SOTEM研究及其在煤田采空区中的应用

电性源短偏移瞬变电磁法(SOTEM)具有信号强、对低阻异常体分辨率高、探测深度较大,受地形和地下构造影响较小等特点,因而适合于低阻体及精细构造的探测,同时由于SOTEM工作方法简便,探测工具灵活易于操作,所以非常适合地形复杂、施工艰难的工区。本研究通过对电性源短偏移距瞬变电磁法进行理论分析,对不同地电模型响应之间的相对误差及其随异常电阻率的变化特征进行了分析,探讨了SOTEM的电性异常分辨能力;求解得到了SOTEM探测深度的理论判断公式;研究计算及正演模拟了不同时刻层状地电模型瞬变电磁响应的空间分布特征来对最佳观测区域进行分析,得出近场区观测的优越性;最后,以SOTEM在山西大同某煤矿采空区探测中的应用实例来说明该方法的有效性,根据对比,探测结果与钻井信息很好吻合。     

电性源瞬变电磁对薄层的探测能力

电性源短偏移距瞬变电磁法是目前的研究热点。针对地球物理勘查中经常遇到的薄层探测问题,以接地长导线源一维正演为基础,通过定义垂直磁场的相对异常,分析对比了电性源瞬变电磁法对不同电阻率、不同厚度、不同埋深的薄层的探测能力,并讨论了不同偏移距对探测灵敏度的影响。最后将电性源瞬变电磁法与回线源瞬变电磁法以及可控源音频大地电磁法进行对比,探讨不同电磁法装置对薄层的探测能力。结果显示,薄层电阻率越低、厚度越大、埋深越浅、观测偏移距越小越有利于电性源对薄层的探测;时间域电磁法对低阻薄层探测能力优于频率域电磁法,当偏移距较小时,电性源瞬变电磁对薄层的探测能力和回线源相当。     

基于两层含水采空区瞬变电磁场数值模拟的拟地震偏移成像

瞬变电磁法是探测煤田采空区的一种有效方法。瞬变电磁拟地震处理解释方法研究日渐成为电磁勘探领域的热点并且取得了突破性进展,所以可以把瞬变电磁拟地震处理解释运用到煤田采空区的探测中来提高勘探精度。文中在瞬变电磁三维时域有限差分数值模拟两层含水采空区模型的基础上,运用预条件正则化共轭梯度算法实现了瞬变电磁扩散场到虚拟波场的稳定转化,并对虚拟波场进行了脉冲压缩处理;最后通过克希霍夫积分解,对虚拟波场进行延拓成像,实现了两层含水采空区模型的三维解释。     

基于聚类的煤矿井下钻孔瞬变电磁异常响应边界成像方法

为了提高煤矿井下钻孔瞬变电磁反演成像结果中的异常响应边界识别和解译能力,完成掘进工作面前方隐伏水害精准刻画、隐蔽致灾因素精细分析等地球物理解释,提出应用无监督机器学习中的聚类方法分析钻孔瞬变电磁处理成果。根据电阻率数值分布特征和2种聚类方法的特点,选择K-Means聚类算法对电阻率成像结果进行聚合分类;在聚类计算过程中,应用最远距离原则确定类簇的初始质心,选用欧氏距离作为距离计算方法,采用基于组内平方误差和的肘部法则确定聚类数目。针对掘进工作面前方的隐伏水害,分别采用三维数值模拟和井下现场应用实例进行了实用性和有效性验证。研究结果表明:该方法可自动识别最佳类簇数目,对电阻率实现准确聚类,聚类成像结果能改善原始成像模型的光滑过渡问题,突出异常响应边界,清晰显示异常响应形状和位置,有效帮助对钻孔瞬变电磁超前探测反演结果中的隐蔽致灾水体进行识别和归类。      

