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。

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.

考虑黏接工艺对云纹干涉钻孔法标定系数基本机理的影响

云纹干涉法与钻孔法相结合的增量钻孔技术被公认为是一种测量内部残余应力的有效方法。该技术中使用的黏接剂在试验过程中起着将应变从结构表面传递到光栅层的关键作用。然而,在求解标定系数时,往往没有考虑黏接剂的影响。基于有限元软件,从黏接剂的材料性质、粘接层的形状和尺寸、粘接层的厚度、钻孔的增量和应变测量方法5个方面考察了黏接剂对标定系数的影响。通过比较有无黏接剂时的标定系数误差,说明了黏接剂的影响。结果表明,忽略黏接剂的影响会显著影响标定系数的精度,将黏接剂从有限元模型中剔除会导致低估标定系数,标定系数的误差超过2.5%,并且与钻孔增量和测量方法有很大关系。此外,黏接剂对薄壁构件的影响比对较厚的试件更显著。

钻孔瞬变电磁法超前探测物理模拟试验研究

钻孔瞬变电磁法采用小型收发线圈在超前探水钻孔中发射脉冲一次场间歇观测感应“二次场”并对其进行数据处理解译,以达到探测钻孔周围含水异常体的目的。基于瞬变电磁基础理论及相似准则搭建了水槽物理模拟试验平台,采用物理模拟试验的方法分析了共轴装置钻孔轴向及径向不同距离异常体、共轴装置钻孔轴向不同角度板状异常体、共面装置钻孔径向多点探测异常体的响应特征,结果表明:当存在异常体时感应电动势升高,异常体距离越近,感应电动势越强,异常特征越明显。板状异常体在早、中期感应电动势升高,柱状、块状异常体全程均出现感应电动势升高现象。板状异常体倾角越小,感应电动势升高越明显,异常特征越明显。共面装置钻孔径向多点探测视电阻率成像结果中异常体的轮廓特征反映明显,物理模拟试验结果充分验证了方法的有效性。

钻孔瞬变电磁法扫描探测磁芯线圈激励电磁场响应特征

瞬变电磁测井一般采用超小线圈作为发射装置,由于激励产生的瞬变电磁场强度较低,仅能进行钻孔孔壁岩层探测,无法实现钻孔外围径向远距离探测及地质异常体精确定位。基于全空间瞬变电磁场相关理论,提出钻孔瞬变电磁法(BTEM)扫描探测方法,利用磁芯线圈激励电磁场,增强发射磁矩,提高钻孔瞬变电磁法的径向探测距离。同时,通过灵活调整线圈方向,对钻孔孔壁进行360°扫描,实现钻孔径向方向全方位探测,提高钻孔瞬变电磁法对含水地质体的空间分辨率和定位精度。建立钻孔全空间三维地质-地球物理模型,提出优化的网格剖分策略,采用特殊网格结构对钻孔中磁芯线圈进行网格加密及规范化,提高数值模拟精度。采用有限单元法分别计算均匀介质条件下钻孔瞬变电磁法磁芯激励电磁场响应以及含有低阻地质异常体时钻孔瞬变电磁法不同装置探测的瞬变电磁场响应,分析了共面偶极装置及共轴偶极装置以及不同几何参数对应的瞬变电磁场响应特征,采用全空间全区视电阻率计算及时深转换算法进行全空间电阻率成像。研究表明,在钻孔瞬变电磁法超小线圈中加入磁芯可以显著增强电磁场强度,并且增强的幅度与磁芯的直径和长度成正比,相比较而言,增大磁芯长度对电磁场响应的增强作用更为显著;钻孔全空间磁芯线圈激励时探测结果可以较好地反映钻孔径向外围岩层中低阻地质体引起的瞬变电磁场异常,共面偶极装置和共轴偶极装置均可以获得较为理想的探测效果,全空间电阻率成像结果分辨率较高,相比较而言,共面偶极装置得到的异常幅度更大,并且对异常体中心的定位更为准确,而共轴偶极装置对异常体整体形态和边界的刻画更为准确。

