矿井瞬变电磁法的时域矢量有限元三维正演

为拓展矿井瞬变电磁正演对复杂地质模型的适用性,开展了基于时域矢量有限元的三维正演研究。首先,基于时间域麦克斯韦方程组和库仑规范推导了磁矢量势的赫姆霍兹方程,在此基础上结合理想导体边界条件采用Galerkin加权余量法推导了相应的弱形式方程,采用模型适用性强的一阶四面体矢量单元对弱形式方程进行了单元分析,并在单元分析时将回线源视为多个电流元克服了源的奇异性,时间离散则采用步长逐渐增大的向后差分法进行,由此实现了复杂地质模型的矿井瞬变电磁法全波形响应计算。对于均匀全空间模型,有限元数值解和解析解的均方相对误差为0.84%,验证了上述算法的正确性。其次,正演了关断效应的影响,结果表明关断效应会使感应电压升高,关断时间相同时,线性关断波形的影响大于指数关断波形,关断波形相同时,关断时间越长,关断效应的影响越向晚期延伸;线性关断时,电流完全关断之前的感应电压主要由发射回线中的电流变化引起。然后,正演了巷道的影响,结果表明关断时间为0时巷道会使早期的感应电压降低,但对晚期的数据影响很小,且发射回线位于巷道中心时的影响大于回线位于掘进工作面时,回线朝向顶底板或侧帮时的影响程度要大于朝向掘进工作面时,但考虑到实际仪器的关断时间,巷道的影响基本可以忽略。最后,对长方体状积水采空区的水平剖面和垂直剖面响应进行了正演,结果表明积水采空区会使感应电压升高,在水平剖面上最强的低阻异常响应出现在发射回线指向采空区中心时,但在垂直剖面上却出现在发射回线指向顶底板时。     

矿井瞬变电磁全区视电阻率差值补偿算法

基于全空间瞬变电磁理论,研究了不同发射线圈尺寸、不同采样时刻对电阻率求解唯一性的影响。然后将晚期视电阻率值作为求解初值,计算对应的归一化感应电动势,并计算其与实测值的差值,运用此差值对归一化感应电动势计算值进行补偿,提出全区视电阻率差值补偿算法。最后通过1、10、100Ωm电阻率理论模型计算,验证该算法在较少的迭代次数下可较大提高计算精度;实测资料处理结果表明,与半空间晚期计算方法相比,该算法具有较好的应用效果。     

矿井瞬变电磁全区视电阻率差值补偿算法

基于全空间瞬变电磁理论,研究了不同发射线圈尺寸、不同采样时刻对电阻率求解唯一性的影响。然后将晚期视电阻率值作为求解初值,计算对应的归一化感应电动势,并计算其与实测值的差值,运用此差值对归一化感应电动势计算值进行补偿,提出全区视电阻率差值补偿算法。最后通过1、10、100Ωm电阻率理论模型计算,验证该算法在较少的迭代次数下可较大提高计算精度;实测资料处理结果表明,与半空间晚期计算方法相比,该算法具有较好的应用效果。     

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。     

井下动态成像瞬变电磁仪的设计北大核心

设计了一种新型井下动态成像瞬变电磁仪。瞬变电磁仪发射机采用6个场效应管组成快速关断桥路,在发射电流关断期间,场长效应管内部寄生二极管构建快速放电回路,缩减了发射线圈电感效应,大幅减少探测盲区;瞬变电磁接收机采用双通道信号处理电路,双AD同时采集,通过数据拼接处理,信号接收范围可达160 db以上;Linux操作系统的嵌入式工控机能快速进行数据分析处理,2 s内完成数据采集到最终视电阻率快速成像。     

