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.

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。

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。

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。

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。

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。

基于监督下降法的短偏移距瞬变电磁快速反演研究

短偏移距瞬变电磁法(简称SOTEM)通常采用传统式基于物理建模的反演方法,反演效率较低,不易灵活融入先验信息,而基于数据驱动的反演方法能够提高反演精度与效率,泛化能力却难以保证。为了提高SOTEM数据反演的精度和效率,并兼顾可靠的泛化能力,本文探索了一种融合物理建模与数据驱动的反演方法,将机器学习中监督下降法应用于SOTEM数据反演中。基于监督下降法的SOTEM数据反演分为线下训练和线上预测,线下训练时通过合理的训练集灵活融入先验信息,获得隐含模型特征的平均下降方向,线上预测时借助物理建模函数和训练所得下降方向,在传统反演框架下完成模型参数重建。文中利用层状大地模型构建训练集和测试集,实现了基于监督下降法的SOTEM数据一维反演,并与传统Occam算法进行了对比。结果表明:基于监督下降法的SOTEM反演效率大幅提升,反演精度较高,具有良好的泛化能力。

鞍山-本溪地区眼前山铁矿床深(边)部错断隐伏矿体磁法和瞬变电磁法联合定位及预测

随着地表矿体开采殆尽,找矿需求日益增加,隐伏矿勘探尤其是已有矿山深(边)部的隐伏矿体定位识别成为当前地球物理探测研究的重点和难点问题。鉴于此,本文针对已有矿山深(边)部构造错断隐伏矿体的定位识别,以鞍山—本溪地区(鞍本地区)眼前山典型BIF型铁矿深(边)部隐伏铁矿体为研究对象,基于前期地质和地球物理研究成果,采用地面高精度磁法、基于大定源中心回线装置和多匝重叠回线装置的瞬变电磁法进行联合探测应用研究。探测研究成果表明,地面高精度磁法可以圈定隐伏铁矿体的平面边界,从而缩小找矿靶区,在眼前山铁矿东部及西部偏南区圈定了两处成矿预测区;其中东部异常区通过瞬变电磁法进行定位识别隐伏铁矿体的埋深及形态,并经过钻探验证,发现一处埋深320~410 m的厚大隐伏磁铁矿体,表现为向东稳定延伸并有逐渐增厚的趋势;据此推测具有相似异常特征表现的西部偏南异常区具有较大的找矿潜力。本研究为类似金属矿山常见的不同级别构造错断隐伏矿体的高效定位识别提供了理论支撑和应用依据。瞬变电磁法的多匝重叠回线装置比中心回线装置具有更高的分辨率,也更适合对盖层下隐伏金属矿体的探测定位。

孔—巷瞬变电磁隧道不良地质体超前预报方法研究

在复杂环境下进行隧道施工,需要解决对溶洞、裂隙等小规模不良地质体的精细探测。为此设计了掌子面前方存在小规模溶洞的隧道施工模型,在掌子面中心点向隧道施工方向打一个钻孔,将电性源放入孔中进行激发,在掌子面上进行阵列式数据采集,采用时域有限元方法对模型进行瞬变电磁三维正演计算。结果表明可以通过源的移动对目标体进行电磁测深,通过掌子面上电磁场分布规律确定不良地质体的平面位置。采用孔中电性源激发的方式,可以提高瞬变电磁对小规模溶洞的探测能力,为隧道环境中提高超前预报精度提供一种可行性手段。

瞬变电磁法和地震反射波法在不良地质洞段超前地质预报中的应用

物探方法是超前地质预报的主要手段,通过不良地质体与围岩物性参数差异,及时发现和预测地质条件的变化。较完整一完整围岩岩体物性参数与不良地质体物性参数存在较明显差异,有利于分辨出不良地质体;但是在地质条件差洞段的不良地质体与围岩岩体物性参数差异极小,不利于分辨出不良地质体,使得岩体质量情况和地质灾害风险预报难度极大。本次采用瞬变电磁法与地震反射波法的综合物探法,在滇中引水工程大理Ⅱ段Ⅴ_(特)类岩体开展专项超前地质预报工作,主要利用岩体视电阻率、应力梯度、纵波波速、横波波速等参数对未开挖段岩体质量和可能存在的地质灾害风险进行预测。创造性地通过“日进尺”这一指标间接对开挖岩体破碎程度进行评价,经对比,预报成果中符合长度占实际开挖过程中问题段长度的85.1%,预报结果与开挖成果较为吻合;此外,对坍塌失稳段、突泥涌水段也有明显反映,为该方法组合在不良地质洞段超前地质预报中的应用提供了借鉴。

瞬变电磁法在非煤地下矿山隐蔽致灾因素普查中的应用

我国非煤地下矿山数量大、类型多、工艺复杂,部分矿山开采历史久远,基础资料缺乏,存在矿山隐蔽致灾因素辨识不清、各矿山隐蔽致灾因素普查成果水平参差不齐等问题。研究表明瞬变电磁法具有施工便捷、低阻敏感、探测距离较深等技术特点,可以查明地下矿山历史采空区位置、范围、边界和含水性等信息,科学高效支撑非煤地下矿山蔽致灾因素普查工作。

钻孔瞬变电磁法拟地震全波形反演

钻孔瞬变电磁法是将发射与接收装置布置于钻孔中,因距离目标体近,探测精度得到提升,有利于煤矿钻孔周围含水体精细探测.常规的钻孔瞬变电磁法通过多分量响应近似判断异常体方向,难以对异常体的边界位置进行刻画,而且因瞬变电磁场的扩散特征,常规的反演方法对地质异常体的边界位置分辨率偏低.针对以上问题,结合钻孔瞬变电磁法扫描探测定位方法,通过波场转换将钻孔瞬变电磁法数据转换成虚拟波场数据,然后进行全波形反演与成像.针对虚拟波场直达波能量较强且属于干扰波,采用剪切波变换去除虚拟波场直达波,避免了虚假界面;其次由于波场转换过程中核函数病态性强的特点,引入虚拟电导率,降低了虚拟波场速度,从而降低了波场转换核函数病态性;为了对虚拟波场进行高精度反演与成像,分别采用阻尼最小二乘法和伴随状态法实现虚拟波场全波形反演.结合钻孔瞬变电磁法探测的数值实验得出阻尼最小二乘全波形反演方法的反演结果更加准确,可以实现对钻孔孔壁外围地层信息的精细刻画,提高了钻孔瞬变电磁法扫描探测的效果.

复杂地质条件下浅海区电性源瞬变电磁法三维响应特征

与频域电磁法相比,瞬变电磁法可有效区分空气波和海底电磁响应,在浅海油气藏探测中具有良好的应用前景。近海海域地质条件一般较为复杂,普遍具有强切割地形及复杂构造,使电磁场响应特征变得异常复杂,给数据解释工作带来极大困难。本文基于时域有限元法,采用非结构化网格对复杂地质模型进行剖分,通过构建时域有限元方程并结合偶极子离散的长导线源近似技术以及后退欧拉离散技术,实现了复杂地质条件下浅海区电性源瞬变电磁三维正演模拟。在验证算法精度后,通过复杂地质模型的三维正演,分析了不同海水深度对空气波与海底油气藏目标体的影响,在此基础上,进一步分析了不同围岩电阻率以及海底地形对油气藏目标体分辨率的影响,结果表明:在浅海条件下,脉冲响应受空气波影响较大,阶跃响应受空气波影响较小,随着深度增大空气波影响变小,对油气藏的分辨率也降低;围岩电阻率及海底复杂地形对电性源瞬变电磁影响严重。