直流电法电位测量中提高计算精度的方法技术研究

直流电法是电法勘探中的重要分支,它是采用地表供电或者井中供电,在地面测量电位响应的勘探方法。利用地面测得的异常电位响应来分析地下的物性分布情况并推断地下矿体的空间位置。以采用方波供电方式所测得的电位数据为例来分析和研究计算人工电位的方法,结果表明:当采集电位数据质量好时,采用不同长度的窗口宽度计算得到的人工电位变化不大;当采集电位数据质量差时,采用不同长度的窗口宽度计算得到的人工电位变化比较大;假设加入不同比例的随机噪声理论电位数据,并采用不同窗口宽度进行理论计算人工电位时,取较小长度的窗口宽度计算得到的人工电位比较精确。这些为下一步的数据处理与解释奠定基础。     

基于不同装置的二维高密度电法勘探效果比较与分析

为比较分析高密度电法不同装置对探测异常地质体的效果,通过建立高阻异常体和隐伏直立低阻体地电模型,正演计算了不同装置类型下的视电阻率,并加噪进行二维电阻率反演。各种装置的反演结果表明：在探测地下高阻异常体时,温纳α、β、γ装置优于其他装置,揭示异常位置与形态相对较好;对于隐伏直立低阻体而言,温纳p装置和三极装置探测效果好,其中温纳β为最理想装置,实例验证表明,温纳α、β、γ装置在探测地下防空洞时体现了其装置的优越性,验证了理论模拟结论的正确性。     

倾斜线源的三维电场数值模拟研究

利用倾斜线状电流源的理论电位式和有限差分法理论,建立三维离散化方程组,并用ICCG法求解该方程组,设计三维电阻率异常体分布模型,经计算得到了地表视电阻率分布在垂直和倾斜线源情况下的变化规律。以上工作对利用直流电法勘探方法,来解决油田剩余油的分布及对地浸砂岩型铀矿矿层渗透性能的分析,有着实际的意义。     

矿井孔中瞬变电磁探测异常响应特征模拟

为了解决常规矿井瞬变电磁超前探测方法受矿井外界干扰影响较大,异常体探测定位不精确的问题,提出一种在井下钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法,对接收线圈所处水平面不同位置、异常体不同方位的异常响应特征进行数值模拟。分析钻孔瞬变电磁探测原理,进行钻孔发射线圈与接收线圈的试验设计以及施工设计,对均匀全空间模型、均匀全空间异常体模型、异常体位于钻孔不同方位的三分量异常场响应特征进行系统分析。在低阻异常体与线圈垂直时,X分量、Y分量、Z分量异常响应最大,随着低阻异常体逐渐平行于接收线圈法向,异常响应逐渐减小,当低阻异常体完全平行于接收线圈法向时,X分量、Y分量、Z分量异常响应最小。通过以上认识,可以根据钻孔径向不同象限位置的异常场三分量组合形态不同,判断异常体所在钻孔的方位。在以钻孔钻进方向为Z轴正方向,以孔口所在平面右向为X轴正方向,下向为Y轴正方向的坐标系下,钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“近似正弦曲线”或“近似反向正弦曲线”形态,通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限。通过这样的规律,可分析三维空间条件下异常体的空间位置及赋存状态。通过钻孔瞬变电磁超前探测异常响应特征的分析,可为钻孔瞬变电磁超前探测提供理论数据支持。      

对反向变分流电法勘探原理的剖析

本文阐明了反向变分流系统地下电流的分布特点和规律。文中还给出了反向变分流电阻率法视电阻率的异常表达式,计算了装置系数和电流分配系数之间的关系,并阐明其规律和作用。最后,作为一个例子,分析了水平地层上反向变分流电测深法视电阻率的异常分布规律,并指出它在勘探中的作用。     

