矿井瞬变电磁法小线圈装置的电磁场响应特征研究

研究小尺寸且方便在井下安装的瞬变电磁法探测装置,可为掘进巷道随掘随探和预报水害提供新思路。基于全空间瞬变电磁理论,采用三维时域有限元法进行数值模拟,探讨了小线圈激励获得的二次场响应特征和磁芯线圈接收的瞬变电磁响应特征。构建巷道掘进工作面前方含水断层地质-地球物理模型,研究了小线圈装置对含水断层的瞬变电磁响应特征,对比分析小线圈与常规线圈超前探测的效果差异。研究表明:小回线源激励产生的感应电动势衰减规律与常规发射线框对应的感应电动势随时间变化规律相同,磁芯线圈能有效地提高感应信号强度;小线圈装置与常规线圈装置探测应用效果良好,可以有效解释低阻区分布范围,探测结果与巷道掘进验证结果吻合。结合井下现场试验,验证了小线圈装置应用于矿井瞬变电磁法超前探测的适用性和有效性。     

矿井全空间瞬变电磁法应用及其消噪研究

 矿井瞬变电磁法是目前开展井下物探的重要手段之一,井下瞬变电磁场呈全空间分布,接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性及相关电磁噪声的综合反映,全空间效应成为矿井瞬变电磁法固有的问题。为降低全空间效应造成的不利噪音干扰,提高信噪比,本文结合矿井全空间瞬变电磁法在临汾某矿巷道超前探水中的实际应用,在相同空间环境下采用多方向对比优化探测方案,建立相应的全空间消噪数学模型,并利用消噪函数对探测数据进行消噪归一化处理。研究结果表明：全空间电磁消噪归一化后,能更加突出探测区域存在的异常差异,进一步提高了探测结果解释的准确性和可靠程度,对井下超前预测及安全生产具有重要的指导意义。     

钻孔瞬变电磁法扫描探测磁芯线圈激励电磁场响应特征

瞬变电磁测井一般采用超小线圈作为发射装置，由于激励产生的瞬变电磁场强度较低，仅能进行钻孔孔壁岩层探测，无法实现钻孔外围径向远距离探测及地质异常体精确定位。基于全空间瞬变电磁场相关理论，提出钻孔瞬变电磁法(BTEM)扫描探测方法，利用磁芯线圈激励电磁场，增强发射磁矩，提高钻孔瞬变电磁法的径向探测距离。同时，通过灵活调整线圈方向，对钻孔孔壁进行360°扫描，实现钻孔径向方向全方位探测，提高钻孔瞬变电磁法对含水地质体的空间分辨率和定位精度。建立钻孔全空间三维地质-地球物理模型，提出优化的网格剖分策略，采用特殊网格结构对钻孔中磁芯线圈进行网格加密及规范化，提高数值模拟精度。采用有限单元法分别计算均匀介质条件下钻孔瞬变电磁法磁芯激励电磁场响应以及含有低阻地质异常体时钻孔瞬变电磁法不同装置探测的瞬变电磁场响应，分析了共面偶极装置及共轴偶极装置以及不同几何参数对应的瞬变电磁场响应特征，采用全空间全区视电阻率计算及时深转换算法进行全空间电阻率成像。研究表明，在钻孔瞬变电磁法超小线圈中加入磁芯可以显著增强电磁场强度，并且增强的幅度与磁芯的直径和长度成正比，相比较而言，增大磁芯长度对电磁场响应的增强作用更...     

深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用

在分析深部采场水文地质特征基础上，采用矿井瞬变电磁探查技术查明深部采场突水构造位置.根据井下巷道的实际应用条件，将瞬变电磁技术应用到井下巷道内进行探测，开发了采用非接触式、多匝数和小回线（边长2 m左右）井下测量装置; 根据瞬变电磁场“烟圈效应”理论，推导出全空间瞬变电磁视电阻率计算公式和由视电阻率-时间曲线计算视电阻率-深度曲线的数学模型，对矿井瞬变电磁探查技术进行了研究;研究出应用于井下探测巷道周围空间不同位置、不同形态突水构造瞬变电磁探测装置、探查技术及资料处理和解释方法.采用矿井瞬变电磁法在多个矿井探测深部采场突水构造进行了实际应用，通过井下注浆或疏放降压钻孔验证，该方法探查深部采场突水构造位置是非常有效的矿井地球物理方法之一.     

