矿井微震与电法耦合监测技术

随着煤炭资源开采区域、深度及强度的增加,矿井工作面采掘扰动极易诱发矿井突水事故,严重威胁我国煤炭资源安全开采。矿井水害事故的发生主要是岩体采动破裂与矿井水渗流共同作用的结果。研究表明,微震信号的纵横波到时、幅值、频率等参量可有效表征岩体破裂位置、强度及其震源机制,地电场信号中的电阻率、激励电流及自然电位等参量可有效表征岩体渗流演化过程。透水通道形成对应微震场特征,地下水渗流对应地电场特征,因此微震电法耦合方法对矿井水害孕育发展过程具有监测预警的功能,可有效对采动破坏过程中形成的突水通道、水源位置及渗流过程等水害三要素进行精准捕捉;减少单一地球物理方法多解性,提高水害监测预警精度,对煤矿防治水意义重大。当前,微震与电法耦合监测技术在煤矿水害实时动态监测中开始得到应用,突破传统微震与电法独立采集的局限,课题组自主研发了国内外首款煤安认证的微震与电法耦合并行监测系统,该系统以微震场与地电场并行采集基站为核心,集被动源微震波场与主被动地电场为一体,通过连接矿井物联网,实现远程数据采集控制、传输及云端存储;其一体化网络服务器主机可连接多个采集基站,并将微震检波器、电法激励电极与电位测量电极进行相互隔离、并行采集,形成微震事件密度与能级分布、电阻率分布、自然电位分布等时空云图来监测预判水害三要素。微震与电法耦合监测技术仍需在微震事件智能识别与定位、地电场的电阻率三维反演以及自然电位渗流反演方面进行专项攻关;结合并行监测的微震电法大数据集,重点在微震电法数据联合反演、智能化监测预警方向开展进一步研究。微震与电法耦合监测技术,作为矿井水害的主动预警监测新方法,可为我国智能化矿井建设发挥重要作用。

河南省嵩县九仗沟-东湾金矿区深部地球物理特征与找矿预测

深部金属矿探测是目前资源勘查的重要课题和方向,地球物理方法探测深度大、分辨率高,是深部金属矿探测最有效的手段之一。河南省嵩县九仗沟—东湾矿区处于熊耳山—外方山矿集区内的蛮峪—店房金矿带之北段,目前九仗沟—东湾矿区已发现的金矿床主要为500 m以浅深度,深部(500~2000 m)找矿勘查工作基本为空白。为了查明九仗沟—东湾矿区深、边部成矿潜力,实现接替资源找矿突破,在九仗沟—东湾矿区主矿段南北两端延伸方向上,布设EH-4双源大地电磁测深和大功率激电测深剖面。以九仗沟—东湾金矿床为背景,在分析地质背景、岩石物理性质基础上,综合区域重磁资料、物探剖面反演结果,分析各物探方法异常特征,厘清了研究区内与金矿有关的F1构造破碎蚀变带深部空间分布特征等信息,揭示了研究区内深部F1构造带附近的中低电阻、高极化区为找矿有利部位,根据此特征在500~2000 m深度范围内确定了4个深部预测找矿靶区,为下一步找矿勘查提供了相关依据。研究方法和成果为区域上开展同类型金矿床的深部找矿工作提供了思路和方向,具有重要的指导和实践意义。

四川泸州地区大深度页岩气水力压裂电磁监测的应用

电磁法在评估压裂液范围及裂缝形态时发挥着重要作用,在压裂监测中应用前景广泛。然而,对于川南地区的大深度页岩气水力压裂监测应用较少。为此,本文基于电磁监测理论,通过简化压裂模型进行数值模拟实验,在建立电磁监测技术的数据处理流程基础上,结合现场试验,从压裂液波及范围、用液强度、加砂强度、重复改造面积等多方面分析了压裂监测效果,进一步分析了电磁法进行水力压裂裂缝监测的有效性。其中,压裂监测段共计13段,获得各段波及面积4700~24042 m 2,波及宽度36~182 m,平均波及长度207 m。应用实例表明,电磁监测技术能实时了解压裂波及范围与展布形态,对压裂效果评价与施工参数的优化具有一定程度的指导意义。

