煤矿井下瞬变电磁超前探测数值模拟研究CSCD

从回线源瞬变电磁法三维有限差分正演算法出发,与均匀半空间解析解作比较,验证了数值模拟算法的正确性。利用该正演算法分别研究了巷道、背景地层电阻率、掘进机对矿井瞬变电磁超前探测响应的影响。结果表明,背景地层电阻率越低,响应幅值越强,巷道影响越显著;掘进机距探测线框超过10m时,影响幅度明显变小;矿井瞬变电磁法的方向性具体表现为在不同的探测角度上测量的异常幅度不同。通过研究这些影响因素,对分析矿井瞬变电磁超前探测资料具有重要的借鉴作用。     

井下全空间瞬变电磁法FDTD计算中薄层和细导线的模拟

在井下瞬变电磁探测的时域有限差分(简称FDTD)计算中,将较薄的煤层用局部网格细化,将巷道中的金属支架、铁轨作为细导线处理,使要模拟的结构很小,需要计算场的物理空间又不能相对地减小情况下的计算仍然能够进行.     

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...     

矿井瞬变电磁超前探测数据处理与显示技术

矿井瞬变电磁法是有效探查巷道迎头赋水性情况的矿井物探方法之一。快速处理数据和显示成图可以促进矿井瞬变电磁法在井下探查工作中发挥更大的优势。根据井下巷道迎头超前探测的工作装置和探查技术,介绍了超前探测数据处理与显示成图的操作步骤,实现了成果数据的坐标转换,生成了更加直观的与实际探测区域吻合的扇形图。     

井下瞬变电磁法在巷道底板含水性探测的应用

某矿井目前主要开采山西组煤,为保证下部太原组煤的安全开拓,需查明其底板的水文地质条件。根据该矿井的地质条件,采用井下瞬变电磁法小线框的工作方式,在一采区-530m水平及其以上相关大巷及17煤首采工作面两顺槽内布置6条测线进行探测。在资料解释中,通过设定2级异常阀值对井下富水性进行评价,查明了巷道底板的含水性。经验证,资料处理解释结果与实际揭露地质构造对应良好。     

水平长导线源瞬变电磁三维积分方程模拟

以体积分方程法模拟三维电磁正演问题的原理为基础,利用数值滤波方法实现了时间域水平长导线源的瞬变电磁三维问题的模拟,对电阻率、极化率、时间常数和频率相关系数的变化分别进行了三维数值模拟。为了提高计算的精度,变换过程中采用双精度数值滤波方法。利用偶极源的解析解和数值解的对比来检验数值滤波方法的可靠性。数值模拟结果表明,此种数值滤波方法精度高,结果稳定。高精度数值滤波结果为瞬变电磁法在石油、矿产、地热以及其他方面的应用提供了理论指导。     

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。     

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。     

全程瞬变电磁系统的浅层探测实验研究

介绍了全程瞬变电磁ATTEM系统的基本原理及组成。采用该系统在长春市秦家屯进行了模型实验和活断层勘探实验,并与常规瞬变电磁系统ATEM-Ⅱ的勘探结果对比。实验结果表明,ATTEM系统具有很好的浅层探测能力,在该地区其最浅有效探测深度为地下1~2m。     

洞内瞬变电磁(TEM)探测技术研究

近年来,隧道超前探测、泄洪洞病害部位探测、矿洞内矿体方位及含水等地下洞体内的探测需求变得越来越迫切,但由于洞内工作面狭小、不是地表的1/2空间、潮湿、金属等低阻体干扰等的特殊工作条件,较难进行有效探测,从而使洞内探测成为一大难题;根据瞬变电磁(TEM)方法的特点,设计了适用于洞内探测的装置,开发了相应的包含数据组合滤波、弱信息增强处理、异常分离等数据预处理方法在内的处理程序,较好地解决了上述问题,并取得了良好的应用效果。     

地-井瞬变电磁响应三维时域有限差分模拟

地-井瞬变电磁法是利用地表发射、井中接收瞬变场响应来实现查找深部矿产资源的一种方法.在时间域有限差分算法的基础上,以回线源为激发源,采用非均匀网格剖分技术,对均匀半空间和倾斜板状体、含有低阻覆盖层的倾斜板状体进行了数值模拟.通过对比分析表明:均匀半空间中,响应极大值随观测时间延迟而减小;早期主要反映围岩响应特征,异常体响应特征在晚期表现出来;场源位于中心位置激发时,异常体响应可以很好地体现出来,当场源位于右侧位置,则要选取较长的观测时间降低周围围岩的影响,使异常体的响应特征显示出来;低阻覆盖层对异常响应的影响在整个观测时间范围内都存在,削弱了异常体的响应特征.研究工作为定性分析地-井TEM响应特征和资料解释提供了参考.     