基于全卷积神经网络的钻孔瞬变电磁法岩层富水性预测研究

巷道掘进前方采用钻探或地球物理方法进行超前探测含水层的位置及富水性,提前做好防治水工作对煤矿安全生产至关重要。利用钻孔瞬变电磁法(BTEM)进行超前探测优势明显,目前解释方法是根据计算的电阻率进行岩层富水性的定性分析,还无法实现对含水层富水性等级进行预测。提出利用钻孔瞬变电磁法探测,采用全卷积神经网络(FCNN)方法进行钻孔外围含水层富水性等级的准确预测。首先,依据阿尔奇公式、Kozeny–Carman公式、导水系数公式和单位涌水量公式,建立砂岩含水层单位厚度的电阻率与按钻孔单位涌水量划分的含水层富水性4个等级的对应关系;其次,建立全空间条件下不同富水性岩层的地质–地球物理模型,采用三维时域有限差分法(FDTD)进行全空间瞬变电磁场数值模拟;为了接近实际情况,在正演结果中加入了5%~15%的随机噪声,提取与岩层富水性等级关联的特征参数,采用全卷积神经网络(FCNN)进行了岩层富水性等级预测的训练和仿真测试,测试集预测的富水性等级平均准确率为91.8%;最后,利用某矿煤层水力压裂后的钻孔瞬变电磁法实测数据进行煤岩层富水性等级预测,检验FCNN方法预测效果。研究结果表明:采用全卷积神经网络预测钻孔附近岩层富水性是可行和有效的,可以实现钻孔径向方向岩层富水性等级的准确预测,提高了钻孔瞬变电磁法对钻孔外围岩层富水性的探测精度,该方法将在超前探测岩层富水性方面发挥重要作用。

自升式钻井平台就位“鸡蛋壳地层”钻孔法主动穿刺方案设计

自升式钻井平台就位“鸡蛋壳地层”时,由于地层上部硬薄层的不稳定性,易发生单根桩腿突然快速下沉的穿刺现象。钻孔法主动穿刺是一种有效降低穿刺风险的措施。研究内容基于恩平10-2区块的典型“鸡蛋壳地层”土质情况,利用传统API计算模型理论,进行了HYSY943平台就位恩平10-2区块时插桩深度计算预测及穿刺风险评估;针对穿刺风险大的评估结果,提出了钻孔法主动穿刺相关施工方案,包括钻孔直径、钻孔数量、钻孔深度以及钻孔顺序等关键参数;收集现场实际作业资料,经过钻孔前后地层承载力预测情况对比,证明可以有效破坏“鸡蛋壳地层”,消除后续插桩作业穿刺风险。研究成果可为我国自升式钻井平台就位“鸡蛋壳地层”钻孔法主动穿刺方案设计提供相关指导,助力油气安全高效开发。

钻孔摄像法、钻芯法及声波透射法联合验证灌注桩内部缺陷的应用分析

在混凝土灌注桩桩身完整性检测中综合采用钻孔摄像法、声波透射法和钻芯法多种检测方法,验证混凝土灌注桩内部缺陷。首先利用声波透射法准确定位缺陷位置,然后进行钻孔取芯验证,最后采用钻孔摄像进行直观扫描分析,最终确定桩身缺陷位置及类型。通过工程案例分析研究,联合采用钻孔摄像法、声波透射法、钻芯法等3种方法对混凝土灌注桩桩身内部缺陷进行验证,可有效提升灌注桩桩身完整性的测试效果。

样本获取方法对混凝土中氯离子质量分数测定的影响

通过设计混凝土内掺氯离子的试验来消除不同深度处氯离子质量分数差异对测试结果的影响,分析了研磨法、钻孔法以及钻头直径对氯离子质量分数测定结果的影响,并基于假设检验和相对误差分析确定其在混凝土氯离子质量分数测定中的准确度。研究结果表明:虽然研磨法测定的氯离子质量分数结果较为稳定,但是与钻孔法的测定结果相比无显著性差异,为减少对既有结构造成损伤,推荐使用钻孔法进行取样;钻孔法钻头直径对氯离子质量分数测试结果影响很小,在满足相应置信度的推定区间要求下,6,10 mm钻孔直径下推荐的取样数量分别为23个和32个。

基于钻孔压力法的煤矿井下巷道卸压带宽度的考察研究

煤与瓦斯突出(简称突出)是瓦斯压力作用下,破碎的煤与瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出,是另一种类型的瓦斯特殊涌出,其多发生于煤巷掘进过程中,巷道布置不合理或者瓦斯抽采不充分等导致误采误掘突出危险性煤层。突出煤层巷道卸压消突范围大小受到不同矿井煤层瓦斯赋存条件限制和制约,且随着开采方法、工艺的不同有明显差异化,不能完全依据经验推断,必须要通过现场实际考察而确定的。基于此,古汉山矿与科学技术研究所合作,对矿井巷道卸压带宽度进行考察研究,综合确定合理卸压消突范围,为矿井采掘及抽采设计提供相关数据支撑,准确确定卸压带宽度对于快速安全掘进及瓦斯有效抽采具有重要意义。

基于钻孔瞬变电磁法的岩溶陷落柱综合判识研究

为了探查验证平沟煤矿一盘区三维地震勘探成果圈定的疑似岩溶陷落柱的赋存性和富水性,根据地面钻探探查分析疑似岩溶陷落柱赋存性,创新采用钻孔瞬变电磁法探查验证技术。提出了钻孔瞬变电磁探测分析、钻井液漏失量变化分析、相邻钻孔岩心柱状对比分析、区域岩溶发育规律及岩溶陷落柱发育特征的岩溶陷落柱判识分析技术。通过钻孔瞬变电磁成果分析以钻孔为中心径向30 m和两孔间60 m范围内岩层视电阻率变化情况,进而探查和验证钻孔附近岩溶陷落柱赋存性及富水性等特征。该方法可扩大钻孔探测范围,弥补钻孔“一孔之见”的劣势。

