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。

基于水平方向导数的地—空瞬变电磁响应边界识别方法研究

地-空瞬变电磁是一种在地面发射空中接收的瞬变电磁半航空装置形式,其接收系统搭载于空中飞行平台,探测效率高,在面积性测量中优势突出。然而目前基于成像的数据处理方法在针对面积性数据特征提取地质体边界或者线性构造等方面还存在不足。本文针对面积性地-空瞬变电磁响应数据,尝试利用方向导数的数据处理方法,求取不同时刻瞬变响应在不同方向上的一次和二次导数,以期实现对目标地质体边界的识别。文中对均匀半空间内水平和倾斜低阻板状体分别求取不同方向上的一次导数和二次导数,验证了方法的可行性。

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。

回线源地-空瞬变电磁系统及其在滑坡探测中的应用

中国南方地区地质灾害频发,遭受经济损失巨大,其中滑坡灾害危害最为严重.目前对于复杂地区滑坡地下结构探测方面的研究还存在薄弱环节,还缺少快速可靠的探测地下结构的手段.常规地面地球物理方法在复杂地形条件下存在施工困难的问题.应用数值模拟对比分析了回线源和电性源发射条件下场的分布特征和变化规律,为仪器研制和野外采集方案提供参考.针对滑坡地质灾害调查研制了基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统.该系统使用旋翼无人机作为飞行平台,目前地面发射机功率为10 kW,最大电压为250 V,最大电流为40 A,发射时基4/10/20 ms可选,下降沿为线性沿,同步方式为晶体+GPS;机载接收机采样率250 kHz,在关断后采集二次场并自动组道叠加,连续点号采集,输入等效噪声0.5μV;空中接收线圈为空心线圈,频率为30 kHz,等效面积3100 m^(2).利用新研发的基于旋翼无人机的回线源地-空瞬变电磁系统在贵州发耳典型滑坡体上开展试验研究.对野外试验中地-空与地面瞬变电磁的实测曲线进行了对比分析.试验结果表明,新研制的地-空瞬变电磁系统稳定可靠,能够快速获取复杂地形条件下小范围内的地电结构,适合于滑坡体地质结构的快速探测.

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)。

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。

地形对回线源地空瞬变电磁探测的影响研究

针对地形起伏对地空瞬变电磁勘探数据影响严重的问题,利用电磁三维(3D)分析软件对起伏地形条件下地空瞬变电磁响应进行了正演模拟,分析了不同地形对地空瞬变电磁响应的影响。首先,对均匀半空间模型进行正演计算,保证本文数值模拟的精确性;其次,在回线源外分别构造山峰及山谷地形,研究不同地形条件下电流断开后空间中电磁场变化;最后,建立典型地形含异常体模型,分析起伏地形对地下目标体探测的影响。研究结果表明:地形对地空瞬变电磁响应有着显著的影响且影响主要集中在早期;不同地形及同一地形两侧表现出不同的影响特征。该结果为地空瞬变电磁数据地形识别提供了有价值的结论。

地空时频域电磁法对隧道岩溶的探测分析

随着我国西南交通建设的快速推进,为保障隧道建设期安全,针对隧道不良地质的勘察意义重大,而地面勘察技术手段受地形等影响,工作效率低,局部区域难以开展。鉴于此,针对云南省某公路隧道开展了水文地质调查、地球物理特征统计及地空时频域电磁探测,查明了隧道沿线的不良地质段、设计轴线周围的岩溶或富水区的空间分布形态,为隧道施工安全与整治提供了依据。该方法的成功应用,可为国内碳酸盐岩地区的隧道岩溶勘察提供一种可借鉴的技术手段,同时可推广到工程建设与矿产勘查等领域,预期可取得较好的应用效果。

地空时频域电磁法在云南某隧道勘察中的应用研究

中国西南交通建设快速推进,为保障隧道建设期安全,针对隧道不良地质的勘察意义重大,而地面勘察技术手段受地形等影响,工作效率低,局部区域难以开展。鉴于此,针对云南省某公路隧道开展水文地质调查、地球物理特征统计及地空时频域电磁探测,查明隧道沿线的不良地质段、设计轴线周围的岩溶或富水区的空间分布形态,为隧道施工安全整治提供依据。该方法的成功应用,较地面瞬变电磁法相比,工作效率提高了10倍以上,可为国内碳酸盐岩地区隧道岩溶勘察提供一种可借鉴的技术手段,同时可推广到工程建设、矿产勘查等领域,预期可取得较好的推广应用效果。

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。

无人机地空时频电磁物探在铁路隧道勘察中的应用

本文介绍了无人机地空时频电磁物探的基本工作原理,并将该方法应用于西渝高速铁路天坪梁隧道勘察中。为验证无人机地空时频电磁物探成果的准确性,采用了地面大地电磁物探(EH4)方法和地质钻探方法进行了验证。研究结果表明:(1)无人机地空时频电磁物探具备较好的可靠性及准确性,能够较好地反映地下电性结构,有效地探测地下各类地质体;(2)无人机地空时频电磁物探不受地形、地貌限制,具有效率高、成本低的特点,值得在复杂艰险山区铁路隧道勘察中推广。研究成果可为隧道勘察设计提供参考借鉴。

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.

