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。     

地空瞬变电磁三维正演模拟及应用研究

煤矿井下工作面形成后,需要经过电磁法探测工作面顶底板及四邻的富含水情况,以保证回采工作安全进行,地空瞬变电磁三维正演研究可以提高探测的精度和效率。研究了地空瞬变电磁三维正演模拟的方法原理及相关理论,分析了关断时段和关断后的电磁响应特征,建立了半空间不含异常体、含有高阻异常体和含有低阻异常体的三维模型,对模型进行积分方程法和FDTD模拟,验证了积分方程法效率高、针对简单模型效果好,而FDTD更适用于复杂地质情况的高精度探测。模拟结果显示,关断时段的电磁响应对高阻异常体反应更明显,关断后的电磁响应对低阻异常体反应更明显。实际应用表明,全波形时域地空瞬变电磁响应三维有限差分数值模拟适用性强,对低阻异常体反应灵敏,探测精度和分辨率高,可为煤矿安全生产提供准确的地质资料,推广应用价值高。     

矿井瞬变电磁矩形回线源瞬变电磁响应研究

为研究均匀全空间介质中任意点（除发射框边）处矩形回线源瞬变电磁响应,从全空间磁偶极子的切向电场和水平圆形回线发射框中心磁场出发,采用互易原理和积分法推导了全空间任意点处的瞬变响应。通过对全空间瞬变场磁场Bz及其时间导数?Bz/?t的核函数Y(ω)和Y’(ω)特征的研究,将全程瞬变响应分为早期、中期和晚期。Y(ω)的早期和晚期阶段,其内层误差函数采用渐近展开式,外层积分采用直接多项式积分;中期阶段,内层误差函数采用有理契比雪夫展开式,外层积分采用龙贝格积分。Y’(ω)的晚期和非对角区域的早期采用误差函数渐近展开式;Y’(ω)的中期和对角区域的早期采用龙贝格积分。采用理论模型计算验证了公式的精度。结果表明,该算法求取的数值解,其Bz核函数Y(ω)的相对误差可以控制在1×10-6%以内;而?Bz/?t的核函数Y’(ω)的相对误差可以控制在1×10-4%以内。早期阶段,Bz和?Bz/?t在发射框内部的极值中心沿着与短边呈45°夹角方向向发射框内部移动,并且短边处的两个极值中心先行合并,然后再沿长边方向合并;?Bz/?t极值向发射框内部和发射框外部移动的速度大于Bz相应的移动速度。     

矿井瞬变电磁多匝回线电感影响消除及曲线偏移研究

小线框瞬变电磁近年广泛用于煤矿井下水害探测,但多匝回线自感和互感作用使早期时间道信号严重失真,小边长线框的固有过渡过程使晚期时间道信号显著抬升,均会对资料的处理解释精度带来干扰,为解决这一问题,通过分析矿井与地面瞬变电磁曲线的差异,分两步给出了消除小线框影响的方法。结合理论推导得出的多匝回线电感公式与实测电流-时间导数的关系,计算出需要消除的电感电动势,可消除早期信号中的小线框电感影响;引入曲线偏移概念,利用衰减曲线斜率与时间项指数幂项的相关性,以正演曲线为拟合目标,可在一定程度上修正晚期信号受到的线框固有过渡过程影响。通过对大量不同类型的矿井水害探测实测资料处理,结合钻探等其他实际地质信息,证明该方法可有效获取有利于精确反演解释的数据,使矿井瞬变电磁数据处理不再需要引入经验参数。     

基于大定源回线的薄板导体响应正演模拟研究

该文利用薄板导体模拟勘探工作中的异常体形态,并结合澳大利亚电磁成像技术公司的瞬变电磁数据处理软件EMIT MAXWELL来进行正演模拟,探讨大定源回线装置下的目标地质体的响应规律。分别讨论了不同电导率、不同赋存深度以及复合板状导体等情况下的瞬变电磁响应规律。     

矿井瞬变电磁法勘探三维模型建立及成果分析

随着矿井开采深度的增加,地质条件的复杂性也愈发明显,为了更安全、高效、准确地探测矿山资源开采周边地质环境,需要更先进的探测技术和探测方法,来提高矿井地质勘探的准确性及探测的直观性。目前矿井主流的探测方法都是以二维勘探为主,主要是受限于勘探空间狭小等环境影响,无法像地面一样开展有效的三维勘探。利用矿井下方有效的空间,增加多方向性的探测,通过数据的整合,进行三维瞬变电磁探测,增加了矿井下方探测的空间性、立体性,最终结果更具有直观性,使矿井下方的超前预测预报及工作面回采的安全性有了更好的保障。采用矿井下瞬变电磁三维勘探方法,三维模拟结果稳定且真实程度较高,经与地质资料分析、对比,与实际地质情况相符。     

矿井瞬变电磁超前探测地质异常三维可视化

预报巷道掘进头前方地层含水性是矿井超前探测的主要任务。首先介绍了矿井瞬变电磁法在煤矿巷道超前探测中的基本原理、勘探方法及应用情况。目前在传统的矿井瞬变电磁超前探测资料解释中,难以对掘进头前方含水低阻异常体空间位置及分布情况做出直观而准确的判定。针对这一问题,在矿井瞬变电磁超前探测资料成像中基于Voxler软件进行三维分析,实现矿井瞬变电磁超前探测异常解释三维可视化。结合探测成果及实际地质资料,对超前探测数据进行三维处理,选用合适的计算方法进行插值及网格化,最后利用Voxler成像软件进行三维成像,实现异常三维可视化,在三维空间对异常体位置及范围进行圈定,提高了超前探测资料的解释精度,为矿井水害治理提供了保证。     

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。     

多匝重叠小回线装置的矿井瞬变电磁观测系统

采用物理实验对矿井瞬变电磁观测系统的发射功率、发射磁矩、关断时间随发射线圈匝数的变化关系以及关断时间、接收信号随接收线圈匝数的变化关系进行了定性研究.结果表明，发射功率随发射线圈匝数的增加而减小，发射磁矩随发射线圈匝数的增加而增加，但增加幅度较小；关断时间与发射线圈匝数近乎呈正比而与接收线圈无关；接收信号强度与接收线圈匝数呈正比关系；实验过程中采用的1～40匝不同匝数的接收线圈暂态过程近乎相同.     

