钻孔瞬变电磁法接收线圈定向屏蔽物理模拟研究

钻孔瞬变电磁(BTEM)扫描探测方法可以利用巷道已有超前探查钻孔,通过旋转置于钻孔内收发线圈对孔壁外围隐蔽地质异常体进行扫描探测,因收发装置位于钻孔内,不仅避免了巷道内电气设备和金属物的电磁干扰,而且可以提高钻孔利用率,减少钻探工作量。然而,钻孔瞬变电磁法受全空间效应的影响,在扫描探测过程中,以收发线圈法线方向为探测方向接收异常体二次场信号的同时,还易受到其他方向信号的叠加干扰。若无法有效压制干扰信号,将直接影响对钻孔孔壁外围地质异常体的精确定位。利用屏蔽的方法,在接收线圈上安装屏蔽罩,尽可能保留线圈法线与屏蔽罩开口一致的探测方向的响应信号,而对其他方向的信号进行压制,从而实现钻孔孔壁径向一定范围内指向性探测。首先通过物理模拟实验探讨了不同匝数、尺寸的收发线圈对瞬变电磁场响应特征的影响,对适用于钻孔内的收发线圈参数进行组合优选。然后针对所要屏蔽的电磁波,选择不同种类的屏蔽材料,开展不同材料对不同方向电磁波的屏蔽效果实验。通过对比探测方向和其他方向的感应电动势,证实以泡沫镍制作的屏蔽罩能有效地压制非探测方向的干扰信号。通过实验分别对屏蔽罩的不同形状、磁导率等物性参数进行瞬变电磁场响应特征对比分析,并探讨屏蔽罩开口角度与定向屏蔽效果的关系,优化定向屏蔽罩参数,增强屏蔽效果。最后使用参数优化后的收发线圈和定向屏蔽装置进行钻孔瞬变电磁法径向断面扫描探测现场实验,采用基于混合分布的混沌量子粒子群和Levenberg-Marquarat及Occam组合算法的反演方法进行电阻率成像。研究表明:以泡沫镍为屏蔽材料,安装在接收线圈上的弧形屏蔽罩定向屏蔽效果较好,可以有效地压制钻孔瞬变电磁法扫描探测过程中非探测方向的信号干扰,且能较大程度的保留探测方向的异常响应信号,进而可以实现对钻孔孔壁外围隐蔽地质异常体的精确定位。

钻孔瞬变电磁法扫描探测RCQPSO-LMO组合算法2.5D反演

利用钻孔进行超前探测地质构造及含水体是地下开挖工程中的常规手段,如何利用这些钻孔进行钻孔瞬变电磁法扫描探测,从而实现钻孔孔壁外围地质异常体的精细探测,对实现地下工程地质透明化具有重要的指导意义.本文提出钻孔瞬变电磁法扫描探测2.5D反演的数据解译方法,首先针对随机性反演算法时效性低,易陷入局部最优解,而确定性反演算法依赖初始模型的问题,提出了组合策略的量子粒子群优化算法用来随机搜索最优初始模型.在此基础上,利用Levenberg-Marquarat方法求解Occam反演的目标函数,形成了RCQPSO-LMO组合算法进行2.5D反演,通过对比组合算法和单一算法,验证了组合算法具有更精确的反演结果.其次结合屏蔽条件下扫描探测,对比分析了有无屏蔽的2.5D反演结果,通过设定屏蔽系数对非探测方向信号进行部分压制,可以较好地解决钻孔径向扫描探测中对非探测方向信号部分屏蔽下的反演及成像.最后建立三组理论模型进行组合算法2.5D反演,结果表明:组合算法反演结果与理论模型的一致性较好,对低阻异常体的反演精度较高,验证了组合算法对钻孔孔壁外围低阻异常体具有较高的反演精度和分辨能力.

钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法

利用掘进巷道超前探水钻孔进行钻孔瞬变电磁法探测钻孔孔壁外围远距离含水体,避免了常规测井方法仅能探测钻孔孔壁岩层的“一孔之见”。目前钻孔瞬变电磁法受全空间效应的影响,接收到的单分量响应不能判别异常体方位;多分量响应可以近似判断异常体的大致方位,但难以通过成像等直观有效的方法对其进行精确定位。基于钻孔瞬变电磁法和方位电磁波测井相关理论,提出了钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法,采用方位线圈作为探测装置,减小线圈互感,增强钻孔瞬变电磁法的探测效果。同时,通过改变线圈旋转角,对钻孔孔壁进行360°扫描,形成钻孔径向全方位探测,旨在对钻孔孔壁外围岩体中的低阻体进行精确定位。首先推导方位线圈的互感解析表达式,探讨方位角对方位线圈互感的影响,通过数值计算确定最佳方位角取值。分别建立均匀介质和含低阻异常体的钻孔全空间三维地质-地球物理模型进行瞬变电磁场数值模拟,分析方位线圈的瞬变电磁法扫描探测多分量响应特征,总结方位线圈扫描探测瞬变电磁响应规律,确定了钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法,即通过钻孔轴向和径向的瞬变电磁响应特征判别钻孔孔壁外围岩体中低阻异常体的位置。最后建立含2个低阻体的地质-地球物理模型,采用最佳方位角的方位线圈进行数值实验,验证了该方法能有效地判别低阻异常体的方位。研究表明:钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测结果可以较好地反映钻孔径向外围岩体中低阻异常体引起的瞬变电磁场异常,全空间视电阻率成像结果分辨率较高。依据钻孔轴向和径向的瞬变电磁响应特征,钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法对钻孔孔壁外围岩体中的低阻异常体具有较高的分辨率及定位精度。研究结果可以为钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法的实际应用提供理论依据。

基于瞬变电磁法的煤层风氧化带探查

煤层风氧化带的发育对煤矿的生产组织和安全回采影响巨大,针对准格尔煤田东部隆起带煤层风氧化带圈定的技术难题,研究了瞬变电磁法探查煤层风氧化带的可行性。首先对研究区正常地层与煤层风氧化区的电阻率测井曲线进行了分析,总结了正常区与煤层风氧化区的电性差异,并以电阻率测井曲线构建了煤层风氧化区地电模型;然后采用MAXWELL软件对理论模型的瞬变电磁响应进行了数值模拟,发现在煤层风氧化区瞬变电磁反演电阻率断面表现为浅部低阻层变厚、低阻异常幅值减小的异常特征,可以以此来圈定煤层风氧化区的分布范围;最后在数值模拟的基础上,在串草圪旦煤矿开展了现场试验,结合钻探情况对试验数据从瞬变电磁反演电阻率断面和平面2个角度进行了分析,结果表明瞬变电磁法探测划分风氧化带是可行的。

瞬变电磁法在煤矿灾害勘察评价的应用案例分析

为进一步明确某现状矿区内易发生地下水危害的区域,采用瞬变电磁法对煤矿地下环境进行勘察,勘察结果表明矿区内可能存在一含水构造带,该构造带纵向基本贯穿标高550~-200 m,可能会对采空区或者巷道的开发使用带来危害。此外在瞬变电磁法对矿区进行勘察时,采空区往往表现为低阻包围着的中高阻特征,而含水裂隙往往表现为低阻特征。本文研究内容对于指导后续矿产资源的开发具有一定指导意义。

地空瞬变电磁法在煤矿采空区中的应用效果分析

煤矿采空区一直是工程中难以解决的重点难题之一,现工程中一般是结合开采资料及煤层分布进行综合分析。由于大型煤矿多采用自然塌落法来处理采空巷道,而非金属类矿山的填充法,随着时间的推移,会出现非常多的塌陷,导致采空区内部情况非常复杂,难以查清。尤其是在老旧的煤矿当中,由于过去技术落后,矿洞测绘资料存在一定的失真,导致很难明确定义现采空区的具体范围,为工程的顺利开展提出了重大的课题。结合黑龙江依兰煤矿(日伪时期的开采老旧煤矿采空区),在地形地貌条件特别差,人难以攀登的条件下,应用地空瞬变电磁法,初步解决了该采空区的范围和规模。

