分量。直线路径110的磁场分量切割调谐谐振回路接收天线，感应由钻孔102中的接收机所测量出来的电动势(EMF)电压。该电压值是在实际磁场分量值的校正系数范围之内。该电压极其小，是用1毫微伏以上所对应的分贝进行测量(记录)的。电磁波沿着每个径向直线路径、从潜孔发射机传播到潜孔接收机时，电磁波与介质起作用，产生可测量到的能量损失。其结果，磁场分量的强度随着沿路径的距离而衰减。沿着直线路径(远场)，占支配地位的磁场(Hφ)分量由下式给出Hφ＝C (e-αr)/(r) (4)磁场分量的衰减部分是由电磁波离开电的短磁偶极子天线而传播的该波的球形传播而造成的。用式(4)的分母中距发射天线的径向距离(r)的一次方表示球形传播。常数c取决于发射天线的磁矩(NIA)，并由下式给出
式中K为该环形天线的面积系数;
N为该环形天线中的匝数;
I为在环形天线中流动的峰值电流;和A为该天线的面积。
式(5)的右边表示磁矩(M)对发射机功率(P)和天线带宽(BW)的依赖关系。发射功率增加10倍，磁矩增加10分贝。式(4)中的系数c取决于介质100的电导率(a)。沿路径的衰减还强烈地取决于电磁波在介质100中的衰减率(α)。平面波的衰减率在数学上表示为α=ω ［μoε2(1+(σεω)2+1)］12]]>(6)式中ω为RIM信号的角频率;
μ0为介质100的磁导率(例如对非磁性岩石μ＝4π×10);
ε＝εrεo，为介质100的介电常数(对页岩ε＝10，ε= 1/(36π×10-9) ;和σ为介质100的电导率(姆/米)对于每个潜孔接收机位置，以1毫微伏以上的分贝测量和记录从发射环形天线出发的诸直线路径的各终端的信号。然后按照计算机断层扫描术算法，收集和分析这些测量数据。如图10A所示，衰减率取决于介质的电导率(姆/米)。在300千赫以下，衰减率对介质的电导率极敏感。如图10B所示，断层扫描术算法测定该垂直勘测面中的衰减率。
这些衰减率数据用于画等值线程序，以便画出图面中等衰减率的等值线，这些等值线以每百英尺一分贝递增。如图10B的等厚线图所示，这些等值线重建地质构造的图象。在30和100米扫描中，图象单元分别可为5英尺×3.9英尺，和5英尺×13英尺。图10B的左面表示该矿区等衰减率的等值线，在图的右面所示为一个在另一个之上的三个平硐。
简要说明在略微导电的介质中电磁波传播理论的某些方面也许是有用的。电磁波发射天线为电短路磁偶极了。磁矩(M)向量处于水平面。磁偶极子天线产生远场环形天线图案，而实际天线的平面处于X-Y平面。该天线产生径向磁场向量(Hr)，水平磁场分量(Hφ)和电场分量(Eφ)。在自由空间这些场方程式如下Hφ=MB34π［－1(Br)-1j(Br)2+1(Br3)］e-jBrSINθ]]>(7)Hr=MB32π［-1j(Br)2+1(Br)3］e-jBrcosθ]]>(8)Eφ=MB44πω εo［-1(Br)-1j(Bt)2］ejBrSINθ]]>(9)式中B＝2π/λ(弧度/米)。
当r变大时，包含r-1的诸项便成为主要的，因而从式(7)得到远场的磁场项为Hφ=[ (MB2)/(4π) ] (e-αr)/(r) ;θ=90°(10)括号里的这一项在数学上表示式(4)中的那个系数。
在钻孔天线附近，占支配地位的场强是磁场。因而该天线的近场能量储存在其磁场之中。作为比较，如果天线结构是短电偶极子，那末类似式(7)至(9)的两套方程式在数学上确定近场分量HφEφ、HrEr、EH，而且电场项Eφ和Er是主要的。这些电场项使电流密度J＝E在极靠近该天线的介质中流动，导致显著的能量耗散，结果形成很短的且不可接收的成像系统。因而我们可看到在地下成像中采用电的短磁偶极子天线的优点。
图11描述采用300千赫成像频率所预期的典型地质材料电特性值的范围。为比较起见，平面电磁波在湖水、片岩和煤介质中的衰减率(α)是根据式(6)计算的，并表示在表A中。
表A.
