“一种基于双频发射双频接收的无线电波坑道透视仪”获国家实用新型专利

正由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研发的"一种基于双频发射双频接收的无线电波坑道透视仪"获批为国家实用新型专利。无线电波坑道透视仪是一种利用电磁波在不同介质中传播的差异特性,探测矿井回采工作面内的地质构造的仪器,可以对矿床开采情况、隧道周边、隧道间水文地质、工程地质、灾害地质体进行有效的探测。电磁波频率越高,透视精度越高,透视距离越短;通过选择不同频率,可以在保证透视距离的基础上,提高解释精度。以往的坑道透视仪只能单频发射、单频接收,如果低频探测不到信号需要改用高频探测信号,工作人     

煤岩组合体冲击破坏的声发射及微震效应规律试验研究

研究由顶板-煤体-底板所构成的煤岩组合体变形破裂声发射和微震的规律,对于研究冲击机制具有重要意义。利用SANS材料试验系统、Disp-24声发射监测系统和TDS-6微震信号采集系统,对单轴受压的不同煤岩组合试样进行声发射和微震试验,得到不同组合试样在受载破坏过程中的声发射和微震信号。试验研究表明：组合试样发生冲击破坏时的声发射和微震信号的强度随试样的单轴抗压强度、冲击倾向性以及其顶板与煤层的高度比值的增加而增强;微震信号的振幅可以反映组合煤岩体的冲击倾向性强弱;微震频谱幅度的分布随着抗压强度和冲击能指数的上升而向高频移动。上述结论对指导现场冲击矿压的监测预警以及评价有着重要意义。     

真三轴单面临空下煤岩组合体冲击破坏特征试验研究

煤岩复合承载结构所处的应力边界条件不同,冲击地压在巷道中的显现特征和前兆规律亦不相同。采用高频振动采集及孔内成像三轴动静载试验系统,开展了高静载和动静载耦合作用下煤岩组合体真三轴单面临空试验,分析了煤岩组合体界面处力学特征和强度条件,探究了不同应力边界下煤岩组合体的破坏形态、动力显现特征和声发射信号的演变规律。研究结果表明:(1)受煤岩变形相互制约的影响,交界面处砂岩强度被"弱化"。当界面处煤体裂隙尖端的应力大于"弱化"后砂岩强度时,裂隙将穿过煤岩界面发育至砂岩中,砂岩呈现出屈曲层裂、劈裂成板的破坏形态。(2)高静载作用下,煤岩组合体变形破坏特征和声发射信号具有明显的前兆规律,组合体发生承载失效前煤体局部颗粒弹射动能增大、弹射颗粒块度降低,声发射信号由"高频低能"向"高频高能"转变,组合体的破坏形态以剪切-张拉复合破坏为主。(3)受冲击动载影响,顶底板砂岩夹持作用减弱,煤体裂纹尖端应力得不到有效积聚,裂纹扩展到煤岩交界面时被阻隔,组合体以煤样的张拉破坏为主,声发射信号呈现出"高频高能"的特点,但大多集中在冲击破坏之后,导致组合体动力破坏难以预测。(4)与纯静载作用相比,虽然动静载耦合作...     

花岗岩巷道岩爆声发射信号主频特性试验研究

利用双轴伺服试验机开展花岗岩巷道岩爆模拟试验,采用声发射系统获取岩爆全过程的波形信号。基于频谱分析理论,研究岩爆孕育、发生全过程的声发射信号主频特性。研究结果表明:双轴加载条件下花岗岩巷道岩爆声发射主频分布区间为0.4~110 kHz,其中99%以上的主频值集中在35~65 kHz。声发射信号主频的分布随岩爆演化可分为3个阶段:(1)岩爆孕育前期,大部分主频值集中在35~65 kHz和15~25 kHz区间,且有一定数量接近0.4 kHz的低频值出现,极少出现接近110 kHz的高频值;(2)岩爆孕育中期,主频值集中在35~65 kHz区间,接近0.4 kHz的低频值基本消失,少量接近110 kHz的高频值开始出现;(3)岩爆发生阶段,35~65 kHz区间内的主频数量骤减,接近0.4 kHz的低频值极少出现,接近110 kHz的高频值密集出现。研究结果为优选声发射监测频段提供了方法和依据,且对巷道岩爆的监测预警工作具有重要理论意义。     