矿井瞬变电磁法电阻率偏低原因分析与校正方法

矿井瞬变电磁法由于采用多匝小回线工作装置进行发射和接收,实测视电阻率与大地中实际岩层电阻率相比存在严重偏低问题,给资料解释带来困难,探测深度也随之降低。通过数值模拟和现场试验,分别研究了半空间和矿井全空间条件下瞬变电磁法偶极装置观测信号随收发距的变化规律,发现收发距在20 m内变化二次场信号变化很小;随收发距增大,实测信号在双对数坐标系中呈线性衰减。理论分析表明,实测信号主要为发射线圈与接收线圈之间的互感信号和大地中感应二次场的叠加,其中互感信号强度远大于大地中感应的二次场,是造成电阻率偏低的主要原因。然后,基于互感电动势随收发距变化的规律,考虑到二次场信号在20 m收发距内变化很小,提出了利用两次不同收发距观测数据进行互感消除和二次场提取方法,推导了相关计算公式,实现了偶极装置矿井瞬变电磁法实测视电阻率偏低的校正。最后,通过半空间和全空间探测实例应用,验证了方法的有效性。     

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。     

矿井瞬变电磁法在海域煤矿富水性探测中的应用

该文介绍了矿井瞬变电磁法在龙口某煤矿首个海域大采区顶、底板富水性探测中的应用。探测结果表明,矿井瞬变电磁法能准确的圈定顶、底板富水区域横向位置,而纵向位置定位准确性较差,对富水性的强弱仅能做相对定性解释,不能给出定量解释。由于采用多匝小回线装置形式,发射电流关断时间的存在,存在近距离的探测盲区。     

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。     

复杂地形小回线瞬变电磁法探测采空区试验研究北大核心

千树塔井田由于地形起伏落差较大,地面大回线瞬变电磁法探测装置布置受限,为了查明该区域油气管道陕京二线下伏采空区分布范围,对小回线瞬变电磁法开展数值模拟和现场试验,分析其地面探测的可行性,并将优化参数应用到现场。结果表明:数值模拟确定3 m×3 m小回线瞬变电磁法可以有效探测超过200 m深度、采高超过1 m的采空区,对低阻值的充水采空区有更明显的效果;现场试验采用发射线框边长3 m×3 m、叠加次数15次、发射频率16 Hz、发射电流≥8 A等参数优化后的小回线瞬变电磁法可以达到有效探测目的,验证了数值模拟的正确性;在3号煤层共圈定解释了5个异常区,推断为采空区或烧变岩空隙,充分验证了小回线瞬变电磁法探测的可靠性。     

电极材质对泥岩电化学改性效果的影响

为阐明电化学作用下电极材质对泥岩物性变化的影响规律,以新生代煤系泥岩为对象,运用物理模拟方法,研究低压直流电场作用下电极为铜、铁和铝时的电极腐蚀特征与新生矿物表征,电流变化与电流降低率,模型不同区域岩样电阻率和强度特征,并探讨了电阻率与强度的内在联系。结果表明：不同材质电极阳极均在酸性环境下发生金属氧化反应,电极被腐蚀生成新矿物,铝电极阴极在碱性环境下生成大量三水铝石,铁、铜电极阴极则没有明显变化;通电初期不同材质电极模型电流均有一个陡降过程,然后缓降,降低模式和降低率存在明显差异;3种电极模型不同区域岩样的电阻率和单轴抗压强度均呈现阳极＞中间＞阴性的趋势,且电阻率和单轴抗压强度正相关。     

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。     

煤矿井下含/导水构造三维电阻率反演成像技术

为了实现煤矿井下含/导水构造的立体解释,预防和减少矿井水害的发生,开展了煤矿井下三维电阻率反演成像技术研究。应用全空间三维电阻率反演软件,建立含/导水构造模型并对其正演结果进行反演成像,对比分析了不同观测系统、数据采集密度、模型参数和噪音水平下的反演结果,并进行了复杂模型三维反演成像。结果表明,多巷道透视观测系统具有更高反演分辨率;当发射极距大于异常体尺寸而接收极距小于异常体尺寸时,可在较低数据采集密度下保持较高反演分辨率;反演所得电阻率值是模型尺寸、电阻率、埋深、水平位置及围岩电阻率等参数的综合反映;巷道空间影响等价约2%的噪声干扰,反演结果具有较强抗噪能力;可根据反演成像结果识别多个异常体并判断各异常立体展布范围,尽管尚难以准确圈定异常边界,但可采用电阻率等值面进行异常提取。     

