1. 引言
随着煤炭机械化采煤技术的提高，对于工作面内地质构造赋存条件的探查质量的要求也越来越高，这要求地球物理探测技术在煤炭回采前能够准确地探测出综采工作面的地质异常区情况 [1] [2]。无线电波透视技术 [3] 在煤矿的生产中能够比较有效地探测断层 [4] [5]、陷落柱 [6]、地下水 [7] 等地质异常。国内外在这些方面的研究也是比较充足，但是电磁波三分量 [8] [9] 透视的研究相对较少，其它分量是否具有研究价值缺少相应的研究。因此，研究电磁波三分量透视在地质异常中的作用具有一定的研究价值。
目前，坑透法在矿区地质构造探测中应用较为成熟。国内主要有三款无线电波仪器被广泛使用。煤炭科学研究总院重庆研究院生产的WKT-E、中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所生产的WKT-6型和福州华虹智能科技开发有限公司生产的YDT-88型 [10]。目前国内外电磁法的理论研究和应用侧重于时间域的探测方法，其中时间域是在坑透仪器断电后测量瞬态响应(二次场)随时间的变化，通过布置的观测系统并接收信号反演成图 [11]，大致预判出异常体区域。
通过选择地面建筑物作为目标体，研究建筑物 [12] 影响下对无线电波三分量透视效果分析，现在在原有接收单一磁场分量的基础上，另外再接收两个方向的磁场分量，分别接收三个方向H(x)，H(y)，H(z)的磁场分量。通过接收线圈接收H(x)，H(y)，H(z)三个方向的磁场分量，进行正演导出数据，运用ECT软件反演成图，分别观察三个方向分量的探测效果，为后面进一步矿井精准探测研究提供新思路。
2. 地面坑透实验探测理论基础
无线电波坑道透视方法是借助于研究高频电磁波在岩石中传播规律，从而揭示地下构造形态的一种物探方法。电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩矿石电性(电阻率ρ、介电常数ε等)不同，因而对电磁波能量吸收有一定的差异，电阻率低的岩矿石具有较大的吸收作用。此外，由于各种构造如断层、陷落柱等，对电磁波具有反射和折射作用，也造成电磁波能量的损耗。如果接收机和发射机之间的电磁波传播途中遇到煤层陷落柱、断层或导电的金属矿体等，电磁波将被吸收或完全被屏蔽。因此，在接收机上拾得的信号显著减弱甚至收不到信号从而形成“阴影”，即电磁波明显衰减的透射异常区(又称阴影异常，见图1(a)、图1(b)。研究煤层与各种岩石及地质构造对电磁波传播的影响(包括吸收、反射、二次辐射等作用)所造成的各种异常，从而进行地质推断解释，这就是坑道透视法的物理基础 [13]。
由于采煤工作面的巷道通常都布置在煤层中(除寻找因断层断失的煤层外)，如果在透视时，应用上述煤矿技术条件，使发射机与接收机处在同一煤层中，可利用均匀各向同性介质中较为简单的公式进行计算和解释。YDT-88型坑透仪只测固定频率透射电磁波的磁场(或电场)振幅分量。在电磁波射线路径上介质电磁性质的变化和波导阻抗的变化，将造成电磁场强度的变化，因此分析电磁场强度的变化就可以预测工作面内介质的物性变化。
(a) 矿井巷道工作布置图(b) 衰减曲线剖面图
Figure 1. Working principle diagram of radio wave perspective method
图1. 无线电波透视法工作原理图
在不考虑电磁散射的前提下，电磁波的传播路径可以用射线近似，此时煤层中传播的电磁波可近似用下式表示 [14]：
(1)
式中：
H——介质中某点的实测场强；
H0——决定发射功率和周围介质的原始辐射场强；
r——发射机与接收机之间的直线距离；
β——决定于工作频率、电阻率、介电常数等参数的介质吸收系数；
θ——发射天线轴与观测点方向间的夹角。
显然，H值随r和β而变化，其中射线路径上β值的变化是使H值发生异常变化的关键因素，如下式所示 [15]：
(2)
ε——介质(煤或岩石)的介电常数；
μ——介质(煤或岩石)的导磁率；
δ——电导率δ。
由(2)式可知，在一定的频率范围内，β值是介质(煤或岩石)的介电常数ε、导磁率μ、电导率δ的函数。由于煤层与顶底板岩石有较大的电性差异，所以在电磁波射线路径上出现煤层与岩层的交替时(如遇断层或火成岩体)时，就发生β与H值的明显变化。又由于煤层相对于顶底板岩层是一种波导介质，当煤层厚度发生变化时，其波导阻抗就发生变化，则造成β值和H值的变化。