瞬变电磁法二次场变化形态对反演视电阻率函数形态变化影响的研究

通过对大量的瞬变电磁法二次场实测信号处理过程的研究,发现微弱的信号变化即影响着单点反演视电阻率函数特性,进而影响到二维视电阻率断面异常形态及位置,而常用中心回线二次场表达式中主要因子表达式为无穷级数,通过对该函数进行Extended Freundlich模型非线性拟合后,可直接代入视电阻率随深度变化的一次导函数,初步得出了视电阻率曲线变化随二次场实测信号变化的基本关系。     

煤矿深部采区岩层富水性短偏移距瞬变电磁法探测

为了解决矿井深部岩层水文地质条件的探测,论文探讨了接地线源短偏移距瞬变电磁法的理论及应用。论文介绍了基于感应涡流场电性源短偏移距瞬变电磁法的基本原理和工作方法,结合某煤矿深部采区岩层富水性探测,分析了测区地层的地球物理特征,在视电阻率和深度精细计算处理的基础上,详细分析了瞬变电磁法采用接地线源短偏移距装置进行大采深岩层富水性探测中的地质效果和可靠性,实现了采用1000m的短偏移距达到1500m的探测深度。研究表明,电性源短偏移距瞬变电磁法在探测深部采区岩层富水性方面具有探测深度大和地质效果好的特点。     

瞬变电磁共中心零磁通线圈研制与试验

基于小尺度共中心线圈的瞬变电磁方法因施工便捷、快速且对低阻体敏感等优点，而被广泛应用于矿山、交通、水利等领域的工程地质探测。但理论与实践表明，该方法实测早延时信号明显失真，所计算的视电阻率值严重偏离实际，从而造成该方法对浅层地电信息的探测能力缺失，存在勘探盲区。为克服该技术缺陷，首先重建了共中心观测方式下仪器记录的瞬变场信号，基于理论分析研究了接收系统暂态过程和一次场对瞬变场观测信号的影响特征。结果表明，接收系统暂态过程和一次场是引起早延时数据失真的2个原因；与前者相比，后者对瞬变场有效分辨时间滞后的影响更大，为关键因素。同时指出在调制接收系统阻尼匹配情况下，进一步消除一次场干扰是减小勘探盲区的有效途径。基于此，考虑到发射线圈内、外磁场极性相反的特点，建立了共中心零磁通线圈的绕制方法，明确采用内、外接收线圈串联的方式可实现接收线圈内一次场总磁通量趋向于零(即零磁通);并通过公式推导，给出了内、外接收线圈匝数比的理论计算方法。现场试验结果表明：(1)内、外接收线圈匝数比的理论值较为可靠，但因线圈绕制存在误差，实际中还需结合线圈实测信号特征进行修正；(2)与中心线圈相比，所绕制的零磁通线圈...     

全空间瞬变电磁法三维正演模拟与现场试验研究

运用Ansoft Maxwell有限元软件模拟井下瞬变电磁法的运用,设计斜阶跃方波脉冲激励,进行瞬态求解,重点研究电流关断前后感应磁场的时空分布与变化规律。三维模拟表明:接收框体电导率大,其中心二次场更强、衰减慢;低阻异常体积大,其二次场影响和分布范围更广、衰减快。在实际应用时,若关断时间过小,早期接收信号可能为接收框感应二次场。若关断时间过大,晚期接收信号仍可能来自于接收框感应二次场。因此,在井下运用瞬变电磁法探测时,其有效探测范围是有限的。相比而言,低阻处浅部盲区小,探测浅;而其它位置盲区大,探测深。     

