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。     

地下全空间瞬变电磁响应的研究

为了研究地下全空间感应涡流的传播规律以及瞬变响应与围岩电阻率和时间的函数关系,采用数值模拟的方法计算了地下全空间响应.将相同时间9种围岩的响应曲线进行拟合,得到了响应与围岩电阻率的关系;在晚期条件下,将围岩响应随时间变化的曲线进行拟合,得到了响应与时间的关系;通过比较全空间与半空间响应的幅值大小,得到二者的比值关系.结果表明:全空间下涡流环极大值半径小于半空间下涡流环极大值在地面的投影半径;全空间瞬变电磁响应按围岩电阻率的1.5次幂进行衰减;按时间的2.5次幂进行衰减;全空间响应幅值为半空间响应幅值的1.93倍.     

地下全空间瞬变电磁响应的数值分析

为了研究地下全空间感应涡流的传播规律,以及瞬变响应与围岩电阻率和时间的函数关系,采用数值模拟的方法计算了地下全空间响应。将相同时间九种围岩的响应曲线进行拟和,得到了响应与围岩电阻率的关系;在晚期条件下,将围岩响应随时间变化的曲线进行拟和,得到了响应与时间的关系;通过比较全空间与半空间响应的幅值大小,得到二者的比值关系。结果表明：①全空间下涡流环极大值半径小于半空间下涡流环极大值在地面的投影半径;②全空间瞬变电磁响应按围岩电阻率的1．5次幂进行衰减,以及按时间的2．5次幂进行衰减;③全空间响应幅值为半空间响应幅值的1．93倍。     

磁偶源2.5维瞬变电磁场全空间FDTD数值模拟

为解决模拟瞬变电磁场在3维介质中传播出现的计算量大、对计算机要求高等问题,使用了3维磁偶极源来模拟2维均匀介质和层状介质中方形和薄板低阻体的全空间响应特征.模拟中使用了时域有限差分法,采用非均匀网格和时间步长,分析了瞬变电磁场在均匀介质和层状介质中的传播规律,以及巷道和交界面对场的影响特征,为解释全空间均匀介质和层状介质TEM异常提供参考.     

地面-井下双源瞬变电磁立体探测模拟研究

在探测地下、井下或巷道下方的局部异常体时,地面瞬变电磁信噪较低而井下瞬变电磁发射磁距受限,因此探测深度较小。为解决这个问题,本文提出了一种地面大回线仅发射+井下重叠回线发射接收的地面-井下双源瞬变电磁立体探测方法。通过COMSOL软件数值模拟与室内水槽试验,模拟了四种不同的瞬变电磁装置(井下重叠回线,井上大回线发射+井下小回线接收,地面中心回线,地面-井下立体探测)探测。数值模拟结果发现地面-井下双源装置的感应电位曲线幅值最大且灵敏度最高;室内模型试验结果绘制成感应电动势多测道剖面图,分析比较其曲线特征,表明地面-井下瞬变电磁立体探测明显优于其他三种瞬变电磁装置,其效果非常明显、稳定且磁感应强度更高,与数值模拟结果一致。因此,地面-井下双源瞬变电磁立体探测方法可行且值得推广。     

起伏地形下地面瞬变电磁法三维正演数值模拟研究

瞬变电磁法在地形条件复杂的地区应用时,勘探效果往往不理想,究其原因,主要是忽略地形因素影响致使解释结果偏差较大.笔者采用三维时域有限差分法模拟起伏地形下瞬变电磁响应,通过麦克斯韦方程直接导出瞬变电磁扩散方程,引入虚拟位移电流项构建时域有限差分方程.首先,针对均匀半空间模型的计算结果与解析解进行对比,检验本文算法精度;然后,模拟分析了山峰、沟谷模型的地形响应特征,得出早期信号表现为两种特征,沟谷地形,早期“前段”较正常地形感应电动势值减弱,导致“假高阻异常”,早期“后段”较正常地形感应电动势值值增强,导致“假低阻异常”,山峰地形特征恰好相反,至晚期地形影响呈逐渐减弱的趋势;最后,通过实测数据证实正演模拟结果的正确性.研究结果对地形效应识别及校正工作具有较好的参考意义.     