基于深度学习SSD算法的高密度电法智能解译方法技术研究

高密度电法在探测灰岩区地下溶洞病害体方面得到广泛应用,但高密度电法反演结果依赖于初始模型,存在多解性,地质解译容易受专业人员主观因素影响。为此,本文从具有唯一性的视电阻率数据出发,研究了基于深度学习的SSD(Single Shot Multi-box Detector)目标检测算法的视电阻率异常智能解译方法技术。针对岩溶地质病害,设计了不同填充类型、形状、规模、数量的溶洞电性异常模型,利用Res2dmod软件进行视电阻率正演计算,构建了包含1400个样本的高密度电法视电阻率智能解译学习样本库(样本和标签)。基于TensorFlow框架,建立了基于深度学习SSD算法的高密度电法视电阻率异常智能解译方法技术,使用学习样本库训练网络权值,训练结束后对高密电法温纳装置视电阻率异常进行智能解译,单个视电阻率剖面异常智能解译耗时不到1 s,各类目标(填充型溶洞、未填充型溶洞)平均准确率为90.68%。研究结果表明:基于SSD算法的高密度电法视电阻率异常智能解译技术可显著提高高密度电法视电阻率解译效率,避免专业人员主观因素影响。

高密度电法在赣南地区不同地下水赋存类型的探测研究

为了解决赣南地区用水难的问题,本文利用高密度电法结合基础地质、水文地质和岩石电阻率物性资料,确定地下水赋存类型。然后针对不同地下水赋存类型,再分析其赋水模式、机理及物性差异,进一步综合解释反演结果,划分地层分界线、断裂构造和含水层空间,推测地下含水靶区。分别对孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水地区找水打井进行实例分析,尤其针对白垩系红层地区,提出重点探测断裂构造带、地层不整合面和隔水岩层部位。根据高密度电法反演解释结果确定井位和井深,在几种地下水赋存类型地区实现极高的找水打井准确率。对比钻井资料,验证了高密度电法在不同地下水赋存类型中寻找水源的高效性,总结了高密度电法在不同岩性和不同地下水赋存类型中的找水经验,经专家评审,在赣南打井找水中实现了打井出水成功率超过80%。本文的应用研究成果为山区、边远灾区应急找水提供了重要依据。

高密度电法在汛期堤防渗漏隐患探测中的应用

汛期高水位、高渗透压力下,会造成堤防渗漏缺陷扩大或隐患加剧,快速、准确地开展堤防渗漏隐患应急排查,是指导科学防汛、保障安全度汛的重要举措。针对管涌、散浸、穿堤建筑物等渗漏缺陷及隐患,开展了高密度电法的场地试验,得到汛期堤岸的电性结构,通过比对试验,得到不同渗漏缺陷与无显著缺陷堤岸的电性差异,以此为基准,采用高密度电法对子牙河右堤天津静海段特别是子牙河汇入独流减河段进行隐患排查,划分了渗漏隐患区和潜在风险区,为保障海河流域“23·7”特大洪水期间堤防安全提供了重要技术支撑。

综合物探方法在碎屑岩地区找水中的应用——以云南宣威大路边村为例

为探索地球物理方法在碎屑地区找水应用的有效性,文章以云南宣威大路边村为研究对象,选取高密度电阻率法、联合剖面法、音频大地电磁法对碎屑岩层进行找水研究。结果表明:三叠系上统飞仙关组(T1f)碎屑岩富水性中等,含水性较均匀;受地面场地狭窄限制,高密度电法及联合剖面法测线长度有限,探测深度较浅,受碎屑岩电阻率小的影响,其找水应用效果不佳,在可探测的深度范围内较难识别基岩裂隙等找水有效异常,需结合其他物探方法甄别异常;音频大地电磁法找水应用效果相对较好,具有较高的横向分辨率,可有效识别碎屑岩中的断裂破碎带及构造裂隙带,表现为相对低阻异常特征;视电阻率单支测深曲线能有效分辨不同深度的岩土层结构,具有较高的纵向分辨率,对裂隙破碎带有较好指示意义。在地面场地较为狭窄的碎屑岩地区开展找水工作,音频大地电磁法结合视电阻单支测深曲线能取得较好效果,以音频大地电磁法确定碎屑岩地区中的裂隙发育带位置,以视电阻单支测深曲线确定裂隙发育带的深度。