小回线瞬变电磁法多匝回线电感研究

小回线瞬变电磁法是在山地、隧道、煤矿井下及其他施工布置困难地区广泛应用的一种电磁勘探方法,由于这种方法是通过增加回线的匝数进而增大发射磁偶极矩来增大探测深度及提高抗干扰能力,因此线圈自感和互感影响显得突出。而多匝回线之间的自感和互感影响往往会造成瞬变电磁法测量早期信号严重失真,导致其视电阻率普遍偏低。分析总结了常用矩形线圈和圆形线圈的自感、互感计算公式,分别计算了线圈边长或半径为1～5 m时,相应的自感、互感值及其相对误差,并分析了各种计算公式的适用性,给出了合适的小回线电感计算公式。     

煤层顶板致灾水体井上下双磁源瞬变电磁响应及应用

煤层顶板隐蔽致灾水体是矿井水害之一,矿井瞬变电磁法是探测矿井灾害水源的主要方法之一。由于矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置,发射磁距小,其探测深度不能满足大深度矿井对煤层顶板探测的要求。基于此,提出了井上下双磁源对煤层顶板进行立体探测的新方法。利用有限差分数值模拟技术,对井上(地面)激发,井下巷道接收和井上下双磁源激发,井下接收2种装置瞬变电磁响应进行了对比,结果表明:当顶板含有富水体和不含有富水体时,瞬变电磁响应特征均有明显的差异,主要表现为:在感应电位衰减曲线交叉点左侧,顶板存在含水体时曲线幅值相对较小,而在交叉点右侧幅值相对较大,表明该曲线特征与顶板富水性密切相关。分别采用井上下双磁源激发、巷道接收和井下磁源激发、巷道内接收2种工作方式在某矿进行煤层顶板含水体实际探测,探测结果表明:当煤层顶板富水性较强时,井上下双磁源激发、井下接收与井下激发、井下接收的瞬变电磁响应特征与数值模拟结果一致,交叉点左侧井下单磁源激发的视电阻率值明显低于井上下双磁源激发视电阻率值,而在交叉点右侧情况正好相反;当顶板富水性较弱时,2种情况所测的视电阻率曲线趋势基本一致,实际探测结果与钻孔资料吻合良好,对大深度矿井顶板隐蔽致灾水体的探测提供了一种新的有效探测方法。     

瞬变电磁水平分量视电阻率定义

为了将瞬变电磁水平分量转化成电阻率参数,实现瞬变电磁水平分量视电阻率定义,对不同偏移距下大定源回线瞬变电磁场水平分量响应进行了数值计算和分析,得出水平分量具有与中心点垂直分量相似的函数形态和函数性质,据此,水平分量可以用与中心点垂直分量类似的多项式进行拟合,从而得到多项式形式的感应电动势表达式。根据瞬变电磁晚期近似条件,用水平分量的拟合多项式,定义相应的晚期视电阻率表达式,从而实现水平分量响应到地下介质电阻率参数的转化。通过对模型的计算可知,上述方法可行,结果正确;通过对实测数据的解释可知,水平分量不仅具有纵向分辨力,也具有较好的横向分辨率。     

中心回线瞬变电磁测深能力分析

为了了解中心回线瞬变电磁法的测深能力,建立了4个不同的地电模型,运用CST软件进行了数值模拟,模拟了低阻均匀薄层周围磁场的空间分布规律,并对不同埋深下低阻均匀薄层的感应电动势曲线进行对比分析。数值模拟结果表明中心回线瞬变电磁法在数百米深度范围内具有明显的异常特征,埋深越浅,异常的幅值越大。仿真结果很好地反映了低阻薄层异常体的存在。     

矿井瞬变电磁金属干扰响应特征与校正方法

为了消除巷道内金属干扰对矿井瞬变电磁探测的影响,以常见的铁轨干扰源为例,采用井下实验方法系统分析了铁轨影响下不同距离、不同方向和不同探测模式等情况的瞬变电磁响应特征和影响规律,发现铁轨的存在导致感应电动势幅值增大,且不同情况的探测响应差异较大。通过计算有无干扰的归一化感应电动势比值得到各时间窗的校正系数,在其基础上提出拟合函数校正法,并将其应用到某煤矿工作面顶板探测中。实际应用结果表明:基于拟合函数的校正方法能够较好的剔除干扰异常,准确反映煤层顶板含水异常区的范围和赋水程度,明显提高金属干扰下矿井瞬变电磁探测含水异常区的准确性。     

