[发明专利]电磁波透视探测相似物理模型及其构建方法和实验方法

权利要求书

1.电磁波透视探测相似物理模型，包括箱体(1)，其特征是：在箱体(1)内用薄膜(4、6)分隔多层，各层内充满不同浓度的NaCl溶液(11、12、13)，在探测介质层平行安装发射管道(8)和接收管道(9)，发射管道(8)内布设有与箱体外部的发射主机(5)连接的电磁波发射天线(7)，接收管道(9)内布设有与箱体外部的接收主机(3)连接的电磁波接收天线(2)。

2.根据权利要求1所述的电磁波透视探测相似物理模型，其特征是：在探测介质层的两个管道之间还装有地质异常体(10)，地质异常体(10)选用铝铁金属体或石墨体。

3.根据权利要求2所述的电磁波透视探测相似物理模型，其特征是：地质异常体(10)包括陷落柱异常体和断层异常体。

4.一种电磁波透视探测相似物理模型构建方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、计算箱体尺寸，并计算模拟介质的电阻率：

根据野外工况和模型尺寸定义几何相似比P，野外使用仪器的采样时间与物理模型中使用仪器的采样时间定义时间相似比Q，通过实际空间和模型条件下的麦克斯韦方程比较计算相似模拟介质的电导率：

σ—原型地层模型中的介质电导率(S/m)；

σ′—相似物理模型中模拟介质的电导率(S/m)；

步骤2、依据模拟介质的电导率σ′从NaCl溶液浓度与电导率关系曲线中确定模拟介质的NaCl溶液浓度；

步骤3、将NaCl溶液填充至箱体内，用薄膜对浓度不同的NaCl溶液进行分层；

步骤4、将电磁发射天线和接收天线分别布置在两个非金属管内，非金属管模拟井下巷道安放在探测介质层，并做好非金属管的密封和发射天线及接收天线的防水。

5.根据权利要求4所述的电磁波透视探测相似物理模型构建方法，其特征是：还包括步骤5、在探测介质层的两个管道之间安放地质异常体；地质异常体采用铝铁金属制成或采用石墨制成，包括陷落柱异常体和断层异常体。

6.一种使用权利要求1、2或3所述电磁波透视探测相似物理模型的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

S1、将发射天线、接收天线、发射主机、接收主机连接组建测量装置，实现电磁波的发射与接收，以及数据的预处理；

S2、发射主机改变电流频率，使发射天线发射不同频率电磁波，实现不同频率条件下电磁波探测，确定不同频率下的探测精度和探测范围；

S3、根据相似物理模型实验获得的场强数据，利用COMSOL有限元软件建立对应的电磁波正演数值模型，并将相似物理模型实验数据与数值模拟获得的场强数据进行对比验证，体现数值模型的有效性与适用性；

S4、反演层析成像处理；根据相似物理模型和正演数值模型结果，以及电磁波在多层介质中的传播规律，对电磁波的场强衰减进行反演成像，进而判断地质异常体位置和形状尺寸。

7.根据权利要求6所述试验方法，其特征是，在S4中，电磁波的场强衰减进行反演算法为：

在介质中任意点的磁场强度的表达式为：

H₀为初始场强；β为煤层对电磁波的吸收系数；R为发射点与接收点之间的距离(m)；θ为发射角；H_θ为接收点处场强；

将吸收衰减连续函数β(x,y)离散化，把工作面剖分成若干网格，每个网格内的吸收衰减系数视为常数，取对数可得如下公式：

式中，x—工作面区域横坐标；

y—工作面区域纵坐标；

r—每个网格内电磁波经过路径的长度；

吸收衰减系数沿路径的积分写成求和的形式：

式中，d(i,j)是射线在第i行j列长度，β(i,j)是i行j列吸收衰减系数值，m为网格行总数，n为网格列总数；

写为矩阵方程形式：

Dβ^T＝P

β＝{β_1,1,β_1,2……β_m,n}

为第k条射线在(i,j)网格内的长度，β(i,j)为(i,j)网格的离散吸收衰减系数；

通过求解线性代数方程，获得探测工作面内电磁波吸收衰减函数的离散分布β(i,j)。