多孔介质非饱和入渗过程的地电响应

通过多层地质结构的土体渗透过程中不同部位的地电场响应特点试验,获得了多地层结构的土体渗水过程中地电场参数瞬时响应规律。根据激励电流可以反演得到地下水的渗流位置、渗流速度;当浸润面位置到达某个电极后自然电位迅速降低,激励电流迅速升高;根据激励电流响应所作浸润面高度与入渗时间关系线性规律良好,以此获得的渗流速度与观测值基本一致。渗流过程中土体地电场参数的变化有助于对地下水渗流规律的认识。     

砂岩地层渗流过程非饱和厚度变化的地电测试

通过砂岩地层渗透过程中不同部位的地电场响应特点试验,获得了砂岩断面渗水过程中地电场参数瞬时响应规律。注水渗透过程中,模型各电极测试点位置的自然电位均呈现为升高的趋势,并且砂层非饱和厚度与自然电位值之间体现出很好线性相关关系。在水位上升至测点位置后,激励电流出现阶跃突变,之后呈现为一个相对平稳的数值。利用渗流过程中不同位置自然电位和激励电流的变化特征,可判定砂层中水的渗流方向、渗流速度和渗漏点位置。     

电阻率层析成像法监测系统在矿井突水模型试验中的应用

 为实现矿井突水过程中岩层断裂和渗流通道形成过程的实时监测和前兆信息捕捉,将三维电阻率层析成像法作为一种实时成像监测手段尝试引入到矿井突水模型试验的监测工作中。采用具有自动采集功能的电阻率层析成像监测系统,实现介质电阻率变化数据的实时动态监测。提出优化反演效率的计算方法,利用Cholesky分解法求解电阻率层析成像正演中的大型线性方程组,利用预条件共轭梯度法求解反演方程,由此建立三维电阻率层析成像实时反演方法,实现原始数据的快速反演和动态图像的实时输出。提出以电阻率层析成像法为主,结合原始视电阻率数据分析和关键点数据时程曲线分析的多参数监测分析方法。在试验过程中,利用层析成像法得到防突层裂隙产生、扩展直至贯通的实时动态图像,得到主要裂隙和渗流通道的产生位置、形成过程等信息,与实际情况基本一致。综合3种方法的分析结果,得出防突层发生突水断裂的诱因,并确定捉到确切前兆信息的最早时,该时刻比突水发生时刻提前998 s。模型试验证明,电阻率层析成像系统有效地反映岩层断裂及渗流通道的形成过程,成功地捕捉到一系列前兆信息,为突水灾害的及时预警预报提供重要参考。     

基于等效界面电荷的分层土壤结构地电位分析

直流输电过程中,接地极和大地土壤承担着散流作用,电流散流区域的土壤模型是准确计算地电位和电流场分布的关键,而格林函数是研究土壤模型的重要手段。直流输电工程中的接地极选址问题,一直备受关注,往往选址确定后,极址周围土壤结构基本确定,因此通过接地极位置调整以优化电场、电位分布,降低环境影响,有工程应用价值和研究意义。本研究通过分析基本的水平双层结构土壤模型,将电位分布结果拆分为直接效应和界面电荷积累效应,建立了界面积累电荷分布理论,得到由四种电荷效应构成的系数矩阵,以此分析了某直流输电工程,极址移动带来的电位电场变化规律。得出结论,在距接地点固定范围内,当ρ₄>ρ₁>ρ₃时,极址越接近低电阻率层,电位越低,但电场会增加。当ρ₄>ρ₁<ρ₃时,极址越接近高电阻率层,电场越低,但电位会增加。工程上应以电场或电位的最值点作为极址位置。     