隧道全空间瞬变电磁响应的研究与应用

在分析隧道全空间瞬变电磁响应的基础上,提出了异常响应的比值分析法。利用围岩中低阻体的综合响应减去围岩响应,得到低阻体的响应,将低阻体的响应与围岩相除而得到相对异常值。利用相对异常值分析法,研究了围岩中柱状低阻体半径、厚度以及低阻体与激励源间距离的变化对瞬变响应信号的影响。低阻体半径越大,比值越大,最大异常出现的时间越晚;低阻体厚度越大,比值越大,最大异常出现的时间越晚;低阻体与激励源间的距离越小,比值越大,最大异常出现的时间保持不变。工程实际应用表明采用这种分析方法,更易从探测数据发现异常。     

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...     

巷道影响下三维全空间瞬变电磁法响应特征

使用磁偶极源模拟三维均匀介质内部低阻体的全空间响应特征,采用非均匀网格和时间步长推导了瞬变电磁场的三维时域有限差分格式,并根据多个测点计算的数据,绘制了磁场和磁场对时间导数的等值线图,分析了瞬变电磁场的传播规律,以及巷道和交界面对场的影响特征。结果表明:在磁场穿过低阻体与大地的交界面时,磁场的扩散速度降低,衰减变慢;随着迭代次数的增加,磁场以低阻体为中心形成等值线环。巷道在早期对场影响较大,晚期则不明显,为解释全空间TEM异常提供参考。     

全空间瞬变电磁法资料解释方法中的平移算法

全空间视电阻率公式及全区求解方法是地下瞬变电磁理论的重要组成部分。为探讨全空间全区视电阻率求解方法,笔者将半空间全区视电阻率的平移算法引入至全空间并对其进行了研究。同时,分别采用理论数据、正演模拟数据及实测数据对该方法在全空间资料处理与解释中的有效性和精确性进行了分析。结果显示,平移算法与常规的全区视电阻率解法具有相同的理论基础,但前者避免了传统全区计算方法中的多解性;此外,采用由截距参数绘制的时间剖面图和视电阻率断面图进行联合解释产生了较好的应用效果。     

复杂3D瞬变电磁场FDTD模拟中需要解决的问题

为了实现缓变瞬态电磁场的时域有限差分(FDTD)模拟,引入了虚拟位移电流,使FDTD随时间步的递推能够进行。在以往较简单模型的计算中,利用时域瞬变场传播需要时间的性质,可将激励源化为初始条件代入,但是对于复杂3D模型,原有的方法不再适用,应当重新考虑源和边界条件的处理方法。由于实际源带有“斜坡”,故可采取将激励源模拟注入的方式;地下边界根据电磁波在导电媒质中快速衰减的特性设定,将改进的完全匹配层用于空中边界。分析表明,对于由空中和地下区域非均匀网格离散引起的时间稳定性问题,交替方向隐式FDTD是可行的解决办法。      

激电效应对瞬变电磁影响特征研究

当地下存在极化体时,在瞬变电磁测量中可能会出现负电磁响应。为了研究极化体所产生的激电效应对瞬变电磁的响应规律,以频域电磁正演为基础,采用余弦变换,这里重点研究了在电偶源激发下,层状可极化大地和半空间三维极化体电场分量瞬变响应特征,总结了激电效应对瞬变电磁响应的影响规律。     

瞬变电磁技术在煤层底板含水层注浆改造中的应用

煤层底板含水层注浆改造技术可以彻底根治底板水害。利用瞬变电磁技术探测煤层底板含水层的赋水性特征,确定工作面内注浆改造重点区域,指导钻孔布置,并在底板改造后检验注浆改造效果。其在焦作矿区的应用效果明显。     

TBM机施工隧道瞬变电磁超前探测研究

在隧道掘进机(TBM)施工隧道内,传统瞬变电磁的装置形式受到了TBM机械的限制,TBM自身的金属构件对二次场衰减电压的采集产生了强烈的电磁干扰.为了克服瞬变电磁法在TBM施工隧道内遇到的困难,在前人工作的基础上,尝试提出了一种基于电性源激发、电场分量采集的施工隧道瞬变电磁超前探测装置形式.针对钻爆法与TBM施工隧道各自不同的工况,利用三维时域有限差分法对单个电性源激励下隧道前方瞬变电磁场的分布规律与响应特征进行了正演模拟.通过对瞬变电磁场的分布规律以及响应特征进行分析,认为所述的电性源发射装置不仅可以在钻爆法施工隧道内使用,并且具有在TBM施工隧道内进行隧道超前预报的能力.     