巷道瞬变电磁超前探测波场成像技术

传统瞬变电磁技术存在体积效应,仅能确定含水异常体的方位,难以对含水异常体的边界进行精确探测。针对煤矿井下巷道掘进超前探测特点,基于瞬变电磁法波场变换方法,形成了巷道超前探测波场成像技术,并结合某矿巷道掘进超前探测工程,利用波场成像技术对超前探测数据进行处理,较为准确地确定了含水异常体的边界。结果表明,同传统数据处理结果相比,巷道瞬变电磁超前探测波场成像技术能够确定含水异常体边界,波场曲线幅值与出水位置对应较好,含水异常体边界位置同波场成像结果更为吻合。     

煤矿回采工作面内部不良地质体的多波联合探测CSCD

影响岳南煤矿工作面回采速度的主要因素为煤层上方灰岩富水区域和内部地质隐伏构造。通过采用瞬变电磁法、无线电波透视、槽波地震多种物探方法可以对回采工作面进行透明化探测。探测过程中发现:瞬变电磁法二次波场接收到的感应电压对富水低阻区域较为敏感;观测无线电波透视发射、接收的能量衰减可识别煤层变化区域横向情况;槽波地震的包络振幅、频谱分析与频散曲线综合分析成像,对判别断层走向有良好效果。通过多波场中感应因子对异常区域综合响应特征的识别,并依据多源波场圈定的异常区域进行平面图叠加和综合显现,可有效识别工作面顶板富水区域与煤层内部构造区域的关联情况,清晰判断导水通道情况。试验结果表明,多种物探方法可探明回采工作面内部异常区域并提前预测预报,对今后类似地质条件的探测提供了借鉴依据。     

瞬变电磁法在彬州市某煤矿采空区勘查中的应用

采用地面瞬变电磁法对拟建搬迁安置小区是否存在煤矿采空区进行勘查,运用未充水采空区、充水采空区分别在视电阻率断面图上呈现相对高阻、低阻异常的地球物理标志,结合地面地质灾害调查成果,较为准确的确定了彬州市某煤矿采空区具体位置,并推断塌陷过渡带范围。     

基于克希霍夫偏移的槽波超前探测方法及应用

为查明邢台矿区葛泉矿1199工作面掘进巷前方地质构造,采用井下槽波地震进行超前探测,用线性拉东变换提取来自巷道前方的反射波,在时间域内进行速度分析获得围岩参数信息,通过克希霍夫偏移对巷道前方地质异常体成像。结果显示,掘进巷前方距离G12检波点205 m与237 m存在异常,分别对应采空巷道与SF4断层;通过速度分析提取速度参数,初步判断SF4含水。钻探验证结果表明,克希霍夫偏移方法能对掘进巷前方断层异常体进行成像。      

不同充填介质下的溶洞跨孔电阻率CT探查数值模拟

城市地铁修建过程中常常会遇到溶洞等不良地质条件,为更加准确探查地下溶洞的位置和大小,采用有限元法和最小二乘法正反演数值模拟手段,利用孔距、电极距和与钻孔距离三个变量构建了地下溶洞的地电模型,分析并总结了跨孔电阻率CT法对充气、充水和部分充水溶洞的电阻率响应特征及规律。结果表明:部分充水溶洞的水、气分界面明显,低阻区域和高阻区域与溶洞充水、充气部分位置大小一致,且随着溶洞充水量的增加,溶洞低电阻率响应增强,其异常范围向溶洞顶部扩大;跨孔电阻率CT法能够有效识别溶洞充填性状。      

中心回线瞬变电磁测深法快速电阻率成像方法及应用

利用导电全空间与均匀半空间中心回线源和磁偶极子在阶跃电流激发下磁场公式和扩散速度的定义,导出了不同条件下瞬变场的扩散速度公式。在此基础之上,引入瞬变电磁测深全区视电阻率定义数值计算方法,给出了电阻率成像的一阶与二阶近似公式,从而建立了一套中心回线瞬变电磁测深快速电阻率成像方法。模型检验结果、实测剖面电阻率成像以及对大地电磁测深视电阻率曲线进行静偏移校正效果均良好,说明该方法是可行的、有效的。      