矿井地面-井下电性源瞬变电磁探测响应规律分析

为了避免井下瞬变电磁探测面临的金属强干扰、高瓦斯矿井防爆等要求,对矿井地面布置瞬变电磁发射源,在井下巷道、采场接收的瞬变电磁探测方法进行研究。采用三维时域有限差分法建立电性源瞬变电磁三维正演算法,研究地面电性源发射,井下巷道接收的瞬变电磁响应规律。首先采用均匀半空间模型和层状模型研究地下接收瞬变电磁场的曲线形态特征以及对地层电阻率变化的敏感性,并考察接收排列的最佳方位角和收发距。以层状模型为例设置均布的5条测线接收排列,计算了不同接收点的瞬变电磁响应响应曲线,对比分析曲线形态,得到电性源瞬变电磁地面发射、井下接收采集范围和传播规律,即:1电性源磁响应在垂向(broadside)排列方向比在轴向(inline)排列幅值大,井下接收的最佳测线方向为垂直排列方向;2发射长度为1 km的电性源井下接收有效探测深度可达到1.5 km;3电阻率较高的煤层对接收点响应曲线的影响不大。其次,设计包含顶板水和底板水的模型,计算得到了不同类型含水层的响应规律,对比曲线可以发现明显的异常差异。最后,设计一个包含断层的复杂模型,得出了倾斜充水断层影响下的瞬变电磁响应曲线。得到地面发射-井下接收的瞬变电磁方法的采集范围和传播规律,最佳方位角为垂直排列方向;地面发射-井下接收的瞬变电磁方法对顶板水和底板水有一定的分辨和识别能力;地面发射-井下接收的瞬变电磁方法能够初步对倾斜充水断层的电磁场响应进行识别。该方法仅要求接收机在井下,易于进行本安设计。     

黄铜矿半导体电学特性对其中等嗜热菌浸出行为的影响

为了研究黄铜矿半导体电学特性对其生物浸出的影响机制, 采用霍尔效应测试技术分析了3种不同来源黄铜矿的半导体电学特性, 并在45 ℃、170 r/min、2%矿浆浓度条件下进行了中等嗜热混合菌浸出试验。结果表明, 黄铜矿A的载流子浓度为-9.190×10¹⁸ cm^-3, 绝对值明显高于黄铜矿B和C的载流子浓度(-3.065×10¹⁸ cm^-3和-2.183×10¹⁷ cm^-3); 黄铜矿A的电阻率为0.054 65 Ω·cm, 明显低于黄铜矿B和C的电阻率(0.146 9 Ω·cm和0.930 6 Ω·cm); 黄铜矿的载流子浓度、电阻率与其铜浸出率存在明显联系, 黄铜矿的载流子浓度越高、电阻率越小, 铜的浸出速率就越高, 浸出19 d后, 3种黄铜矿纯矿物(A、B、C)的铜浸出率分别为66.1%, 25.3%和21.4%; 电化学试验结果表明, 3种黄铜矿的氧化还原反应过程基本相同, 但黄铜矿A的腐蚀电流密度明显高于另外两者。     