基于LBA-BP的矿井瞬变电磁法岩层富水性的定量预测研究

作为巷道超前探测主要方法的矿井瞬变电磁法,目前仅能通过视电阻率来定性评价掘进工作面前方岩层富水性相对强弱。为了实现岩层富水性的定量预测,依据阿尔奇公式建立掘进工作面前方岩层富水性不均匀的数学模型,通过全空间三维时域有限差分(FDTD)数值模拟结果提取预测所用特征,根据所选特征与岩层富水性相关的地质参数确定富水性预测神经网络的结构。采用具有Lévy飞行特征的蝙蝠算法优化BP神经网络(LBA-BP)进行了富水性预测的仿真测试和现场试验。在仿真测试中,为接近实际情况,在数值模拟结果中加入了不同程度的噪声,对比测试结果发现尽管预测误差随噪声的增大而明显波动,但岩层孔隙度和含水饱和度预测的均方误差均不超过1%,预测准确度处在一个较高的水平。在现场试验中,根据现场地质资料划分富水性评价分级标准,由预测结果和视电阻率解释结果可以看出,LBA-BP预测方法对巷道前方岩层富水性的预测准确度要明显优于常规视电阻率解释方法。研究结果表明:感应电动势、采样时间、视电阻率、探测距离和对数坐标下的感应电动势衰减速率可作为岩层富水性预测所用特征,LBA-BP方法结合相应特征可以实现岩层富水性定量预测,提高了矿井瞬变电磁法对岩层富水性的解释精度。     

矿井全空间三维主轴各向异性介质瞬变电磁场响应特征研究

研究瞬变电磁场中的电性各向异性问题,可以为各向异性条件下的地下全空间瞬变电磁法资料处理解释工作提供理论指导,对提高瞬变电磁法探测精度具有重要意义。为了研究矿井全空间条件下主轴各向异性介质的瞬变电磁场响应特征,采用改进的交错网格有限差分方法实现了主轴各向异性介质的瞬变电磁场三维正演。将电导率张量加入麦克斯韦方程组,对Yee氏交错网格进行了改进以便于对主轴各向异性介质中的瞬变电磁场进行差分离散处理,形成了全空间三维主轴各向异性有限差分正演算法。在均匀全空间模型中对比各向异性有限差分数值解及均匀全空间解析解,验证了算法的正确性。建立了不同各向异性类型和不同各向异性对称主轴姿态模型,分别计算了其瞬变电磁场响应,最后结合工程探测实例,通过正演模拟分析了不同主轴各向异性介质对瞬变电磁场的影响特征,解释了探测结果存在偏差的原因。研究表明:在矿井超前探测模式下,对于HTI-X介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场的影响不明显,不同各向异性系数条件下的感应电动势曲线差异较小;对于HTI-Y介质和VTI介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场有明显的影响,随着介质各向异性系数增大,介质瞬变电磁场响应不断变小;随着各向异性介质对称主轴方向与探测方向之间夹角的增大,各向异性介质产生的瞬变电磁场响应不断增大,当对称主轴方向与探测方向一致时(HTI-X介质),各向异性介质产生的感应电动势最弱,而对称主轴方向与探测方向垂直时(VTI介质),各向异性介质产生的感应电动势最强;不同类型的主轴各向异性介质具有明显的各向异性瞬变电磁场响应特征。     

