背景噪声和密集台阵成像技术在哈尔乌素露天煤矿采空区的应用

未知煤矿采空区是煤矿安全生产的巨大隐患,探测煤矿采空区的位置和形态对于保障煤矿安全生产具有重要意义,因此煤矿采空区探测是煤矿安全生产的关键内容之一。目前采空区探测方法较多,但存在成本高、周期长、效率低等问题。近些年来随着密集台阵观测技术的快速发展,背景噪声成像分析在浅层结构探测方面也得到了广泛应用。本文采用基于节点地震仪密集台阵观测和背景噪声成像技术,在内蒙古哈尔乌素露天煤矿区附近布设的145个台站,台间距为16 m,开展为期10 d的连续观测,利用背景噪声成像技术对煤矿采空区进行成像分析。结果表明：(1)通过背景噪声、ESPAC等方法获得探测区的橫波速度结构,背景噪声探测方法可以较好地圈划出测区内的横波低速异常体;(2)根据横波低速区域分布特征获得采空区潜在位置,与钻孔验证揭示的采空区位置吻合较好,验证该方法勾画采空区的良好效果。相关成果显示,利用地表密集地震台阵观测开展背景噪声成像并结合ESPAC方法进行数据处理是进行露天矿采空区探测的一种经济、有效的手段,具有广泛的应用前景。     

煤矿采空区的地震动力灾变及安全防控的研究进展与挑战

针对煤矿采空区的地震安全及矿区地下结构抗震研究不足的问题,通过分析国内外专家学者对地下结构的地震动力灾变与防控的相关研究成果,分别从煤矿采空区灾害的特征与形成原因、煤矿采空区动力灾害研究的紧迫性与严峻性、地下结构抗震研究领域的已有优秀研究成果以及煤矿采空区地震动力灾变研究的不足及发展趋势等方面进行了分析探讨,在分析地下结构抗震研究成果的基础上指出了煤矿采动区地震动力灾变与安全防控迫切需要解决的问题,系统凝练了地震作用下煤矿采空区及地下结构的地震损伤力学机制与灾变控制的核心学术问题,初步揭示了煤矿采空区的地震动力响应、煤矿地下结构的地震破坏模式迫切需要解决的技术难题,为煤矿采空区的地震动力稳定性及煤矿采空区地下结构的地震灾变防控提供参考和借鉴意义。     

煤矿采空区的地震动力响应及其对地表的影响

为了研究煤矿采空区的地震动力响应及其对地表的影响规律,基于工程结构波动理论,从地震的加速度和位移变化角度,对煤矿采空区的地震动力响应及其对地表的影响进行系统的定量分析;得出了煤矿采空区地震波的变化。根据结构动力学理论,建立煤矿采空区岩层的动力学方程,利用有限元软件定量地研究了在不同工况下煤矿采空区场地在地震作用下的响应规律,得出如下结论:煤矿采空区的存在降低了地表的位移和加速度峰值,明显改变了场地地表的动力反应特性。岩土介质的松散度和破碎度得到增加,降低了地表的地震动力响应。     

高密度电阻率法和瞬变电磁法在煤田采空区勘查及注浆检测中的应用

从煤矿采空区诱发的地质灾害对国民经济建设的危害和采空区探测与治理的现实意义出发,总结了煤矿采空区探测中的地球物理方法技术现状,分析了开展煤矿采空区地球物理探测的物性差异前提.在简要介绍高密度电阻率法和瞬变电磁法基本原理的基础上,结合我国新疆某地区的探测实例,研究总结了高密度电阻率法和瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用效果.结果表明,由于煤矿地下采空区和未采区之间存在有明显导电性(电阻率)差异,使用高密度电法和瞬变电磁法综合勘察煤田采空区效果较好,工作区120 m以上浅部采空区采用高密度电法探测,其定量解释结果精度较高,而100~350 m深度范围内采用瞬变电磁法探测作定量推断解释效果较好.文章还结合应用实例探讨了利用高密度电阻率法评价煤矿采空区注浆治理效果的可行性.     