伪三维电阻率成像技术在煤矿采空区勘探中的应用

传统的直流电阻率法二维成像方法在复杂地质结构勘探中存在局限性,无法准确恢复三维地下电性结构,同时当测区范围比较大时,真三维直流电阻率勘探要求一次性布极,受硬件、成本等因素限制,基本不具备实施条件。本文以襄樊到荆州铁路沙岗煤矿老窑采空区勘探为例,设计了二维多剖面交叉布线的伪三维勘探方案,使用常规高密度电法设备进行野外数据采集,通过基于八叉树网格剖分的三维电阻率成像算法获得了工区地层和小煤窑采空区的高精度三维电性结构,经与区域地质资料、钻探成果资料对比验证,工区内高电导率异常分布特征可以良好地反映工区地层界线和老窑采空区空间分布特征。上述应用研究表明,基于伪三维采集方式的三维电阻率勘探方法可以有效识别具有连通性特征的地质异常信息和勘探目标,具有良好的成像精度和实用性,对突破二维成像的局限性和三维电阻率勘探的推广应用具有现实意义,在近地表不良地质勘探领域具有广泛的应用前景。

伪随机广域电磁法自动采集系统关键技术

针对川藏铁路、西南山区等高海拔的勘探,急需一套自动采集电磁勘探系统。本文基于伪随机广域电磁法和自动控制技术,攻克了伪随机多频信号发送与接收相结合的自动控制的难题。首先根据2n伪随机序列信号,生成多频波可控信号源,并推导了伪随机多频波信号的自动采集时间节点控制公式;接着设计了一套自动采集参数结构表和通信控制方法,用于实现在不同设备间的参数交互;最后在伪随机广域电磁法装备上编写自动采集控制核心算法,实现了伪随机广域电磁法自动采集系统。结果表明:通过实验测试,自动采集系统可以得到准确的时间域和频域数据,同时工作时间上节省20%,人力资源上可以节省71%。伪随机广域电磁法的自动采集功能实现了非技术人员介入的数据采集,可降低施工成本,提高勘探效率,尤其是在类似于川藏铁路的勘探中,可由登山队员或当地藏民携带仪器进行数据采集。

三维激电法在黔西北某铅锌矿勘查中的应用

黔西北铅锌成矿区是贵州省重要的铅锌产地之一,区内发现的某超大型铅锌矿深部及外围被认为仍具较大找矿潜力。随着埋深加大,地质条件更复杂,通过地球物理方法探查直接或间接的矿致异常愈加被认可。为研究三维激电方法在黔西北铅锌成矿区的勘查效果,首先在典型矿床开展了方法有效性及装置参数试验,结果显示梯度四极加三极装置联合反演显示的高极化率(17~20 mV/V)、低电阻率(158~251Ω·m)与已知铅锌矿体空间位置对应较好,然后应用到外围空白区,圈定了高极化、低电阻激电异常,经钻孔验证为含黄铁矿及铅锌矿(化)地质体。表明通过低电阻率高极化率圈定含黄铁矿物地质体异常,结合地质分析,间接指示铅锌矿体空间位置是本区三维激电方法应用的思路,对地区同类型铅锌矿地球物理勘探具有参考意义。

基于聚合型代数多重网格法的三维直流电法自适应有限元正演

在各向异性、起伏地形、真实地质模型电法模拟中,经自适应有限元离散后形成的大型稀疏线性系统存在内存消耗高、求解效率低等缺陷。为此,提出了聚合型代数多重网格(AGMG)法与自适应有限元法的联合算法,在提高正演精度的同时提升计算效率,实现复杂模型三维直流电法大规模正演模拟。对于三维直流电法满足的二阶椭圆边值问题,采用非结构化四面体网格的有限元法离散,并通过自适应策略进行局部加密,再利用AGMG法求解离散形成的大规模稀疏线性方程组。最后,通过复杂地电模型和实际地质模型验证了联合算法的有效性。在千万级自由度的求解中,联合算法比传统迭代法快了20多倍,比代数多重网格法快了近10倍,随着模型复杂度的提高,联合算法的效率优势更加明显。