桩基工程钻孔灌注桩后压浆法地基加固施工技术分析

建筑行业在长期发展中,各项工艺技术在科技的推动下不断优化和创新,现代化建筑工程整体质量有着极大的提升。地基作为建筑结构的基础,直接关系建筑整体质量,对相关工艺技术进行深入研究。钻孔灌注桩后压浆法作为主要工艺技术,对于地基的稳固和安全起到决定性作用。

多种检测方法在基桩缺陷检测中的应用及缺陷处治技术

以潍坊至青岛高速公路及连接线工程中的某桥梁基桩为背景,分别介绍声波透射法、钻孔取芯法和孔内成像法在基桩检测上的具体应用,对缺陷原因进行分析。研究发现,桩底缺陷是由于未考虑基桩超钻部分,导致导管悬空高度过大,进而导致桩底混凝土严重离析夹泥。同时,介绍了水磨钻在桩底缺陷处理的应用,并验证该方法的有效性,对其他类似项目基桩缺陷的处理具有指导意义。

浅埋桩基的高密度电法数值模拟与探测

在已拆除建筑的地块上重新拟建新建筑时,为方便基桩施工和基坑的开挖需要对地块内遗留的建筑基础进行清除,在缺失相关资料的情况下,对地块内基桩的探查一直是个难题。该文采用有限差分技术建立相应的数学模型,并进行高密度电法的正演模拟。在正演模拟的基础上采用高密度电法对地下基桩进行探测,对判定的基桩位置采用钻孔磁梯度法进行验证,通过磁梯度验证,表明在无基础资料的条件下高密度电法探测浅埋桩基础是可行的。

三种岩体变形试验方法及其工程应用研究

现场岩体变形参数的准确测量对于岩体工程的合理设计至关重要.为了研究承压板法、钻孔弹模法和隧洞液压枕径向加压法三种岩体变形原位测试方法的适用性,详细阐述三种岩体变形测试方法的试验原理、使用范围及影响因素,探讨了不同方法的优缺点,在此基础上以东庄水利枢纽工程坝体两岸灰岩的现场实测为例,对不同方法测量结果进行了对比分析.结果表明,刚性承压板法所测得水平方向和垂直方向岩体变形试验结果相近,而柔性承压板法试验结果中PD18洞和PD409洞具有较大差异;刚性承压板法所测岩体变形模量要略大于钻孔弹模法所测试验结果;与其他方法相比,隧洞液压枕径向加压法能计算岩体变形模量和单位抗力系数等力学参数,可以更好地反映现场岩体各向异性和地质条件等特征.研究结果可为工程岩体力学参数的科学测量提供参考,确保工程设计的合理性.

云纹干涉与钻孔法测量残余应力的实验方法与系统

应变片钻孔法是工程中应用最广的残余应力测量方法之一.由于应变片只能得到其长度范围内的平均应变,测量误差比较大.本文提出用云纹干涉法测量的位移信息代替应变片测量的应变信息来确定残余应力,用有限元建立位移与残余应力之间的关系.基于以上理论,开发了一种可以进行现场残余应力测量的便携式云纹干涉钻孔系统,并用该仪器进行了铝合金激光焊接接头的残余应力测量,得到了焊缝中心残余应力值.

用逐层钻孔的小孔法测量非均匀残余应力

针对传统的小孔法只能测量试件内沿深度方向均匀分布的残余应力,采用逐层钻孔的小孔法测量试件中的非均匀残余应力,通过有限元法标定计算校准系数矩阵,构建了一种实用的非均匀应力测试技术。首先,用ANSYS软件构造试件和应变花粘贴的三维有限元模型,采用分层加载的办法实现各层校准系数的仿真计算,标定计算出钻孔深度达到h=0.5D使应力完全释放时,用5步逐层钻孔法构造5层不均匀应力所需的校准系数矩阵;然后,利用标定出的校准系数矩阵,采用5步逐层钻孔的实验方法,测量构建Cr12MoV淬火件的5层非均匀残余应力,并与传统的小孔法进行测试比对。结果表明:用有限元仿真的方法可以模拟试件中的非均匀残余应力场,用于标定计算测量所需的校准系数矩阵;通过5步逐层钻孔实验测量,可以构建出Cr12MoV淬火件的5层不均匀残余应力。

钻孔法中光栅应变花与电阻应变花测量变形的比较

针对钻孔法测量残余应力方法中变形测量存在的误差,提出用光栅应变花测量钻孔所释放的残余应变.应用光栅应变花测量应变,既可以测量孔到边3个方向上的线应变,又可以逐点测量到整个应变场,避免了电阻应变花因难以定位、平均应变等带来的误差.通过对已知应力状态试件的测试及与理论计算比较,得到了比较满意的结果,证明该方法是可行的.