3. 地面三分量坑透观测系统布置
通过前期的实验设计，在实验过程中，在实验场地(学院楼下)南北两侧分别布设两条测线，并将试验场的北侧的测线定义为测线1，试验场地南侧的测线定义为测线2。每条测线长70米，在测线上每隔0.5米设置一个接收点，共141个接收点；每2.5米设置一个发射点，共29个发射点，但是每条线的最后一个发射点(第29个点)不进行发射。并且两条测线之间的距离是76米，同时两条测线的起始点相对与建筑的边界在同一距离。而且每条测线的前8个测点位于建筑物的范围之外，后面的21个测点位于建筑物的范围之中，这样设计的好处是测线的前后两部分可以做对比，有助于观察发射和接收端中间有无异常时的数据特征。并且这样可以观察到发射端和接收端从没有异常到出现异常这一过程数据特征。并且这样可以观察到发射端和接收端从没有异常到出现异常这一过程数据变化，使我们更好的了解到，实验的结果和原理。测线布置的平面图如下图2所示。
实验叫做无线电波透视实验三分量试验，顾名思义要进行三个分量的测量，然后对三种分量的观测效果进行对比评价。所以在实测时要注意分别测量X、Y、Z三种分量的数据。其具体的测量方法是：固定发射线圈垂直于测线方向，然后改变接收线圈相对于测线的位置来进行测量，接收线圈垂直于测线测量X分量的值，接收线圈平行于测线测量Y分量的值，接收线圈平行于地面测量Z分量的值。
具体的测量过程如下：
1) 在测线1进行发射，在测线2把接收线圈垂直于测线放置来测量X分量的值。从开始的点一直测量到最后一个发射点；
2) 将接收线圈与发射线圈调换位置，然后进行另一条测线的测量任务；
3) 重复步骤一，但是接收线圈平行于测线放置测量y分量的值；
4) 调换接收与发射线圈，去另一条测线进行测量；
5) 重复以上步骤，进行Z分量的测量。
测量过程中，要在发射线圈两侧各5个测点进行测量，即每次发射，一共有11个接收点。但是在起点发射时，只能测量一侧的接收点，故起点发射对应6个接收点。
4. 地面三分量坑透实验
根据实验数据所制作的图片可以看出，三种分量的场强曲线图，在测点进入目标体(建筑物)时，曲线都会呈下降的趋势，并且当进入目标体一段时间之后，曲线会逐渐趋于平缓。这就证明了三种分量的观测方式对于异常体都是有一定的反应能力。
在接收线圈X轴电磁分量实验所得到的实测场强值为43.2~84.1 dB (图3)。测点0~40为学院楼外围，电磁波未受到建筑物干扰，具有较高的实测场强值61.6~84.1 dB，测点40~140为学院楼主体结构，电磁波受到建筑物干扰，具有较低的实测场强值36.5~56.4 dB。相比较而言，在电磁波不受到建筑物干扰的情况下，实测场强值高于受到建筑物干扰下所测得的实测场强值。
在接收线圈Y轴电磁分量实验所得到的实测场强值为43.2~97.5 dB (图4)。测点0~10为学院楼外围，电磁波未受到建筑物干扰，应该具有较高的实测场强值，结果测得实测场强值44.2~71.9 dB，测点40~60为学院楼主体结构，电磁波受到建筑物干扰，具有较低的实测场强值，结果测得82.5~97.5 dB。相比较而言，在电磁波不受到建筑物干扰的情况下，测点0~10实测场强值低于测点40~60受到建筑物干扰下所测得的实测场强值，所以接收线圈Y轴电磁分量所测得的实测场强值相对X轴电磁分量效果更差点。但总体侧线在0~140实测场强值由高到低的趋势大致能看出，可作为X轴电磁分量的实测场强值的参数对比。
在接收线圈Z轴分量实验所得到的实测场强值为39.3~97 dB (图5)。测点0~40为学院楼外围，电磁波未受到建筑物干扰，具有较高的实测场强值53.6~97 dB，测点40~60为学院楼主体结构，电磁波受到建筑物干扰，应该具有较低的实测场强值，结果实测场强值48.5~75 dB。比测点在30~40的实测场强值51.3~57 dB高一些，在测点60~140范围内实测场强值有稍微的波动，相比较而言，所以接收线圈Z轴电磁分量所测得的实测场强值没有X轴电磁分量效果好。但总体侧线在0~140实测场强值由高到低的趋势大致能看出，可作为X轴电磁分量的实测场强值的参数对比。
