井下瞬变电磁技术在探测煤矿老空水方面的应用

介绍了全空间瞬变电磁(UWTEM)技术在煤矿井下探测老空水方面的应用,研究了井下巷道有限施工条件下探测不同赋存方位采空区的方法,证明了UWTEM技术在探测巷道掘进头前方、巷道顶底板及巷道侧帮等方向老空水的有效性,总结了井下瞬变电磁技术应用中需注意的若干关键问题。结果表明,UWTEM技术能在井下有效地探测巷道顶底板、侧帮及掘进头前方的老空水位置和范围,为井下水害预报和防治提供可靠依据     

层状全空间瞬变电磁响应理论研究

研究全空间效应的影响因素及变化规律,可以有效地丰富地下瞬变电磁法的正、反演理论体系.为此,首先建立层状全空间模型,推导了全空间的瞬变电磁响应公式,采用快速汉克尔变换和余弦变换求出了回线中心处的感应电动势,对比分析了叠加方法得到的全空间响应,并引入全区视电阻率来分析瞬变电磁场扩散规律和全空间效应影响因素,最后通过实测模型来验证模型的计算效果.结果表明,层状全空间模型计算出的响应值相对误差低于3％,精度较高;叠加方法计算的瞬变电磁响应不是真正的全空间,且全空间响应均大于半空间响应的值;在低阻层存在时,全空间响应早期受电阻率和厚度的影响较强烈,由此发现在全空间条件下减少巷道内低电阻率干扰体是减小盲区的重要手段;在超高阻层存在时,半空间响应仅仅是全空间条件下观测点以上的地层电阻率为无穷大的特殊情况;低阻目标层的视电阻率受目标层埋深与层厚差异的影响,若埋深与厚度相差小则分层效果越好;实测数据的建模结果显示计算方法有一定的正确性.本研究填补了矿井瞬变电磁一维全空间响应研究内容,为实际应用提供了验算基础.     

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.     

小回线源TEM法全域视电阻率成像在某金矿水害中的应用

在煤矿水害问题中,利用瞬变电磁法研究煤矿的底板水、顶板水、断层或陷落柱特征,已经有很多成功的案例;但是在金矿水害中的应用,尚未发现成功的案例.目前,在生产实践中,瞬变电磁法在煤矿水害资料解释还停留在利用晚期视电阻率近似处理、解释的水平.金矿水害数据采集位于深部采场,需要全空间瞬变电磁资料解释技术.基于以上背景,介绍利用反函数原理计算的全空间全域视电阻率成像,对金矿水害探测的瞬变电磁资料进行处理解释.研究发现:该解释方法不仅计算速度快,且精度满足要求,方便实测数据的快速处理.同时能够去除晚期视电阻率成像在早期、过渡期出现的假异常;通过钻孔验证和开挖,证明该成像解释方法对金矿水害防治,效果非常明显.     

积水采空区瞬变电磁响应微分解释方法

瞬变电磁(TEM)视电阻率早、晚期计算公式在求取时进行了简化近似,造成部分地电信息的失真.瞬变电磁响应信号衰减过程与介质的电性特征有关,由此引入瞬变电磁响应微分衰减速度和二阶微分衰减速度两个解释参数,力图避开视电阻率计算,以衰减速度表示瞬变电磁探测结果的电性特征.首先研究了不同导电均匀半空间与低阻目标体地电模型瞬变电磁响应微分衰减速度在时间上的变化特征,在此基础上对瞬变电磁响应二阶微分衰减速度进行了分析,通过绘制TEM二阶微分衰减拟断面图实现了低阻目标体地电模型的电性层划分.研究结果表明:电性分界面与二阶微分衰减的"0"等值线相对应,可以用"0"值等值线作为电性分界面的划分依据,即瞬变电磁微分解释方法能够区分不同地电断面,可以用于瞬变电磁探测成果解释.     

全空间条件下矿井瞬变电磁法粒子群优化反演研究

煤矿井下矿井瞬变电磁法(MTEM)探测中,电磁场呈全空间分布,全空间瞬变电磁反演是复杂的非线性问题,目前反演计算中全空间响应主要由半空间响应乘以全空间响应系数来得到,导致反演结果中顶板和底板异常(或前方和后方异常)叠加在一起难以分离,造成分辨率下降.论文提出采用粒子群优化算法(PSO)进行全空间MTEM反演,通过理论分析,在常规的粒子群算法基础上提出了一种新的进化公式改进策略,提高了粒子群算法的寻优能力.基于全空间瞬变电磁场理论,编写了粒子群算法反演程序,进行全空间条件下五层含巷道的复杂模型的反演计算.结合某矿井巷道顶板、底板岩层及断层含水性的探测实例,对实测数据进行反演计算和解释,探测结果得到钻探证实.研究表明,改进的粒子群优化算法对理论模型和实际资料的反演拟合程度较高,实现了矿井顶板、底板视电阻率异常的分离,提高了全空间瞬变电磁勘探资料的解释精度和分辨率.     

