串联电极法聚焦电流隧道前探效果的仿真分析

目前BEAM聚焦电流法隧道超前探测的研究取得了一些进展,但由于隧道施工的复杂性,该技术的运用存在一定的局限性。这里在BEAM系统特点的基础上,结合三电极侧向测井方法,提出一种电流串联法系统,可实现动态掘进过程中的地质体视电阻高速、高精度测量。通过仿真比较BEAM系统方法与电流串联法系统,可以看出,两种方法对于异常体的探测灵敏度基本相同。     

基于光纤电流传感的BEAM隧道超前地质预报方法

在BEAM综合法的实施中,护盾与刀盘之间较小的接触电阻使得探测电流和屏蔽电流失去隔离,产生泄露电流。实验表明,泄露电流会导致视电阻计算精度的降低,致使隧道超前地质预报产生漏报。为消除泄露电流对超前地质预报造成的不良影响,提出了基于光纤电流传感的BEAM隧道超前地质预报方法,通过在主轴承外缘安装光纤电流传感器,测出分布于主轴承内部的接触电流的大小,消除了它对视电阻测量的影响。实验证实,与BEAM综合法相比,本方法排除了泄露电流的干扰,提高了探测精度。     

地～井方位激电(IP)人机交互解释软件开发及应用

基于MSR(Modified Sparse Row)非零元素存储和SSOR-PCG方程求解技术,编制了三维IP的有限元法快速正演程序,在此基础上,利用Delphi等开发了可视化地～井方位IP人机交互解释软件。在地～井方位IP的数据解释中,遵循"先井口,后其他方位"的分析方法,先通过井口方位观测曲线初步断定异常体的电性特征、大致埋深和倾向;然后对比分析其它方位曲线的异常特征,推断出异常的赋存方位。对于异常复杂情况,该软件可利用测井数据、钻孔柱状图等,形成分层背景,通过差值法和比值法数据预处理技术以突出井旁异常,提高异常分辨能力。实测数据的解释结果表明,针对地～井方位IP观测数据量少,充分利用测井、钻孔等信息,用人机交互正演拟合反演方式解释是可行的。     

基于高分辨直流电法的隧道超前地质预报异常探测研究

采用高分辨直流电法,对隧道不同空间位置的不良地质体探测异常特征进行了数值试验,并结合物理模型试验进行了分析研究。介绍了高分辨直流电法隧道超前探测机制和有限元求解原理;通过建立有限单元模型,对含隧道空腔全空间点源场的电位分布进行了数值试验,分析了不同地电条件下隧道不良地质体的视电阻率曲线形态特征;结合物理模型试验结果,对隧道不同空间位置的不良地质体探测进行了模拟试验。结果表明:在隧道空间内采用高分辨直流电法对围岩进行不良地质体的探测具有空间选择性,仅从GU或视电阻率曲线难以判断隧道掌子面前方的不良地质体,但对位于隧道底板或侧帮的不良地质体探测效果较好。研究成果对利用高分辨直流电法应用于隧道不良地质异常体的超前地质预报选择以及适用性具有一定的参考意义。     

直流聚焦超前探测影响因素及水槽模拟实验

采用基于异常电位法的三维有限元数值模拟方法,对影响直流聚焦超前探测效果的各种因素进行了数值计算,以异常幅度大于三倍均方误差为标准,对各种影响因素是否忽略进行了判定。结果表明,距离隧道轴线6m之外的旁侧异常体对超前探测效果影响很小,坑道后方的金属体对超前探测效果几乎没有影响,坑道正前方水体灾害的规模大小对聚焦电流法超前探测距离的确定影响较大。最后制作隧道空腔模型进行水槽模拟实验,该实验验证了九极聚焦法的实际可行性,并且其探测效果明显优于传统的单极装置。     

