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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于高密度电法及大地电磁法的典型滑坡联合勘察与应用效果分析——以安徽黄山市歙县深渡镇约源村汪山组滑坡为例

以安徽黄山市歙县深渡镇约源村汪山组滑坡作为研究对象,在野外踏勘和测绘的基础上,运用高密度电法和大地电磁法联合勘察,并结合钻探验证资料对勘察成果进行分析。研究结果表明:电阻率参数能够很好地反映研究区的地层分布特征及滑坡体的空间分布特征,并通过钻孔资料得到了有效验证;汪山滑坡局部富水,富水区存在水力联系,是滑坡的潜在动力,推断是由于古滑坡受雨水浸入,致使产生斜坡滑移。因此,采用高密度电法以及大地电磁法联合勘察,可以有效地应用于黄山市典型滑坡的勘察中,为进一步开展黄山市滑坡的成因机理和防治研究提供参考数据。

基于GPR探测的长江源地区冰川与冻土厚度研究

长江源地区的冰川变化揭示了青藏高原气候变化趋势。冰下地形探测作为冰川发育和运动过程研究的基础,对长江地区水土保持和淡水资源储量研究具有指导意义。长江科学院在长达10 a的江源科考基础上,分别于2022年、2023年采用探地雷达(GPR)技术对长江正源沱沱河发源地格拉丹东主峰的冰川厚度进行精准探测,并对查旦湿地冻土厚度上限进行了探测研究。结合多种冰川和冻土地质模型的GPR波场模拟结果,提高了GPR技术在长江源地区冰川和冻土探测的有效性和精准度。探测结果表明,格拉丹东主峰冰川厚度和查旦湿地冻土厚度上限均有不同程度降低,冰川厚度和冻土厚度上限观测是一个常年积累的结果,后续仍需持续进行观测,积累更多数据,分析变化趋势,以估算探测区域内冰储量,研究气候变化对冰川的影响效果。

GPR绕射波与反射波分离的变分模态分解方法研究

针对传统绕射波与反射波分离方法易造成有效信号丢失的问题,本文利用二维变分模态分解(2D-VMD)进行探地雷达(GPR)数据的绕射波与反射波分离。对二维GPR数据进行2D-VMD分解后,可得到包含从低频低波数到高频高波数的各阶模态分量及各阶模态分量的F-K谱。通过分析绕射波与反射波在频率-波数域的差异,分别重构绕射波与反射波对应的模态分量,得到分离后的绕射波与反射波数据。数值模拟与实测数据处理结果表明,相比于传统方法,该方法可以有效分离绕射波与反射波,并且不损失任何有效信号。

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。

电测量法在岩质边坡软弱层损伤累积研究中的应用

岩质边坡软弱层的结构性改变会导致边坡损伤,在强震和降雨作用下,损伤效应将更为明显,其累积也是触发滑坡的关键因素。因此岩土体内部缺陷累积过程、滑动面的发育规律等研究对于明确滑坡动态演化机制具有重要的理论意义。本文基于电测量法,对岩质边坡软弱层材料设计开展不同含水率的电测量试验,集成电测量系统与三轴压缩试验的接驳装置,分别探究了电阻率-含水率关系和电阻率变化率-应力-应变关系,初步建立了边坡软弱层损伤与电阻率变化率的关系。在此基础上开展小比例尺模型试验,模拟降雨-拟地震力作用下岩质边坡软弱层水分升高与强度劣化过程,评价了试验过程中含水率的变化与边坡软弱层的损伤累积,并探讨了将电测量方法应用于边坡软弱层损伤累积研究中的可行性。

准噶尔盆地乌伦古凹陷电性结构特征

弄清准噶尔盆地乌伦古凹陷地下深部电性结构,对于准噶尔盆地乌伦古凹陷的深部油气勘探具有重要意义。综合钻井、地震、测井、地质露头观测及分析化验等资料,总结了研究区的地球物理特征,包括地层岩石密度特征、磁性特征、电性特征。在此基础上,对乌伦古凹陷的一条大地电磁测深原始时间序列的电场数据进行视电阻率曲线平滑处理和静态偏移校正处理,并采用Occam法进行反演,得到乌伦古凹陷地下10km深度范围内的电阻率剖面。依据该电阻率剖面,结合地震及钻井资料,初步确定了准噶尔盆地乌伦古凹陷地层的构造形态,发现乌伦古凹陷西北端和东南端地下存在高阻异常,且基底中存在低阻地层。研究结论对准噶尔盆地乌伦古凹陷的油气勘探具有重要的价值。

高密度电阻率法在复杂岩溶地区的应用研究

岩溶地区多存在塌陷安全隐患,严重影响工程建设及使用安全,因此准确探测岩溶的形态特征及填充性质在工程勘察中尤为重要。近年来,高密度电阻率法因其适应性强、采集效率高和显示直观的特点,已经成为岩溶探测的有效手段。本文引入反射系数K剖面法,通过分析其原理及发展,对比了与传统软件RES2DINV的处理效果。并以西南地区某机场工程为例,采用高密度电阻率法中不同装置类型、不同电极距对地下岩溶发育情况进行探测,通过对比分析得到适合该场区的探测方法和参数,同时结合钻孔资料进行综合解释,弥补由点到面的不足。通过本文的实践和验证,高密度电阻率法在复杂地形条件下探测岩溶发育有很好的反映,且斯伦贝谢装置的识别效果比温纳装置更佳,反射系数K剖面法处理后的剖面对岩溶形态特征刻画得更为清晰,为工程的后期勘察和资料处理以及防治措施提供了技术支撑,对于岩溶地区的地质勘察具有良好的应用和参考价值。

AMT与高精度磁测在红石泉地区铀矿勘查中的应用

笔者应用音频大地电磁测深法(AMT)和地面高精度磁法并结合钻探资料,验证了红石泉地区深大隐伏断裂构造的地球物理异常解译标志,对该区主要控矿断裂(F1)及其次级断裂进行了有效探测,揭示了伟晶花岗岩与中元古界变质岩岩性接触带的深部展布特征,大致圈定出了主要成矿岩体伟晶状花岗岩体的空间分布情况。研究成果表明,组合使用AMT和地面高精度测法能够有效解决本区隐伏断裂构造和岩性接触带的探测问题。

层状介质背景下地-井方位激电异常分析与解释

为了更好地探究层状介质背景下井旁隐伏矿体的地-井方位激电异常特征,首先研究了地-井三维激电的有限元正演模拟算法,并编制了程序;然后构建三维地电模型并进行正演模拟,讨论层状介质背景下地-井方位激电异常,并分析其异常特征规律;最后通过比值法归一化压制层状介质背景,突出局部异常。理论和算例表明,比值法归一化处理是地-井方位激电观测中消除层状介质背景异常影响的有效方法。

基于自然电场与电阻率法的尾矿库渗漏探测数值模拟研究

尾矿库堆存是处置矿山尾矿的常规方案,但尾矿库渗漏严重威胁生态环境。及时查明地下渗漏情况,有助于采取有效的补救方案。笔者基于有限元—无限元耦合法开展数值模拟研究,探究基于直流电阻率法及自然电场法的综合物探技术在尾矿库渗漏探测中的应用效果。研究结果表明,直流电阻率法和自然电场法能相互结合、验证、补充,能够揭露地下电阻率结构异常,同时能提供渗漏点的位置及深度信息。这些研究可为尾矿库及其它渗漏问题提供数值参考和技术方案指导。

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。