矿井瞬变电磁法在水文钻孔探测中的应用

探讨了用矿井瞬变电磁法探测采煤工作面内部和掘进巷道前方的水文钻孔的位置,对其富水性进行了定性评价,总结出水文钻孔在视电阻率断面图上的响应特征,即在顺煤层方向呈圆形异常反映,而在煤层顶、底板方向呈狭长椭圆形特征。该方法在探测隐伏含水陷落柱构造方面也有较好的应用前景。     

隧道瞬变电磁克希霍夫偏移成像与地质灾害探测

隧道绿色施工不仅需要预报工作面前方突水突泥等低阻异常,更需要查明灾害体的地质构造,为灾害预警与防治提供保障。传统的瞬变电磁解释方法仅能够提供单一电阻率信息不能满足隧道地质灾害治理要求。因此,将虚拟波场成像技术引入到瞬变电磁隧道探测技术中,期望实现灾害体电性与结构综合解释。首先,根据波场变换原理将瞬变电磁数据转换到虚拟波场;然后,利用电阻率成像算法计算工作面前方电阻率建立虚拟波场速度模型,利用波动方程克希霍夫积分解进行波场延拓实现瞬变电磁虚拟波场偏移成像;最后,综合电阻率与偏移成像结果对工作面前方地质体进行解释,判断地质灾害体的电性与构造特征。分别采用充水溶洞、充水断层两类常见灾害模型对算法进行验证。充水断层模型电阻率成像结果可以识别工作面前方低阻异常,但是异常分布范围略有增加,且不易判断倾斜角度;而偏移成像结果有效地识别异常的边界位置且对应准确,更易容判断异常倾斜方向。充水溶洞模型电阻率成像结果可识别溶洞的低阻异常与位置,但是异常形态与实际模型略有偏差;偏移成像结果圈定了模型的前后边界且与模型吻合较好。实测数据偏移成像结果有效圈定了低阻异常位置与裂隙形态,预测结果与已知出水孔情况相符。理论模型与实测数据结果表明,虚拟波场克希霍夫偏移成像结果既包含地质灾害体的电阻率分布,又能识别灾害体电性分界面,为地质灾害预警与防治提供了丰富的地质信息。      

封闭不良钻孔矿井瞬变电磁法超前精细探测研究

封闭不良钻孔不同程度地连通含水层,形成隐蔽性较强的导水通道,对巷道掘进和工作面回采构成水害威胁。基于全空间瞬变电磁理论,构建掘进工作面前方封闭不良钻孔三维地质-地球物理模型,模拟研究封闭不良钻孔影响区模型的全空间瞬变电磁场响应特征,进而探讨矿井瞬变电磁法用于封闭不良钻孔超前探测的有效性。数值模拟结果表明,封闭不良钻孔附近含水体在感应电动势多测道图上表现为幅值增强,异常特征明显。结合宁夏双马煤矿I0104₁08工作面运输巷掘进工作面前方封闭不良钻孔超前探测工程开展应用研究,探测结果显示,在钻孔位置的煤层顶板出现局部低阻,表明该钻孔具有一定的导水性,引起顶板局部相对富水性增强。研究结果表明,封闭不良钻孔导致的局部富水性增强可以引起典型且易于识别的瞬变电磁场响应。采用矿井瞬变电磁法进行超前探测,并结合精细化处理解释可以有效查明钻孔附近岩层的相对富水特征,进而对封闭不良钻孔的导水性进行评价,为封闭不良钻孔的治理提供依据,保障矿井安全生产。     

瞬变电磁法在井下工作面顶板导水裂缝探测中的应用

为探测井下工作面顶板水害,以羊场湾煤矿160201工作面顶板为例,采用瞬变电磁法,通过改变探测倾角实现对风巷、机巷顶板导水裂隙带不同方向的探测,在此基础上建立工作面顶板瞬变电磁视电阻率三维数据体对各层位导水裂缝富水性进行了分析。疏放水钻孔试验结果表明瞬变电磁法可准确有效用于井下工作面顶板导水裂缝的探测。     