极低频电磁(WEM)法信号检测试验

极低频电磁方法是近几年来在我国首先发展起来的地球物理新方法,可以应用于资源、能源及深部工程地质勘查中,其特色之处是在高阻区建立近南北方向和近东西方向两个长达上百公里的人工固定发射源,发射大功率电磁信号。2015年11月底发射台建设完成后,首要任务是检测远处记录的极低频电磁信号的强度和有效性,为此,我们在距发射源960 km的华北油田任丘盆地开展了首次信号测试试验:用高精度采集站接收发射信号,然后进行分段频谱分析,获得接收信号的频率谱,通过分析接收信号频谱的强度与信噪比评价发射信号的质量和有效性。在试验正式开始之前,先用10个均匀分布的频率确定最佳发射时间长度,其他频率的发射时间长度通过内插获得,以节省发射时间。通过试验,在离发射源960 km处成功检测到了电磁场有效信号。当东西方向天线发射频率高于0.353 78 Hz和南北方向天线发射频率高于1.4151 Hz时,与发射源方向一致的电磁场分量的信噪比都大于3,认为信号可靠可测。这次试验初步认定建成的发射台能够发射有效信号,可允许在全国各地进一步实施各种检测和联调试验研究。     

点状不良地质体钻孔雷达响应特征 ——围岩及充填效应正演分析

钻孔地质雷达探测是一种有效获取高分辨率深部岩体信息的井中地球物理方法。针对钻孔地质雷达探测工作中常见的空洞、岩溶和地下埋藏物等点状不良地质体,利用时域有限差分数值模拟方法,对岩土体内点状不良地质体围岩介质和充填状况进行了雷达响应正演研究,分析了这些点状不良地质体围岩介质和充填状况对钻孔地质雷达反射信号的影响。研究结果表明,围岩与空洞内充填物的相对介电常数相对值,决定着雷达反射剖面信号的强弱对比,介电常数相对值较大时,更易确定目标地质体的前、后部界面位置,而低阻围岩的雷达波信号大部分被围岩介质吸收,通过单孔反射方法几乎不可能探测到空洞的存在。通过反射信号强度和正负相反射特性及其强弱变化,可以定性地判断空洞内填充物质的性质。     

单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程声发射频谱特征试验研究

通过开展饱水花岗岩单轴压缩声发射试验,采用快速傅里叶变换提取声发射信号主频及次主频,进一步提出了综合表征声发射信号频谱特征的参数:主频比F ,即主频与次主频的比值,研究岩石破裂过程声发射频谱特征。研究结果表明:饱水花岗岩破裂过程声发射主频、次主频频带数量呈现“3→6→3”先增大后减小的规律,与主频分布特征相比,次主频低频区间占比减小,中、高频区间占比增大,次主频总体平均值比主频高约5 kHz。声发射主频比尸分布区间在弹性阶段达到最大:0 < F < 8 ,且F≠1,根据主频比与1 的关系,可将声发射信号划分为2 类:A 类信号(0 < F < 1 ),其主频小于次主频;B 类信号(1 < F < 8 ),其主频大于次主频。总体来看,饱水花岗岩破裂过程声发射A 类与B 类信号的数量关系约为3:2, A 类信号数量相对较多,特别是塑性阶段A 类信号占绝对优势,其数量为B 类信号的3.0?3.5倍。饱水花岗岩破裂过程声发射A 、B类信号事件率近似同步变化,二者均出现明显的平静期前兆特征,在实际应用时,可以对岩石破裂过程数量庞大且计算繁琐的声发射信号进行甄别,选择A、B 两类信号中的一种,进而实现对岩石破坏前兆信息的快速有效识别。     