激电中梯装置测量长方异常体的三维正演模拟及启示

激电扫面实际测量时,由于测线布设方位和地下地质异常体的走向不尽一致,从而导致测量结果不同,给物探异常的解释带来了困难,甚至会引起误导,因此这里利用数值模拟方法,计算了激电中间梯度法测量条件下二度异常体在不同方位测量条件下的三维响应规律。首先实现了有限单元法三维正演的公式推导及其数值解求解;其次通过一维模型计算了数值解和解析解的误差,验证了本文中理论计算方法的有效性;最后设计了三维模型进行了理论计算,发现了激电中间梯度装置条件下二度异常体的走向和测量剖面方向成不同夹角时的面上响应规律。研究结果表明:随着两者夹角的增加,激电异常体的规模和形态逐渐与设计异常体一致,且两者夹角在60°~90°之间探测的实测数据较为可信。     

矿井孔中瞬变电磁探测异常响应特征模拟

为了解决常规矿井瞬变电磁超前探测方法受矿井外界干扰影响较大,异常体探测定位不精确的问题,提出一种在井下钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法,对接收线圈所处水平面不同位置、异常体不同方位的异常响应特征进行数值模拟。分析钻孔瞬变电磁探测原理,进行钻孔发射线圈与接收线圈的试验设计以及施工设计,对均匀全空间模型、均匀全空间异常体模型、异常体位于钻孔不同方位的三分量异常场响应特征进行系统分析。在低阻异常体与线圈垂直时,X分量、Y分量、Z分量异常响应最大,随着低阻异常体逐渐平行于接收线圈法向,异常响应逐渐减小,当低阻异常体完全平行于接收线圈法向时,X分量、Y分量、Z分量异常响应最小。通过以上认识,可以根据钻孔径向不同象限位置的异常场三分量组合形态不同,判断异常体所在钻孔的方位。在以钻孔钻进方向为Z轴正方向,以孔口所在平面右向为X轴正方向,下向为Y轴正方向的坐标系下,钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“近似正弦曲线”或“近似反向正弦曲线”形态,通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限。通过这样的规律,可分析三维空间条件下异常体的空间位置及赋存状态。通过钻孔瞬变电磁超前探测异常响应特征的分析,可...     

巷道瞬变电磁超前探测波场成像技术

传统瞬变电磁技术存在体积效应,仅能确定含水异常体的方位,难以对含水异常体的边界进行精确探测。针对煤矿井下巷道掘进超前探测特点,基于瞬变电磁法波场变换方法,形成了巷道超前探测波场成像技术,并结合某矿巷道掘进超前探测工程,利用波场成像技术对超前探测数据进行处理,较为准确地确定了含水异常体的边界。结果表明,同传统数据处理结果相比,巷道瞬变电磁超前探测波场成像技术能够确定含水异常体边界,波场曲线幅值与出水位置对应较好,含水异常体边界位置同波场成像结果更为吻合。     

基于改进残差法的定向钻孔雷达三维成像算法

钻孔雷达是探地雷达的一种。传统的钻孔雷达可以确定目标地质体的深度,却无法判定目标地质体的精确方位;定向钻孔雷达不仅可以确定目标地质体的深度,还可以精确地确定目标地质体的方位。本文研究的定向钻孔雷达包括1个发射天线和4个接收天线。本研究通过增加移动窗口,进行窗口内的方位识别计算来实现残差法的改进。传统的残差法只能对一个目标进行方位识别;改进后的残差法可对井眼周围任意多个目标进行方位识别,并且利用4个接收天线所接收到波形的不同来确定目标地质体的精确方位,并开发了三维成像算法。最终利用模型得到合成数据,求得方位角,结合方位角进行三维成像,三维成像结果中井眼的正东方向和正南方向都有一个明显的异常,与原模型吻合良好。     

三分量地-孔瞬变电磁法积水采空区探测试验

孔中物探方法是近几年行业研究的热点,考虑到金属矿上应用较成熟的地-孔瞬变电磁法具有径向探测距离远,数据信号不易受地面电磁干扰影响等特点,将其应用到煤矿积水采空区探查领域。采用三维时域有限差分算法对钻孔不同方位的积水采空区模型的总场响应、异常响应进行了数值模拟,总场三分量对积水采空区反映明显,异常场三分量形态组合能判别异常体的方位。采用等效涡流原理,研究了利用异常场三分量来反演异常体的位置、倾角和规模等参数的空间定位算法。通过不同方位的理论模型测试,不同时刻的反演等效电流环大小、位置的组合能反应含水采空区的空间位置及规模。最后在陕北某矿针对已知含水采空区开展地-孔瞬变电磁法探测试验,采集的三分量信号光滑可靠,且异常反应明显,并对不同时刻的异常场三分量数据进行反演处理,反演结果与实际采空区位置和规模基本一致,证明该方法可作为煤矿钻孔中探查积水采空区的有效手段。      