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。     

钻孔瞬变电磁方法探测越界开采采空区的应用

煤矿井下越界开采扰乱煤炭资源开发秩序,同时存在巨大的安全隐患,准确探测越界开采采空区及其边界对安全采掘极为重要。常规的矿井瞬变电磁探测方法容易受到巷道中的金属和电磁信号干扰,探测精度有限,难以满足采空区边界精准解释的需求。为了解决这一问题,提出一种钻孔中收发信号的钻孔瞬变电磁方法和施工工艺,利用其远离巷道和靠近异常体的特点,提高异常信号在实测数据中的占比;并研究可行域约束的OCCAM反演算法,进一步减小体积效应影响,实现了对越界开采采空区的电阻率精细成像。结合山西某煤矿的工程实践,对该方法精准探测邻矿越界开采采空区规模、性质的实用性和有效性进行了检验。结果表明,钻孔瞬变电磁方法是矿井地球物理技术与钻探工艺技术的高效结合和有益补充,基于可行域约束的OCCAM反演算法能够有效应用于越界开采采空区的边界精确成像解释。      

巷-孔瞬变电磁法在探测含导水构造中的应用

掘进迎头超前探水钻要探清楚含导水构造的空间位置比较困难。常规矿井瞬变电磁在含导水构造探测方面得到了广泛应用,但其存在巷道干扰因素较多等问题。巷-孔瞬变电磁三分量探测技术在钻孔中使接收位置更靠近异常区,降低了巷道内的电磁干扰对测量结果的影响,可针对性地对钻孔附近异常进行三维探查,具有探测精度高、对含导水构造反映敏感等优点。以某煤矿6煤西翼辅运大巷为例,利用掘进工作面超前探放水钻孔,使用巷-孔三分量瞬变电磁超前探测技术探测掘进工作面迎头前方含导水构造的范围及位置。结果表明:巷-孔瞬变电磁探测法可以探测钻孔径向30m以内的含导水地质构造的空间位置与异常大小,效果良好。     

全空间定点三维瞬变电磁探测技术研究及应用

为了使掘进巷道前方和回采工作面内部导含水构造准确定位和直观显示在成果图件中。基于原有的瞬变电磁探测技术设计定点三维超前探测技术,采用三维物理模拟技术,对煤矿中不同空间位置和形态的导含水构造进行模拟研究,分析其三维视电阻率空间分布的规律特征,结果表明:多匝小线圈具有一定的方向性,当收发线圈的法线接近模拟体时,才会产生较明显的瞬变电磁响应信号;不同位置和形态的导含水模型,其视电阻率三维空间等势面范围与其实际体积尺寸基本吻合。在平朔井工一矿19108工作面内部隐伏陷落柱的探测应用中,工作面内部的陷落柱能够在三维异常空间中准确地显示出来,为煤矿巷道掘进和工作面回采前的地质预报提供了有效的技术手段。     

地面与井下瞬变电磁法联合探测煤矿富水区域

在鱼卡煤田1171工作面巷道采掘过程中,前方出水量明显增大。为避免水害发生,在整个工作面开展了地面与井下相结合的瞬变电磁探测工作,利用地面瞬变电磁测量从平面上控制水害分布范围,利用井下探测方法对富水区域进行圈定,指导下一步的抽排水工作。对比地面与井下瞬变电磁结果,两者对于富水区域结果是相同,联合探测降低了物探资料多解性问题,大大提高了勘探精度。     