三分量地-孔瞬变电磁法积水采空区探测试验

孔中物探方法是近几年行业研究的热点,考虑到金属矿上应用较成熟的地-孔瞬变电磁法具有径向探测距离远,数据信号不易受地面电磁干扰影响等特点,将其应用到煤矿积水采空区探查领域。采用三维时域有限差分算法对钻孔不同方位的积水采空区模型的总场响应、异常响应进行了数值模拟,总场三分量对积水采空区反映明显,异常场三分量形态组合能判别异常体的方位。采用等效涡流原理,研究了利用异常场三分量来反演异常体的位置、倾角和规模等参数的空间定位算法。通过不同方位的理论模型测试,不同时刻的反演等效电流环大小、位置的组合能反应含水采空区的空间位置及规模。最后在陕北某矿针对已知含水采空区开展地-孔瞬变电磁法探测试验,采集的三分量信号光滑可靠,且异常反应明显,并对不同时刻的异常场三分量数据进行反演处理,反演结果与实际采空区位置和规模基本一致,证明该方法可作为煤矿钻孔中探查积水采空区的有效手段。      

有耗媒质中线天线激励下三维异常体的散射

本文研究均匀有耗媒质中,在半波长偶极天线的场激励下,多种形状和参数的异常体的散射特性。用矩量法分别求解良导电球体散射的磁场积分方程和有限导电的长方形异常体散射的电场积分方程。讨论了与数值法有关的近似、误差和检验等问题。通过数值计算得出媒质电参数改变、散射体大小、形状以及空间位置改变时散射场变化的规律。水中金属球和介质块散射的测量结果与数值计算结果吻合较好,验证了数值模型的正确性。     

井下高密度电法在矿井防治水的应用——以解决运煤通道底板下沉为例

根据高密度电阻率法的工作原理、装置形式和异常特点,利用井下高密度电法技术对西山煤电运煤通道东曲段底板下沉区域进行探测。探测采用高密度直流电法温纳装置,布置电极总数64路,电极距5m,剖面总长度320m。对采集的数据通过基于圆滑约束最小二乘法反演,获得电阻率成像断面色谱图,结合已知异常地质体的电性特征,对矿井含水层富水性进行评价。解释结果表明运煤通道东曲段底板存在一个低阻异常区,且上下连通,应作为底板水防治的重点区域。该结论已得到钻孔验证。     

井地电位法中变物性参数异常响应的模拟与分析

为了研究地下异常体几何及物性参数变化对井地电位法地表响应的影响规律,对垂直线源激励下的变物性参数地下异常体,采用三维有限单元法进行了正演模拟。经模拟结果表明,在浅部时异常形态清晰,随深度的增加,异常响应的形态变得模糊;地表异常响应对厚度反应不灵敏;对水平规模大小变化反应非常灵敏。这些规律将对油气田剩余油分布和注水推进前沿的确定,以及井地电位仪器分辨率的设计提供指导作用,并为井地电位法反演成像奠定相关基础。     

基于探地雷达的工作面异常体精准探测技术

在井下采煤工作面回采进程中,及时掌握工作面煤层前方的异常情况,是煤矿安全、高效生产的保障。探地雷达是一种高效、无损伤探测方法,被广泛应用在矿井。针对探地雷达探测异常体响应的图像解译精度与成像精度取得了显著的成果,而如何用探地雷达去圈定地质异常体位置与空间分布范围是研究的热点问题。提出一种多剖面与线性插值融合的采煤工作面内部异常体精准探测新方法。主要研究思路：首先,通过时域有限差分算法（finite-difference time-domain, 简称 FDTD）对构建煤层空洞、断层的三维模型进行正演模拟,通过克希霍夫偏移处理大致圈定异常体的响应范围;其次,获取存在异常体响应的单道波数据的多剖面图,通过线性插值确定异常体的精确位置坐标与具体尺寸,引入面积评价标准来验证探测结果的相似度;最后使用 LTD-2600 型的探地雷达与 900 MHz的屏蔽天线对构建的空洞物理模型进行现场试验,将获得空洞计算剖面与实际空洞尺寸进行对比验证;并在斜沟煤矿 18201工作面开展应用,验证方法的有效性。实践证明,应用此方法对雷达剖面图进行分析,分析结果表明实测空间位置与实际空间位置的误差均在10%以下,可相对准确圈定工作面异常体的具体尺寸与空间分布范围。     