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...     

无人机地空瞬变电磁系统在冶山地下巷道探测中的应用

采用三维矢量有限元法对地下巷道进行了三维数值模拟,并使用全域视电阻率定义方法对正演模型进行了计算,绘制了地下巷道的视电阻率分布断面图,为实测数据的解释提供了比对依据.构建了无人机电性源地空瞬变电磁探测系统,使用该系统在南京六合区冶山开展了地下巷道探测实验,并对实验数据进行处理分析,实验结果与数值模拟结果吻合度较高,验证了该系统探测的有效性和准确性,为无人化地空探测系统的改进提供了新方法,也为该系统在资源普查、矿产探查等民用领域以及军事领域上的应用提供了新思路.     

层状介质中地下瞬变电磁场全空间效应

全空间效应是矿井瞬变电磁方法固有的特殊理论问题之一.建立了3种典型的层状地质模型,采用时域有限差分法求解Maxwell方程,并引入电磁波衰减因子EA(dB),来分析全空间效应的影响特征及影响因素.研究结果表明,地下瞬变电磁法工作装置中,分离回线装置对低阻目标层的探测效果优于重叠回线装置;相对于半空间低阻层瞬变响应,全空间低阻层瞬变响应的时间范围更宽,因而需要更长的观测时间;全空间效应影响因素为顶、底板内低阻层相对电阻率差异大小和目标层深度与厚度,当目标层电阻率大于顶板内低阻层电阻率时,所观测响应主要为低阻层响应,此时将会增大资料解释的难度.此外,研究还显示,瞬变电磁法对低阻层的纵向分辨率与低阻层厚度相关,厚度越小分辨率越高,当厚度较大时,其纵向分辨能力较差.研究成果为实际工作参数选择及资料处理与解释提供了参考.     

一种煤层顶板富水性快速评价方法

煤层开采深度的增加给矿井防治水工作带来了更大的挑战,快速定量化确定含水层富水性成为一个亟待解决的问题.本文在理论分析和数值模拟的基础上,将瞬变电磁法与抽水试验结合,利用多个钻孔抽水试验所得的煤层顶板单位涌水量值与其所对应钻孔附近瞬变电磁法测量所得的煤层顶板视电阻率值建立回归方程,通过回归方程与其余位置视电阻率值,定量估算出其他位置处的拟单位涌水量q,用q定量估计整个测区含水层富水性.研究结果表明:瞬变电磁响应能很好的反映含水低阻层性质的改变.对于复杂含水区域,拟单位涌水量q能够提供更为精细的含水层富水性定量信息.该方法在内蒙古某煤矿进行了探索性试验,实现了对煤层顶板富水性的快速定量评估.     

矿井瞬变电磁法全空间视电阻率解释方法研究

从全空间中心回线源响应公式出发,推导了全空间晚期和全区视电阻率公式;通过与半空间公式比较和对实测资料的分析,研究了全空间视电阻率公式的应用效果.结果显示,全空间视电阻率为半空间视电阻率的(5/2)2/3倍,其晚期视电阻率与真值的相对误差小于0.56%,而相应的半空间视电阻率与真值误差均大于42%.与常规解释方法相比,采用全空间全区视电阻率换算方法能更好地圈定低阻异常范围,且电阻率差异大.因此,该公式更适用于矿井瞬变电磁法资料处理与解释,并具有更好的效果.     

矿井瞬变电磁法三维时域有限差分数值模拟

给出了矿井全空间瞬变电磁场的时域有限差分法(FDTD)算法,并推导了Mur吸收边界条件.利用Mur吸收边界条件,选用均匀全空间电偶极源作为初始激发源,模拟了均匀介质中巷道底板岩层内部和层状介质中三维低阻异常体的全空间响应特性,分析了瞬变电磁场在均匀介质中1.9μs和27.6μs两时刻的传播规律及在层状介质中1.2μs和0.023 ms两时刻的传播规律.结果表明:巷道对电场的影响在初期并不明显,在20μs后才表现出来;瞬变场能较好地分辨低阻层,对高阻层的穿透能力强,并且对低阻体反映灵敏;吸收边界条件只有在场域较大、网格节点较多时才能产生明显的效果.所研究成果为矿井瞬变电磁法资料的解释提供了理论依据.     

大定源装置下瞬变电磁法视电阻率定义

对于应用较广的大回线源瞬变电磁装置,虽然得到了非中心点电磁响应式,但由于响应的复杂性,一直没有推导出不同场点视电阻率定义式,通常借用中心回线方式的视电阻率公式进行解释,必然会在观测区的边缘处出现异常.为提高瞬变电磁法的解释精度,将非中心点垂直分量转化为人们熟悉的电阻率参数,本文提出并建立了大定源装置情况下视电阻率定义....     