基于ANSYS的接地发射电极对双向EM-MWD下传信号的影响分析

接地发射电极作为双向EM-MWD信号下传系统的必要组件,其合理参数设置可提高信号下传效果,但目前关于其对下传信号的影响规律认知甚少。基于双向EM-MWD工作机理,结合电流场理论,应用ANSYS有限元软件,建立双向EM-MWD信号下传三维仿真模型,研究接地发射电极的发射距离、长度、直径和电阻率对下传信号传输的影响。结果表明:下传信号接收效果与接地发射电极直径及长度呈现正相关关系;接地发射电极电阻率小于10-4 ?·m时,其电阻率变化对下行信号传输的影响小,常规金属材料即可满足对电阻率的要求;随着双向EM-MWD地面发射距离的增加,下传信号接收强度先快速增强,超过一定距离后,信号强度趋向定值。      

瞬变电磁法小发射回线探测装置及其应用

瞬变电磁法的探测深度主要与观测时间有关。发射回线的尺寸主要是使信号具有一定的强度,以满足接收机灵敏度和信噪比的要求。当对小发射回线装置供以大电流时,同样可以得到和大发射回线相当的信号强度。大发射回线施工中的边缘效应是目前影响探测精度的原因之一,小发射回线装置避免了这个缺陷。云南、湖南和邢台等地的实际探测结果表明,小发射回线装置最大探测深度达800 m,资料解释结果与工程中的揭露、钻孔资料及地质资料一致。      

高频大地电磁噪声压制

高频大地电磁法(HMT)信号在20 k Hz~100 k Hz频率范围内易受人文噪声干扰,电磁信号强度弱,数据误差大。本文提出采用高阶谱分析重构高频大地电磁非最小相位信号,进而有效抑制随机高斯噪声、提高信噪比。通过数值模拟信号和实测数据处理,证明该方法能有效压制噪声,在提取实际地质信息方面优于传统方法。     

基于电容补偿技术的电性源CSAMT高频供电研究

在CSAMT勘查时,回路导线上的感性阻抗会随着发送信号频率的升高而增大,因此,当发电机供电电压和接地电阻一定时,供电电流会随着发送信号频率的升高而急剧下降,导致接收端接收到的信号变弱,影响了勘探效果。本文通过分析发送回路的阻抗特性及RCL串联谐振电路,对比发送回路不增加电容和增加不同容值电容的幅频特性仿真曲线,证明了在发送回路中增加不同容值的补偿电容可提高高频发送信号的发送电流。基于此,设计了带有电容补偿电路的电性源CSAMT发送机。发送机工作时,首先通过试供的方法确定发送回路的阻抗情况,然后在发送过程中根据发送信号频率自动调整电容补偿电路的开关,切换不同容值的补偿电容进入发送回路,实现高频区发送电流的有效增大。在野外施工时对该方案进行了初步验证测试,结果表明串入不同容值的电容后,高频区特定频点或频段信号的发送电流比没有串接电容提高明显。预期该方法可增强高频区信号的发送电流,提升CSAMT的观察数据质量。     

瞬时应变型岩爆模拟试验中花岗岩主频特征演化规律分析

利用深部岩爆模拟试验系统对花岗岩进行室内瞬时岩爆模拟试验,同时利用声发射系统采集试验过程中声发射信号,得到试验全过程应力和声发射波形信息时域图。结合声发射累计能量曲线特征,找到5个关键拐点,即花岗岩初始加载能量激增后产生的第一个拐点A、岩爆发生前两次明显的上升台阶处拐点B和C、岩爆发生时的能量突跃点D、最终峰值点E。将关键点处波形信号从全时域波形中提取出来并进行快速傅里叶变换,得到各关键点二维功率谱图,结果表明：花岗岩声发射主频值在加载初期时为106 kHz,随着荷载的增加,频率由低频向高频过渡,频带变宽且由单峰向多峰转化,频率成分复杂预示多种破裂模式的发生。岩爆前和最终岩爆时刻频带又变窄并恢复单峰,主频值降低至与初始加载时一致,约为106 kHz,预示着岩爆时刻花岗岩岩石高能量的释放。     

