利用钻孔雷达探测煤矿井下顶底板界面的数值模拟研究

为了更好地在实际生产中识别煤层顶底板位置和对采掘有威胁的地质构造,验证钻孔雷达在煤矿井下探测的有效性,笔者根据时间域有限差分原理,基于gprMax2D软件对煤矿井下钻孔雷达数据进行了模拟。建立了多频多煤层厚度的水平钻孔模型、多倾角下的倾斜钻孔模型、正断层模型、裂隙带模型、陷落柱模型和夹矸模型并得到相应数值模拟结果。结果表明,钻孔雷达能够识别顶底板位置并有效发现异常地质体;雷达中心频率在50～600 MHz时能够得到较好的探测结果且分辨率随频率升高而升高;斜钻孔对于顶底板识别影响较小;断层、裂隙带、陷落柱和夹矸等在数值结果中显示出了各自的特点,这些特点在实际生产中可为雷达剖面解释提供参照。总体上看,利用钻孔雷达对煤矿井下顶底板界面和特殊构造进行探测是可行的。     

基于多频钻孔声呐的溶洞探测方法研究

地下溶洞的形态及大小特征对该区域地质结构的稳定性计算和评价具有重要意义,而目前所使用的钻孔声呐法通用性低,很难同时满足探测精度和探测广度的需求。为此,在传统钻孔声呐法的基础上,提出了一种基于多频钻孔声呐的溶洞探测方法。该方法在考虑了不同频率对实际探测对象贡献大小的基础上,合成了多种频率的探测数据,有效解决了探测尺度和探测精度之间对立的问题。首先,推导了探测系统的最佳频率表达式,为优先和更大程度上体现不同频率对探测结果分析的影响提供基本参数,并构建了频率影响因子参数来描述固有频率与最佳频率之间的偏离程度;然后,在叠加了频率影响因子的基础上,综合合成了多种探测频率的探测数据,采用改进的频谱测距法完成了探测对象的精确测定;最后,在附加深度以及方位信息之后,实现了溶洞腔体形态的立体重建;并将该方法应用到了实际工程中,验证了方法的可行性和准确性。     

钻孔雷达在探测井下煤层顶底板界面中的应用

在煤矿生产中,准确判断煤层顶底板位置、识别对采掘安全存在威胁的地质构造是保障煤矿安全生产的重要举措。为此,提出一种针对煤层顶底板探测的方法技术,包括基于工作面的煤矿井下钻孔雷达探测方法和数据处理流程,并将其应用于实际工作。首先,对采集自新元煤矿某工作面钻孔内的实测钻孔雷达数据进行零时刻校正、直流消除、带通滤波、去直达波、增益等处理,实现了雷达剖面的去噪和增强;然后,通过速度拾取、反射面提取、绕射叠加偏移和时深转换、翻转拼接和钻孔轨迹校正等一系列处理解释,实现了对煤矿井下煤层顶底板位置的拾取和显示。该技术的提出为煤矿安全运营提供了一种有效手段,具有推广价值。     

俯伪斜分段密集采煤法三维有限元数值模拟研究

俯伪斜分段密集采煤法,作为一种较新的采煤方法,在我国技术上还不很成熟,因此,首次针对京煤集团木城涧矿大台井的地质条件和赋煤状况,通过简化建立三维立体有限元模型,模拟计算了该矿煤层顶底板在开采前后运动变化情况。结果表明:煤层倾角、推采距离和开采巷道数三者是影响煤层顶底板运动规律的重要因素,得到了表征顶底板运动规律的顶底板法向最大应力和法向最大位移与三影响因素关系曲线,详细阐述了三影响因素下的煤层顶底板运动规律;同时,对现场开采中支撑压力大小,特别是在三影响因素下,超前支撑压力的作用范围与应力峰值位置进行了数值计算,并总结了其影响规律;最后,指出了该数值分析方法对现场开采将具有十分重要的应用价值和指导意义。     

矿井电穿透方法技术的研究

通过研究工作面两巷道间电穿透建场理论和方法技术,优化出单极—偶极法等6种电穿透技术,用于探测工作面顶底板内的电性变化;煤层偶极—偶极法用于探测工作面煤层内的电性变化,为分别探测工作面顶底板内和煤层内的含、导水构造提供了一套新技术。      