300千赫平面电磁波在单一介质中的衰减率电导率(姆/米) 分贝/百英尺10-2(湖水) 26.484×10-3(页岩) 18.64×10-4(煤) 7.88表A表示在片岩中的衰减率接近18.6分贝/百英尺。相移率可由下式确定B=ω ［με2(1+(σεω)2-1)］12]]>(11)
在煤和片岩介质中传播的平面波的波长(λ＝ (2π)/(B) )和趋肤深度(δ＝ 1/2 )表示在表B中。
表B单一介质中的波长和趋肤深度电导率 波长(λ) 趋肤深度(δ)(姆/米) (米/英尺) (米/英尺)4×10-3(片岩) 93.22/305.7 14.2/46.64×10-4(煤) 395.2/1296 33.6/110.2在平硐中各点测量磁场强度(Hφ)。这些测量是当发射天线在钻孔101中时进行的。这些测量是用调谐回路天线和轻便型场强计进行的。该天线的输出电压被测量。例如，表C举例说明在天线输出电压不变的条件下所测的平硐内部的场强。
表C在平硐内部测量的场强(1毫微伏对应的分贝)测量 近似距离 岩巷中心场强(英尺) (每毫微伏分贝)1 300 85.62 250 823 200 864 150 1015 100 1116 50 1237 50 131在图8中把这些测量值(20log10Hφ)画成曲线(点划线表示的曲线)。
假设远场发射状态，这些测量应符合式(4)的对数形式，即20log10Hφ＝20log10［ (ce－αr)/(r) ］＝20log10c-αr-20log10r。(12)在图8中另画了两条曲线，以便从这些测量值能定出c和α。在上面的这条曲线(虚线加“+”号)是在各测量数据点上加球形传播系数(20log10r)而绘制的。对于离发射天线的距离r超过以下值，即r＞ (λ)/(2π) ＝ 305.7/6.28 ＝48.67′(13)所作的测量，该曲线是线性的。
当r＞100英尺时，所绘制的线近似于线性，其斜率为16.8分贝/100英尺。这似乎进一步证实RIM图象信号在片岩介质中呈强的球形传播。所测的衰减率是与表A中给出的预期在页岩中的衰减率一致的。可以看出，常系数的值为185分贝/毫微伏)。
在均匀片岩介质中，将式(12)代入式(10)中带括号的项中，便可用分析法求得常数c。该天线耦合常数的数学表达式为C＝ (Mμoσf)/4 ;σ＞ωε(14)式中σ为该介质的电导率;
μO为磁导率;
ε为介电常数;和f为成像信号的频率。
在非磁性的岩石中，磁导率在自由空间保持不变，其值为4π×10-7。成像信号频率(f)和天线磁矩(M)也是不变的。耦合系数与片岩介质的电导率(σ)成正比。还可以证明，该系数与在这些介质中的该信号波长的负二次方成正比。片岩介质相对于煤介质的波长比由下式给出，即K＝395米/93米＝4.24。这表示相对于煤层中求得的c值增加20log10K＝25.12分贝。在煤中测量的c值为160，因而预期数值185与所测得的片岩中的c值十分接近的。
垂直成像，即在垂直平面中测量衰减率，正如在此所教导的那样，可以供断层的断层扫描术图象的垂直重建之用。因为在地下环境中、化学矿化作用发生在这些断层区域，所以垂直成像对于硬岩石开采也是一种重要的探矿手段。
垂直成像方法也可应用于储气层和储油层的分析。如图13所示，因为渗砂油层的电导率，在其连通的孔隙中充满油或天然气时减小，而在充满水时则增加。储油层和储水层之间的电导率的明显差别，使衰减率和相移率显著地改变贯穿不同介质的电磁波直线路径。