三轴作用下的小型围岩试件在开挖卸荷过程中的声发射特征

为了获得巷道围岩开挖卸荷过程中的声发射特征与开挖卸荷状态之间的关系,使用水泥砂浆厚壁圆筒围岩试样,开展开挖卸荷条件下3种不同卸荷速度的声发射试验研究。利用自主研发的小型巷道围岩开挖卸荷模型试验系统,声发射系统及变形监测系统采集试样卸荷过程中的声发射时频信号及变形信息,并对声发射b值进行研究。研究发现：（1）试验过程具有4个特征阶段：加载段―维持段Ⅰ―卸荷段―维持段Ⅱ,这4个阶段与振铃累计曲线有良好对应关系。（2）加载段,高频高幅信号较多,分布范围广,试样内部原始裂隙在三向应力作用下压密明显;维持段Ⅰ,高频高幅信号明显减小,分布范围变窄,试样三向持续压密,变形微小;卸荷段,高、低频信号增多,幅度增加,应变率较高,变形增加速度快,卸荷对试样内侧影响效应更显著;维持段Ⅱ,较慢速卸荷的高幅信号持续增多,内外侧以较低应变率持续产生变形。（3）卸荷速度越大,卸荷段振铃累计曲线出现“陡升”的幅度越高,维持段Ⅱ“陡升”出现越早,幅度越小。（4）卸荷速度增大,b值整体量值减小且越趋于小波幅平稳变化,相对声发射大事件占比提高,破裂尺度更大。     

高频振动回转顶驱的研制

为满足城市地质大调查复杂地层钻进的需要,研制了JDD-100型全液压钻机高频振动回转顶驱。该顶驱具有回转钻进、高频振动钻进、高频振动回转钻进功能。对顶驱的回转机构和振动机构进行了全面系统的设计,运用ADAMS动力学仿真分析软件对高频振动回转顶驱的工作过程进行了动态仿真分析。试验表明,该装置结构设计合理,钻进效率高,工作寿命长,满足了城市地质大调查复杂地层高效钻进的要求。     

多维分形克里格方法

时间序列与空间场信号往往是非规则分布的，经常需要将非规则分布的时空信号插值为规则分布的信号或估计某些未知点的值。如油气田、煤田以及金属矿山储量估算，工程地质参数估计，病虫害区域分布调查等都要求根据少量不规则数据点进行插值估算。估值方法中应用最为广泛的地质统计学方法（或(Krige)克里格方法）是一种低通滤波器，无法重建原始信号中的高频、局部与弱信号。开发的多维分形克里格方法可以将不规则分布的时间—空间（时空）信号插值为规则分布的信号；可以提取时空信号中高频、局部与弱信号，估计过程参数可以作为特征参数用于模式识别。利用褶积滤波理论定量导出了地质统计学的低通滤波特性，它在插值过程中丢失了高频、局部和弱信号。在定义了时空信号的度量尺度与测度后，实现了多维分形插值，多维分形插值保留了系统中更多的高频信息。将克里格方法与多维分形方法有机的结合起来产生了多维分形克里格方法，它具有克里格方法和多维分形插值的共同优点。用大洋钻探(ODP)184航次1143A孔的岩芯密度分析进行了插值试验，对比了插值结果及其功率谱。多维分形克里格插值比克里格插值、多维分形插值更为接近已知点值并保留更多的高频信息。还定量分析、对比了影响多维分形克里格插值的因素、厘清了估值问题中固有的测不准关系。 另外，多维分形克里格插值过程得到的局部奇异性、相关性和回归方差能有效地刻划高频、局部与弱信号。这样，多维分形克里格插值过程可以用于提取（非规则或规则网格）时空信号中的局部、高频与弱信号，用于信息提取、模式识别、找矿预测与信号增强等领域。     

连续小波变换在探地雷达信号分析中的应用研究

广泛应用于工程勘探的探地雷达,由于其发射的高频电磁波在介质中迅速衰减、受环境噪声大等因素影响,探测剖面难以对相对较深的异常体有较好的响应.复信号分析提取三瞬参数可多角度分析信号,并能突出弱反射信息,但易受噪声干扰,且常规的滤波方法不能有效地去除这一干扰.将具有时～频双重局限性的小波变换引入到复信号分析中,解决了复信号分析易受噪声干扰的问题,恢复了其对异常提取的能力.将此算法用于实际雷达探测数据处理中,取得了良好的应用效果.     