地下水渗流与地电场参数响应的定量研究

 开展均匀介质稳态渗流模拟试验、非均匀介质稳态渗流模拟试验和采动应力影响下的非均匀介质渗流模拟试验,运用回归分析方法讨论室内试验中一次场电流(激励电流)I与试验模型进水量Qi之间的相关关系;深入矿井开展为期一个多月的地下水渗流地电场动态监测试验,在试验期间发生了矿井突水事故,及时进行了突水水量Qo的测试工作,并讨论一次场电流I与突水水量Qo之间的相关关系。均匀介质稳态渗流模拟试验和非均匀介质稳态渗流模拟试验都表明,固水二相介质中,水未达饱和时,一次场电流I与模型进水量Qi呈线性相关关系。非均匀介质采动条件下的渗流模拟试验表明,在水文条件稳定(水源充足、流速稳定)的情况下,一次场电流I仍然呈现稳态渗流特征,即I与Qi呈线性相关关系,由此认为,在该种条件下,一次场电流主要响应于渗流场的演变和渗流过程的发展,而对岩体的破断与裂隙发育过程响应相对不明显。结合室内试验结论,运用相关分析方法分析井下探测数据,发现在矿井突水过程中,一次场电流I与探测区域出水量Qo呈正相关关系,基于相关分析方法,可以利用电流I的变化趋势实现对探测区域出水量Qo的变化趋势的预测。同时一次场电流与出水量相关度较高的电极,对渗流通道的位置具有指示作用,有助于视电阻率探测成果的分析与解释。     

基于自然电位方法的非饱和带水分分布和运移情况探测

通过在中山植物园陆域水文观测站研究区埋设电极,监测野外研究区的电阻率变化和自然电位分布,可以获取非饱和带的水分分布和运移信息。结果表明：研究区的低电阻率区域也是自然电位异常区域,即含水量异常引起自然电位异常;视电阻率差值图显示的电阻率变化区域（即含水量变化的区域）与自然电位正异常区域吻合,水分的运移引起自然电位的异常。通过监测自然电位,可以同时获取了水分分布和水分运移情况。另外,本文借助自然电位概率成像方法,获取异常体的深度信息。     

多不杂斑岩型铜矿激电中梯方法有效性试验分析

不同成矿条件下的斑岩型铜矿与周围岩石的物性参数差异是不同的,所以在进行全面物探工作前要筛选出合理的测量参数。优选在同一套测试参数下测试出的数据,选用有效数据指示找矿。本文通过分析区内各岩矿石的电性特征,选用地质资料全面的激电中梯测线,分析激电中梯有效性试验研究工作,得出视极化率对该地区找矿具有一定的指示性,而视电阻率指示效果较差,结合视极化率和视电阻率异常特征指导找矿。     

有限单元法在电阻率法地形改正中的应用

文章应用有限单元法进行点源二维电场数值模拟计算.在正演过程中采用三角单元剖分网格,有利于对复杂地形的模拟.电导率(σ)和电位在相邻节点间线性变化,使得电导率和电位与实际地质构造更接近、与实际地电场变化规律更易吻合;在点源二维电场正演基础上,将一定地形条件下的二维地电模型的视电阻率响应,分解为畸变场和正常场两部分,采用比值法消除由地形起伏引起的视电阻率畸变,从而达到地形校正的目的.并通过设计几个模型及实际算例,验证该方法对地形校正的效果.     

煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究

 通过试验测定不同岩样在充水条件下应力–应变全程电阻率的变化,给出在采动过程中煤层底板岩层产生导水裂隙时的导电性变化规律,并以此为基础建立底板采动导水裂隙带动态演化地电模型。利用三维电法正演软件对此地电模型进行正演数值模拟,得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征,为矿井电法数据采集系统设计和资料处理解释提供理论依据。依据全空间高精度三维电法测量的思想,提出煤矿底板导水裂隙带动态监测系统的设计原则和技术要求,为现场实际工作条件下煤矿底板破坏裂隙带动态监测系统设计提供依据,并成功用于安徽一矿底板破坏导水裂隙带演化规律的探测。实测结果表明,采用三维电阻率法探测(监测)底板导水裂隙带演化过程效果明显,能显示出底板在回采过程中变化破坏情况,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

