坑道直流电阻率法超前探测研究

坑道空腔的存在使其周围电场分布不同于全空间的电场分布.以无限大板状体为例求解全空间电场分布,提出探厚比概念以讨论超前探测极限问题.通过对比全空间与坑道内超前探测异常形态可知,坑道空腔只会影响极距较小时的视电阻率幅值,不会掩盖迎头前方地质体的异常响应.大量模型计算结果表明,电阻率异常极值位置与板状体位置之间的差异在5～10倍之间,且同时受到异常体厚度、电性以及板状体倾角的影响.仅利用电阻率极值位置准确解释超前探测异常的难度较大.     

坑道直流电阻率法超前探测的快速反演

在坑道电阻率超前探测工作中,视电阻率异常极值位置与异常体位置、厚度、电性以及产状相关.设计有效的反演方法对异常体的各种参数综合反演是非常必要的.首先利用有限元数值模拟技术分析并消除坑道空腔对视电阻率的影响,并将坑道超前探测视电阻率曲线转化为全空间视电阻率曲线.然后采用最小二乘法对超前探测视电阻率曲线进行快速反演.反演结果可准确反映围岩电阻率、异常体的电性、位置和产状;而由于同层等值现象,反演结果只能确定异常体的厚度和电阻率的组合值.     

巷道超前探测的并行Monte Carlo方法及电阻率各向异性影响

直流电阻率法通过观测单极-双极装置视电阻率曲线最小值位置估计掌子面前方低阻异常体距离,在巷道超前探测及矿井水害预测与防治工作中有广泛应用,并形成多种经验预测模型.本文基于直流电法巷道超前探测的各向异性电阻率三维有限元数值模拟,给出超前探线性预测模型.然而,实际井下地质结构复杂,异常大小不定且任意分布,而且可能存在有电阻率各向异性,使得目前由简单模型实验或数值模拟获得的预测公式不确定性较大,而且可靠性难于评价.Monte Carlo方法用随机化思想解决非确定性问题,我们将该方法与并行算法结合,对大量不确定的随机模型进行三维数值模拟,以验证各预测模型的准确度及可靠性.结果表明,本文的超前探线性预测模型较其他预测模型更为准确及可靠.但介质各向异性的影响很大,尤其当围岩电阻率具有各向异性时,所有预测模型的准确度及可靠性较差,给安全生产带来很大隐患.     

掘进巷道直流电法四极装置超前探测的模拟及应用研究

为研究矿井直流电法四极装置在掘进巷道超前探测中的效果,本文以矿井直流电法超前探测原理为基础,通过分析COMSOL Multiphysics点电源正演模型模拟值与理论值的误差,验证了COMSOL Multiphysics研究直流电法超前探测的可靠性与可行性;建立巷道超前探测三维地电模型,通过正演模拟,分析了巷道空腔对数据的影响,对比了二极、三极装置与四极装置的探测效果及对不同距离低阻体的响应特征;基于相似性原理构建物理模拟实验,绘制了超前探测视电阻率等值线图,研究了四极装置对迎头前方不同形状、距离异常体的实际探测效果.研究结果表明：直流电法四极装置能够对迎头前方低阻体产生异常响应,探测数据剔除巷道空腔影响后,能够精准识别出异常体的横向位置;并且相较于板状异常体,四极装置对球状异常体的超前探测效果更好．通过将直流电法四极装置超前探测应用于工程实例中,经钻探验证与探测效果一致,说明该技术具有很强的实用性和推广性．     

利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱

陷落柱是危害煤矿安全生产的主要因素之一,如何有效探测陷落柱是实现煤矿安全、高效生产的当务之急.本文首次将微动勘察方法应用于煤矿采区勘探,结果表明,该方法对陷落柱异常区反映敏感.在山西潞安漳村煤矿2002工作面测区已知陷落柱上,无论是单点反演获得的S波速度结构,还是微动视S波速度剖面,均能清晰显示陷落柱.微动剖面确定的陷落柱位置与巷道揭露位置一致,边界误差在10 m左右.微动勘察方法是探测陷落柱的一种行之有效的物探方法,由于其分辨率高、无需人工源、野外施工方法灵活便捷、不受施工场地限制等特点,对探测村庄覆盖区之下的煤层构造、圈定陷落柱等,具有得天独厚的技术优势和应用前景.     