基于探地雷达单道信号处理的岩溶分析方法

探地雷达（GPR）作为岩溶隧道超前地质预报的主要手段广泛运用于隧道岩溶探测,但GPR自带分析软件所得时间剖面图只能进行岩溶定性分析,无法较准确地确定岩溶的位置、大小和形状。基于此,提出一种基于GPR原始数据的单道信号计算岩溶位置和大小的方法。具体做法主要包括：先用地质雷达自带分析软件确定岩溶位于哪几道信号上,再将这几道信号的数据利用自编程序提取并作Hilbert函数变换,绘出信号的瞬时振幅、相位和频率图（三瞬图）,根据每道三瞬图图像突变的位置确定岩溶的起、终点,最后联合各道计算结果确定岩溶的位置、大小和形状。上述方法在赣龙铁路中复隧道DK189+135、DK189+75断面岩溶探测中得到了成功运用。实践证明,该方法能较准确地确定岩溶的位置、大小和形状,是基于探地雷达探测岩溶分析的可行方法。     

高阻溶洞上高密度电法与高密度联合剖面法异常响应特征研究

为探讨高密度电法与联合剖面法寻找高阻溶洞的效果,利用水槽模型试验及野外现场实测方法,总结了高密度电法常用排列方式、不同成图方法在高阻溶洞上的异常响应特征,讨论了异常体地表投影位置及中心埋深的确定方法。提出探测高阻溶洞采用高密度电法温纳排列（α1）、β排列和高密度联合剖面三种方法的最佳组合方法。     

薄板磁性体磁测资料的一种解释方法

本文提出一种根据磁测资料直接计算薄板磁性体顶端和底端位置的方法.这种方法的基本思想是:将二维磁场展成泰勒级数,泰勒级数中的系数与磁性体的端点位置有关.根据实测资料求出泰勒级数的系数后,就能算出端点的位置.     

顺煤层钻进随钻方位电磁波顶底板探测影响因素

针对煤矿井下水平井钻探中顶底板界面探测精度差、效率低等问题,进行煤矿井下防爆型随钻方位电磁波测井仪方案设计。为适合井下煤层工作环境,通过正演模拟获得源距、发射频率、线圈安装角度等仪器参数对信号响应影响的变化规律。研究结果表明:随钻方位电磁波仪器接收信号强度随发射频率、线圈距、地层电阻率对比度的增大而增强;线圈安装倾角约为45°时,既满足接收信号灵敏性,也满足信号的强度;仪器最佳工作频段为100 kHz~1 MHz。通过随钻方位电磁波测井仪响应模拟研究,为适用于煤矿井下仪器的参数优化设计提供选择依据,掌握了煤岩顶底板界面响应变化规律,该仪器的应用将提高顶底板探测精度和探测效率。      

煤矿井下定向钻孔中电阻率探测技术与应用

受高瓦斯/承压奥灰水威胁的工作面开采前,一般采取定向钻进技术在工作面底板开展压裂或注浆工程保障开采安全。利用底板定向钻孔开展孔中探测工作,可更加精细揭露工作面内隐伏构造,还可实现“一孔多用”。为解决定向钻孔内的探测问题,提出一种在水平定向钻孔中进行直流电阻率法探查的方法。定向钻孔施工完毕后,退出定向钻孔施工的通缆钻杆,送入内平钻杆,将孔中高密度电缆通过钻杆尾端特制水便送入钻孔,使孔中电缆平铺于钻孔中,在定向钻孔水平段,进行孔内直流电阻率法径向探测。在理论上通过数值模拟研究层状介质下单孔测量工作模式的接收信号衰减规律、视电阻率曲线变化特征、顶底板岩性对测量结果的影响等,并采用单孔测量数据对孔旁异常范围进行反演定位。数值模拟研究表明,孔中电阻率探测方法对隐伏的异常体有良好的探测效果。通过在陕西韩城某矿井下实际煤层底板探测试验,对研究区2个定向抽采钻孔孔中探测数据进行处理,反演结果异常区与工作面内隐伏小断层位置吻合,验证了定向钻孔中电缆布置的可行性和定向钻孔内通过孔内径向和孔间透视探测隐伏构造的可靠性。      

基于变分模态分解算法的探地雷达信号去噪研究

探地雷达信号属于非平稳信号,容易受到干扰噪声影响导致探测能力降低.为了消除雷达信号的噪声,经验模态分解(EMD)、总体经验模态分解(EEMD)和完全总体经验模态分解(CEEMD)等方法被应用到雷达数据处理中.EMD虽然不断被改进,但仍存在一些不足,例如容易受到噪声干扰,存在模态混叠现象,依赖经验性等问题.因此笔者采用变...     