大定源回线装置瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用

该文通过研究大定源回线装置瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用,旨在提高煤矿采空区探测的效率和准确性。深入探讨大定源回线装置瞬变电磁法的原理和工作机制。在此基础上,设计并实施适用于煤矿采空区的探测方案,并通过试验进行验证。结果表明,大定源回线装置瞬变电磁法在煤矿采空区探测中取得显著的效果。大定源回线装置瞬变电磁法具有高效、准确、可靠的特点,能够快速识别采空区位置,为后续生产建设提供保障,同时也为其他煤矿采空区勘察提供参考。

全波形发射电流激发下地面瞬变电磁法磁场特征

在过去四十年,大部分关于瞬变电磁法的三维建模和反演研究都聚焦于磁场时间导数,而对于磁场数据研究并不多见.如今,随着超导量子干涉仪(SQUID)技术日益成熟,基于磁场数据的瞬变电磁法探测案例逐渐增多.基于矢量有限单元法,采用频谱法和时步法分别实现了适用于瞬变电磁法磁场数据的三维正演.以低阻覆盖层下的良导体和均匀半空间中板状良导体模型为例,研究了全波形发射电流激发的瞬变电磁法磁场及其时间导数特征,并探讨了二者对深部良导体的探测能力.正演计算结果表明:由于受发射电流全波形效应影响,晚延时磁场随目标体电导率增大而先增强、后减弱,然而即使不考虑全波形效应,磁场时间导数也呈现上述规律;在高阻和低阻围岩情形中,磁场比其时间导数对深部良导体反映更加灵敏,并且晚延时磁场比其时间导数更不易受地磁场背景噪声干扰,说明磁场比其时间导数更适合于深部良导体探测.需要注意的是,发射电流全波形效应降低了瞬变电磁法对深部良导体的识别能力,建议在瞬变电磁法对块状或脉状金属硫化物矿床探测时,尽量采用低基频发射电流波形.

电性源瞬变电磁法虚拟波场解析推导

瞬变电磁场至虚拟波场的转换是瞬变电磁拟地震处理的基础,瞬变电磁场满足扩散方程,而虚拟波场满足波动方程,二者之间通过Q变换相互转换。将瞬变电磁数据转换成虚拟波场属于积分反变换,具有典型的不适定特性,以往主要采用数值方法求解该积分反变换。在数值求解中,需对求解方法和参数进行优化,以获得最佳求解效果。为此,本文推导了电性源瞬变电磁法电场响应的虚拟波场解析解。从均匀半空间电磁场响应的解析解出发,借助于拉普拉斯变换对,得到了阶跃响应和脉冲响应的解析表达式,从而建立起瞬变电磁场和虚拟波场的解析变换对。该解析变换对能够用于测试数值求解方法的准确性和稳定性,还能用于检验虚拟波场特性,从而形成有效的虚拟波成像方法。

短偏移距瞬变电磁法探测技术与应用研究新进展

人工源电磁法是深部资源探查的重要手段,其核心在于通过创新技术提升探测深度和精度。电磁法的探测模式由远场转向近场是电磁法的重要变革,研究近源电磁探测方法是近年来的国际前沿。基于最新发展的广域电磁法和多通道瞬变电磁法,作者团队提出短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)。该方法的特点在于收发距离小,短偏移情况下信号更强、带宽更宽,更有利于实现大深度和高精度的探测。本专栏收集了8篇关于短偏移距瞬变电磁探测方法、技术、软件和应用的文章,这些研究成果将有力支持更深层次的精细探测需求。