轨道交通杂散电流分布数学模型的研究进展

现有3种轨道交通杂散电流分布数学模型,为电路元件模型、BP神经网络模型和基于电场的杂散电流模型,介绍3种模型的基本理论。在实际的管道管地电位监测中,存在受轨道交通杂散电流影响的管道管地电位在阴极保护电位上下以一定的幅度和频率发生变化的现象,而现有数学模型无法解释。提出建立能够关联地铁运行参数、土壤腐蚀性与管道监测点管地电位量化关系的轨道交通杂散电流机理模型的研究方向。     

隧道突水灾害电阻率层析成像法实时监测数值模拟与试验研究

突水灾害已成为危及隧道安全施工的重大问题,为了实现隧道突水灾变演化过程的监测和灾害预警,将电阻率层析成像法尝试引入到隧道突水的监测工作中,提出了一种基于图像灰度相关性理论的电阻率层析成像监测信息定量评价方法.首先,针对非地质缺陷类和地质缺陷类这两种典型的突水类型进行概化,得到了突水灾变演化过程不同阶段的地电模型,为隧道突水实时监测数值模拟奠定了基础.其次,采用有限单元法进行电阻率层析成像法突水实时监测数值模拟,揭示了电阻率图像对突水灾变演化过程的响应特征,通过对突水灾变演化过程电阻率图像灰度相关性的定量分析,发现相关性系数小于0.5(或0.3)的样本点数目大幅增多,且相关性分布和正演图像标准差急剧增大,是突水发生的重要前兆特征.最后,进行了隧道突水电阻率层析成像法实时监测模型试验,较准确地捕捉到了突水前兆信息,实现了突水灾害预警,表明电阻率层析成像法用于突水实时监测是可行的.     

松散承压含水层下采煤的流固耦合模型试验与 数值分析研究

以松散承压含水层水下采煤为例,通过研制的新型流固耦合相似材料和突涌水物理模拟试验系统真实再现采区突涌水的灾变演化过程,采用光纤光栅技术、声发射技术和电阻率层析成像技术,全程捕捉隔水层围岩应力场、位移场、渗流场、温度场、电场和声发射信息的变化特征及其异常信号,研究突水前兆多元信息的演化规律及其临突特征。采用可考虑多场耦合效应的数值分析方法,研究突水灾变演化过程中应力场、位移场和渗流场的耦合演化规律,分析突水前兆多物理场信息的响应特征。试验和数值分析结果表明：在隔水层破断突水前,围岩应力变化持续增长后发生回跌,但已濒临突水。围岩位移变化持续增长后发生跳跃,在跳跃前出现孕育突水前兆的稳定突升段。围岩渗透压力变化持续降低后发生急剧跌落,在突水前很长时间里出现孕育突水前兆的异常波动段。围岩视电阻率和声发射能量也在突水前产生明显的突升和激增现象,尤其是视电阻率突升段的增长点出现在突水前较长的时间段。通过对多场信息变化规律的内在联系及其对突水预测的有效性分析,发现隔水层的渗透压力、视电阻率以及位移变化信息在突水前具有明显的前兆特征,是松散含水层开采突水灾害预警和监测的重要前兆信息源。研究结果有助于加深对煤矿突水灾变演化过程的认识,为突水前兆信息演化规律及实时监测理论的建立提供科学依据。     