煤矿采空区地震安全防护的若干问题

针对煤矿采空区地下岩体结构的地震安全防护不足的问题,分别从煤矿采空区灾害的特征与危害、煤矿采空区的形成与基本特点及煤矿采空区失稳破坏的基本模式等方面深入研究煤矿采空区场地可能导致的次生灾害。通过分析煤矿采空区地下岩体结构地震灾变的相关研究成果,总结煤矿采空区地震安全防护所涉及的关键安全问题,揭示地震作用下煤矿采空区的场地稳定性与地下岩体结构安全防护迫切需要解决的技术难题,为采煤沉陷区工程建设及地震安全防护提供参考。     

采空区上地震时间剖面的特征分析

采空区在煤矿生产和地面施工勘探中危害严重.在煤矿生产和施工前探测采空区,圈定出采空区的范围,已成为当前三维地震的一项十分总要的研究课题.本文分析了采空区形成的原因,划分了不同的采空区类型.通过应用Tesseral-2D全波场地震模拟软件包对采空区进行正演模拟,建立不同类型采空区的地质模型,在这些地质模型上模拟激发,对所得到的时间剖面的地震特征进行分析.     

利用D-InSAR测量和高密度电阻率剖面揭示焦作市王封煤矿老采空区地面沉降机制

煤矿采空区是导致地面沉降的主要原因,其稳定过程可能需要较长时间,甚至在煤矿关闭之后仍然存在缓慢的地面沉降,这给矿区土地规划和再利用带来了巨大隐患,因此监测和研究老采空区之上的地面沉降对城市发展具有重要意义.为了有效揭示老采空区的地面沉降机制,对焦作市王封煤矿开采后地面沉降进行了合成孔径雷达差分干涉(D-InSAR)和高...     

电阻率成像技术研究与应用

层析成像方法的应用,使得物探技术变得更加简捷、高效和经济。本文介绍了电阻率成像的基本概念,讨论了该方法的技术原理,并详细阐述了电阻率成像技术应用于煤矿采空区勘察的操作方式、观测装置、数据处理等技术要素。结合某煤矿采空区勘察的工程实际,介绍了煤矿采空区探测时的测区及布线概况。通过对7条测线数据的解释,详细分析了测量结果,并对电阻率成像技术的发展前景做出了有益的探索。     

基于4D地震技术的煤矿采空区监测（英文）

煤矿地下采空区随着时间推移范围在不断扩大,冒落带、裂隙带、以及变形带也在持续变化,因而诱发煤矿突水等灾害的发生。本文将油气田开发中行之有效的四维(4D)地震监测技术用于监测煤矿地下采空区异常变化,以探索这一方法的可行性。以陕西韩城地区某煤矿为例,我们将这一技术用于动态监测该煤矿采空区异常变化。基于这一试验中所取得的4D地震监测数据,就煤矿采空区的异常变化特征,改进了油田4D地震监测数据处理方法,建立了一套适用于煤矿采空区地震移监测数据处理解释流程,校正了因塌陷导致的地表高程和采空区上覆地层速度的异常特征。我们对油田4D地震监测数据处理方法做了四点改进:1)采用融合高程静校正的低频分量和折射静校正的高频分量的方法,解决了地表高程变化和低降速带被破坏引起的静校正问题;2)采用速度一致性方法,解决塌陷引起的采空区上覆地层速度变化的问题;3)采用基于互相关的空变时差校正方法,解决扰动区存在反射同相轴下拉的问题;4)采用空变振幅校正方法,解决采空区引起的煤层振幅异常的问题。实际应用表明:本文建立的煤矿采空区4D地震监测资料处理和解释方法合理有效。     

平邑县万庄塌陷地震现场调查及其成因

通过对平邑3.1级地震现场灾情调查,分析了塌陷成因机制,并结合地层情况和构造背景,探讨了其与地震构造的关系,进而提出防治措施,即采空区上方附近居民村庄整体搬迁、采空区回填、采空区人为放空、禁止既成规模的采空区矿区继续生产。     

On the 3-D inversion of vertical electrical soundings: Application to the South Ismailia area—Cairo desert road, Cairo, Egypt

A code for 3-D resistivity modelling and inversion of vertical electrical soundings has been developed based on the finite-element technique and regularisation method. Synthetic data were used to test the effectiveness of the code and to examine the resolving capability of the Schlumberger array in investigating 3-D resistivity distributions. The code was applied to experimental data set constituted by 35 Schlumberger soundings collected near the Cairo city in order to study the subsurface resistivity distribution. The results have shown that valuable imaging of the subsurface resistivity distribution can be constructed even when the vertical electrical soundings are acquired in a sparse field data set.     

