核磁共振超前探测多分量观测技术方法理论研究

发布时间：2020-06-19 08:26

【摘要】：我国地下工程的施工过程面临着严峻的水患形势。现有的超前探水方法是利用含水体与正常地层的导电性、密度、磁性、弹性、导热性等物性参数的差异来达到探查含水结构及其赋存状态的目的。但是,这些方法都属于间接找水的地球物理方法,存在间接找水的局限性。加之,地下工程施工环境复杂,许多含水构造又具有一定的隐蔽性,现有超前探水方法的准确性并不高。由于核磁共振方法具有直接找水、反演解释定量化、信息量丰富等优点,因此,我国一些专家、学者提出将该项技术应用于超前探水工作之中。在本文的研究中,笔者就核磁共振技术应用于超前探测的基础理论、方法技术、场地试验等内容展开讨论,以期为探查地下工程水害提供一种新的地球物理方法。将核磁共振技术应用于超前探测的思想才提出不久,理论体系尚不完善。因此,在本文中,笔者首先对核磁共振超前探的基础理论进行了论述。从麦克斯韦方程组出发,对核磁共振工作线圈在全空间中产生磁场的公式进行了推导;利用贝塞尔函数的汉克尔变换及其大宗量渐近特性,实现了激发磁场的数值计算。之后,再通过对地下空间中垂直磁场的计算、椭圆极化的分解,最终实现了对核磁共振超前探测响应信号的正演模拟。并通过设置极大电阻率的特殊模型,利用商业软件Samogon验证了正演模拟信号的正确性。在得到核磁共振超前探测的响应信号之后,以信号的幅值为标准,笔者对核磁共振超前探测的探测距离进行了定义。并以此为基础对地理位置、地层电阻率、线圈参数等因素对探测距离的影响规律进行了分析。在研究中发现,探测距离会因为地理位置的不同而出现较大的变化。一般高纬度地区由于其地磁场更强,其探测距离也更大。电阻率对探测距离的影响主要集中在极低阻区域,而当地层的电阻率值大于100Ω·m后,地层电阻率的变化对探测距离的影响已不明显。而线圈参数对超前探测距离的影响主要取决于其工作时使用线圈的有效面积。数值模拟结果表明,线圈的有效面积越大,其探测距离也越大。而只要保持激发和接收线圈的有效面积不变,其探测的距离也不会发生太大的改变。核磁共振超前探测方法的施工空间非常有限,要想在此有限的空间中采集更多的信息,多分量的观测方式是一条有效的途径。因此,本文重点对核磁共振超前探测多分量观测方法的有关问题进行了论述。首先,笔者结合奥灰水、含水断层、采空区积水和含水陷落柱四种典型致灾水害模型,对不同分量激发和不同分量接收时各模型的核磁共振响应信号特征进行了分析。并以获得的核磁共振信号的强弱(幅值大小)和最佳匹配脉冲大小为标准来对优势的观测方向进行判断。研究结果表明,在采用不同分量对上述模型进行激发时,对于巷道底板奥灰水和含水断层等板状水体,在X、Y、Z三个不同分量方向都可以使含水体得到有效激发。但是,在三个分量中只有线圈平面与水层的平面相平行的分量在激发时所需要的最佳匹配脉冲矩才最小,最节约能量。对于采空区积水和含水陷落柱等在空间上更为局限的模型,其最佳的激发方向由水体自身的位置决定。对于巷道正前方的采空区积水和含水陷落柱,Z分量方向是最佳的激发方向。而位于两个侧帮的水体,在Y分量方向进行激发最为合适。当水体位于巷道偏上或偏下的位置时,X方向是否为最佳激发方向还取决于巷道的朝向。核磁共振超前探的三分量接收方式研究结果表明,当在Z分量激发,而在X、Y、Z三个分量方向都对信号进行接收时,对于底板奥灰水和含水断层,三个分量接收得到的响应信号中都是Z分量方向接收得到的信号最强,Z分量方向为最佳接收方向。而对于含水陷落柱等空间上更局限的水体,其最佳的接收方向同样与水体所在的位置有关。在对含水断层的信号进行接收时,X分量得到的信号虽然较弱,但是它对于断层倾角的变化却比Z分量信号敏感。对于采空区积水,Y分量的信号虽没有Z分量的强,但它对于采空区与巷道的夹角变化比Z分量更为敏感。由于核磁共振超前探测方法还处于起步阶段,其将来实用阶段的数据采集方法还有待探索。所以,在上述各模型多分量观测信号正演模拟的基础上,笔者利用快速模拟退火法对几种多分量观测方式在不同模型中的反演成像效果进行了讨论,并从中总结出以下几点在未来工作中值得注意的工作方法问题。(1)核磁共振超前探测方法研究的是全空间的问题,在地下空间中对称位置上的水体产生的NMR信号具有很好的相似性,这种相似性会导致反演的结果中产生与真实模型相对称的一个假异常。而屏蔽技术为解决这种反演多解性问题提供了一条较好的思路。(2)在对几种多分量成像效果的对比分析中发现,垂向旋转和水平旋转的扇形观测方式成像效果最好,但是,其工作效率较低。而采用三分量接收方式进行二维成像时,在观测同样组数的数据前提下,其成像质量也接近前两种扇形观测方式。(3)对于煤矿底板下的水平层状奥灰水,如果直接采用多分量观测的方式进行二维反演成像,其成像的效果并不理想。因此,在进行二维成像之前可以先进行X分量的一维探测,用其反演结果来约束二维反演,成像的质量会有明显提高。(4)另外,在研究中还发现,核磁共振超前探测工作过程中对巷道方向观测的必要性。如果工作过程中未对巷道走向进行测量,而在反演时,将巷道方向设置得与真实方向相差太远,反演的效果将受到较严重的影响。为了检验上述理论研究成果和方法技术的正确性,在本文的研究过程中结合核磁共振超前探测的多分量观测方式,开展了一些场地试验工作。在邯郸模拟巷道内采集的实测信号与利用已知水体建立模型后正演计算的结果较为一致。并且,利用实测数据反演得到的水体分布与场地的实际情况比较相符,试验结果证明了这种超前探测方法的可行性和有效性。通过在武汉地区开展的两组多分量激发的二维成像试验结果表明,多分量激发方式能够基本圈定主要含水异常的位置。但是,反演得到的含水量与真实水体的含水量还有一定的差别。总之,上述研究成果为核磁共振超前探水工作提供了理论基础和方法技术,研究成果具有一定的理论和应用价值。为巷道、隧道水害超前探测提供了新的技术手段。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P631;TU91
【图文】：