地电场对裂隙岩块中溶浸液渗流特性影响的研究

根据原地浸出过程中裂隙岩块中溶浸液渗流性质受地电场作用影响的特点，建立电场作用下裂隙岩块的电动渗流模型，并通过电动渗流实验研究地电场对裂隙岩块中溶浸液渗流特性的影响。研究结果表明，地电场对裂隙岩块中溶浸液渗流特性影响非常明显，裂隙岩块中溶浸液的电动渗流特性与地电场强度、岩块渗透率和溶浸液流体性质等因素密切相关。在同等压力梯度下，受地电场作用的裂隙岩块中溶浸液渗流速度随正向电场强度增加明显增大，随反向电场强度增加明显减小；地电场能够强化或者减弱裂隙岩块中溶浸液的渗流扩散能力和溶浸液对岩块的润湿作用。     

坑道掘进瞬变电磁超前探水解释方法的改进研究

瞬变电磁方法已在坑道超前探水中发挥重要作用。因实际测试时存在电流关断时间,激励场不再满足阶跃关断条件。以水平电偶极子瞬变场响应为基础,给出坑道瞬变电磁多匝小回线中心阶跃瞬变场表达式。通过对3种非阶跃关断瞬变场的响应计算,确定了关断时间的影响范围,指出关断时间的影响对于坑道掘进前方浅部含水体的探测不可忽略。推导了全空间线性关断条件下全程视电阻率算法,从而改进坑道超前探水解释方法。物理模型实验和实例应用结果表明,该方法对于坑道掘进前方浅部含水体的空间划分更好,增强了瞬变电磁法对岩层富水特性的判定能力。     

地电场作用下煤中甲烷气体渗流性质的实验研究

针对地球物理场中地电场对煤层瓦斯渗流性质的影响，在实验室采用三轴渗流实验装置和电场实施装置，研究了电场作用下煤中甲烷气体的渗流性质。实验结果表明：(1)加电场后，甲烷气体渗流速度比无电场时要大，并且渗流速度随甲烷气体压力梯度增大成线性增加；(2)加电场后，煤中甲烷气体渗流量随电压(电场强度)升高近似成线性增大：(3)煤化程度越高的煤导电性越好，且甲烷气体在煤中的电动效应越明显；(4)同时，加电场后，煤的等效渗透系数可表达成ke=k(1 βE)。此项实验研究探索为电场作用下的煤层中瓦斯渗流及运移规律的进一步研究奠定基础。     

高承压水上采煤底板突水通道形成的监测与数值模拟

 底板采动破坏及导水通道的形成是底板突水发生的必要条件,也是进行矿井突水的监测预报基础。以新义矿为例,采用现场监测及数值模拟等手段,研究高承压水上采煤底板采动破坏及突水通道的形成及演化过程,分析该过程中的底板电阻率、应力及孔隙水压力的变化规律。结果表明：高承压水上采煤底板受工作面超前支撑压力破坏严重,11011工作面底板破坏深度达到25 m,大于一般经验计算值;建立的基于流–固耦合底板采动破坏数值模拟模型更能准确、客观地反映底板破坏的影响因素,模拟的最大破坏深度为23.75 m,与现场监测结果接近;采动过程中的底板电阻率、应力以及孔隙水压力变化较好地反映底板破坏及突水通道形成、演化以及充水的整个过程,可作为矿井突水临突监测预报的重要信息源。     

地电场对裂隙岩块中对流传热特性影响的研究

 根据原地浸出过程中裂隙岩块中对流传热过程受地电场作用的特点，建立地电场作用下裂隙岩块中的对流传热模型，并通过电场作用下岩芯中的对流传热实验，研究地电场作用对裂隙岩块中溶液对流传热特性的影响。结果表明：地电场作用对裂隙岩块中对流传热的影响非常明显，其影响程度同热流密度、流体渗流速度以及流体性质等因素相关；对流换热系数总体上随正向电场电压升高而增强，随反向电场电压升高而降低；地电场作用下，低热流密度时对流换热系数的变化幅度明显高于高热流密度下换热系数幅度的变化；地电场作用对裂隙岩块中对流传热的影响随着溶液渗流速度的增加逐渐减弱；裂隙岩块中溶液矿化度越高，地电场对对流传热的影响越明显。