锚网支护对矿井瞬变电磁响应的影响与校正

巷道中锚网支护对矿井瞬变电磁探测结果影响较大。为研究施工过程中锚网造成的干扰响应机制,基于COMSOL软件模拟锚网支护下不同探测距离时矿井瞬变电磁响应特征,分析其影响规律;结合相关井下试验,研究不同探测方向时锚网对矿井瞬变电磁的干扰特征;对某矿井下受锚杆支护干扰的瞬变电磁原始数据采用多项式拟合函数进行校正处理。研究表明:锚网支护使瞬变电磁接受的二次场感应电动势显著偏大,锚网干扰程度在一定范围内与线框的距离反相关,且探测线框平面正对金属体时受到的干扰响应最大。采用的校正方法很好地还原了真实电阻率分布特征,提高了解释精度。     

掘进面瞬变电磁探测采空区及三维成像技术研究

为优化掘进工作面前方采空区的全空间瞬变电磁法探测技术,针对晋城矿区不含水、含水采空区条件分别展开二维视电阻率断面图成像分析研究,并对推断结果进行了钻探验证;在此基础上,将采空区进行三维立体精细化成像,根据视电阻率层位切片图及三维等值面图推演采空区的赋存状况;同时,结合实际条件利用裂缝带高度经验公式对三维成像推论加以计算验证。结果表明:全空间瞬变电磁能较为及时准确地对前方有效探测深度内存在的采空区做出响应;三维成像技术能有效结合常规二维成像分析,更直观立体地反映采空区及覆岩破坏情况,指导钻探验证工作的进行;同时,三维成像技术也为裂缝带高度的研究提供了新的直观方式。     

矿井瞬变电磁法低阻体的全空间响应影响研究

基于矿井瞬变电磁法全空间效应会增加低阻体空间定位的难度,易误判地质异常发育的位置,为提高解释精度,准确得出地质异常发育的位置,基于电磁场扩散理论,建立井下瞬变电磁场正演模型,采用9点扇形探测法,研究了矿井低阻体对电磁场全空间分布的影响规律,提出了全空间地质体校正系数,并在祁东煤矿进行了试验。结果表明：当顶底板均有低阻体时最大感应电位的数量级达107,比底板单有低阻体时高1个数量级,此时单支曲线尾支衰减更平缓,可得到校正系数0.2～0.6;底板探测低阻区域视电阻率为10Ω.m,经校正后升至25Ω.m,呈高阻反映,钻孔验证无水,证明该区域不存在低阻异常发育。     

PROTEM47瞬变电磁仪在迎头超前探测中的应用

主要介绍了工作面概况、井下施工方法及数据分析,由于瞬变电磁具有设备轻便、工作效率高、成本低等优点,对于其他物探方法无法施工的巷道(如巷道掘进迎头等)可以进行巷道掘进迎头前方的富水异常区及突水构造预测,为矿井的水害防治提供理论依据,大大缩短巷道掘进所花费的时间,提高了生产效率。     

矿用大电流瞬变电磁电源结构防爆设计

通过阐释大电流瞬变电磁防爆电源的总体设计理念,并从电源、接线端、开关以及观察窗等方面进行防爆设计,计算关键结构的强度,实现电源的防爆设计,为矿用电源的防爆提供参考。     

矿井瞬变电磁法网格化方法选择

由于煤矿巷道空间的限制,矿井瞬变电磁法是煤矿巷道地球物理超前探测常用方法之一,绘制视电阻率断面图之前需要对离散数据进行网格化处理,网格化方法是影响视电阻率断面图效果及后期解释的关键因素之一。Surfer软件是美国Golden软件公司推出的一款优秀的二维、三维图形绘制软件,提供了多种插值方法。基于Surfer软件2013版,以某煤矿巷道瞬变电磁超前探测数据为例,说明不同网格化方法对于矿井瞬变电磁数据的插值效果。     

回采工作面底板富水区的矿井瞬变电磁法探测

结合实例对矿井瞬变电磁技术从基本原理、施工方法、数据处理、成果解释等方面对该技术进行了阐述。表明矿井瞬变电磁法作为一种方便快捷高效的探测技术,可以准确圈定底板富水异常区的分布范围,为工作面回采提供可靠的保障。     

矿井瞬变电磁接收装置结构改进设计

由于矿井瞬变电磁多匝2m×2m的重叠回线装置的全空间性,会增加低阻体空间定位的难度,易误判地质异常发育的位置。针对这一情况,改进设计了磁棒线圈,进行了磁性材料参数的选择及导线材料、管径、绕制方法的对比试验研究。改进后的磁棒线圈体积小,优势明显,测量方式灵活简便,能够满足矿井瞬变电磁探测要求。     

某矿瞬变电磁探测实施方案研究

矿井水害是影响和威胁矿井安全高效生产的主要因素之一,其中断层突水造成的伤亡和经济损失非常突出。本文通过设计采用瞬变电磁探测方法对某煤矿2325轨道顺槽和2330里轨道顺槽底板三灰含水层富水性进行探测及防治技术研究,对实现矿井的安全生产具有重要意义。