井下瞬变电磁仪硬件对致灾水体分辨能力的评估

井下瞬变电磁随掘探测技术是探测掘进面前方致灾水体的有效方法,从硬件方面评估仪器对致灾水体的分辨能力,是仪器能够在井下正确使用的重要手段。通过比较二次场绝对差和仪器分辨率、叠加后背景噪声之间的大小关系,分析含水致灾体识别的硬件条件和评估依据;提出从硬件方面评估井下瞬变电磁对致灾水体分辨能力的计算方法:根据致灾水体结构建立三维地质模型,推导梯形波关断与负阶跃波关断二次场感应电压的关系,在GPU上采用全空间三维有限差分并行算法计算了致灾水体二次场响应;测量某瞬变电磁仪的关断时间和综合噪声,根据致灾水体的硬件分辨依据,从硬件方面评估井下瞬变电磁仪对导水陷落柱、充水采空区的分辨能力。为井下瞬变电磁探测仪器的研制和现场准确探测提供技术参考,具有重大的研究意义。      

基于井中垂直磁场的可控源电磁法深部矿产探测研究

我国浅部可用矿产资源量日益枯竭,如何提高深部矿产探测效果是亟待解决的重要问题。然而对于深部资源的探测,受限于地面地球物理勘探技术的探测精度、深度以及抗干扰能力,传统的电磁法难以在地表准确探测到深部隐伏矿的有用信息。为提高可控源电磁法（CSEM）的分辨率,本文利用矿井作为接收电磁总场响应的测点位置,采集井中垂直磁场数据BZ,获取地下电导体三维空间分布信息。采用有限差分法正演研究不同矿井位置对异常体的正演响应,结果表明矿井越靠近地下异常体边界,响应越大。基于有限内存拟牛顿法（LBFGS）所实现的快速三维反演,进一步证实井中磁场数据可以有效提升对深部空间信息的识别。最后,井中磁场数据与地面磁场数据结合起来实施的联合反演,实现了从浅到深的高精度成像,为实际深部矿产勘探提供了理论支撑。     

覆盖层影响下圆锥型瞬变电磁Occam约束反演

在地表浅层瞬变电磁勘探中,覆盖层是影响瞬变电磁探测效果的重要因素之一。为了进一步验证覆盖层影响下圆锥型场源装置的探测效果,在瞬变电磁全区视电阻率理论基础上,引入地层信息约束的Occam反演方法,研究了覆盖层不同参数影响下下伏地层的电磁响应特征。研究结果表明:目标层电磁响应强度与覆盖层和目标层电阻率比值有关;当覆盖层电阻率逐渐增大时,目标层反演电阻率与实际电阻率拟合度呈现先提升后降低的趋势,临界点出现在覆盖层与下伏高阻层电阻率相等时;当覆盖层厚度增大时,下伏地层的电磁响应相应减弱,异常区电磁响应峰值出现时间提前,反演后电阻率峰值深度加深。通过加入地层信息约束,下伏地层电阻率与实际电阻率拟合度及层界面分辨率均得到有效提升。研究成果为圆锥型场源野外数据处理与解释提供理论参考。      

煤矿井下定向钻孔中电阻率探测技术与应用

受高瓦斯/承压奥灰水威胁的工作面开采前,一般采取定向钻进技术在工作面底板开展压裂或注浆工程保障开采安全。利用底板定向钻孔开展孔中探测工作,可更加精细揭露工作面内隐伏构造,还可实现“一孔多用”。为解决定向钻孔内的探测问题,提出一种在水平定向钻孔中进行直流电阻率法探查的方法。定向钻孔施工完毕后,退出定向钻孔施工的通缆钻杆,送入内平钻杆,将孔中高密度电缆通过钻杆尾端特制水便送入钻孔,使孔中电缆平铺于钻孔中,在定向钻孔水平段,进行孔内直流电阻率法径向探测。在理论上通过数值模拟研究层状介质下单孔测量工作模式的接收信号衰减规律、视电阻率曲线变化特征、顶底板岩性对测量结果的影响等,并采用单孔测量数据对孔旁异常范围进行反演定位。数值模拟研究表明,孔中电阻率探测方法对隐伏的异常体有良好的探测效果。通过在陕西韩城某矿井下实际煤层底板探测试验,对研究区2个定向抽采钻孔孔中探测数据进行处理,反演结果异常区与工作面内隐伏小断层位置吻合,验证了定向钻孔中电缆布置的可行性和定向钻孔内通过孔内径向和孔间透视探测隐伏构造的可靠性。      

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...     