Research and Application of In‐seam Seismic Survey Technology for Disaster‐causing Potential Geology Anomalous Body in Coal Seam

In order to effectively detect potential geology anomalous bodies in coal bearing formation, such as coal seam thickness variation, small faults, goafs and collapse columns, and provide scientific guidance for safe and efficient mining, the SUMMIT-II EX explosion-proof seismic slot wave instrument, produced by German DMT Company, was used to detect the underground channel wave with the help of transmission method, reflection method and transflective method. Region area detection experiment in mining face had been carried out thanks to the advantage of channel wave, such as its great dispersion, abundant geology information, strong anti-interference ability and long-distance detecting. The experimental results showed that: (1) Coal seam thickness variation in extremely unstable coal seam has been quantitatively interpreted with an accuracy of more than 80% generally; (2) The faults, goafs and collapse columns could be detected and predicted accurately; (3) Experimental detection of gas enrichment areas, stress concentration regions and water inrush risk zone has been collated; (4) A research system of disaster-causing geology anomalous body detection by in-seam seismic survey has been built, valuable and innovative achievements have been got. Series of innovation obtained for the first time in this study indicated that it was more effective to detect disaster-causing potential geology anomalies by in-seam seismic survey than by ground seismic survey. It had significant scientific value and application prospect under complex coal seam conditions.     

高密度电阻率法探测地下人防巷道装置类型选择与异常识别

通过在已知在已揭露的地下人防巷道上方高密度电阻率法中温纳装置、三极装置的试验以及异常特征分析,说明利用地下介质的电阻率差异,采用高密度电阻率法探测地下人防巷道工作时,应选择好装置类型,且要正确地识别其异常标志。     

用异常电位边界单元法做电测深资料地形改正

求解异常电位的边界单元法对电测深资料进行地形改正,应用效果明显。在异常电位法中将异常电位与正常电位相加,得总电位,用这种方法得到的总电位比直接求总电位的精度高得多。      

井地电法点电源供电地表异常电场分布特征实验研究

井地电法供电点位置与地表电位分布关系密切。为研究点电源供电时供电点位于电性异常层上、下不同位置时地表电位的分布特征,通过物理模型研究的方法,采用铜圆柱体作为固定的点电源供电,利用有机玻璃模拟高阻体,通过三维电位观测系统,获得高阻体位于供电源上、下不同深度时水面测得的电位值,计算该值与无异常体存在所测得的背景场电位值的差值作为异常电场,进一步分析异常电场的特征,推断异常体的空间展布情况。模拟实验表明,点源供电时供电点与异常体越近,其地表异常电位值越高,并且供电点源位于异常体下方时其在地表的异常形态越接近其真实形态。     

开滦钱家营矿1495E疑似陷落柱探查及综合治理

岩溶陷落柱在我国华北石炭二叠纪煤系地层中广为分布,由于陷落柱贯穿于岩溶发育的奥灰和煤系地层之间,即使陷落柱在天然条件下不导水,但由于后期开采活动对其导水性能的改造,陷落柱往往成为奥灰与煤系地层之间联系的通道,井巷或采煤工作面一旦接近或揭露陷落柱时,可能产生突水,破坏采区划分秩序,严重影响煤矿安全生产。2009年,钱家营矿业公司在1495E风道掘进过程中首次揭露地质异常体,高度怀疑为岩溶陷落柱。该公司采取地面微动地震探测、井下直流电法和井下瞬变电磁等多种物探手段与现场钻探相结合,对地质异常体实际赋存状况进行探查。结果表明,该异常体不含水。但考虑到对物探成果必要的检验以及后续井巷工程和相邻工作面回采对异常体围岩应力平衡的破坏导致可能突水,矿方对异常体实施了钻探探查、建立密闭墙以及异常体注浆治理。治理方案的实施为矿山生产建设顺利展开奠定了基础,保证了工作面、采区科学合理划分,且为同行提供了借鉴经验。     