TEM虚拟波场三维连续速度分析及其在隧道超前预报中的应用

针对当前隧道超前地质预报工作中不能对于掌子面前方的水患进行有效预报的情况,笔者提出一种基于浮动薄板理论的隧道掌子面前方不良地质体的瞬变电磁波场变换延拓成像的超前预报有效方法,引入比较合适的三维的虚拟速度连续分析方法,解决了偏移成像中对实测资料的速度提取问题。给出了瞬变电磁方法在隧道中适用的工作方法。对理论模型和应用实例都进行了分析计算,得到的结果与实际情况相符合,表明该速度分析方法是切实有效的。     

矿井电阻率法监测系统在采煤工作面水害防治中的应用

煤矿智能化、无人化开采迫切需要水害隐患地质透明化为其保驾护航。矿井电阻率法监测系统针对工作面回采过程中的水害问题,采用伪随机信号发射和全波形数据采集提高设备的抗干扰能力,采用电极接地条件一致性校正和监测数据归一化处理等手段压制假异常,采用时移电阻率成像实现水害隐患电阻率异常响应的识别和提取,通过监测工作面回采过程中顶、底板电阻率变化对水害风险进行判识,实现采动工作面水害隐患的地质透明化。结合矿井电阻率法监测系统近年来的井下现场试验,分别介绍其在顶、底板水害监测中的应用案例。井下试验结果显示,电阻率法监测可以有效捕捉顶、底板出水过程的前兆信息。但在实际应用中,矿井电阻率法监测系统依旧面临强电磁干扰以及采空区监测线缆难以保护等问题,并且采掘扰动对煤岩电阻率的影响机理研究不足,导致对电阻率异常进行分析解释时存在较大争议,还需要进一步开展相关研究工作。      

工作面电磁波高精度层析成像及其应用

介绍了工作面电磁波透视法(简称坑透)高精度层析成像计算原理和工作方法,并结合电磁波衰减特征和应用实际,探讨了不同地质异常的解释方法。实践证明,坑透高精度CT技术应用大大提高了资料解释的精确度和可信度,增强了异常的识别能力。      

高阻空洞的瞬变电磁响应特征及其探测效果

通过球体电磁响应的计算,对低阻围岩中高阻球体模型电磁响应测量结果进行了分析,获得了高阻球体的异常特征。对干旱地区深埋土洞的工程探测结果表明:高阻土洞的瞬变电磁响应特征与模拟实验结果类似,对高阻目标体具有较好的探测效果;高阻体引起的瞬变电磁场异常范围大于目标体实际规模。      

断层－充水溶洞上不同装置三维高密度电阻率法正演模拟响应特征分析

高阻碳酸盐岩中的低阻断层和充水溶洞是岩溶区地下水勘查的主要目标体。根据高阻中找低阻的原则,建立碳酸盐岩类裂隙溶洞水赋存模式的断层－溶洞地电模型,利用RES3D软件进行温纳、施伦贝格、偶极－偶极三种采集装置的正反演模拟计算,从三维反演结果、剖面、电测深曲线三个维度,对比分析不同装置下断层－溶洞目标体的地电响应特征和规律。结果显示:(1) 探测深度内,温纳、施伦贝格、偶极－偶极装置可有效识别断层及其上盘三倍于电极距规模的充水溶洞,无法分辨断层下盘二倍于电极距规模的充水溶洞;(2) 相同模型和观测条件下,偶极－偶极装置对目标体的识别能力最强,其三维反演结果可识别溶洞下边界,剖面中形成左凸低阻圈闭异常,不同测深点的曲线类型、拐点、极值点与模型设计最为贴近,且拐点对应岩性界面,极值点位于地质体的中心深度。该工作对野外观测方式的选取和地质解译有一定指导意义。      

Radar spectral analysis and evaluation of the effect of grouting treatment in karst caves and soil caves