跨孔电磁波CT技术在工程精细勘察中的应用

随着我国基建事业的高速发展和工程建设的全面推进,过去以钻探、常规电法为主的传统勘察手段越来越难以适应日益复杂化、精细化的工程勘察需求,尤其在深埋管道、不规则发育岩溶等典型地质体探测精度较差;而跨孔电磁波CT技术具有分辨率高、反演直观的技术优势,因此本文系统开展了基于精细处理的跨孔电磁波CT(Compated Tomogrophy)技术在3个工程精细勘察中的应用研究。结合钻孔约束和验证情况,分别实现了深埋输油管道精细定位、局部岩溶及裂隙精细识别、大范围岩溶空间分布精细刻画勘察目标,分析认为探测效果较好区域精度可达到1.0 m以内。研究成果一方面验证了跨孔电磁波CT技术在深埋管道、不规则发育岩溶等目标地质体精细勘察的有效性,可为相近工程提供参考价值;另一方面揭示了跨孔电磁波CT技术在未来地下空间和结构体等多领域精细探测中具有广阔应用潜力。

时频电磁法在金牛湖地区深部地热资源勘查中的应用

南京金牛湖地区地质构造复杂、低阻覆盖层厚、电磁干扰强,为了查明该地区深部地热资源,应用时频电磁法进行探测。本次布置了2条时频电磁法剖面,采用大功率发射信号能够有效地穿透低阻覆盖层,获得了信噪比较高的原始数据。通过对时频电磁数据的处理、分析、反演及综合解译,获得了勘查区4000 m以浅的二维电性结构模型。结合地热地质条件,优选了地热钻探井位,经钻探最终验证,推测地层与实际钻探基本吻合,在1600 m钻遇断裂,终孔深度2800 m,经后期抽水试验确定,日出水量大于500 m 3,钻井井口水温51℃,说明获得了优质的深部地热资源。综上所述,时频电磁法在金牛湖地区深部地热资源勘查中的应用效果较好,揭示了南京金牛湖地区较好的地热地质条件,为该地区地热旅游资源的开发利用奠定了坚实的基础。

云南省班歪铜多金属矿勘查中电法勘探的应用

班歪地区铜多金属矿区位于云南西南部的澜沧县,该地区周边发育多个大中型铜多金属矿床。在该矿区垂直于已知大地构造部署激电中梯和激电测深综合分析剖面,进行横向与纵向分析,以期在该地区实现找矿突破。成果显示地质构造与大地构造形态基本一致,并发现了低阻高极化异常,结合地质推断为矿化异常,通过钻孔验证了断裂构造接触带与矿化蚀变带关系密切,本次工作说明两种电法勘查手段的综合运用在铜多金属矿勘查中作用明显,取得的地球物理数据对该矿区矿床研究具有较大价值。

基于IITD-WT的大地电磁噪声压制方法

矿集区采集的大地电磁信号极易受到各类噪声污染,导致其视电阻率-相位曲线在低频段出现紊乱现象或呈现出近源效应等。文中提出了一种优化固有时间尺度分解(Improved Intrinsic Time Decomposition,IITD)和小波阈值(Wavelet Threshold,WT)的大地电磁(Magnetotelluric,MT)去噪方法及应用。首先将含噪信号进行IITD分解得到若干阶旋转(Proper Rotation,PR)分量;然后对PR分量进行小波去噪,叠加小波系数重构得到MT去噪数据。通过计算机模拟出不同类型的强噪声,并对小波阈值法设置不同的分解层数、基函数对强噪声进行处理,总结出该算法面对不同噪声时的去噪性能。对模拟大尺度方波和三角波噪声去噪后,信噪比最高可达24dB和17dB,所提方法去噪性能显著。将所提方法应用至MT实测数据的降噪,结果显示该方法能够有效去除隐藏在MT数据中的强噪声。由去噪前后视电阻率曲线对比可知,相较于远参考法和原始曲线,所提方法获得的视电阻率曲线更为光滑、连续,低频段的数据质量明显改善。

