地空电磁技术在山西寿阳段王煤矿中的应用

为了改善矿井安全生产环境,进一步提高矿井生产能力和技术水平,加强水害防治工作,根据煤矿生产建设和安全的需要,利用地空电磁法勘探技术探测效率高、成本低、对良导电解质响应敏感等优势,对山西寿阳段王煤业集团有限公司八采区内的主要可采煤层采空区积水情况进行探查。通过前期室内勘探设计,中期现场数据采集,后期数据处理、成果分析等过程,较好的完成了此次地空电磁探测任务。根据探测结果,共圈定5处疑似采空积水区。经过对其中3号、4号两处异常区打钻验证,结果表明2处异常区均为8+9号煤层采空积水区域,且平面投影形态及影响范围与地面探测成果圈定的情况一致度较高,研究结果充分说明了地空电磁勘探技术在段王矿采空积水区探测中的可行性及有效性,最大限度的降低了八采区后期掘进、回采过程中所面临的水文地质方面的风险,取得了较好的经济技术价值。

电性源时域地空电磁数据小波去噪方法研究

基于飞艇的时间域地空电磁探测系统,具有勘探深度大、效率高、空间分辨率高、飞行控制容易等优势.但在低空飞行测量过程中,飞艇飞行高度、航迹、姿态等受风向、大气气流、地形、地面局部温度场变化等影响而发生变化,导致固定在艇囊前端的接收线圈发生运动,切割大地磁场,产生了电磁噪声、运动噪声、基线漂移等,从而影响电磁数据的电阻率成像质量.因此,研究地空电磁信号中多种噪声的去除方法,对数据的反演解释非常重要.由于地空电磁信号中有效信号频带与部分噪声频带相重叠,使用传统滤波或消噪方法具有一定局限性.因此,本文提出一种综合小波去噪法:根据地空电磁信号的特点,采用sym8小波基;基于小波多分辨率分析原理,利用小波高尺度近似分量估计基线漂移,以校正电磁数据中的基线;基于小波阈值收缩原理,采用5层小波分解、极小极大阈值配合硬收缩函数的消噪方法,来压制数据中的其余噪声.最后,通过异常环模型的理论响应和实测数据进行算法的验证,结果表明这种综合消噪法对多种噪声均有很好的抑制作用,是一种实用有效的时间域地空电磁数据消噪方法.

2.5维起伏地表条件下频率域地空电磁正演模拟

频率域地空电磁探测方法是指在地面布设人工场源,在空中测量电磁场的一种高效的地球物理勘探技术.该方法具有大范围、高通过性、快速测量的优势,尤其适合崎岖山地、沙漠、沼泽、海陆交互带等复杂地貌区域的资源勘查.但是这些地区的地形起伏通常较大,因此分析地形对地空电磁响应的影响具有重要意义.本文利用有限元法对频率域地空电磁响应进行了正演计算,分析了起伏地表条件下的频率域地空电磁响应特征.首先利用傅里叶变换将2.5维问题转化成二维问题,利用伽辽金加权余量法推导了相应的离散有限元方程组.采用任意四边形单元对区域进行不均匀网格剖分,源和异常体附近网格加密处理,保证计算精度,远离目标区域网格逐渐稀疏,模拟无穷远边界,降低对计算资源的要求.在单元内进行插值,将有限元方程组变换为线性方程组,采用总场算法,利用具有一定面积的伪δ函数表达源电流分布,源项近似为分布在以电偶极源为中心的25个节点上.通过求解线性方程组得到波数域电磁响应,再对波数域电磁场响应进行反傅里叶变换从而获得空间域2.5维频率域电磁场值.通过对比2.5维正演结果与均匀半空间解析解,验证了本文算法的精度,同时本文还对地空电磁场与地面电磁场的响应特性进行了对比.