This paper studies karst cave and soil cavity development in the process of karst collapse as a means of disaster prevention and control. Using the karst area of the Shandong section of the Beijing–Shanghai high-speed railway as a test area, a numerical simulation method is presented as well as the model test to study the characteristics of typical radar images of different types of karst caves and soil cavities. By combining theoretical analysis with field test results, the method and characteristic standards for nondestructive testing using ground-penetrating radar to determine the grouting effect on a karst roadbed are given. The radar spectrum characteristics are analyzed for a cave, water-filled cave, clay-filled cave, karst cave with dense grouting and karst cave with grouting that is not dense. Comprehensive analysis of the results of indoor model testing and numerical analysis, combined with the engineering practice of evaluating the effect of grouting treatment in the selected section of the Beijing–Shanghai high-speed railway, clarifies the basic characteristics of map recognition of radar detection of karst grouting. The morphological characteristics of the karst caves in the geological radar images are usually composed of many hyperbolic strong reflection waves. Multiple-reflection wave groups of high amplitude, low frequency, and equal distance indicate the side wall of the cave. The bottom interface of the cave is not obvious, although when the bottom part of the cave is filled with water or clay, silt, sand and gravel material. The bottom of the reflection wave will be enhanced. When the cave is filled with material, the electromagnetic wave energy decays rapidly, the high-frequency part is absorbed, and the reflection is mostly low frequency wave. The characteristics of radar images of the slurry distribution area are obvious in the grouting zone. A horizontal direction results in arc-shaped distribution, and a vertical direction has more regular distribution. The results of the study are helpful in the exploration of karst caves and soil caves, and the evaluation of the effect of grouting treatment in mitigating karst collapse.     

回采工作面断层构造无线电波反射测量方法研究

矿井无线电波勘探可用于煤层地质构造探查,凭借其轻便和效果好等优势,成为煤层地质构造探查的常规和必备手段。现阶段无线电波信号在煤层中的能量衰减较快,大宽度煤层工作面透射无线电波探测面临制约。基于此,提出煤层工作面无线电波反射勘探方法。首先,数值模拟构建二维含煤地层电性模型,对无线电波H_x分量信号的场强值进行分析。模拟结果显示:无线电波在正常煤层巷道中H_x分量信号的场强值衰减与传播距离呈现近似线性关系,为无线电波反射成像算法奠定理论基础。其次,在模型中距巷道5、10、15、20、25、30 m处设置断层异常区。与正常无断层煤层相比:H_x分量场强值在断层处会发生数值突变,场强值先增大再减小,并且随着断层距巷道距离的增大反射场强值整体减小;当断层距巷道25 m以后,场强值变化不明显。最后,利用某煤矿工作面进行现场试验。试验采用0.965 MHz的频率进行整条巷道的无线电波反射探测,探测结果中地质异常附近无线电波场强值异常升高,显示出明显的直达波和反射波相叠加的现象。通过回采揭露验证,场值异常处与断层位置吻合较好,试验取得良好的效果。综上所述,无线电波在正常煤层巷道中场强值衰减与传播距离呈近似线性关系,当工作面内存在构造异常时会产生直达波和反射波相叠加的现象,其场值会发生跳跃升高。采用反射无线电波法进行煤层工作面地质异常探测具有可行性和有效性,为煤层工作面地质构造探查提供一种新的方法和思路。      

地质雷达电磁干扰分析及在隧洞岩溶探测中的应用

将地质雷达用于千岛湖配水工程某隧洞岩溶探测,分析了倾斜状电磁干扰异常与溶洞雷达异常差异,通过雷达剖面及疑似异常区单道时间-频率谱的分析,推断了隧底岩溶的性质及空间分布特征,含水溶洞在雷达剖面反映为同相轴错断,强振幅及能量高衰减的特性,高频干扰波振幅幅值较异常区小且能量不满足随时间推移逐渐衰减的规律,雷达成果为隧洞安全施工提供了准确的参考。