等值反磁通瞬变电磁法在浅部岩溶探测中的应用研究——以惠州市龙门县某地区为例

传统瞬变电磁法受关断时间和互感的过渡过程影响,存在较大浅部盲区;新近发展迅速的等值反磁通瞬变电磁法从理论和仪器上实现了纯二次场的观测,大大提高了浅部区域的探测精度。为研究等值反磁通瞬变电磁法在100 m以浅岩溶探测的应用效果,以惠州市龙门县某岩溶发育区为靶区,开展了方法有效性研究,取得主要成果与结论:(1)界定的土石界面和圈定的岩溶发育区与已知钻孔揭露情况吻合较好,验证了基于等磁反磁通瞬变电磁法在100 m以浅岩溶探测的有效性;(2)反映区内岩溶具有一定连通性,岩溶大小约1~20 m,岩溶主要发育于20~40 m及60 m以下埋深。研究结果一方面有效圈定了研究区100 m以浅岩溶发育区,对后续桥梁工程的安全建设具有重要意义;另一方面等值反磁通瞬变电磁法具有施工便捷、采集高效、抗干扰强等优势,未来有望在城市浅部空间探测领域实现更大作为。

探地雷达在堤防隐患无损检测中的应用研究

简要介绍绍探地雷达的工工作原理及数据据采集流程,在在崇州羊马河部分堤防段开开展实践,使用用加拿大pulse EKKKOPRO探地地雷达对羊马河河堤岸进行无损损探查,探讨利利用探地雷达探探测各类堤防隐隐患的设备选择择与参数设置,结合堤防材料料和地下介质的的地质雷达影像像特征,对地质质雷达影像进行行解译分析。根根据试验资料,总结应用探地雷达探查堤防防隐患工作中雷雷达波传播规律律、工作参数、资料分析方法法,为探地雷达达探测提供了科科学的依据。

三维高密度电法在浅层精细化探测中的对比研究

为实现工程场地地下结构精细化探测,在研究区开展了工程勘察中常用的四极装置(温纳、施伦贝谢尔、偶极)三种装置类型的三维高密度电法精细化探测对比研究。主要对各装置的三维反演可视化成果及不同方向的切片成果进行了对比分析。研究结果表明:三种装置均能完成浅部地质体的精细刻画,但在数据覆盖范围、探测深度,分辨率等方面存在一定的差异。根据分析结果提出了一种工程场地勘察三维高密度电法野外数据采集装置类型选择方案,对以后三维高密度电法工程实际应用具有一定的参考和指导意义。

垂直电性源瞬变电磁监测在典型地质构造中的应用

矿井地层中存在的地质构造易引起地质灾害的发生,对矿井安全生产造成极大威胁。为提高瞬变电磁法探测精度与探测范围,以电磁场扩散理论为基础,运用正演模拟方法,分析了垂直电性源瞬变电磁场的响应曲线衰减规律,设计了矿井地质构造致灾区垂直电性源在线监测系统,并模拟了垂直电性源TEM对典型断层地质构造的识别能力。结果表明:当发射源长度为1 000 m时,可监测的偏移距离在500~4 500 m,监测深度可达2 000 m,可以满足地质构造的探测需求。感应电动势与电场的六分量在平面图中均可对断层地质构造进行有效识别,其中z方向分量的识别效果最好。在衰减曲线图中,dBx/t与dBy/t对于断层的识别能力较弱,而其余的四个分量均可对断层构造进行有效识别。

MATLAB工具箱自动识别探地雷达空洞图像技术

为实现雷达图像高效快速分析,考虑雷达发射天线与接收天线之间的距离,分析折射定律和球面波特性,提出一种偏移成像计算方法和空洞图像识别应用,运用MATLAB编写代码进行空洞信息解析并绘制二维和三维模型。结合室内实验进行误差分析,结果显示:合成模型基本位于图像相对应的位置范围内,与实际模型误差较小,在尺寸方面比较准确,可为探地雷达(ground penetrating radar,GPR)探测地下空洞的检测工作提供参考;图形用户界面(graphical user interface,GUI)整体操作简单、快速,满足高效快速分析要求。