深井复合顶板条件下沿空留巷充填体水平方向稳定性分析

针对深井沿空留巷充填体常向巷道空间发生移动,分析深井复合顶板条件下充填体水平位移特征,计算顶底板对充填体的摩擦力和基于弹性地基梁理论下的采空区冒落矸石对充填体的水平挤压力。基于淮南矿区顾桥矿1115（1）工作面轨道顺槽典型深井复合顶板条件下沿空留巷工程地质条件,建立充填体力学计算模型,得到深井复合顶板条件下沿空留巷充填体内移表达式。结果表明,（1）由于复合顶板裂隙发育,垮落后具有较好的流动性,在关键块旋转下沉过程中容易对充填体产生水平挤压力,且复合顶板能够较大程度吸收关键块旋转下沉施加的给定变形,底板不易插底,充填体更易发生内移;（2）理论计算充填体位移量为0.38 m,实测位移量为0.5 m,二者能够吻合,验证了研究成果的正确性。根据充填体内移特点,提出抗剪锚杆等措施增加充填体和顶底板摩擦因数和在靠近充填体的采空区侧设置隔离桩的控制技术。     

拟声波反演技术在识别煤层顶底板砂泥岩中的应用

当煤层顶底板为泥岩时,其煤层气含量一般较高。为预测煤层气富集区,通过地震资料和测井数据分析,基于纵波阻抗反演和拟声波阻抗反演技术的方法获得煤层顶底板位置和砂泥岩的分布规律,为煤层气勘探开发提供依据。首先由于煤层纵波阻抗值很低,可在纵波阻抗反演剖面中准确获得煤层顶底板位置;其次利用自然伽马曲线构建拟声波曲线,在横向连续性强的拟声波阻抗反演剖面中,由于泥岩表现为拟声波阻抗高值,砂岩表现为低值,可通过数据分析得到砂泥岩值域范围;最后可以此为依据进行精细划分。实际应用表明,这种方法比传统纵波阻抗反演方法效果更好,分辨率更高。     

城市闹市区物探技术和岩溶探查的进展及隧道施工时岩爆预报技术的突破

在城市闹市区的物探工作受到人、车等的振动和地电、电磁波的强烈干扰,因此目前物探难以在地铁及其他城市勘查中做面积性工作。陆地声呐法和微分电测深及C-1微测深仪在北京、济南、广州等闹市区的浅层勘查中取得了突破。探查单个中小溶洞是地质勘探的难题之一,在多处用陆地声呐等方法探查几十米深、直径1 m以上的溶洞,并得到了大量钻孔的验证,难关亦已突破。针对国际岩石力学界的重点研究难题——高应力情况下开挖地下工程发生的岩爆机理和预报,在四川锦屏二级电站用微震监测和陆地声呐法相结合监测微震事件密集发生部位、探查岩爆源位置进行岩爆预报,取得了好的效果和进展。     

低频探地雷达探测冻土带天然气水合物正演模拟研究

通过对低频探地雷达在青藏高原冻土带环境下的探测深度、分辨率及反射特征分析的正演模拟来研究其在冻土带天然气水合物勘探中的可行性和关键参数。首先通过雷达测距方程计算确定了理论上探地雷达的最大探测深度与发射频率、地下介质电阻率、介电常数之间的关系,并根据电磁波反射理论计算满足冻土带天然气水合物探测深度所需的系统增益;随后通过低频探地雷达分辨率计算和仿真模拟来确定低频探地雷达在大尺度(200 m)范围的广义分辨率;最后参考已经发现天然气水合物的木里地区基本情况设计冻土及天然气水合物模型,利用时间域有限差分(FDTD)方法进行二维正演,获得了探地雷达信号在冻土带底界以及天然气水合物顶、底界的反射特征,为野外实测数据的处理及解释提供有用信息。研究结果表明,采用中心频率小于等于15 MHz且系统增益大于165 dB的低频探地雷达在地表电阻率较高的冻土区能够满足天然气水合物储层的探测深度要求;分辨率计算及仿真模拟表明低频探地雷达在满足一定条件下在200 m深度可以达到探测深度1%的广义分辨率;探地雷达信号在冻土底界、天然气水合物顶、底界均存在明显的强振幅和频率突变特征;理论计算结果认为应用低频探地雷达直接探测冻土带天然气水合物是可行的。     