含水采空区全空间瞬变电磁响应分析

针对含水采空区全空间瞬变电磁响应信号识别问题,采用有限元数值模拟及现场实测方法,基于电动势—视电阻率及对应时深转换关系,获取了全扇面视电阻率随深度变化的空间分布规律,提取了低阻异常区测点感应电动势衰减曲线,得出了测点随探测角度变化的电动势量化变化规律。基于上述研究,开展了井下钻探验证及钻孔窥视,并对现场钻孔出水水样进行了水质分析。结果表明:含水采空区的瞬变电磁响应横向角度对应一致性高于纵向深度;其感应电动势升幅与感应电动势差值变化趋势相反,呈现出在二次场观测初期急剧增大而后趋缓的特征,最大升幅可达10倍以上。钻探工程及化探分析进一步验证了物探成果。     

地一井瞬变电磁三维交错网格有限差分正演及响应特性

为了研究地-井瞬变电磁响应特征,获得不同井位低阻薄板异常体的响应规律:首先采用交错网格有限差分技术离散二次场满足的频率域赫姆霍兹方程;然后结合虚框叠加等效和虚拟界面法将发射源和接收位置扩展到任意层位,解决了全空间背景格林函数的计算问题;之后利用MUMPS求解器求解频率域二次场,再经过余弦变换,获得井中任意位置的瞬变电磁响应;最后采用三维模型对本文算法的正确性进行验证,设计了均匀半空间和嵌入低阻薄板的三维模型,获得垂直磁场的三维分布,分析均匀导电半空间中低阻薄板对地-井瞬变电磁三维响应的影响特点.结果表明:本文三维地-井瞬变电磁计算方案的计算精度与前人基本相同;水平导电薄板的存在主要影响板体附近及穿过薄板的井中瞬变响应,最大的特点是在异常体位置附近的中期时间道响应出现变号现象.本文的研究为定性解释地-井瞬变电磁法异常提供一个技术手段,也为地-井瞬变电磁三维反演奠定基础.     

基于混合网格有限元的直流电阻率法三维正演研究

直流电阻率法因效率高、成本低等特点广泛应用于有色金属、煤田等矿产资源勘探和地质调查行业。但在井–地、地–井电阻率法勘探过程中,钻孔因素(井液电阻率和钻孔孔径)对不同探测模式下视电阻率响应的影响尚未明确,是否影响视电阻率资料的解释是值得探讨的一个问题。因此,提出采用混合网格有限元法实现直流电阻率三维正演。给出异常电位法满足的边值问题及有限元变分问题,应用三棱柱和四面体混合网格实现对计算区域的快速离散,并建立2种网格的线性插值基函数和单元系数矩阵;采用SSOR–PCG迭代算法求解异常电位满足的大型线性方程组,得到各观测点的响应。在保证计算精度的前提下,应用混合网格有效地离散钻孔地电模型,探讨钻孔因素对井–地、地–井观测方式视电阻率数据的影响特征。对于井–地观测方式:钻孔附近视电阻率受钻孔因素影响最大,严重影响视电阻率资料的合理解释,但随着测点收发距的增加,视电阻率响应逐渐趋于围岩电阻率;而且随着发射源深度的增加,钻孔对地表视电阻率响应的影响也逐渐减小。对于地–井观测方式:钻孔因素对浅部数据影响较大,对深部数据影响小,相比于井液电阻率,视电阻率响应更易受钻孔孔径的影响。直流电阻率法混合网格有限元三维正演算法的提出,对实际井–地、地–井电阻率法勘探具有理论指导意义,可结合钻孔信息进行正演模拟分析,选择合适的收发距,有效压制钻孔因素对实测资料的影响。