小波阈值法的改进及在地质雷达探测中的应用

隧道超前地质预报是否准确,高信噪比的地质雷达信号是关键。在进行地质雷达探测时,由于受到周围复杂环境的影响,采集的雷达数据中含有各种干扰信号,降低了信号质量,直接影响到解译人员对地质条件的解读,影响了隧道超前地质预报的精确度。因此,本工作提出利用一种优化过的阈值方法对信号进行去噪,提高信噪比。优化主要是从优化阈值选取方式和优化阈值函数的选取两个方面对软阈值方法进行优化,并且通过仿真实验进行验证。结果显示信噪比的提升和均方差的减小幅度上以及去噪效果三方面对比,实验证明改进方法更优于软硬阈值方法,改进方法可适用于实际雷达数据干扰信号的处理,能提高信号信噪比,更好的还原信号。     

CSAMT发射系统抗干扰供电技术初步研究

在伪随机编码信号的相关辨识理论基础上,根据可控源音频大地电磁法(CSAMT)测量频率范围及受环境电磁干扰影响的程度,将CSAMT测量划分为三个频段,对易受工频及其谐波成分干扰的频段采用伪随机编码发射,高频和低频段采用单频方波发射。发射系统的人机交互和供电波形的产生基于虚拟仪器LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台)软件平台,操作方便、控制灵活。     

煤矿水平孔复杂地质模型方位电磁波响应数值模拟

煤岩界面的预先、精准识别是实现煤矿巷道自动化掘进和煤矿智能化的关键技术之一,方位电磁波仪器探测距离较大,能够分辨岩性界面和界面方位,在油田测井中已取得成功应用,但在煤矿领域应用较少。为了研究方位电磁波测井在煤矿复杂三维(3D)模型中的探测性能,使用有限元数值模拟方法,考察了方位电磁波测井在煤矿测量环境中,不同发射频率和源距时受钻孔内流体的影响,以及采空区和起伏地层边界对方位电磁波测量的影响。结果表明:对于煤矿测井中的常见情况——孔中流体为空气时,方位电磁波响应受钻孔的影响较小;方位电磁波测量信号能够反映地层界面的起伏变化,其探测能力与发射频率、源距有关;方位电磁波响应对低阻采空区较敏感,但在高频发射时可以利用相位差信号实现对高阻采空区的探测。方位电磁波方法为煤矿井下水平孔煤岩界面和采空区测量提供了一种新技术手段,具有较大的应用潜力。      

北山坑探设施开挖损伤区现场声发射监测试验研究

为研究爆破开挖对围岩的损伤,在高放废物地质处置地下设施(北山坑探设施)开展了开挖损伤区(EDZ)的研究。对多个爆破回次开挖全过程进行了声发射监测试验,根据声发射撞击数演化特征,将爆破开挖围岩的损伤过程分为爆破损伤段和渐进损伤段,分析了声发射信号频率演化规律。根据两阶段信号参数特征分析了对应阶段微破裂机制,通过高频探地雷达圈定了开挖损伤区范围,发现各回次开挖损伤区的厚度与声发射撞击数具有较好的相关关系,并分析了室内及现场试验岩石(体)的"蠕变"特征与声发射演化规律。分析认为,爆破后声发射演化特征是围岩渐进损伤过程的直接体现,渐进损伤在位移上表现为"蠕变"特征,声发射能有效地表征围岩的变形过程及其所处的损伤状态。研究成果对声发射现场应用表征围岩的损伤状态具有一定参考价值。