三维高密度电阻率E-SCAN法有限元模拟异常特征研究

工程电法勘探中,常需要探测埋深不大、规模较小、分布复杂的目标体,对探测方法的精度要求较高.由于三维高密度电阻率法数据采集密度大,可对目标体进行多方位观测,是目前工程探测中常用的方法之一.本文对三维高密度电阻率E-SCAN法的视电阻率异常特征进行研究.设计几种典型地质体模型,利用有限单元法进行正演计算,并分析其异常特征和分布规律.算例结果表明,E-SCAN法对低阻体的分辨能力强于高阻体.无需对所有电极进行扫描供电观测,即可分辨地质体电性特征及水平位置,但观测结果难以分辨地质体纵向延伸.     

隧道强干扰环境瞬变电磁响应规律与校正方法:以TBM为例

以隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,TBM）为例模拟了隧道强干扰环境下,瞬变电磁超前探测的响应曲线,系统分析了异常体（以直立充水断层为例）与掌子面距离、围岩电阻率差异、TBM长度、异常体规模等条件下的曲线特征和影响规律,发现TBM干扰源表现为低电阻率目标特征,其影响主要集中在早期,对于电性差异较大或目标规模较大的低电阻率异常（充水断层）模型能够明显地通过衰减曲线区分.根据电磁场叠加原理,将隧道腔体中包含TBM模型的响应减去纯隧道腔体响应可以获得TBM的响应信号,以此作为干扰背景,从实际包含TBM和充水断层的隧道模型总响应中减除,获得去除TBM干扰的响应信号.通过8组算例进行对比,发现经过校正的衰减曲线与模型计算曲线吻合较好,视电阻率曲线差异相对较小,能够表现探测区域的电性分布情况,确认该方法在不同情况下的适用性.即使在TBM响应计算时给定背景电阻率与实际电阻率差异达到100%的情况下,依然能够通过校正获得合理的响应信号和视电阻率曲线.该方法不仅仅适用于隧道环境,对于其他诸如地面、航空、半航空、海洋瞬变电磁勘探同样适用.     

三维高密度电阻率ESCAN法有限元模拟异常特征研究

工程电法勘探中，常需要探测埋深不大、规模较小、分布复杂的目标体，对探测方法的精度要求较高.由于三维高密度电阻率法数据采集密度大，可对目标体进行多方位观测，是目前工程探测中常用的方法之一.本文对三维高密度电阻率ESCAN法的视电阻率异常特征进行研究.设计几种典型地质体模型，利用有限单元法进行正演计算，并分析其异常特征和分布规律.算例结果表明，ESCAN法对低阻体的分辨能力强于高阻体.无需对所有电极进行扫描供电观测，即可分辨地质体电性特征及水平位置，但观测结果难以分辨地质体纵向延伸.     

基于全区视电阻率的半航空瞬变电磁法对低阻薄层的探测能力探讨

针对使用感应电动势定义全区视电阻率会出现"二值性"的问题,本文采用与电阻率一一对应的垂直磁场分量结合二分搜索算法计算全区视电阻率,这使得全区视电阻率具有唯一性和可靠性.将全区视电阻率的概念引入到半航空瞬变电磁法中,在此基础上,建立以中间层为低阻薄层的三层地电模型,分别绘制了不同低阻薄层埋深与层厚比、围岩与低阻薄层电阻率比的全区视电阻率异常曲线图,并分析其全区视电阻率异常曲线形态及变化规律,通过计算其相对误差,分析并归纳了半航空瞬变电磁法对低阻薄层的探测能力.结果 表明全区视电阻率对地下低阻薄层分辨率较好,能较好反映地电断面信息,这对半航空瞬变电磁法有效探测低阻薄层具有实际的指导意义.     

