[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

说明书

本发明公开了一种电磁波透视探测相似物理模型及其构建方法和实验方法，所示相似物理模型包括箱体，在箱体内用薄膜分隔多层，各层内充满不同浓度的NaCl溶液，在探测介质层平行安装两个管道，一个管道内布设有与箱体外部的发射主机连接的电磁波发射天线，另一个管道内布设有与箱体外部的接收主机连接的电磁波接收天线。其构建方法按照实际工程和模型尺寸计算几何相似比，计算原始地层与相似物理模型中的电导率和介电常数比值，获得相似物理模型中各岩层的电导率和介电常数值。其实验方法通过发射与接收记录的电磁波场强，获得不同条件下的电磁波传播场强数据，再通过正演数值模拟和反演算法成像，揭示地层电磁波的衰减规律。

技术领域

本发明属于地球物理探测技术领域，具体涉及一种地下电磁波透视探测地质异常体的相似物理模型、该物理模型的构建方法和模拟实验方法。

背景技术

矿井无线电波坑透技术是煤矿中常用的一种地球物理探测技术，它根据电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石的电阻率和介电常数不同，使得其对电磁波能量吸收不一致。如图1所示，在发射巷道的发射点由发射主机和发射天线发射电磁波，在接收巷道的接收点由接收主机和接收天线接收电磁波，电磁波在煤层中传播时，如果在前方遇到地质异常体，低阻地质异常体对电磁波具有较强的吸收作用，且电磁波传播经过地质异常体构造界面时发生反射和折射作用，造成能量损耗，使在另一侧巷道的接收器接收到的电磁波信号非常微弱甚至可能接收不到信号，形成了透射异常区。

无线电波坑透技术具有快速、轻便、透距大、精度高等特点，对工作面内陷落柱、断层、薄煤区等地质异常体探查效果良好。随着采煤技术的提高和采煤设备的更新换代，工作面不断增大，无线电波透视在这些工作面透视难度增加，探测效果常常难以满足生产需要。

地球物理探测技术需要以电磁波地球物理模型实验为基础，进行相关测试、分析与计算。电磁波地球物理探测可通过发射机和接收机之间电磁波扫描性观测，利用层析成象反演算法，将不同岩性导致的电磁波能量上的差异分布转变成二维介质分布图像，进而推断地下的结构情况。

文献“层析成像在巷道无线电波透视法中的应用”，董守华,王琦，中国矿业大学学报，第32卷第5期，第113-116页，2003年9月公开了一种电磁波透视探测相似物理模型，用盐水模拟煤层，铜球模拟目标地质体，但相似物理模型为单层介质为单层均匀介质，未构建煤层顶底板岩层，且未实现不同材料异常体及异常体多形状多尺寸的模拟，难以模拟地下实际工况，因此如何构建地下多层介质及不同地质异常体的相似物理模型是本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种电磁波透视探测相似物理模型，它能模拟地下多层介质和不同地质异常体等地质情况下的真实状况，为地下电磁波探测提供可靠数据，提高井下工作面电磁波探测的准确度。本发明还提供了该物理模型的构建方法以及实验方法。

为了解决上述技术问题，

本发明提供的一种电磁波透视探测相似物理模型，包括箱体，在箱体内用薄膜分隔多层，各层内充满不同浓度的NaCl溶液，在探测介质层平行安装两个管道，一个管道内布设有与箱体外部的发射主机连接的电磁波发射天线，另一个管道内布设有与箱体外部的接收主机连接的电磁波接收天线。

本发明提供的上述电磁波透视探测相似物理模型构建方法，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)；