瞬变电磁法在羊拉铜矿坑道找矿预测中的应用

随着已知矿产储量的不断减少,在矿山外围及深部采用以矿找矿方法成为延续矿山服务年限的重要手段。在矿山已有坑道内进行相关物探工作具有投入少、见效快等优点。瞬变电磁法(TEM)因其工作装置的灵活性、快速性和有效性逐渐受到重视。文章通过以小线框、大电流的瞬变电磁法在羊拉铜矿已有坑道底板进行勘查工作,结果显示该方法应用于坑道内效果明显,为以矿找矿提供了新的途径。     

Numerical modeling of the transient hydrogeological response produced by tunnel construction in fractured bedrocks

Groundwater inflows into tunnels constructed in fractured bedrocks not only constitute an important factor controlling the rate of advancement in driving the tunnel but may pose potential hazards. Drawdowns caused by tunnel construction may also induce geotechnical and environmental impacts. Here we present a numerical methodology for the dynamic simulation of the hydrogeological transient conditions induced by the tunnel front advance. The methodology is based on the use of a Cauchy boundary condition at the points lying along the tunnel according to which water discharge, Q, is computed as the product of a leakage coefficient, , and the head difference, (H−h), where H is the prescribed head at the tunnel wall and h is the hydraulic head in the fractured rock in the close vicinity of the tunnel. At a given position of the tunnel, is zero until the tunnel reaches such position when it is assigned a positive value. The use of step-wise time functions for allows an efficient and accurate simulation of the transient hydrogeological conditions at and around the tunnel during the excavation process. The methodology has been implemented in TRANMEF-3, a finite element computer code for groundwater flow in 3D fractured media developed at the University of A Coruña, Spain, and has been used to simulate the impact of a tunnel on the groundwater system at the Äspö island (Sweden). This tunnel was constructed to access an underground laboratory for research on radioactive waste disposal. The large amount of available data at this site provides a unique opportunity to test the performance of the numerical model and the proposed methodology for tunnel advance. With just minor calibration, the numerical model is able to reproduce accurately the measurements of inflows into the tunnel at several reaches and hydraulic heads at surface-drilled boreholes. These results obtained at the Äspö site lead us to conclude that accurate predictions of the transient hydrogeological responses induced by tunneling works in fractured bedrocks, can be achieved provided that a sound hydrogeological characterization of large-scale fracture zones is available.     

传统瞬变电磁法的改进及其在隧道超前地质预报中的应用

为保证施工人员和设备的安全,在隧道开挖过程中需要掌握掌子面前方含水不良地质体的发育情况。较为常用的探测含水不良地质体的物探方法为传统瞬变电磁法。由于以往没有重视探测装置与地质体间的耦合关系,传统瞬变电磁法沿单一测线进行数据采集的方式只能从单一角度发射磁场从而获得单一角度的探测结果,因此一直存在预报不准、漏报等问题。为了克服上述问题,提高预报的准确性,文章对传统瞬变电磁法进行了改进。基于探测装置与地质体间的良-强耦合关系,提出了一种能从水平和竖直方向进行多角度探测的共轴偶极法,通过转动探测装置从多个角度发射磁场,使单一角度无法探测的地质体也能与磁场达到良-强耦合效果,从而降低预报不准、漏报的可能性。共轴偶极法具有多个角度的探测结果,多个结果相互印证,具有比传统方法更高的准确性。在九绵高速公路天池隧道里程为YK223+135—YK223+035段内进行传统方法和共轴偶极法预报,开挖验证表明共轴偶极法对含水节理裂隙和岩溶裂隙等含水不良地质体的预报准确性比传统方法高,可为类似隧道超前地质预报工作提供一定参考。     

线源二维瞬变电磁场的正演计算新方法

首先应用有限元直接迭代法,在频域中实现了线源二维电磁场正演计算,然后利用频时转换中较为简便且有效的数字滤波法,实现了频域到时域的转换,从而实现了线源二维瞬变电磁场的正演模拟。该方法具有编程简单,占用内存小,运算速度快和模型输入方便等特点。模拟结果与理论计算结果对比表明,该方法具有较高的计算精度。另外,该方法对复杂条件下的瞬变电磁勘探方法的研究和二维瞬变电磁反演有重要意义。