直线型台阵微动技术在隧道勘察中的应用研究

微动探测技术具有高效、无损、环保、经济效益好等特点，为克服传统微动技术的不足，通过开发软件，不断优化迭代解译算法、外业工作流程等措施，开发出一套新型微动探测系统，提高了微动技术使用范围和解译精度。该技术是基于拓展空间自相关(ESPAC)和H/V谱比法的理论算法，采用直线型台阵滚动重复采集方式，得到相速度、H/V谱比值、峰值频率等核心参数，经过综合分析，能够快捷、直观地获取异常体的地空间分布信息，从而配合地质测绘与钻探查明隧道工程沿线场地工程地质条件，为线路设计与施工提供必要的工程地质资料。这里以某隧道勘察为例，运用直线型台阵微动技术和高密度电法等综合物探方法，结合地质情况对该隧道异常体进行了解释推断，划分了若干异常带和岩性接触带，结论与钻孔、现场地质调绘相符合。理论和实践表明，直线型台阵微动技术在隧道勘察中取得较好的效果，可推广应用。     

地—井瞬变电磁三维响应特征分析与异常体快速定位方法研究

通过对含异常体的三维地电模型进行系统正演和分析,提出了一种地—井瞬变电磁异常体快速定位方法.在对含异常体的三维地电模型进行正演响应规律分析时发现:纯异常场的X、Y分量曲线零点以及Z分量曲线的极值点与异常体深度对应较好;当异常体的规模、电阻率、埋深发生改变时,X、Y分量曲线形态基本不变;当异常体方位发生变化时,X、Y分量...     

探地雷达隧道衬砌病害检测正演模拟及应用

随着经济地发展,基础设施也得到了快速地发展,而隧道衬砌病害检测也受到越来越多的重视,探地雷达作为一种无损检测方法,在隧道衬砌检测中的应用十分广泛,且效率高、效果好。这里依据探地雷达的基本原理,基于时域有限差分正演模拟了隧道衬砌中含不同异常体的雷达图像特征。根据正演计算了空洞的尺寸,与理论模型对比验证了其准确性,并与实际检测图像作对比分析了隧道中病害的图像特征,为隧道衬砌病害识别提供借鉴。     

层状介质背景下地-井方位激电异常分析与解释

为了更好地探究层状介质背景下井旁隐伏矿体的地-井方位激电异常特征,首先研究了地-井三维激电的有限元正演模拟算法,并编制了程序;然后构建三维地电模型并进行正演模拟,讨论层状介质背景下地-井方位激电异常,并分析其异常特征规律;最后通过比值法归一化压制层状介质背景,突出局部异常。理论和算例表明,比值法归一化处理是地-井方位激电观测中消除层状介质背景异常影响的有效方法。     

基于非结构有限元的电阻率超前探测中旁侧异常影响特征研究

为了进一步探究旁侧异常体在巷道电阻率超前探测中的影响规律,提高探测精度,采用基于对偶加权后验误差估计的自适应非结构有限元法进行三维正演研究。首先通过无限大垂直板状体模型验证了该方法在超前探测模拟中的适用性和准确性,建立无旁侧异常体模型模拟巷道中的超前探测响应;然后分别对高低阻旁侧异常体的方位、与巷道h和掌子面的距离、巷道大小、不同供电和接收方式以及在多层介质中对超前探测的影响进行了数值模拟。结果表明：巷道前方异常体的实际位置可由异常曲线极值推断出;高低阻旁侧异常体的响应总体上不会掩盖巷道前方的异常响应特征,但会使对应范围内的异常曲线出现凸形或凹形畸变,畸变位置与实际位置相符合;巷道空腔的存在加强了底板异常响应,不同巷道大小对顶板异常影响不同,总体上不会影响巷道前方的异常响应;多层地层中,异常响应曲线仍能反映出旁侧异常体的实际位置,巷道前方的异常响应特征是否会被掩盖要视各层电阻率大小情况而定。干扰异常的辨别需要结合实际进一步开展研究。     

