圆锥型场源瞬变电磁法试验研究

圆锥型场源是一种新型瞬变电磁发射装置,前期理论研究结果显示该装置具有诸多优点。为了进一步验证该装置的实际探测能力,制作了2种装置在地面和煤矿巷道两种环境下开展了试验研究。地面试验结合高密度电阻率法的探测成果,将圆锥型场源和多匝小回线的探测结果进行比较,结果显示,圆锥型场源对不同地层的电性特征刻画更为准确,识别出的1条断层与高密度电阻率成果更为吻合。矿井超前探测试验结果显示,圆锥型场源的低阻区划分更为精细,尤其在工作面方向显示出更强的低阻分辨能力,多匝小回线探测成果中存在1个低阻连通区,经圆锥型场源探测证实为2个不连通的低阻异常。此外,圆锥型场源的发射和接收线框形状和面积更为稳定,对提升瞬变电磁法工作效率和数据质量有较大的帮助。

煤层自燃区隐蔽火源的综合地球物理探测应用

煤自燃灾害是影响我国许多矿区发展的因素之一,带来严重的资源损失和环境污染。隐蔽火源定位及其分布范围识别是煤矿企业制定预防和治理措施的重要依据,也是煤火灾害领域内的研究热点和难点。合适的通风供氧通道是煤层自燃的必备条件,当煤体的氧化放热速率超过散热速率时,煤体温度不断上升直至引起煤层自燃,因此,找准火区燃烧中心并确定烧空区和垮落带是煤火探测的主要任务。以内蒙古乌海市公乌素露天矿为研究对象,在煤层电阻率与温度关联分析的基础上,采用地质雷达和圆锥型瞬变电磁法开展了着火点及分布范围探测,结合地面冒烟区位置获得了火区地下通道的地球物理特征,进而确定了研究区着火通道的分布范围。研究结果表明:原岩区和烧结区的物性稳定性较为连续,其顶界面在雷达影像中呈现出较为明显的反射同相轴,在圆锥型瞬变电磁成果中则体现为横向连续的电阻率分布。地下隐蔽着火通道由孔洞裂隙发育、岩体破碎等因素造成,在地质雷达剖面中反映为同相回波弱且不连续,在瞬变电磁拟断面中出现电阻率等值线在横向上下凹或错段。测线方向上高程落差不同处视电阻率范围不同,需要在测区整体电性规律的基础上,分区研究测线局部范围内的物性变化,以界定原岩中物探异常的分布规律。综合圆锥型瞬变电磁和地质雷达两种方法,可对潜在自燃着火点位置及着火范围进行有效识别,为着火区范围的圈定以及着火规律的分析提供依据。

覆盖层影响下圆锥型瞬变电磁Occam约束反演

在地表浅层瞬变电磁勘探中,覆盖层是影响瞬变电磁探测效果的重要因素之一。为了进一步验证覆盖层影响下圆锥型场源装置的探测效果,在瞬变电磁全区视电阻率理论基础上,引入地层信息约束的Occam反演方法,研究了覆盖层不同参数影响下下伏地层的电磁响应特征。研究结果表明:目标层电磁响应强度与覆盖层和目标层电阻率比值有关;当覆盖层电阻率逐渐增大时,目标层反演电阻率与实际电阻率拟合度呈现先提升后降低的趋势,临界点出现在覆盖层与下伏高阻层电阻率相等时;当覆盖层厚度增大时,下伏地层的电磁响应相应减弱,异常区电磁响应峰值出现时间提前,反演后电阻率峰值深度加深。通过加入地层信息约束,下伏地层电阻率与实际电阻率拟合度及层界面分辨率均得到有效提升。研究成果为圆锥型场源野外数据处理与解释提供理论参考。

圆锥型场源瞬变电磁自适应正则化反演

针对正则化因子选取困难问题,本文采用自适应正则化算法进行自动调整,并将此方法应用于圆锥型场源瞬变电磁共轭梯度反演。对3层、4层及5层典型地电模型开展自适应正则化反演计算,将反演结果与“烟圈”反演结果进行对比。研究结果表明:自适应正则化反演得到的电阻率更接近各层介质的真实电阻率,反演深度更接近层界面,提高了目标层界面的分辨能力,表现出良好的分层效果;自适应正则化反演得到的视电阻率曲线与理论模型吻合度更好,而“烟圈”反演的视电阻率曲线与理论模型偏差较大。

基于“烟圈”理论的圆锥型场源瞬变电磁优化反演

针对瞬变电磁圆锥型场源装置,采用汉克尔变换和余弦变换数值滤波法对该场源和中心回线源瞬变电磁正演响应进行了计算.将＂烟圈＂反演结果转换到频率域作为初始模型,采用最小二乘正则化方法对反演结果进行了改进.以电阻率100Ω·m的均匀半空间模型对两种反演方法进行了验证,并在此基础上对2层、3层和4层典型地电模型开展了正反演计算.最后,在某矿集区开展了短剖面实验,并采用2种反演方法对实测数据进行了处理.研究结果表明：用最小二乘正则化方法改进后的反演电阻率更接近于模型电阻率,反演深度更接近层界面,具有一定的分层效果;其视电阻率拟合曲线与模型的重构误差在10-4～10-3范围内.对均匀介质模型开展的反演表明,改进后的反演电阻率与模型电阻率的相对误差约为0.2%,而＂烟圈＂反演的相对误差超过0.8%.

圆锥型场源瞬变电磁数据AWPSO算法优化反演

瞬变电磁圆锥型场源装置有效的减小了线圈间的电感,提高了小装置探测地下浅层的分辨率,但常规反演方法需给定初始模型且反演精度不高.针对瞬变电磁法反演计算问题,通过对粒子群优化算法(PSO)和神经网络算法(BP)分析研究,改进了一种基于神经网络算法Sigmoid函数的自适应加权粒子群优化(AWPSO)算法.采用标准测试函数对算法进行试算,建立多个理论层状地质模型对该算法进行理论验证,最后在地质资料已知地区开展现场实验.计算结果表明,新提出的算法具有更高的全局搜索寻优能力和收敛速度快、计算精度高,且不需要给定初始模型;实验结果显示实测数据反演结果与高密度电法探测结果吻合,证明该算法能够对瞬变电磁探测数据进行反演计算且精度较高,可以在同类型的浅层探测任务中提供参考.