时域电性源地空电磁系统在煤炭采空积水区勘查中的应用

为实现山区复杂地形条件下,对沁水盆地东南地区煤炭采空区及采空积水区的快速、精确勘查,采用时域电性源地空电磁法对上述区域进行地球物理勘查。时域地空电磁法采用地面发射空中接收的方式,在地面布设接地长导线源,利用大功率发射机向地下发射时域方波信号,在空中利用无人机搭载接收系统沿平行于发射源的预定航线进行飞行探测获取电磁信号和测点坐标信息,发射与接收的电磁数据通过GPS时钟进行同步。利用时域电性源地空电磁探测系统,采集到了信噪比高的电磁数据,同时开展了地空电磁基线校正方法、地空电磁噪声抑制方法及视电阻率成像方法的研究,进一步提升电磁数据的质量和成像分辨率。通过对时域电性源地空电磁数据和空间坐标信息进行处理获得反应测区地电信息时间的电性源地空电磁法视电阻率,结合已知地质信息进行解释,推断解释了煤炭采空区和采空积水区的空间分布特征。时域电性源地空电磁法在极大减少地面工作量的同时,兼顾了勘探深度,因此兼具航空电磁法快速高效和地面电磁法勘探深度大的特征。本次勘查表明:利用该系统开展地空电磁勘查,可以实现工作效率4~5倍的提升,且勘探效果与已知地质信息基本吻合,表明时域电性源地空电磁探测系统可以实现对煤炭采空区的快速、精确勘查。针对本次勘查的效果,可以预期时域电性源地空电磁探测系统将在复杂地形条件下的深部资源探测、环境、工程、灾害地质调查中发挥重要的作用。

针对艰险山区隧道勘察的地空电磁法应用研究

我国的高铁网络发展迅速,但在一些复杂艰险山区的铁路隧道勘察中,技术人员几乎无法抵达线路点位完成数据采集,致使传统的地面物探方法极难开展。为解决这类问题,通过引入近些年发展的新兴物探方法——地空电磁法(Ground-Airborne Electromagnetic Method,GAEM),该方法采取地面发射、空中接收的工作模式来解决了技术人员上不去、采集不了数据的难题。本文基于某处艰险山区隧道勘察进行了地空电磁法的实验,首先总结了现阶段地空电磁法的野外工作流程及一些注意事项;然后通过对野外实测数据的处理与反演成像,成功圈定了实验测区内的城巴大断裂及一处无名断层位置,以及探明了该区域拟定隧道部分区域内的地质构造情况;最后将地空电磁法反演结果与音频大地电磁法结果及地质钻探结果对比,结果表明地质结构对应良好,验证了地空电磁方法的可靠性和有效性。案例结果证明,地空电磁法是在艰险山区隧道进行勘察的有效技术手段,为今后的艰险山区隧道勘察提供了新思路。

电性源地空电磁法场源效应模拟分析

针对地空电磁受到场源效应影响时会与探测目标体产生的电磁响应叠加在一起,影响地质工作者对目标体的识别,为此从频率域磁场垂直分量(Hz)出发,模拟分析了地空电磁电性线源产生的磁场响应对均匀半空间内不同位置分布的高、低阻异常体产生的影响。研究表明:在均匀半空间内,当y<0时,Hz实部为负值,Hz虚部为正值,当y>0时正好相反。距离场源近的异常体引起的Hz幅值较大,关于y=0 m对称分布的异常体,引起的Hz响应也关于y=0 m对称。同一位置的高、低阻异常体引起的Hz实部曲线形态相反,高阻体的Hz虚部幅值大于半空间的,而低阻体的Hz虚部幅值小于半空间的。

频率域地空电磁法磁场三分量响应特征研究

地空电磁法是一种将地面电磁技术与航空电磁技术相结合的方法,其现场施工效率高,检测精度高,适合在复杂地形环境下进行快速、高精度的检测。目前,国内外对地空电磁法的研究和应用主要集中在时间域,所收集到的资料主要是垂直磁场的频率(Hz)。通过采用理论分析和数值模拟的方法,对X、Y、Z三个方向的磁场成分的反应特性和影响因素进行了深入的分析。

地空电磁探测数据处理及反演成像研究进展

当前应用于矿产勘探、工程检测等方面的地球物理手段越来越多,其中,地空电磁探测技术可实现大深度高效率探测。目前针对该方法的研究和推广,软硬件、发射源、数据处理及反演成像等都在发展完善之中。见于报道的文献居多,但是对该技术各方面的研究进展总结不足。本文仅从方法的数据处理及反演角度出发,评述当前研究进展和现状,总结存在的问题,并对下一步发展方向提出个人观点,为该方法的后续研究提供参考。

地空电磁—核磁共振联测方法在地层富水性探测中的应用与研究

针对地层富水对煤炭生产安全的危害,为露天矿富水区探测提供一种新型快速的探测方法。面对研究区地理地质条件,工作区域高压电线、大型露天采掘装备强干扰、矿区复杂地形、高背景电阻率等特殊情况,采用地空电磁探测方法划定富水区、导水通道及含水点,核磁共振方法推断含水层位置、含水量大小等。研究表明,地空电磁-核磁共振探测方法可圈定地下含水区域,评估地下0~100 m的地质水文信息,对含水层的分辨能力效果显著。该方法具有较好的应用前景,为同类矿山提供了参考。