地空瞬变电磁法研究进展

地–空瞬变电磁法在煤炭采空区勘探等领域受到了越来越多的关注, 有必要研究发射电流波形参数对地–空瞬变电磁三分量响应特征影响, 为地–空瞬变电磁数据处理与解释提供理论依据。以梯形波为例, 首先, 研究不同发射电流波形的频谱分布情况; 然后, 基于三维时域有限差分正演研究发射波形的上升沿时间、脉宽和关断时间对地–空瞬变电磁三分量磁场响应的影响。结果表明：上升沿时间对三分量二次场响应基本不产生影响; 关断时间对三分量二次场响应的影响主要集中在0.2 ms之前, 且关断时间越长对纯异常响应影响越大; 脉宽对三分量二次场响应的影响主要集中在0.1 ms之后, 且脉宽越短对纯异常响应影响越大。三维采空区模型结果表明：关断时间、脉宽对三分量异常场和背景场响应的影响特征基本一致; 通过三分量纯异常场响应多测道图和时间道图可以判断异常体的分布范围和深度。研究成果可为地–空瞬变电磁激励源波形的参数选取提供有价值的理论借鉴。     

线圈耦合距对坑道瞬变电磁场的影响与校正方法

目前,地面瞬变电磁法凭借其优势已被广泛用于煤矿水文地质勘查中,然而,在野外实际勘探中,复杂地形环境常导致发射源几何形状的改变与信号接收偏差,降低了勘探精度。为此,采用理论分析、数值模拟和实际地形数据分析相结合的方式,系统研究了复杂地形条件下电性源与磁性源瞬变电磁场的响应特征。首先,基于二阶后退欧拉离散的矢量有限元正演模拟技术,详细探讨了山峰和山谷地形位于接收点和发射源位置时,对两种源系统的影响规律。结果表明：电性源系统会出现响应变号现象,源导线位置高于周围地形时响应增强,反之则被削弱;而磁性源无变号现象,但响应变化规律与电性源类似。其次,利用实测地形数据,采用四面体网格建立与实际地形高度吻合的三维正演模型。模拟结果显示：早期响应曲线能够清晰反映地形细节,曲线形态与地形特征一致;而晚期响应则逐渐趋于平缓,体现了深部背景的影响。研究成果可为复杂地形条件下瞬变电磁法的勘探装置布设、数据采集、处理和解释提供理论指导,对提高煤矿水文地质勘探精度具有重要意义。

     

地面回线源瞬变电磁法一维反演系统及其应用

瞬变电磁法现阶段的资料处理解释仍以一维反演为主,因此开发一套功能齐全、高效稳定的一维反演系统对进一步提高国内瞬变电磁法的应用水平仍具有重要意义。本研究开发的地面回线源瞬变电磁法一维反演系统包括了基于高斯牛顿法的最小构造反演和Occam反演,也包括了基于阻尼最小二乘法的横向约束反演和空间约束反演。以内蒙古那仁宝力格煤田玄武岩岩体形态探测为例,将该反演系统的最小构造反演和Occam反演结果与商业软件IX1D进行了对比验证,发现不同反演方法获取的电阻率二维断面图中,玄武岩岩体形态相似、电阻率范围一致;结合钻孔资料,这些一维反演结果清晰反映了玄武岩岩体除岩浆上涌通道区域外的分布形态。将横向约束反演和空间约束反演应用于该实例,结果表明:相邻测点间玄武岩岩体电阻率差异缩小,玄武岩与沉积岩界面的连续性得到增强。     

盾构掘进过程土体变形特性数值模拟

运用三维有限差分软件FLAC3D对盾构掘进工程进行了数值仿真,仿真过程中考虑了盾构机、注浆压力、土仓压力等因素,得到了地表沉降槽和土体纵向变化规律,并与实测结果进行了对比,结果表明,吻合较好。     