工作面底板变形与破坏电阻率特征

通过建立回采过程中底板岩层变形破坏过程的地球物理数值模型,采用正演计算方法分析底板破坏带的电阻率变化特征,并在五矿8403工作面布置网络并行电法探测系统,进行现场观测。模拟数据和现场探测结果表明,煤层底板视电阻率值与工作面开采过程密切相关,在回采工作面后方电阻率剖面图出现明显高阻异常,其高阻异常位置与底板破坏位置相对应;在回采工作面前方出现相对低阻异常,其低阻分布位置与矿压引起的高应力区相当;随着工作面的推进,高、低阻异常同步变化。根据这种底板岩石的电阻率变化,结合矿井水文地质特征,可进行煤层底板破坏规律的动态勘探,有利于底板破坏突水的预测预报工作。      

巷道环境因素对激电测量影响度的探讨

针对煤田、矿山等巷道超前探水,隐伏陷落柱、构造裂隙等不良地质体探测的关键技术问题,应用有限元数值模拟技术实现了巷道三维复杂条件下激电观测的快速正演算法及程序。本文在三维有限元正演基础上,分析计算了巷道本身对巷道顶底板激电探测的影响规律,并用理论模型数据检验改正效果。     

基于地震波速度预测岩体物性参数模型与应用

以地震属性和钻孔测井参数为基础,依据试验数据构建数学模型,实现对煤层顶底板岩石物性参数的定量预测。通过试验拟合出纵横波波速之间关系、波速与密度的关系、动静杨氏模量、动静泊松比之间的关系,且相关程度较高。依据试验模拟结果对淮南刘庄区煤层顶底板岩石物性参数及孔隙度进行了预测。结果表明该地区的物性参数分布规律明显,且与实测结果吻合较好。模型计算与实例应用证实地震信息用于预测岩石力学参数具有可行性。     

接地导线源航空瞬变电磁系统EEMD法去除传感器运动噪声

航空电磁系统观测值中不仅包含了地下介质的响应,还包含多种噪声成分,其中传感器运动噪声具有频率低、幅值大、非周期等特点,是航空电磁探测系统的主要噪声源之一。针对运动噪声的上述特点,利用EEMD方法对随机信号的分解能力,将航空电磁信号分解为多阶IMFs分量;利用IMFs某阶分量拟合传感器运动噪声,并从航空电磁信号中加以去除,从而获得去除运动噪声后的信号。本文利用EEMD方法对航空电磁仿真信号中运动噪声加以识别和去除,取得了良好的效果。通过与传统样条插值方法去噪效果的对比,表明EEMD法能够有效地去除线圈中的运动噪声,同时将该方法应用于山东某地无人机半航空瞬变电磁系统实测数据处理中,取得了良好的去噪效果。     

综合物探技术在武汉市江夏区大桥新区岩溶探测中的应用研究

武汉市主城区分布6条近东西向碳酸盐岩条带,各条带延伸至江夏区后都不同程度的加宽,致使江夏区碳酸盐岩近于全区分布。由于碳酸盐岩岩溶发育,近年来导致武汉市市政范围内发生十余起地面塌陷灾害。为查清武汉区岩溶分布,开展了岩溶探测技术方法研究。目前岩溶探测的方法较多,也有较多成功案例,但多以工程勘测为主,在城市范围内的岩溶探测实例较少。以武汉市江夏区大桥新区豹山还建小区为例,在分析该区岩溶发育地质特征的基础上,运用高密度电法、地质雷达法、超浅层瞬变电磁法、陆基声呐法、地震勘探法、井间CT等6种方法对岩溶发育地区进行了探测。通过对比不同技术方法探测岩溶效果发现:可控震源激发的横波探测效果较好,瞬变电磁技术对埋藏较浅的溶洞探测效果较准确,高密度电法对溶洞也有明显的反映。实例表明,在较复杂地质条件下采用多种技术方法综合探测,将会得到更准确的岩溶分布结果。