隔离矿柱回采稳定性影响因素的正交试验分析

通过分析隔离矿柱在回采过程中的影响因素,结合工程实际,选取了隔离矿柱矿房侧壁的回采高度（A）、侧壁厚度（B）、采场长度（C）、采场宽度（D）、是否采一充一（E）和第二步骤充填是否采用全尾砂胶结充填（F）6个影响因素,每个影响因素取2个水平,选用L₈（2⁷）正交表,确定了8个模拟试验方案。建立了隔离矿柱回采模型,对隔离矿柱开挖之前的应力分布进行反演分析,运用FLAC^3D数值模拟软件对正交试验方案进行开挖模拟运算,分析了各个方案隔离矿柱回采之后的应力分布情况及其位移变化,得出模拟结果。分析结果显示：A、B、C、D、E、F 6个影响因素产生的Y方向位移极差分别为4.8、0.698、1.404、1.305、1.623、0.164 mm,即隔离矿柱矿房侧壁的回采高度（A）对其稳定性影响最为显著,而第二步骤是否采用全尾胶充填（F）影响最小。     

积水采空区地面-钻孔瞬变电磁探测技术

小煤窑积水采空区威胁煤矿安全生产,为有效识别钻孔旁侧遗漏的积水采空区并确定其空间位置,采用地面发射阶跃磁场、钻孔中接收三分量感应场的观测方式进行地面-钻孔瞬变电磁探测。通过构建积水采空区地电模型,正演分析了异常的响应特征及异常场随异常体电阻率、规模和相对钻孔距离变化的规律。计算结果表明:异常场的3个分量均响应明显,X,Y分量过零点与Z分量极值点对应异常体深度;X,Y分量幅值相对较小,但为纯异常场,便于识别和提取;Z分量幅值相对较强,但异常场为背景场的千分之一,不易识别和提取;由于更接近异常体,地面-钻孔观测方式相比地面瞬变电磁采集到的Z分量异常信号更强;异常响应强度随异常体电阻率降低、规模增大、距离减小而增强。基于等效电流环理论,设计了最小二乘约束反演算法,通过反演拟合异常场能获得异常体的中心坐标、倾角、尺寸等参数,实现异常体的空间定位。在陕西省榆林市某煤矿使用地面-钻孔瞬变电磁法开展积水采空区探测实验,采集的X,Y分量数据在目标层附近表现明显的异常响应特征,通过对1.0 ms和1.3 ms的异常场数据进行反演拟合,发现并推断钻孔北侧存在小煤窑积水采空区,反演结果得到后期钻孔验证,与实际揭露情况吻合。理论分析与现场实验证明:地面钻孔瞬变电磁法能有效探测到钻孔旁侧的积水采空区,实现"一孔多用"并突破"一孔之见",为小煤窑积水采空区的精细探查提供了一种新的地球物理勘探手段。     

水力压冲影响范围监测技术研究

水力压冲技术是针对低渗煤层瓦斯治理的有效手段之一。以水力压冲的基本原理为基础,通过分析新田煤矿现场情况,制订了水力压冲施工方案,建立了水力冲压影响范围监测流程,并通过监测视电阻率变化分析出该压冲钻孔的影响区域,推算出有效影响半径约20 m;压冲过程中的抽采钻孔出水点经验证与出水情况相吻合。结果表明,利用视电阻率监测水力压冲影响范围具有较高的精度。     

几种波动方程叠前深度偏移方法对比研究

针对不同的叠前深度偏移算法在成像效果和计算效率方面存在差异问题,采用理论解析和模型实验等方法,对有限差分法、相移法、分步傅里叶和傅里叶有限差分等几种叠前深度偏移方法进行了对比研究,介绍了几种偏移方法的基本原理,分析了波场延拓存在的相对误差,通过模型数据进行了成像测试。结果表明,有限差分法叠前深度偏移具有较高的成像分辨率,但计算量较大;频率—波数域偏移方法具有较高的计算效率,其中相移偏移适用于水平层状介质成像,傅里叶有限差分偏移对复杂构造适应性好,是成像效果最好的方法;在波动方程叠前深度偏移计算中,波场延拓步长和边界吸收条件是影响成像效果的最重要因素。研究分析了几种偏移方法的特点,可为波动方程叠前深度偏移方法的应用选择提供参考。