虽然通过这些最佳实施例对本发明作了说明，但是本发明并不限限于所公开的内容。在看完本说明后，本领域的技术人员无疑可作各种变更和修改。因此，所附的
权利要求
1.一个用于在地下地层中的一个垂直面上使地质异常成象的方法，其特征在于包括如下步骤-在所述地层周围钻凿多个位置彼此运离的潜孔；-在所述潜孔的第一钻孔内安置一台具有大约在100KHz至800KHz中频范围内发射连续波能力的发射机，该发射机包括一电的短的磁偶极子天线，使电磁波通过所述地层传播；-在所述潜孔的第二钻孔内安置一台具有在约为100KHz到800KHz的中频范围内接收连续波能力的接收机，该接收机包括一根用以接收由所述发射机发射而传送的波的直立调谐环形天线，所述接收机还包括用于测量和记录所述被接收的传送波的多种特征的测量和记录装置；-顺次地改变所述第一钻孔由所述发射机的标高至不同的发射站；-在每个发射站，发送多个连续波中频波，所述波以球面传播和具有一个向前传播的水平磁场分量形式传送并由所述接收机的天线接收；-测量接收到的水平磁场分量的多种信号传输特性；-计算通过所述地层传播的信号的多种期望的信号传输特性；及-将上述计算得到的信号传输特性同所述测得的信号传输特性进行比较并借助断层扫描重建术来产生所述垂直地层结构的地理图象。
2.根据权利要求
1的方法，特征在于还包括当所述发射机位于各发射站的同时，在所述第二钻孔内顺次地改变所述接收机的标高至各个接收站这样一个步骤。
3.根据权利要求
1的方法，特征在于还包括如下一个步骤预先确定各发射机站间的距离并顺次地将所述发射机移到所述预定发射站。
4.根据权利要求
2的方法，特征在于还包括如下一个步骤预先确定各接收机站间的距离并顺次地将所述接收机移到所述预定接收站。
5.根据权利要求
1的方法，特征在于还包括如下一个步骤以所述发射机位于每个发射站的同时，顺次地改变在所述第二钻孔内的各个所述接收机的标高的增量至不同的接收站。
6.根据权利要求
5的方法，特征在于其中发射机变化的每个增量基本上等于接收机变化的各增量。
7.根据权利要求
2的方法，特征在于还包括以下步骤-从所述潜孔的第一钻孔取出该发射机;-将该发射机放在所述潜孔的第三钻孔内，并在所述第三钻孔内顺次地改变所述发射机的标高至不同的发射站;-在所述第三钻孔内的每个发射站，发送多次发射的连续波中频波，所述波具有一种向前传播的水平磁场分量的传播并被所述接收机的天线接收;-测量接收到的水平磁场分量的多个信号传输特性;-计算通过所述地层传播的信号的多个期望信号传输特性;和-将所述计算得出的信号传输特性同所述测量得出的信号传输特性进行比较并借助断层扫描重建术来产生所述垂直地层结构的地理图象。
8.根据权利要求
1的方法，特征在于其中所述电的短的磁偶极子天线是一个直立调谐环形天线。

用于探测存在于地层中的地质异常的装置和方法。该装置包括中频连续波窄带调频发射机和接收机对。两仪器的构型是用于插入钻孔的潜孔仪器。提供了通过信号衰减、路径衰减和信号相移来探测异常情况的勘测方法。在钻孔内的不同深度上的连续测量仪，为判定各种异常情况的存在提供了数据。运用断层扫描术提供了一幅异常现象的可见图象。计算机辅助重建术提供了来自所产生数据的这类可见图象。