核磁共振,透水事故,煤矿,统计表

潘剑伟：核磁共振超前探测多分量观测技术方法理论研究生，亟待预测和治理[16]。仅 2013 年中国就发生 68 起煤矿6 人。其中重大事故 12 起，死亡 197 人，特别重大事故 1 起炭矿井在施工中主要有瓦斯、水害、煤尘、火灾和顶板灾害五瓦斯事故，是矿井威胁中第二大灾害[18]。例如，2006 年 5 月县张家场乡新井煤矿发生严重透水事故，矿难发生时有 26中 210 人安全升井，最终 56 人死亡[19]。又如，内蒙古神华的骆驼山煤矿在 2010 年 3 月 1 日发生严重的透水事故，其，造成 32 人遇难的悲惨结局[20]。图 1.1 是由国家安全生产监数统计的 2001 年到 2016 年我国煤矿透水事件发生次数。

示意图,超前探测,核磁共振,示意图

可以直接反演出水体的含水量信息[51, 52]。而且，随着 NMR 找水的技术和设备不断地完善和更新，美国最新研制的 GMR 找水仪已经可以用于区分所测水体中自由水与束缚水所占的比例。（3）反演信息丰富。在 NMR 响应信号的反演过程中，除了利用响应信号的幅值可以反演得到水体的含水量之外，还可以反演得到纵向弛豫时间 T1，渗透率等参数[53]。例如，研究表明，NMR 响应信号的衰减时间直接同含水构造的孔隙等因素有关，这为利用核磁共振技术来研究地层的渗透性、孔隙度等性质提供了前提，该项技术已经在 NMR 测井中得到较为广泛的应用[54]。（4）目前常用的核磁共振找水仪器的输出功率和接收灵敏度均较高。俄罗斯、法国、美国和中国所研制的核磁共振找水仪都是在较弱的地磁场环境下经过大电流脉冲矩激发后才能测量地下含水层引起的微弱核磁共振信号。所以要求仪器的输出功率（瞬时最大输出电流和电压分别可达 450A、4000V）和接收灵敏度都很高（在强电磁噪声环境下接收纳伏级的微弱信号）。但是，正由于核磁共振方法所需采集的响应信号非常微弱，这种信号较容易受到各种电磁噪声的污染。因此，各种去噪方法的研究也成为核磁共振技术发展中重要的课题[55-58]。

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