多同性源阵列电阻率法隧道超前探测方法与物理模拟试验研究

直流电阻率法以其对含水构造响应敏感且适应性强的特点,是隧道施工期超前地质预报的常用方法.针对目前定点源三极观测方式易受到测线附近旁侧异常干扰与聚焦观测方式探测距离过短无法三维成像的问题,提出了一种基于多同性源阵列电阻率的隧道超前探测新方法,利用环形布置的多同性源供电压制隧道掌子面后方的异常体的干扰,同时增强掌子面前方远处异常体的敏感度,阵列电极测量可为含水构造的三维反演成像提供三维数据.首先,开展了含水构造超前探测的数值正演模拟,发现多同性源方法的视电阻率纵向微分曲线极小值以及与横轴的交点位置可对异常体位置进行定性判断,探讨了多同性源方法对后方及侧向异常干扰的响应特征及识别方法.其次,将电阻率光滑约束与轨迹光滑策略引入蚁群反演算法,提出了一种最小二乘方法与改进蚁群算法相结合的混合反演算法,反演数值算例表明混合反演算法能够实现含水构造的三维成像,较好地反演出不同距离的含水构造位置,并使其边界较为清晰.为了验证多同性源探测方法的探测效果开展了物理模型试验,多同性源阵列电阻率法能较好的反映含水构造的存在,与实际含水构造的位置较为相符.     

煤矿巷道直流三极法超前探测的可行性

全空间巷道超前探测由于受到掌子面前方及上下左右岩土介质的影响异常要复杂许多,应用直流电阻率法进行超前探测也会遇到同样的问题.本文从理论计算和三维数值模拟两个方面分析了直流电阻率三极测深法超前探测的能力,结果表明:在理想情况下,当掌子面前方存在一定规模的低阻体时只能引起巷道底板上三极测深视电阻率曲线单调下降,且影响很小,...     

隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方法研究

地面磁共振方法探测地下水趋于成熟.随着研究的深入,磁共振技术在隧道超前探测方面也开展了应用.然而,由于隧道空间特殊环境限制,获取的磁共振信号信噪比极低,解释结果中各参数的确定性值得深思.基于这一问题,本文提出隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方案,实际工作前,根据不同探测目标要求及环境噪声水平,优化仪器装置参数设计,提高解释结果准确性.本文首先在地面磁共振探测理论基础上,推导了考虑天线铺设角度影响的隧道矩形线圈激发场计算表达式,模拟了隧道准全空间磁共振测深正演响应.其次,基于后验模型协方差矩阵,计算模型参数标准偏差因子,划分参数不确定度等级.最后,构建三层含水模型,将第二层含水体作为观测目标.在仿真合成数据的基础上,分别探讨了电阻率、含水量、水体厚度、线圈边长、匝数、线圈旋转角度以及噪声水平等参数对目标含水体测定的影响.通过对比分析,得到如下结论：当探测目标前方地层的电阻率小于10 Ωm时,目标含水体的不确定度随着该电阻率的增大而降低;当该电阻率大于10 Ωm时,其不影响目标含水体的不确定度;目标体前方地层含水量的增大能够明显增加目标含水体的不确定度;目标层电阻率以及含水量对该层含水体的不确定度几乎不造成影响;目标层厚度越大其含水体的确定度越高;线圈边长和匝数的增大都能在很大程度上降低含水体的不确定度;线圈的偏转角度不影响目标体的不确定度;磁共振信号中噪声的幅度越大,含水体参数的不确定度越大.本文的研究结论有助于提高隧道磁共振探测数据反演参数的准确性,同时能够为实际探测提供预先优化参数的分析方案.     

隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方法研究

地面磁共振方法探测地下水趋于成熟.随着研究的深入,磁共振技术在隧道超前探测方面也开展了应用.然而,由于隧道空间特殊环境限制,获取的磁共振信号信噪比极低,解释结果中各参数的确定性值得深思.基于这一问题,本文提出隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方案,实际工作前,根据不同探测目标要求及环境噪声水平,优化仪器装置参数设计,提高解释结果准确性.本文首先在地面磁共振探测理论基础上,推导了考虑天线铺设角度影响的隧道矩形线圈激发场计算表达式,模拟了隧道准全空间磁共振测深正演响应.其次,基于后验模型协方差矩阵,计算模型参数标准偏差因子,划分参数不确定度等级.最后,构建三层含水模型,将第二层含水体作为观测目标.在仿真合成数据的基础上,分别探讨了电阻率、含水量、水体厚度、线圈边长、匝数、线圈旋转角度以及噪声水平等参数对目标含水体测定的影响.通过对比分析,得到如下结论：当探测目标前方地层的电阻率小于10 Ωm时,目标含水体的不确定度随着该电阻率的增大而降低;当该电阻率大于10 Ωm时,其不影响目标含水体的不确定度;目标体前方地层含水量的增大能够明显增加目标含水体的不确定度;目标层电阻率以及含水量对该层含水体的不确定度几乎不造成影响;目标层厚度越大其含水体的确定度越高;线圈边长和匝数的增大都能在很大程度上降低含水体的不确定度;线圈的偏转角度不影响目标体的不确定度;磁共振信号中噪声的幅度越大,含水体参数的不确定度越大.本文的研究结论有助于提高隧道磁共振探测数据反演参数的准确性,同时能够为实际探测提供预先优化参数的分析方案.

     

层状介质模型多道海洋直流电法拖缆变形数据校正模拟分析

多道海洋直流电法是海洋地球物理探测技术的重要手段之一,应用该方法进行海洋探测时,其用于数据采集的拖缆在外力作用下会产生变形,导致测量的数据产生畸变,进而影响反演结果.本文基于视电阻率、视电阻率变异比及视电阻率变异系数等参数,通过数值模拟的方法分析了拖缆不同曳航高度、不同变形形状、不同变形方向、不同变形幅度等因素对测量数据及校正后数据的影响并进行定量评价,基于校正后的数据,引入异常变化比等参数综合分析拖缆变形对含气层和孤立含气区异常特征分辨的影响.研究结果表明,拖缆变形不仅会导致测量的视电阻率数据发生畸变,还会使利用实际装置系数校正后的数据视也产生偏差,数据畸变的特征与拖缆变形形式及曳航高度有关,可用视电阻率、视电阻率变异比、视电阻率变异系数综合分析对数据的畸变水平进行量化评价.在一定变形范围内,校正后的数据可以显现含气异常,但反映能力有所下降;当拖缆变形幅度过大时,校正后的数据会差生大幅度波动,不仅淹没原有含气反映,甚至产生虚假异常.     

瞬变电磁法中心回线装置资料解释方法的改进

中心回线装置是瞬变电磁勘探中最常用的装置之一.中心回线装置的视电阻率一般从回线中心点场的公式出发导出.在现场实际施工中,为提高工作效率,把发射回线中部三分之一的区域作为观测范围.通过对场分布特征的分析研究表明,与中心点相比,观测区边缘处的感应电动势数值偏离达15%~25%,这与广泛存在于华北型煤系中赋存深度为400~1000 m的陷落柱、导水小断层等引起的异常相比,已经不可忽略.大定源回线公式可以准确地表示任意场点的感应电动势,由此导出视电阻率无边缘效应影响;观测按照中心回线方式并保持在近区进行,可使感应电动势和视电阻率之间的转换简单而直接.理论和实际应用结果表明,这些措施进一步提高了瞬变电磁探测中心回线方法的探测精度.在有上覆低阻屏蔽层的情况下,对埋深500~700 m的陷落柱给出了明显的异常反映,并被井下掘进所验证.     