地空瞬变电磁法在复杂地形运营公路隧道岩溶勘查中的应用——以广西河池—百色高速公路为例

针对传统地球物理方法在地形复杂条件下隧道突水突泥地质灾害勘查的局限性,采用结合地面与空中电磁信号的地空瞬变电磁法可以克服供电和负载的限制。以广西河池—百色高速公路金兰隧道为例,结合三维视电阻率成像技术,采用基于反函数原理的全域视电阻率计算方法,分析隧道区域三维视电阻率特征。该方法通过展示地下介质的电性分布,精确识别灾害源及导水通道,相比传统视电阻率计算,基于反函数原理的全域定义提升了探测的精度和深度。结果表明:地空瞬变电磁法结合全域视电阻率成像技术,能够精准定位隧道内的低电阻率区域,为隧道灾害抢险与治理提供了关键技术支持。

地空电磁技术在地面区域治理注浆效果评价中的应用

地空电磁探测技术通过在地面布设电性源、空中无人机采集信号的工作方式,获取了探测区域的电磁响应数据,并分析其富水情况。煤矿地空电磁技术在山西古县老母坡矿老空水及含水构造探测,以及在冀中能源东庞矿西庞井区域治理注浆效果评价等方面得到了成功应用,对比水文地质资料,验证了探测技术的可行性与高效性,提前探明矿井的低阻异常区,为煤矿水害防治提供了技术依据。

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。

基于同步提取变换的地空频率域电磁信号幅度提取方法

地空频率域电磁法探测信号为多频非平稳信号,为了解决应用传统傅里叶变换方法提取其幅度时分辨率较差的问题,本文提出了基于同步提取变换(SET)的地空频域电磁信号幅度提取方法。该方法对电磁数据进行SET,得到高分辨率时频图,并利用能量算子使电磁数据时频谱能量更为集中;采用贪心算法提取脊线,得到时频图的高能量带;通过自回归模型自适应地补充了脊线中的0值,解决了由窗函数引起的端点效应问题。根据脊线位置的时频图复数值,得到各频率分量幅度随时间的变化,研究了不同信噪比情况下基于SET的地空频率域电磁信号幅度提取结果的准确性。结果表明:当信噪比≥10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差均小于5%;当信噪比<10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差在10%以内。提取效果良好。将此方法应用于新疆霍拉山隧道工程地空频率域电磁法探测中,成功提取了多频电磁信号各频率分量的幅度,与采用傅里叶变换提取非平稳信号幅度的方法相比,该方法有效地提高了幅度提取结果的分辨率。

多源频率域地空系统三维电磁响应分析

地空电磁法已经成为深部资源勘探的重要地球物理方法,但对频率域地空系统的三维多源电磁响应特征研究较少.本文设计了多种激励源组合方式,采用非结构化有限元数值模拟方法,对三维地电模型的空中垂直磁场的响应特征进行了研究.首先推导了基于电场的双旋度公式及其变分形式,加入罚项以减少伪解的影响.接着把有限元稀疏矩阵方程转换为频率的函数,采用Krylov子空间投影方法,通过模型降阶算法降低稀疏矩阵的阶数,实现多频点的快速计算.建立了三维低阻体模型、高阻体模型以及两个相邻低阻体模型,分别采用单源、双源、三源和四源激励模式,从垂直磁场的总场、二次场响应和全域视电阻率等方面进行分析比较.结果表明:多源地空电磁法不仅可以增加总场的强度,而且可以改变异常体的二次电磁响应分布规律.各电偶源延长线呈正三角形分布的三源和矩形分布的四源激励模式在增强信号强度以及削弱异常体的边界效应方面具有一定的优势,是一种优化的多源激励方式.