起伏地表地震波场角度域照明分析

角度域照明可以更加细致地对地下复杂地质体进行照明分析。提出了一种适用于起伏地表条件下的角度域照明分析方法,其主要过程是利用局部倾斜叠加技术分解波场,对起伏地表处采用加权函数判定局部时窗内的振幅包络位置,以区分其位于地表之上或之下;并引入相似系数函数计算反假频局部平面波场,根据局部斜率与平面波场入射角关系,得到局部角度域地震波场;根据帕斯瓦尔等式下的时间-角度域照明关系式,计算得出角度域照明强度。通过起伏地表高速侵入矿体模型试算,得到给定观测系统下角度域照明强度与地下分析点照明随炮点、波场入射角的变化关系。此方法可用于起伏地表条件的观测系统优化、叠前AVA分析等方面。     

大地电磁资料的分形特征

分形理论是研究一类无规则、非线性但具有自相似性的无序系统。这个无序系统的维数一般是分数。分数维的大小可以反映系统的复杂性，揭示系统的本质规律。本文利用功率谱分析法来揭示大地电磁资料的分形特征，并简单分析分数维在大地电磁中的地质意义。发现当地下电性分布均匀时，电、磁场分量的自功率谱都服从对数坐标轴上的线性分布；而遇到电性不均匀体时，功率谱的线性发生畸变。     

改进的倾斜角法在位场场源边界识别中的应用

位场场源边界识别是位场数据分析解释中的重点内容之一。相邻异常源由于场的叠加而难以区分,尤其是对于叠加异常中不同深度的场源边界的识别。倾斜角法是位场数据处理中常用的边界增强方法之一,能有效突出低振幅、短波长的异常特征。本文基于倾斜角法定义了新的位场边界探测方法,该方法利用倾斜角方程中位场二阶垂直导数与垂向导数水平导数之比进行计算,能有效区分相邻异常源产生的叠加异常,突出叠加异常中不同深度场源的边界特征。通过综合模型和实测数据,并与现有的基于导数的位场边界探测方法进行比较,评价了该方法的应用效果。结果表明,该方法对场源深度的变化不太敏感,它可以更准确地确定场源边界,区分相邻异常源的叠加异常,尤其对密集型组合地质构造的识别有较好的效果,即使是在场源埋深较大情况下,也能突出叠加异常中不太明显的微弱变化的线性异常特征,以及弱异常源的形态特征,可为精细研究局部地质构造提供技术支持。     

基于积分方程法的任意形状源多次激发三维电磁场反演

利用积分方程和阻尼最小二乘法,对任意形状源多个位置激发下三维异常体的电磁场进行了反演计算。计算中将任意形状源条件下多组激发点和接收点的电磁场数据统一考虑,求出了此种条件下的雅克比矩阵,反演得到了地下异常体的电阻率分布。模型试算结果表明,反演收敛速度快,对初值依赖性小,结果准确可靠。     

一种变网格差分的快速行进法

地震波旅行时精度直接影响着地震反演、叠前偏移成像、层析成像等各领域研究成果的可靠性,因此,研究如何提高地震波旅行时精度是很有意义的。在双重网格技术的基础上,引入一种基于变网格差分格式的快速行进法(FMM)计算地震波旅行时,通过正演模拟均匀模型、存在高速异常体模型、Marmousi模型来分析变网格FMM的优势及适用性。研究结果表明:均匀模型背景下,变网格FMM与双重网格FMM优势相当,但是在存在高速异常体模型背景下,双重网格FMM可能违背波前扩展的规律,从而导致较大的误差,而变网格FMM则不存在这样的问题; Marmousi模型试算验证了变网格FMM能适应各种复杂模型。因此,该方法是一种有效提高走时计算精度和效率的方法,不仅增强了FMM法的适用性,而且扩展了变网格技术的应用范围。