无人飞艇长导线源时域地空电磁勘探系统及其应用

以无人飞艇作为载体的时域地空电磁探测系统,具有高效、低成本、勘探深度大和空间分辨率高等优点.本文基于二维有限差分方法,分析了长导线源地空电磁响应的特征和变化规律、以及飞行高度的影响;在此基础上,采用32位Cortex-M3内核处理器,以全差分模拟前端压制电磁干扰,实现了24位低噪声多通道海量电磁数据的同步采样及存储,研制了一套可搭载于无人飞艇的时域电磁接收系统,并基于Wi-Fi Mesh无线多跳网络实现了地面远程监控.通过分析飞艇发动机的电磁噪声特点,采用独立分量分析法进行实测数据的噪声去除.研制的地空电磁接收系统使用无人飞艇搭载,在江苏省南通市如东县和内蒙古巴彦宝力格地区进行了电磁探测实验,地空电磁勘探结果与地面瞬变电磁和大地电磁方法进行了对比,证明了地空电磁探测方法的有效性.无人飞艇时域地空电磁探测系统的成功飞行实验,为在我国草原沙漠地区、海陆交互地带、沼泽地带、无人山区等特殊景观地区开展矿产资源、水资源、地质灾害等电磁探测提供了新方法和新思路.

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.

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.

激励信号对地-空瞬变电磁响应的影响分析

运用数字滤波法和辛普森积分法,计算了阶跃波层状大地地-空瞬变电磁响应;以此为基础,通过卷积方法可得任意激励波形的电磁响应。从激励信号能量角度分析了激励波形的响应,能量大对应的响应就大。通过正演计算,半正弦波和三角波在on-time段响应随电导率的变化不明显;而off-time段高阻异常很快进入噪声区,在数据解释时,无法得到足够多的有用信息。为了解决这一问题,发射波形采用梯形波或方波,同时记录on-time段和off-time段数据进行异常分析,可使反演分辨率更高。

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.

地-空瞬变电磁法电阻率成像研究与应用

地-空瞬变电磁法(Semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)凭借适应能力强、探测深度大、实时性强等特点,适用于湖泊、沼泽、山区等地形复杂地区观测.SATEM接收数据量大、精度要求高,传统成像方法基于地面视电阻率计算未考虑飞行高度,开展SATEM的高精度快速成像研究对实际运用有重要作用.针对SATEM中电性源发射装置感应电流分布,接收装置设置于空中以及两者不在相同平面的特点,本文考虑横向、纵向感应电流差异,飞行高度对视电阻率影响等因素,提出电性源SATEM电阻率成像方法.首先,基于电性源瞬变电磁场感应电流分布特征及各分量空间分布、扩散特性分析,推导出基于均匀半空间磁场与感应电压解析解,然后定义了电性源地-空瞬变电磁法早期、晚期、全期视电阻率;最后根据对感应电流分布分析定义了横向分量和纵向分量的成像深度,并研究了成像深度受飞行高度、发射磁矩、偏移距、偏移角度的影响;对煤炭采空区的实测结果表明,利用本文提出的电阻率成像方法可以更加精确定位目标体位置.

气侵对井下环空流量电磁测量系统的影响研究

井下环空流量电磁测量系统可以实时获取井下环空流量信息,但环空流道侵入的气体会对其测量结果产生影响,导致测量系统无法准确对钻井过程中出现的溢流和井喷问题进行预警。针对环空流量电磁测量系统受气侵影响的问题,研究首先通过建立气侵对环空流量电磁测量系统影响的理论模型,获得了环空流量电磁测量系统虚电流密度函数;其次,采用有限元仿真软件对侵入气体的不同存在状态进行动态模拟,分析环空流量电磁测量系统的虚电流分布规律;最后,搭建模拟实验平台进行不同两相混合流量下的含气率影响实验。实验结果表明,随着环空流道内两相混合流体含气率在0%~5%范围内增加,不同两相混合流量下的环空流量电磁测量系统输出电压均呈现下降趋势,采用二次函数拟合不同两相混合流量下环空流量电磁测量系统输出电压与含气率关系,可决系数R~2在0.98以上,拟合残差e小于0.011;最终通过归一化的输出电压与含气率关系式校正环空测量流量。研究成果可用于降低气侵对测量结果的影响,提高井下环空流量电磁测量系统的测量精度。