基于异常场的地-井瞬变电磁法正演研究

在地-井瞬变电磁正演模拟中,前人均以总场为研究对象,分析响应特征。此次选择地-井瞬变电磁异常场为研究对象,对单异常体和多异常体以及在"定源异井"和"动源定井"两种观测方式下典型地电模型进行地-井瞬变电磁法三维正演模拟。首先推导了二次磁场的扩散方程,并用有限差分法进行数值计算。通过分析以地-井瞬变电磁异常场为研究对象,认为异常场能反映目标体空间几何位置参数。研究结果表明:在不同钻孔中接收的异常响应随时间推移而衰减减弱,但异常变化特征保持不变;在不同方位布置场源得到的异常响应差异明显,根据其测量结果可判定异常体空间位置信息。最后总结影响地-井瞬变电磁异常的主要因素有:目标体的埋藏深度、目标体与钻孔之间的耦合关系以及场源的位置关系。研究结果为相关资料解释提供理论参考。     

非穿透体和起伏地表模型的FMM走时计算

在隧道或巷道工程地震超前探测中较常用偏移成像技术,计算地震射线走时是该技术的核心部分。由于在近似地下全空间区域内成像,隧道或巷道、空洞、采空区等非穿透体对地震波走时计算有较大影响。为此,文中发展了基于FMM(fast marching method)的含非穿透体的走时算法。该算法采用非穿透体区域标记法,当FMM窄带区在计算到非穿透体时会自动避开或绕过,使得波前推进更加符合实际传播情况。这种算法也适用于起伏地表模型,只需要将起伏地表以上区域也作为非穿透体来对待。因而,新算法可以同时处理含有起伏地表的模型。改进的算法与常规算法相比只是增加了标记点,保持了FMM的计算精度和效率。理论模型试验表明,改进的算法能够较准确地计算走时,对复杂异常体的适应性较强,而且有很好的稳定性。     

基于插值切割法的水下磁性物体深度反演

为解决水下磁性物体深度反演偏差大的问题,本文采用了改进的八方位插值切割法进行水下磁性物体的深度反演,研究结果表明：当异常幅值首次达到极小值时,此时对应的切割半径就是磁性物体的埋深值,经过打捞对比发现,八方位插值切割法在磁性体深度反演方面精度更高,并且收敛性也较好。     

磁总场梯度数据三维反演方法及应用

磁总场三方位梯度数据相对于总场数据包含更丰富的异常信息,将梯度数据应用于三维磁化率反演中,可以更准确地描述异常体。本文采用最小模型结构反演方法进行三维磁化率反演成像,并采用对数障碍法对磁化率的反演取值范围进行约束。通过模型试验,对磁总场异常数据及其三轴梯度数据进行单独反演、联合反演,结果表明三轴梯度联合反演结果可以更好地刻画异常体形态,更有效地分辨邻近异常体,反演物性更合乎实际。将此反演技术应用于大冶铁矿高精度航磁数据反演解释,取得了较好的应用效果。     

长极距定源建场法超前预报掘进工程隐患

巷道或隧道掌子面超前预测预报,受空间限制和现场电干扰等诸多因素的影响,难以获得信噪比高的电位数据。将长极距定源建场法用于地下掘进工程超前预报,在AB电极中间段,掘进掌子面前方的电阻率或极化率异常地质体都会使近似均匀电流场发生扰动,形成电场或激发极化率异常,从而使这种预报方法对掌子面前方或附近异常体具有一定的分辨能力。这一超前预报方法克服了电法仪器需要在巷道内供电所带来的诸多不便,适用于煤矿等生产矿山以及交通、水利水电等掘进工程领域超前预报。