固定点源测深激电异常研究

电阻率法三维有限元数值模拟方法的实现, 给研究形状复杂的地质体的电性异常提供了有力工具.本文利用该数值模拟程序,通过先模拟计算模型的视电阻率,然后利用视电阻率和视极化率的转换公式转换,从而实现对激电异常的数值模拟.文章计算并分析了固定点源测深法在各种1\|D、2\|D、3\|D模型下的激电异常规律及定量解释结果,力求使人们从空间不同角度了解该方法的IP异常规律,从而指导野外生产实践,提高解释效率和精度.     

Grounded-source transientE-field modeling of a shallow resistive layer with 3-D inhomogeneity

There is growing interest in the use of transient electromagnetic (TEM) sounding for shallow geotechnical, environmental and groundwater investigations. Two commonly used transmitterreceiver configurations for TEM sounding are 1) loop-loop or its variation, in-loop configuration and 2) wire-loop configuration. The less common configuration of a horizontal electric dipole (HED) transmitter and receiver is treated in this study and called wire-wire configuration.Two important problems of shallow investigation in hard and soft rocks respectively are, defining 1) a fractured/fissured zone of medium resistivity, sandwiched between an overlying surface weathered rock of low resistivity and an underlying fresh compact rock of high resistivity and 2) a body of resistive sand buried in conductive clay. Lateral change in the middle layer resistivity is modeled by including a 3-D body of anomalous resistivity. The effect of perturbing the resistivity of the 3-D inclusion and the host middle layer for the wire-wire configuration is compared with that of the commonly used loop-loop configuration. The wire-wire configuration is found more sensitive to the model perturbations than the loop-loop configuration.1-D inversion of synthetic 1-D data sets for the wire-wire configuration finds resolution and estimation errors to be less than 10 percent for all the model parameters. For 3-D models, 1-D inversion results give a resolution error of 10 percent or less for the depth to, resistivity and thickness of, the 3-D inclusion. The estimate is within 10 percent of the true value for the first parameter but 40 percent for the other two. Resolution as well as estimation of the basement resistivity is always very poor.Using the wire-wire configuration, it is theoretically possible to define a buried resistive layer and any lateral change in its resistivity, subject to the above limitations of 1-D inversion. However, the basement resistivity cannot be estimated with reasonable accuracy in the presence of a lateral inhomogeneity in the overlying layer.     

庐枞矿集区矾山-将军庙地区AMT三维反演及地质结构解释

庐江-枞阳矿集区是长江中下游成矿带内的一个重要的多矿种成矿区.为揭示矾山-将军庙地区的地质结构以指导找矿,首先,在庐枞矿集区北部的矾山-将军庙地区开展了三维音频大地电磁数据采集工作,采用Rhoplus方法进行AMT数据死频带校正保证数据质量,利用相位张量分析地下介质的维性特征;其次,利用模块化三维反演并行代码ModEM开展了实测数据的三维反演,获得了一个典型的具有双层结构特征的火山岩盆地三维地下电性模型;最后通过电性模型及其他地质资料的综合解释,依据反演模型中近地表的低阻层和深部的高阻隆起区,分别勾画出了火山岩地层的厚度和深部侵入岩的分布范围,并在小岭地区发现地表浅部下方存在一个含矿次级火山机构的高导体.     