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。

瞬变电磁法在地下水勘查中应用研究

瞬变电磁技术(Transient Electromagnetic Method,简称TEM)是近年发展较快并得到广泛应用的一种勘探方法。由于其观测的是二次场,可在近区观测,对低阻含水体反应灵敏,而且体积效应小、纵横向分辨率高,施工也很方便、快捷,所以效率很高。将该方法利用在贵州省兴义市清水河镇发大地下水勘查中,勘查效果极佳,所得成果接近真实,故提出将瞬变电磁法可以作为浅层水文地质勘探的重要手段。

地面与井下瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用

为查明安源煤矿4218工作面Ⅳ-2号煤层富水情况,避免水害发生,基于瞬变电磁法及井下瞬变电磁法基本原理,在整个工作面开展了地面与井下相结合的瞬变电磁探测工作。根据瞬变电磁法对低阻异常灵敏、施工方便、勘探深度大、可准确反映含水异常范围、井下瞬变电磁法施工效率高、体积效应小、对异常位置确定更为可靠的特点,利用地面瞬变电磁从平面上圈定水害分布范围,再利用井下瞬变电磁超前探测技术对巷道前方富水情况进行精确圈定;结合地质和钻孔资料,分析地面瞬变电磁法视电阻率断面图中各地层与电性层的对应关系,推断煤层顶、底板处的相对低阻区域很可能为砂岩裂隙富水所致,由此在全区圈定出1处中等富水区和6处较弱富水区;4218工作面辅运顺槽Q6点前49 m位置处井下瞬变探测结果显示,在迎头位置顶板30°、顺层、底板45°处有4处低阻异常区,与地面解释异常对比,有3处重合,重合率较高。结果表明:地面与井下瞬变电磁法综合探测可有效提升煤层富水区探测的准确性,为矿井水害防治提供了依据。

基于差分进化算法的瞬变电磁一维反演

实际采集的瞬变电磁数据包含电磁感应和激发极化效应,如何准确提取电阻率和极化率信息是电性源瞬变电磁数据处理的关键。首先,基于Cole⁃Cole复电阻率模型实现有限长电性源瞬变电磁法一维正演,在此基础上提出一种基于差分进化算法的电性源瞬变电磁一维反演方法。然后,在传统差分进化算法的基础上引入反向学习策略及控制参数自适应调节,加快反演的收敛速度,同时在目标函数中引入约束条件,构成最小构造反演,降低反演的多解性。最后,基于典型的三层地电模型和复杂多层模型进行理论模型测试,反演结果可有效恢复模型的电阻率和极化率。利用实测资料进行反演,反演得到的电阻率与OCCAM反演电阻率基本一致。在此电阻率约束的基础上,进一步反演得到极化率信息。反演结果准确地提取了实测数据中的电阻率信息,得到了地下介质的极化率分布,证明了算法的准确性和适用性。

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。

地面瞬变电磁法对低阻薄层的分辨能力

瞬变电磁法现阶段的资料处理解释仍以一维反演为主,因此分析瞬变电磁法对薄层的分辨能力对于更好地发挥瞬变电磁法优势仍具有重要意义。采用基于Occam算法的一维反演,以100 m深度内10 m层厚的低阻薄层为例,开展了地面回线源瞬变电磁法对低阻薄层分辨能力的定性和定量研究。数值结果表明:低阻薄层电阻率与背景电阻率差异越大,薄层反演电阻率和层厚越接近于真实值;反演电阻率极小值位置始终对应于薄层位置。低阻薄层电阻率与背景电阻率比值为1∶5,1∶10,1∶20,背景电阻率小于100Ω·m时,瞬变电磁法能够良好探测10 m薄层的最大埋深依次为40,50,80 m;背景电阻率为200Ω·m时,上述3个最大埋深依次为30,30,60 m。上述研究成果有助于优化瞬变电磁法野外工作参数设计和提高资料处理解释精度。