Figure 3. Measured field intensity curve of X-axis component of receiving coil
图3. 接收线圈X轴分量实测场强曲线图
Figure 4. Measured field intensity curve of the Y-axis component of the receiving coil
图4. 接收线圈Y轴分量实测场强曲线图
Figure 5. Measured field intensity curve of Z-axis component of receiving coil
图5. 接收线圈Z轴分量实测场强曲线图
Figure 6. Measured field intensity distribution of X-axis component of receiving coil
图6. 接收线圈X轴分量实测场强分布图
Figure 7. Measured field intensity distribution of Y-axis component of receiving coil
图7. 接收线圈Z轴分量实测场强分布图
Figure 8. Measured field intensity distribution of Z-axis component of receiving coil
图8. 接收线圈Z轴分量实测场强分布图
利用ECT电磁波处理软件，并设置观测系统，接收点间距为0.5 m，对采集的X轴分量，Y轴分量，Z轴分量实测场强数据进行分析，得到场强分布平面图(图6~8)，用ECT对X轴磁场分量成图结果可以看出在测点0~40范围与测点40~140范围场实测场强值变化明显。Y轴磁场分量与Z轴磁场分量成图结果效果明显较差一些。对比三种分量的实测场强曲线图，可以看出观测效果X分量的要最好，Z分量次之，Y分量最差。X分量的曲线在发射和接收端同时进入目标体是就会接近于稳定的值，对于确定异常体的位置具有一定的帮助。对于Z分量而言，发射和接收端都进入异常体之后，场强的曲线还没有到达稳定值，还存在下降的趋势，这样对于判断异常体的位置具有一定的干扰作用。对于Y分量，实测场强的曲线会有一些波动，可能是Y分量的测量工作收到外界干扰比较严重，当存在较小干扰的时候，对于观测值就会产生比较大的影响。
三种分量的场强平面图都可以在图上看到，场强的明显渐变过程，都是从场强高的区域向场强低的区域过度，也基本上对应的上从正常场到异常体的过程，所以三种分量都可以正确的反应出异常的体的存在。
三种分量相对比，同样是X分量的效果最好，Z分量次之，Y分量最差。与之前的几幅图相似，X分量的观测数据所制作的图件，在进入异常体之后，场强值基本就就趋于稳定，可以比较清晰地确定出异常体的位置。Y分量场强平面图，需要在发射和接收端进入异常体比较多的距离，才能使观测数据变得相对稳定，此时借助场强平面图判断异常体的位置最困难。Z分量也需要，观测系统进入异常体一定距离之后，才会使数据达到稳定，虽然需要的距离没有Y分量那么大，但是同样不利于判断异常体的位置。
5. 结论
1) 在这次的实验之中，三分量的数据都探测出了异常体(建筑物)在工作面中的存在，但是只有X分量可以准确地确定异常体的具体位置，另外的两种分量要稍差一点。在工作的精度要求不是那么高的时候可以采取，Y和Z两种分量进行测量。在所制作的图件的形态方面，对于曲线图在装置进入建筑物范围时每种分量对应的曲线均有下降的趋势，这可以比较准确地表示出存在异常体；对于场强分布图，X和Z分量的场强分布图的形态和建筑物形态的变化具有较高的一致性，这对于推断异常体的位置和形态有一定的帮助。
2) 虽然三种分量均可以用来探测在工作区域内是否有异常体的存在，但是不论是从异常体预测的效果，还是对于异常体位置的确定，都是X分量的效果要好一点，Z分量次之，Y分量的效果最差。这可能与观测面内平面场强的分布有关，X分量所测得场强值要比较强烈，是特征最明显的场强分量，而Y分量，无论是特征还是抗干扰的能力都要比X分量要稍微差一点。在常规的工作之中还是选择X分量的观测方式要更好，但是Y分量和Z分量也可以作为对于X分量的一种补充，来印证X分量的观测结果。