煤巷多点电流源双频激电法超前扫描探测技术

在掘进工作面上设计多点电流源双频激电法探测电极布置方式,根据稳定电流场性质,建立多点电流源电场线微分方程,基于变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法,对微分方程组进行求解。定义探测电场空间立体角和电场线边界角概念,分析探测电场平均电流密度随主屏流比系数及距掘进断面距离变化规律,确定聚焦效应探测时主屏流比系的取值范围。同时改变约束屏流比系数和主屏流比系数,分析探测电场偏转角的变化规律及对其影响的主要因素,确定偏转效应探测时约束屏流比系数的取值范围。工业性试验表明:利用该方法进行超前扫描探测,根据视幅频率和视电阻率异常激电效应参量变化规律,能够有效识别工作面前方围岩地质构造特征及低阻含水异常体的方向,但含水异常体距工作面的准确距离和含水量的大小尚需进一步研究。      

坑道聚焦直流激电法电流场分布特性及探测影响因素分析

为探究坑道聚焦直流激电法电流场分布特性及其探测影响因素,利用有限单元法对空间场正常电位和异常电位进行求解,基于Comsol软件构建均质三维地电探测模型,采用四面体网格自适应算法进行剖分,对比分析数值求解精度。研究聚焦电流场分布变化规律,确定聚焦效应电流比系数取值范围。沿掘进断面的正前方构造异常地质的三维地电模型,利用等效电阻率法正演模拟掘进断面面积、干扰体、聚焦效应电流比系数等因素对激电效应参量的影响。结果表明：聚焦直流激电法对掘进断面前方不良地质体的探测具有较好的敏感性,坑道腔体内干扰体对目标异常体探测的影响可以忽略,旁侧干扰异常体距坑道底板距离越远,对目标异常体探测影响越小;增大掘进断面面积和聚焦效应电流比系数,可有效增加勘探距离。此研究可为聚焦直流激电法反演提供依据和参考,对推动聚焦电法勘探理论的发展具有重要意义。     

三维坑道直流聚焦法超前探测技术

对坑道超前探测方法中的三维坑道直流聚焦法的电极组合作了研究.计算、分析了2个同性点电源的电流分布规律,指出由于电流的相互排斥作用,电流密度在这两个点电源的中垂线下一定深度处产生最大值,这个深度与这两个点源之间的距离成正比.基于上述理由,设计出3种电极组合:四点电源、五点电源和九点电源布极方式.用三维有限单元数值模拟的方法计算了上述3种电极系的空间电位分布,发现九点电源方式对电流聚束效果较好,而且当主电极电流小于屏蔽电极电流时效果最好.     

侧向测井电极系结构影响分析及阵列化测量新方法

针对目前广泛使用的侧向测井电极系结构和聚焦方式,利用有限元数值模拟方法研究了三种常见的侧向测井电极系结构对电极系数、井眼影响系数、径向探测深度的影响;对比硬件聚焦中监督电极残余电位差对测井响应的影响,引入聚焦系数,提出了一种利用软件聚焦实现阵列化测量的新方法;利用Oklamoha标准地层模型验证了方法的正确性。结果表明,不同电极系结构和电极系的不同部分对测井响应的作用不同,其中电极系绝缘部分长度对探测特性的影响很大,在电极系设计过程中应重视绝缘尺寸对探测特性的影响。采用软件聚焦方式,不仅消除了硬件聚焦方式中残余电位差的影响,而且在不改变双侧向电极系结构的基础上,选择聚焦系数为0~1.1,得到了不同径向探测深度的测井曲线,实现了类似于阵列侧向测井中的阵列化测量。测量结果表明,电极系数随着聚焦系数的增大而减小,井眼影响系数保持在0.80~1.16,并提高了径向探测能力,最大探测深度达到2.0 m以上,获得更丰富的地层电阻率分布信息。     

三维全空间坑道直流聚焦超前探测数值模拟

应用同性点源之间的相斥和聚焦原理,设计出适合坑道空间的垂直聚焦超前探测方案。利用有限元法结合高效行压缩存储格式及迭代求解算法,对三维坑道空间中聚焦超前探测效果进行模拟研究。数值计算结果与土槽物理模拟实验结果对比,说明设计方案达到l了聚焦超前探测的目地。通过坑道复杂模型计算,表明垂直聚焦观测方案能够有效探测前方和旁侧存在的不良地质体。     

聚焦电流法隧道超前探测导电纸模拟

为了解决传统直流电法隧道超前探测易受旁侧影响的问题,文章根据侧向测井的电极系布置,研究和提出了三种聚焦电流法隧道超前探测电极布置方式。在导电纸实验中,通过不同的电极排列方式和实验参数设置,研究和分析了聚焦电流法隧道超前探测效果的影响因素及其探测曲线特征。导电纸实验表明：聚焦电流法具有较好的超前探测效果,并且数据处理解释简单。     