巷道核磁共振方法超前探测距离影响因素分析

在煤矿的开采过程中，巷道突水事故严重地威胁着人民的生命和财产安全。核磁共振技术由于具有直接找水的特点，被我国一些专家学者提出将其应用于巷道的超前探水工作之中。但是，由于巷道核磁共振超前探测方法与传统的地面核磁共振方法(SNMR)相比，其施工环境和线圈装置都发生了巨大的变化，许多方法技术、理论，包括探测的距离都需要重新作一定的分析。根据核磁共振超前探测方法的特点，分析讨论了地磁场强度、地磁倾角、地层电阻率、巷道方向、线圈参数等自然和人为控制因素对超前探测距离的影响。研究结果表明，探测距离会因地理位置不同而出现较大的变化。电阻率值虽然对超前探测的距离有较大的影响，但主要集中在电阻率极低区域，当电阻率值大于100 Ω· m时，地层电阻率的变化对探测距离的影响并不明显。巷道的朝向不同虽然会影响核磁共振激发场的垂直磁场分布形态，但是由于大脉冲矩时较远区域的一维核函数值相差不大，所以不同的巷道方向对于探测距离的影响并不大。最后，通过引入线圈的有效面积概念，把线圈大小和匝数对探测距离的影响简化为有效面积对探测距离的影响。只要保持激发和接收线圈的有效面积相等，超前探测距离就不会发生改变。     

瞬变电磁法探测断层构造的有效性分析

为了研究瞬变电磁法探测断层构造的有效性,以典型的K型、H型层状模型为基础,建立了不同断距断层构造的理论模型,分析了不同断距条件下瞬变电磁的响应特征.发现当断层构造存在时,瞬变电磁晚期视电阻率断面表现为连续渐变电性变化规律:在上升盘区域,中间层层厚变大,异常幅值增强;在断层带附近,表现为层厚变薄,电阻率异常幅值减弱;在下...     

高强度超长推进距离工作面双巷布置沿空掘巷机理

为综合解决超长推进距离工作面双巷布置回采率低、二次采动巷道维护困难与沿空掘巷需要跳采等几个问题,提出了"一种超长推进距离工作面的沿空掘巷开采方法",并确定了其应用的几个关键参数;采用理论分析与现场实测两种方法,确定在距采空区12 m的位置布置沿空掘巷,掘进工作面滞后本回采工作面距离不小于1 200 m,超前下一回采工作面不小于190 m,即可避免采-掘-采之间的相互干扰;结合实际工程背景条件下,确定原双巷布置留40 m煤柱,二次采动影响巷道会出现大变形与破坏,无法满足生产要求,而采用沿空掘巷技术在保证使用要求的前提下,单个工作面即可取得巨大的经济效益。研究结论可为具有类似地质与开采技术条件的矿井提供一定的借鉴。     

隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法物理模拟试验研究

隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法是在隧(巷)道超前钻孔的基础上,将接收传感器置于钻孔之中,沿钻孔不同深度进行测量,形成瞬变电磁响应的深度-时间剖面曲线,进而判定掘进工作面前方是否存在含水构造。物理模拟试验显示:在使用较小发送磁矩情况下,深部很难观测到有效信号;使用较大发送磁矩激发时,晚期时间和深部会出现感应电压方向反号的现象,利于判断异常体的存在,且掘进工作面前方存在高阻或低阻目标时观测曲线在幅值和方向反号时间上均存在明显差异,可以判断掘进工作面前方是否存在异常构造。该方法利用已有钻孔开展探测,不需要增加额外成本,可提高判定灾害源是否存在的精度。     

地面-巷道直流电阻率法探测技术

针对目前直流电阻率法在巷道及工作面周围隐蔽致灾源精细探测方面不足这一现状,结合地面和矿井直流电法工作特点,提出在地面布设场源,巷道内进行接收的地面-巷道直流电阻率法探测技术。在对地面-巷道直流电阻率法基本原理和观测系统设计原则介绍的基础上,分析了偶极源电场及不同深度归一化电位差曲线分布特征。根据煤系地层典型地质构造地电特征建立数值模型,计算结果表明：地面-巷道相比于地面和矿井直流电阻率法具有更高的探测精度,且以对低阻异常体探测效果最为明显;提出采用调节偶极距观测异常幅值变化规律快速确定隐蔽致灾源空间位置的方法。实际应用效果表明,地面-巷道直流电阻率法可有效解决巷道及工作面周围隐蔽致灾源全方位探测难题,指出其场源与观测系统相分离的布测方式在矿井、交通、水利等工程地质灾害预测、预报方面应用前景广阔。