考虑关断时间的瞬变电磁视电阻率计算及不同波形浅层分辨特征分析

发射电流波形与关断时间会影响瞬变电磁早期响应,导致瞬变电磁浅部信息缺失形成探测盲区．为了分析发射波形对瞬变电磁探测盲区的影响,文中实现了考虑发射波形影响的瞬变电磁全域视电阻率定义方法,并基于该算法对常用的发射波形瞬变响应对浅层电性介质的分辨特征进行分析．首先,采用电流波形与阶跃响应的褶积实现了任意发射电流的全波形瞬变电磁响应计算,将地下电阻率作为全波形响应的函数,利用反函数原理实现了全波形响应的视电阻率计算．然后,以航空瞬变电磁装置为例,利用文中视电阻率计算方法分析了层状介质不同发射波形瞬变电磁视电阻率曲线特征．根据不同盖层厚度视电阻率曲线可知,当覆盖层较厚时,不同发射波形的视电阻率成像结果与模型电性特征基本相近;当盖层厚度较小时,半正弦波、三角波和梯形波等off-time较长的发射波形瞬变电磁响应不能反映浅层的电阻率信息,早期道视电阻率受到深部电性影响,形成了一定范围的探测盲区．最后,利用文中视电阻率计算方法对不同发射波形的复杂三维模型正演的数据进行分析,半正弦波、三角波和梯形波的瞬变电磁响应都能反映异常的地表位置,但会丢失浅部地层信息,深部异常出现时间提前且纵向拉伸．这是由于关断时...     

多辐射场源地空瞬变电磁法多分量全域视电阻率定义

本文针对多辐射场源地空瞬变电磁法理论, 建立了相应的多分量全域视电阻率定义方法.分析了利用磁场强度进行多辐射场源地空系统全域视电阻率定义的优点, 针对磁场强度的各个分量, 提出了各自的全域视电阻率算法, 实现了多分量、全时域、全空域视电阻率计算, 并分析了偏移距对全域视电阻率的影响.通过调整源的相对位置及电流方向等参数, 多辐射源瞬变电磁地空系统不仅可以加强不同分量信号强度, 削弱随机干扰, 还可更好地分辨地下异常体的位置.通过对所设计模型的处理, 证实了多辐射场源地空系统多分量全域视电阻率算法的有效性, 也验证了多辐射场源地空系统的优势.     

坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法研究

研究和提出了一种坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法.该方法通过在掌子面上设立不同功能的环状电极组,使一次场电流具有像探照灯一样的聚焦功能,可有效探测坑道掘进前方不良地质体的存在,达到超前预报的目的.本文首先介绍了直流电阻率超前聚焦探测的基本原理,并给出了两种聚焦观测方式.为了验证所提方法的可行性,通过轴对称电性介质二维异常电位有限元数值模拟方法,对聚焦观测条件下几例坑道模型进行了模拟计算.结果表明,该方法对异常反映明显,可进行即时解释,建议在坑道超前预报中逐步推广使用.     

电场约束法煤巷综掘超前探测数值模拟研究

为探测掘进前方隐伏的含水构造,预防地质水害,解决煤巷综掘过程中日益突出的"探、掘"矛盾,论文提出和研究电场约束法煤巷综掘探测方法.该方法利用电场同性相斥的原理,使发射电场被约束在一定范围内,达到定方向定距离探测的目的.根据该方法基本原理,建立超前探测有限元仿真模型,开展相应的数值模拟.论文主要从探测基本方法,激发极化程度、异常体的体积大小及巷道内金属体对于超前探测的影响展开模拟研究.结果表明,该方法可以有效探知掘进面前方的含水地质异常,其探测有效距离约为10m.该研究为电场约束法煤巷综掘超前探测方法的实现奠定了理论基础,对综掘超前探测技术的发展具有重要的推动作用.     

海水-地下水交换过程电阻率层析成像法监测效果模拟分析

近岸地下河口是海水-地下水交换的重要场所,对海岸带地下水环境产生重要影响.电阻率层析成像法作为一种实时、快速、高效的原位监测方法,能够刻画、描述潮汐过程不同阶段海水-地下水相互作用过程.为了探讨电阻率层析成像法对海水-地下水交换过程的探测效果,根据典型近岸地下河口水文地质模型和研究团队前期研究成果,构建潮汐过程不同阶段地层电阻率模型,模拟潮汐过程不同极距、不同探测装置条件下的理论探测效果.研究结果表明,使用ERT进行海水-地下水交换过程研究时,采用偶极装置取得的探测效果优于施伦贝格装置;目标异常体的尺寸与电极极距的比值越大,ERT探测效果越好.在本研究中,当目标异常体厚度-极距比大于等于0.55时,能够划分目标异常体的分布范围;当厚度-极距比大于等于1.1时,取得较好探测效果;当该比值继续增大时,探测效果变化并不明显.