考虑电流型畸变的大地电磁三维反演

大地电磁测深(MT)的观测数据易受到由近地表小尺度非均匀体或地形起伏引起的电流型畸变干扰,消除或压制这种干扰对获取可靠的深部电性结构至关重要.当区域结构为二维时,电流型畸变可采用张量分解等方法予以消除或压制.当区域结构为三维时,畸变问题更加复杂和严重,传统张量分解方法往往效果不佳或无效,严重地制约了MT三维反演技术的实用性.对此,本文提出一种考虑电流型畸变的MT三维反演算法,将完整的电流型畸变参数引入到目标函数,并采用非线性共轭梯度法与电阻率参数同时反演,从而达到压制畸变的目的.该算法有两个关键点:一是通过分析实测数据所遭受畸变的分布特征,在目标函数中对其进行有效约束;二是在迭代过程中,通过自适应地调整双正则化因子保障算法的稳定和效率.理论模型测试结果显示,常规三维反演算法不能合理解释数据中的畸变成分,而只能通过引入虚假异常体强制地拟合受畸变数据,从而造成电阻率模型严重失真.与之相比,本文算法能够在反演中自动求解各测点所受到的畸变,获得更接近真实的电阻率模型.     

三维地电模型数值模拟中视电阻率真假异常特征分析

本文概要介绍了三维数值模拟中双网格系统的剖分方法,并通过几种典型模型的有限单元法三维数值模拟计算（网格单元电导率分块均匀、电位三线性变化）,充分揭示了对称四极电阻率测深法三维地电模型视电阻率真假异常的分布规律,分析了产生真假异常的原因,并研究了真异常的形态与引起真异常的地质体位置的关系。     

垂直线电流源的三维电阻率成像

在油井注水和深井注浆的电法监测中,地表布设平面的电位测量网,而将钻井的钢套管作为线电流源来供电,据此可确定流体的运动方向和分布特征.数据处理中需解决垂直线电流源的三维电阻率反演.本文叙述了相应的反演理论和偏导数计算方法.在某油田的试验中,以生产井为电极圈的中心,每圈均匀布设18个电极,共6圈,在地表得到了108个电位数据,获得500～2 000m之间5个不同深度层的真电阻率分布图像,并对深度层为1 500～1 600m的图像进行了初步解释.结果表明,该方法可以对井下某深度层中的流体运动和分布可进行有效的监测.     

电阻率三维反演方法研究进展

系统分析了当前几种主要的电阻率三维反演方法，重点讨论高密度电阻率方法，论述了每种方法的优缺点及最新研究进展状况，提出了进一步研究的方向。     

基于非结构化网格的2.5-D直流电阻率自适应有限元数值模拟

2.5-D直流电阻率有限元数值模拟中,模型的剖分及加密主要通过手动实现.另外,采用的单元类型比较规则如矩形单元等,不易实现复杂模型的模拟.为解决上述问题,文中提出了一种自适应有限元算法.算法中采用稳健的后验误差估计来自动预测下一次网格的单元尺寸,直到设定的迭代条件满足为止.另外,采用非结构化三角形单元实现了任意复杂模型的灵活剖分.基于此,利用垂直接触面模型分析和对比了不同自适应策略的效率.通过对比发现,点源附近的单元得到了加密以消除源的奇异性.另外,对于任意一种策略,有限元结果均能最终收敛到精确解.最后,模拟了两个模型：2-D单个异常体模型和2-D地形模型.     

用改进的光滑约束最小二乘正交分解法实现电阻率三维反演

对三维电阻率反演问题进行了深入研究,提供了一种利用地表观测数据实现三维反演的实用算法.该方法应用有限差分求正演解,并通过对粗糙度矩阵元素进行适当改进,使之适用于各种情况下粗糙度矩阵的求取,进而建立在模型的总粗糙度极小条件下的反演方程.对反演方程采用收敛速度快且稳定的最小二乘正交分解（LSQR）法进行迭代求解,在迭代求解过程中只需利用偏导数矩阵和其转置矩阵乘以一个向量的结果,回避了直接求偏导数矩阵的繁琐计算,节省了内存,加快了反演的计算速度.不同的计算实例表明上述方法是求解大规模三维电阻率反演问题的有效方法.