等值反磁通瞬变电磁在既有铁路路基岩溶探查中的应用

灰岩地区由于其地下空洞、溶洞和裂隙等地质特征,对既有铁路路基的稳定性构成严重威胁。本文采用等值反磁通瞬变电磁法进行探测,结合区域地质资料,圈定了既有铁路路基下方病害的分布位置、大小及形态,通过钻探资料验证了物探结果的可靠性,表明使用等值反磁通瞬变电磁法探测铁路路基岩溶分布是可行且高效的。

复杂地形瞬变电磁三维正演模拟与地形效应分析

目前,地面瞬变电磁法凭借其优势已被广泛用于煤矿水文地质勘查中,然而,在野外实际勘探中,复杂地形环境常导致发射源几何形状的改变与信号接收偏差,降低了勘探精度。为此,采用理论分析、数值模拟和实际地形数据分析相结合的方式,系统研究了复杂地形条件下电性源与磁性源瞬变电磁场的响应特征。首先,基于二阶后退欧拉离散的矢量有限元正演模拟技术,详细探讨了山峰和山谷地形位于接收点和发射源位置时,对两种源系统的影响规律。结果表明:电性源系统会出现响应变号现象,源导线位置高于周围地形时响应增强,反之则被削弱;而磁性源无变号现象,但响应变化规律与电性源类似。其次,利用实测地形数据,采用四面体网格建立与实际地形高度吻合的三维正演模型。模拟结果显示:早期响应曲线能够清晰反映地形细节,曲线形态与地形特征一致;而晚期响应则逐渐趋于平缓,体现了深部背景的影响。研究成果可为复杂地形条件下瞬变电磁法的勘探装置布设、数据采集、处理和解释提供理论指导,对提高煤矿水文地质勘探精度具有重要意义。

煤矿倾斜地层瞬变电磁加权横向约束反演

传统的单点一维反演是煤矿瞬变电磁数据处理与解释应用最广泛的技术方法,然而,实际地层往往存在一定倾角,当地层倾角较大时,基于单点水平层状模型的一维反演方法将不再适用,无法准确还原倾斜地层的电性分布特征。为此,针对煤矿瞬变电磁探测点距小、沉积地层地下电性结构相对连续的特点,本文采用加权横向约束反演(weighted laterally-constrained inversion,WLCI)方法,将相邻测点地电参数的差异作为约束项加入目标函数,对层界面的深度进行约束,同时引入加权因子控制约束强度,反演过程尽可能使相邻测点反演剖面具有横向的连续性以及纵向的光滑性。首先,阐述了瞬变电磁一维正、反演原理,并对WLCI计算过程进行了详细介绍。然后,建立了2组不同倾斜角度的H型与K型模型进行测试,分析加权因子对反演结果的影响。与传统的一维反演结果相比,WLCI通过建立层参数和深度加权约束方程并合成总的反演方程,是一种拟二维的反演方法,反演的电阻率剖面横向及纵向连续性好,与实际模型的吻合度较高,验证了反演方法的有效性。最后,实测数据的反演结果显示,WLCI可以准确还原倾斜地层的电性分布,反演结果与实际地质资料吻合。

结合SBAS-InSAR技术与瞬变电磁法在煤矿区沉降监测中的应用

煤矿长时间开采会导致上覆岩层在重力因素下产生刚性弯曲、断裂等,进而造成一系列安全隐患。如何高效地对煤矿区进行地表形变监测,对煤矿安全、自然生态有着十分重要的意义。文章结合小基线集干涉测量(small baseline subset InSAR,SBAS-InSAR)技术与瞬变电磁测深法对煤矿区进行沉降监测。此外,采用标准差椭圆分析了沉降体空间形变规律与特征,利用长短时记忆网络(long short term memory network,LSTM)模型预测了沉降体形变趋势。分析结果表明:通过瞬变电磁法与干涉测量结合,地表形变范围基本与瞬变电磁反演的采空区吻合,标准差椭圆分析出形变中心向西南方移动376 m,沉降形态也在向似圆状过渡;LSTM模型可以预测两个月的形变,误差为2 mm,可以实现煤矿区形变趋势的短期预测。