矿井瞬变电磁法全空间处理及三维解释方法研究

矿井瞬变电磁法得到了广泛应用,但其数据处理解释方法研究相对滞后,为提高勘探精度本文对全空间处理及三维解释方法进行研究.以均匀全空间磁偶极源瞬变响应为基础,探讨全空间磁感应强度垂向分量Bz及其时间变化率Bz/T的核函数曲线特征,并给出全区视电阻率数值计算方法.研究结果表明Bz的核函数Y(Z)存在一个转折点Z=1,以转折点为界可以划分为两个单调区间;Bz/T的核函数Y′(Z)存在两个转折点Z=0.707和Z=1.732,以转折点为界可以划分为三个单调区间,在单调区间内通过二分搜索算法可以计算区间内视电阻率值,各区间视电阻率曲线通过转折点可构成全区视电阻率曲线.采用Voxler软件平台实现矿井瞬变电磁三维立体解释,并给出数据三维可视化的具体步骤.应用实例表明本文提出的全空间处理及三维解释方法可以实现工作面内煤层及其附近岩层三维电阻率成像,直观展现富水异常体三维空间展布特征,方法实用性强、探测效果较好.     

矿井全空间孔中瞬变电磁响应积分方程法数值模拟研究

基于地面-钻孔瞬变电磁法,将发射源布设于煤矿巷道中,而将接收探头放置在钻孔内,从上至下依次观测,形成矿井巷道-钻孔瞬变电磁法.为了研究巷道全空间条件下巷道-钻孔瞬变电磁场的响应特征,选取煤层底板受水害威胁的代表性地层为研究对象,建立煤层底板存在含水低阻地质异常体的三维数学模型,采用积分方程法进行数值模拟,结果表明：相对高阻的煤层侧帮对孔内垂向感应电动势的影响较小,而对孔内水平感应电动势除浅部约30 m内影响相对较大外,对深部影响较小.当煤层底板含水平低阻板状异常体时,在对异常体的纵向分辨率和异常响应的延续时间方面,孔内感应电动势的水平分量相对优于垂向分量,但垂向感应电动势的幅值强于水平感应电动势.因此,实际观测时,不仅要观测孔内感应电动势的垂向分量,也要观测水平分量.

     

瞬变电磁法在煤炭领域的研究与应用新进展

随着浅部煤炭资源开采进入尾声,深部煤层的勘探与开发成为下一步的发展趋势.为了探索瞬变电磁在煤炭领域的发展突破方向,本文从理论、方法、技术、装备及应用等方面对瞬变电磁法用于煤田探测的研究成果进行了分析总结.首先介绍近年来瞬变电磁法在地面和井下的最新进展,包括时变点电荷载流微元理论、瞬变电磁全空间理论、修正式中心回线法、电性源短偏移深部探测法、小回线大电流法、矿井强干扰处理技术、地形影响校正技术、联合时-频处理技术、以及在井下和有低阻覆盖时观测数据的处理技术等.然后,结合实际情况,说明瞬变电磁法在煤炭领域的应用效果.最后,展望了瞬变电磁法在煤田领域的研究方向,包括进一步完善电性源近场探测理论和全空间物理场基础理论,开发精细数据处理的方法及地面-井下联合分析方法等.     

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.     

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.     

瞬变电磁法的探测深度问题

用解析分析、时域有限差分、时-频分析的方法,以地面中心回线装置和阶跃脉冲激励源为例,分析讨论了瞬变电磁测深法的勘探深度问题,以便为野外勘探工作设计提供依据,达到预期的探测目的.解析计算证实了瞬变场在地下以有限速度传播,数值模拟表示出了准静态条件下瞬变场的反射.研究结果表明,由于时间域电磁场遵循因果律,瞬变电磁法的探测深度主要由观测时间决定. 瞬变电磁场的初始传播速度与大地电阻率无关,继后在大地色散作用下,阶跃脉冲前沿逐渐变得平缓,各频率分量的传播速度与电阻率有关,在低阻地层中探测同样的深度需要较长的观测时间. 最大探测深度是在给定时间内电磁波往返地下某一深度的单程距离,最小探测深度受仪器性能的限制,但是埋藏较浅的异常体也有可能在晚时段被观测到.从时-频密度谱中可得到瞬变电磁场信号时间与频率的关系.     

微小盆地倾斜煤层采空区瞬变电磁法探测

为研究微小含煤盆地倾斜煤层采空区的瞬变电磁法探测效果,以云南省新近系向斜盆地采空区为研究对象,从数值模拟与现场实测两方面对瞬变电磁探测效果展开研究。首先,针对研究区微小盆地构造条件建立倾斜煤层地电模型,以正演模拟和电阻率计算论证理论可行性;其次,根据模拟结果设置工作参数进行现场数据采集,以倾斜含煤段作为电性标志层追踪电阻率异常并推断采空区分布范围;最后,采用井下超前钻探对推断的采空区进行验证。结果表明,瞬变电磁法适用于探测微小盆地的构造变化而引起的地电结构的改变,探测结果清晰显示盆地倾斜含煤地层的起伏变化,能准确反映采空区的分布。