矿井电法勘探研究现状与发展趋势

隐蔽地质因素透明化是煤炭智能精准开采和煤矿重大事故防治的关键。煤岩体结构和流体赋存等因素变化均可引起显著的电性变化,奠定了矿井电法勘探的物性基础。30多年来矿井电法勘探在我国煤矿防治水中发挥了关键作用,经过采煤工作面顶底板探测、掘进工作面超前探测、采煤工作面内小构造探测以及矿井电法动态监测几个阶段的发展,产生了一大批标志性的理论、技术与应用成果,并在超前探测理论、方法、技术研究方面均居于国际领先水平。在归纳1980年初以来我国煤炭生产面临的主要水文地质问题的基础上,系统总结了在煤矿生产安全突出问题所处的不同阶段矿井电法勘探技术的发展历程和国内相关单位所做出的重要贡献,聚焦矿井电法勘探研究与应用现状,着重从多源信息融合、工作面透明化与矿井智慧化角度出发分析了矿井电法勘探的发展趋势。认为在实现煤炭智能化精准开采、深地探测以及地下空间开发利用过程中,矿井电法动态监测将成为电法勘探的未来发展方向,矿井电法勘探的应用领域将得到大幅度延伸,其发展前景也会更为广阔。      

基于二极电阻率法的并行电法勘探技术

利用点电场的分布规律和高密度电阻率法的基本思想,从二极直流电法勘探和地震勘探的思路出发,提出了利用1个电极供电,其余电极同步测量的网络电法勘探系统,通过室内数据处理实现高密度电法的二极、温纳三极A、三极B的同步快速测量。该方法极大地缩短了现场数据采集时间,提高了电法勘探的效率。目前,该方法技术已广泛应用于地基勘察、矿井回采工作面导水裂隙带高度探测及矿井出水水源探测等工程实践中。     

基于移动阵列电极的盾构超前探测正演响应分析

针对现有超前探测技术探测空间狭小、电磁干扰严重且难以应用于隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,简称TBM）施工隧道等难题,采用一种基于移动阵列电极的盾构超前探测方法。运用Comsol Multiphysics有限元仿真软件建立地电模型,对不同地质情况进行正演响应分析。结果表明:存在保护电极时,电压分布范围明显扩大,表明探测范围增大,为提高探测效果,有必要添加保护电极;异常体的尺寸、形状、位置改变会影响测量电压分布呈现规律性变化,表明这种方法对异常反应的响应良好;通过移动阵列电极盾构超前探测物理模型实验结果对比证明了基于移动阵列电极的盾构超前探测方法的可行性。      

井地电法不同供电方法对地表电场的影响

为研究线源和点源供电方法的差异,在实验室利用水槽建立物理模型。由于水相对于油层而言呈低阻特征,因此试验中用铜板模拟低阻体,用铜棒模拟线电源供电,铜柱模拟点电源供电,改变低阻体与供电电源的相对位置,测试表面电位的空间分布,从而分析驱油介质(水)的空间分布。实验结果表明,不同的电源供电方法可以表现出不同的电场特性,线电源供电方法对电场的影响较大,对低阻体的识别效果较差,而点电源供电方法用于低阻体的识别和监测效果较好。     

改进的倾斜角法在位场场源边界识别中的应用

位场场源边界识别是位场数据分析解释中的重点内容之一。相邻异常源由于场的叠加而难以区分,尤其是对于叠加异常中不同深度的场源边界的识别。倾斜角法是位场数据处理中常用的边界增强方法之一,能有效突出低振幅、短波长的异常特征。本文基于倾斜角法定义了新的位场边界探测方法,该方法利用倾斜角方程中位场二阶垂直导数与垂向导数水平导数之比进行计算,能有效区分相邻异常源产生的叠加异常,突出叠加异常中不同深度场源的边界特征。通过综合模型和实测数据,并与现有的基于导数的位场边界探测方法进行比较,评价了该方法的应用效果。结果表明,该方法对场源深度的变化不太敏感,它可以更准确地确定场源边界,区分相邻异常源的叠加异常,尤其对密集型组合地质构造的识别有较好的效果,即使是在场源埋深较大情况下,也能突出叠加异常中不太明显的微弱变化的线性异常特征,以及弱异常源的形态特征,可为精细研究局部地质构造提供技术支持。     

水平井和大斜度井中阵列侧向测井响应数值模拟

针对水平井和大斜度井中阵列侧向电极系的工作原理,利用多电场叠加方式进行电场合成,采用三维有限元方法模拟仿真各个分电场的场分布,进而利用电场线性叠加原理得到阵列侧向测井响应。在基于计算机仿真的基础上,得到阵列侧向五条测井曲线的径向探测深度,阵列侧向径向探测深度要小于深侧向探测深度。考察了三维地层模型下井斜和侵入深度变化对阵列侧向测井响应的影响,分析了水平井和大斜度井中阵列侧向测井响应特征。模拟结果表明,在井斜小于15°时,阵列侧向测井响应受井斜影响小,可以不进行井斜校正;井斜超过60°的大斜度井以及水平井中,阵列侧向测井响应视地层厚度逐渐增大,测井响应值与直井条件下响应值差别较大,必须进行井斜校正。     

Probabilistic analysis of responses of cantilever wall-supported excavations in sands considering vertical spatial variability