基于无人机地空瞬变电磁法的水库库区滑坡体探测研究

为了预防水库库区滑坡灾害、保障水库安全,以江口水库库区为研究对象,提出基于无人机地空瞬变电磁法的滑坡体探测方法。通过麦克斯韦方程组计算出水库的磁感应强度,结合磁感应强度、无人机发射的信号以及探测半径,确定探测的方位角;基于无人机地空瞬变电磁法,结合多个探测点所获取的感应电动势数据,定位滑坡体异常位置;利用GNSS技术和多种测量工具,对滑坡体变形量参数进行系统的计算,确定水库库区滑坡体的变形量,实现滑坡体探测。结果表明,该方法探测结果的准确性始终保持在95%以上,能够有效识别出高程位置的变形情况,该水库库区的滑坡体变形程度较小,且变形速率缓慢,目前处于相对稳定的状态,其危险性相对较低。

基于同步姿态测量的地空三分量电磁接收系统设计

针对地空三分量电磁探测对接收信号高速、同步、大量存储、同时记录线圈姿态信息的需求,提出了带有高精度同步姿态测量的全波形地空电磁探测数字接收系统。设计了针对地空电磁法的模拟信号调理电路,通过两片同步驱动的高速24位AD芯片实现三通道高速采样,由FPGA实现了大量数据的实时传输。设计了同步姿态测量装置,可实时同步存储线圈姿态数据。实测结果表示,该数字采集系统能满足三个通道全速192 k Hz的采样率采集电磁数据、以100 Hz的采样率得到同步的线圈姿态数据,并通过实地野外实验证明了该系统可以完成含姿态测量的地空电磁三分量数据采集工作。

多辐射源地空瞬变电磁响应三维数值模拟研究

地空瞬变电磁法结合地面和航空电磁法的优点,可实现探测深度和工作效率的平衡.当前地空瞬变电磁法采用单一线源激发电磁辐射场,仅能从一个侧面与地质体耦合,难以获得地质体的全息影像.采用多辐射源是解决这一问题的途径.本文采用三维矢量有限元法对两个不同地质体多个辐射源情况下的地空瞬变电磁响应开展了模拟研究,分析了多辐射源在不同辐射方向、不同飞行高度电磁响应的分布特征.研究表明,由多辐射场源作为地空电磁法的发射源,通过分散布设的线源,可以在地下激发与地质体多方位耦合的电磁场,能够获得地下地质体多方位不同高度情况下的耦合信息.同时,多辐射场源能够增强源电磁场的辐射强度,减少单一线源体积效应影响,飞行高度较低时可获得较强的响应幅值,研究结果为多辐射地空瞬变电磁法深部精细探测提供理论依据.

基于Robust-M估计的地空频率域电磁探测数据干扰抑制方法

地空频率域电磁探测(ground-airborne frequency-domain electromagnetic detection, GAFED),因通过无人机搭载接收系统进行空中数据采集,受到飞行因素以及环境因素的影响,引入随机噪声、尖峰噪声等环境噪声,影响数据质量。在数据预处理的基础上,提出了一种基于Robust-M估计的时窗叠加滤波方法,抑制随机噪声、尖峰噪声等,通过系数加权来消除或减弱异常点的影响。通过对该方法在模拟数据中的应用效果分析,发现相对于传统的平滑滤波方法,该方法可以有效压制随机噪声等环境噪声,在提高分辨率的基础上保证数据质量。最后通过对野外数据的应用效果,进一步验证了该方法可压制随机噪声与尖峰噪声,提高数据质量。

地空频率域电磁系统空心线圈传感器优化设计

针对地空频率域电磁法(GAFEM)的大范围、快速探测需求,研制了一种适用于GAFEM的高灵敏度、低噪声、低质量的空心线圈传感器(ACS)。首先,根据一维正演计算了收发距10 km处的等效面积归一化响应电压,进而确定传感器灵敏度和噪声水平的指标需求;然后,建立ACS的电路等效模型,并对电路噪声进行分析计算,引进拉格朗日乘子法来优化ACS的设计参数以达到灵敏度、噪声和质量指标要求;最后,根据优化参数设计空心线圈传感器,在电磁屏蔽室对其进行测试,结果显示在噪声参考频率(100 Hz)处,优化传感器噪声为0.09 pT/Hz^(1/2),灵敏度为14.7 mV/nT,总质量为1.25 kg。野外实验表明,地面同一测点处,本文优化ACS测量的磁场幅度与AMTC-30磁棒的测量值一致;且在空中飞行中,该ACS能获得有效磁场信号。

半航空频率域电磁倾子散度探测能力分析

近年来,为满足经济快速发展对矿产资源的强劲需求,复杂地形区深部矿产勘查成为研究热点(滕吉文等,2022)。航空ZTEM系统是复杂地形区深部矿产资源快速探测的重要工具。与传统的航空电磁探测系统相比,ZTEM具有勘探效率高、深度大、覆盖区域规则等优势。倾子散度是ZTEM探测中用于地下结构成像的有效参数。它具有解释直观,异常目标识别能力强,多个异常体横向边界分辨率高等特点(Legault et al.,2012)。