隧道爆破开挖围岩动力损伤效应数值模拟

采用数值模拟技术预估岩体开裂深度及爆破损伤影响范围对工程设计可以起到事先指导作用,对施工安全具有重大意义,其中科学的、合理的损伤模型及迭代计算方法是关键。基于FLAC3D程序的用户自定义本构模块,将考虑累积应变和荷载作用时间的Yang-Liu率相关动力损伤模型与Mohr-Coulomb弹塑性本构进行耦合,将围岩破坏过程中的损伤特性反映在荷载增量迭代计算中,形成了弹塑性动力损伤本构模型,详细推导了损伤应力修正迭代计算方法。对一圆形隧道爆破开挖进行模拟,探讨了爆破诱发的质点振动衰减特征及围岩损伤分布规律。分析结果表明,爆破产生的质点振动速度峰值与其所造成的损伤具有很好的相关性。该爆破损伤模型及模拟方法可以为类似工程提供一定参考     

双巷三维并行电法数值及物理模型试验研究

电法勘探是一种以研究地下探测目标体与周围介质之间的电性差异的地球物理探测方法,通常采用的二维电法勘探只能得到一条垂直于测线的视电阻率剖面,如果不能确定测线位置正好在异常体的正上方,这时就难给出较准确的结论。三维电阻率法采集数据量大,可获得三维电性数据体,而且可方便地根据需要实现水平及垂直切片,有着二维电法探测不能比拟的优点,实现对目标体的准确定位及全面透视。通过对构建的三维地质模型体进行数值模拟和物理模拟,表明双巷并行三维电法对地质异常体可以进行有效的探查并获得良好的探测效果。     

黏性碎屑流坡面运动过程数值模拟与检验

由无黏粗颗粒与黏性泥浆组成的黏性碎屑流,其运动过程会产生不连续变形,基于连续介质假定的流体理论无法描述。根据散体材料理论,在考虑黏性泥浆影响情况下,以PFC3D为平台,编写黏性碎屑坡面运动数值模型试验程序,根据泥浆（成都黏土,密度1.413 g/cm3）室内拉伸试验和旋转剪切试验结果,设置数值模型参数,开展黏性碎屑流坡面运动数值模型试验,再现黏性碎屑坡面运动过程及运动过程中不连续变形现象,并通过同尺寸黏性碎屑坡面运动物理模型试验进行验证。结果表明：基于散体材料理论的PFC3D离散单元法能很好地再现黏性碎屑坡面运动过程及运动过程中不连续变形现象,为深入分析黏性泥浆介质影响下黏性碎屑坡面运动过程提供新的途径。     

瞬变电磁法探测复杂状态下煤矿充水采空区物理模拟实验

煤矿充水采空区形成后,分布形态各异且位置不明,因此极易造成严重水害事故。为了精准定位充水采空区并研究其电磁响应特征,本文选择神东煤矿1号煤层为工程背景,采用亚克力玻璃架子充当实验台,并使用相似模拟材料充当各岩层设计了不同积水量以及不同垮落岩体存在状态下充水采空区的瞬变电磁探测物理实验。结果表明:当采空区内充水时,感应电动势曲线在衰减过程中会受到低阻效应而产生异常的“上凸现象,且充水量越大异常幅度越明显。垮落岩体的存在会有限地减弱低阻异常效应。当采空区内未充水时,感应电动势曲线正常衰减,此时垮落岩体产生的影响可忽略不计。本次研究对于煤矿采空区水害防治具有重要意义。     

多激励源瞬变电磁探测方法在煤矿采空区的应用

大定源回线是瞬变电磁方法的常用装置,移动发射框需要耗费巨大的人力和时间,极大降低了工作效率;电性源瞬变电磁法具有探测深度大、受地形限制小、工作效率高等优点,但偏移距较大时,采集信号强度衰减强烈,信噪比降低,在一定程度上限制了探测精度。为了解决精细地质探测的实际问题,采用多激励源瞬变电磁方法,通过构建正演模型,以甘肃魏家地煤矿含水采空区探测为例,比较了传统大定源回线、单激励源及多激励源电性源瞬变电磁的勘查效果;经钻孔验证,多激励源瞬变电磁法在研究区勘查效果更好。研究结果为邻区及类似地区煤矿采空区探测提供了技术支撑和可供参考的范例。