The influence of vertical spatial variability of sands on the excavation-induced lateral wall deflection and bending moment of excavations supported by cantilever retaining walls is investigated in this paper. Herein, the random finite element method (RFEM) is adopted to explicitly study the effect of one-dimensional spatial variability of internal friction angle of sands on the predicted wall and ground responses. The RFEM analysis consists of three components: (1) finite element method for analyzing lateral wall deflection and bending moment, (2) random field theory implemented with Monte Carlo simulation (MCS), and (3) statistical interpretation of MCS results through confidence intervals. This study reveals the importance of random field modeling in coping with the spatial variability of sands in the problem of supported excavations: (1) neglecting spatial variability of soil property will cause an overestimation of the variation in the predicted wall deflection and bending moment; (2) the estimated probability of failure based on a well-established serviceability limit state may be overestimated or underestimated depending on the chosen limiting lateral wall deflection. This study further investigates the effect of the number of MCS on the confidence intervals of the predicted statistics of the maximum lateral wall deflection and the maximum bending moment. The results also demonstrate that the confidence interval analysis of the predicted statistics of the maximum lateral wall deflection and the maximum bending moment provides a rational tool for interpreting the statistical data from RFEM.     

Derivation of material variability from settlement measurements

In pavement evaluation using non-destructive testing (NDT), a large amount of deflection bowls are analysed in terms of the elastic moduli of the layers. The results are used to evaluate the material variability, which could serve in an overlay design procedure based on the concept of reliability. The model currently used for interpreting deflection bowls is based on the random variable theory which neglects the spatial distribution of the elastic modulus of the material. Since the subgrade and pavement materials have a spatial distribution, the analysis of NDT could lead to an underestimate of the material variability. The random field theory, which is more adequate than the random variable theory, is presented and used to correct the NDT analysis. The pavement is modelled as a multilayer random elastic medium with, for each layer, a constant Poisson's ratio and a random shear modulus characterized by three statistical moments: average value, standard deviation and autocorrelation function. The stochastic integral formulation presented in the previous publications is generalized here for a multilayer system. The multilayer system is analysed with the random field theory and the covariance matrix of the deflection bowl is obtained and used to generate deflection bowls corresponding to the properties of the random field. These bowls are then interpreted with the current procedure and elastic modulus variabilities are computed. It is found that the current procedure for interpreting deflection bowls underestimates the variability of the subgrade, by a factor of 0.4–1.0. It is interesting to note that the average moduli of the Boussinesq layer and of the two layers are not affected by the type of theory used. The variability of the upper layer in the two-layer system is also unaffected for a small variation range.     

电法测量接地电阻计算方法及影响因素仿真分析

采用电法测量时,为提高观测精度和质量,增强电磁耦合抗干扰能力,须合理计算和减小接地电阻。接地电阻可根据电流场性质和导线电阻定义来计算。针对棒状电极,运用MATLAB软件仿真分析其接地电阻随电极半径、入土深度、电极表面附近土壤覆盖距离的变化规律,确定棒状电极的主要尺寸。由于电极尺寸一般相对固定,减小接地电阻主要通过减小电极附近的土壤电阻率和多根电极并联接地。通过仿真分析接地电阻随更换土壤覆盖半径及集合屏蔽效应系数随电极间隔变化规律,指出更换土壤覆盖半径一般取在100~150 cm范围内,电极间隔大于2倍入土深度,此时接地效果最佳。      

直流电场向下延拓的边界积分方程法及其稳定化算法

本文在直流电场中利用边界积分方程建立起延拓面电位同地表电位的关系,同时考虑了观测面上的电位及其法向导数,离散化后得到了一组病态的线性方程组。这里采用菲利普斯—图梅方法使解答稳定,取得了良好的效果     

均匀半空间有限长接地导线源地面电场响应特征

本文分析了导线对可控源音频大地电磁勘探中电场的影响。在分析过程中,将有限长直接地导线源在层状介质中激发的电场的x分量分解为接地电极贡献的传到部分和通电长导线形成的感应部分,分别计算出在均匀半空间条件下,两部分及总电场随频率和收发距的变化规律。通过对计算结果的分析可见：在小收发距时,电场实部在低频区完全由接地电极部分贡献,在高频区由通电导线部分决定;电场虚部在低频区完全由通电导线部分决定,在高频区由接地电极部分和通电导线部分共同决定,且数值近似相等。在大收发距时,电场实部在低频区完全是由接地电极部分贡献,在高频区由接地电极部分和通电导线部分共同决定,且数值近似相等;电场虚部在低频区由通电导线贡献,在高频区由接地电极部分和通电导线部分共同决定,且数值近似相等。从上述分析可以看出,作为大收发距电磁法代表的可控源音频大地电磁法,其观测数据是由接地两端的传导分量和通电导线感应分量组成,并且感应分量贡献与传导贡献相当。由于导线敷设的非直线形,而引发与直导线理论不一致的结果。因此在数据采集工作中,必须考虑导线形状。同时要注意选择合适的收发距和工作频率,尽量把通电导线的影响降到最低。