矿井全空间巷道孔中瞬变电磁波场特征数值模拟研究

发布时间：2018-05-24 20:32

  本文选题：矿井巷道全空间 + 钻孔瞬变电磁　； 参考：《中国矿业大学(北京)》2016年博士论文

【摘要】：煤炭开采经常会碰到一类问题——煤矿水害问题,而如何探明或定位水害异常体又是水害防治中的重要一环。目前常用的探测手段之一为矿井瞬变电磁法,近20年的大量实际探测实践工作表明这种方法能取得较好的效果,但也存在一些问题,其中主要的问题是该方法的横向分辨率较高而纵向分辨率相对较差,异常体在常规视电阻率剖面上表现为一个放大的低值区,不能较为准确地定位异常体的边界,探测深度也相对较浅。另外,在使用矿井瞬变电磁法进行井下水害探测时,经常会碰到瞬变电磁响应的极性反转问题,一般将这种极性反转后的数据视为干扰数据而影响探测结果。联想到瞬变电磁法的一个分支——地—井瞬变电磁或称为钻孔中瞬变电磁法,将源布设于地表,而将接收线圈做成细长型的圆柱状并放入钻孔中从上至下或从下至上依次观测,大量的实际探测结果表明钻孔中瞬变电磁法在垂向分辨率和异常体的边界定位上明显优于传统的地面瞬变电磁法。结合煤矿水害精细探测的迫切需求及钻孔中瞬变电磁法的优势,本文将地—井瞬变电磁法引入到煤矿井下巷道中,将源布设于巷道内,而将接收探头放置巷道内钻孔中进行观测,以期在矿井水害异常体探测时的纵向分辨率和边界定位方面有所改进。为此,本文以矿井巷道孔中瞬变电磁感应电动势响应特征和矿井全空间瞬变电磁感应电动势响应极性反转现象为研究对象。以理论分析、公式推导、积分方程法数值模拟和cole-cole模型理论等为研究方法。采用自主开发的程序进行矿井全空间巷道孔中瞬变电磁感应电动势响应数值模拟。取得的主要研究成果如下:1.推导了全空间1D水平层状介质中磁偶极源和水平圆回线源的电磁场响应公式。对于全空间1D水平层状介质中y向水平磁偶极源,采用频域内的矢量势函数,包括水平矢量势和垂直矢量势,表示每层内的电磁场,以降低自由度。利用层界面处切向电场和切向磁场的连续性方程和矢量势函数与电场E和磁场H间的微分方程导出矢量势函数所满足的连续性方程——边界条件,利用边界条件导出源上方和源下方各层中水平矢量势函数和垂直矢量势函数中常系数比例关系。对源所在层的顶界面和底界面应用矢量势边界条件求解出源所在层内水平矢量势系数和垂直矢量势系数。再次利用矢量势函数边界条件导出其它层内的水平矢量势和垂直矢量势系数。进而导出每层内的电场E和磁场H的积分表达式。对于全空间1D水平层状介质中x向水平磁偶极源,利用x向磁偶极源电磁场响应与y向磁偶极源电磁场响应间的变换关系,导出x向磁偶极源电磁场响应。对于水平圆回线源,采用频域内垂直向磁赫兹势函数表示每层内电磁场,以降低自由度。利用层界面处切向电、磁场边界条件和赫兹势与e、h间的微分方程导出赫兹势所满足的边界条件,导出源界面(源所在界面,若源不在实际界面处,可插入一虚拟界面)上、下各层中赫兹势常系数比。再根据源界面处边界条件导出源界面上层向上传播的赫兹势系数和源界面下层向下传播的赫兹势系数,并结合系数比和边界条件导出其它层中的系数,求出每层内的电磁场表达式。利用水平圆回线源和垂直磁偶源间的极限关系(水平圆回线源半径趋于0时即为垂直磁偶源)导出垂直磁偶源电磁场响应公式。最后利用矢量叠加法给出了任意方向磁偶源的电磁场响应。与前人所导出的全空间1d层状介质中磁偶极源电磁场响应公式相比,本文所导出的响应公式,导出过程简单,易于理解,适合编程,数值稳定性好。2.编制了全空间1d水平层状介质中磁偶极源和水平圆回线源电磁场响应程序和全空间电磁法积分方程正演程序。3.全空间钻孔中1d瞬变电磁感应电动势响应特征及其变化规律。根据煤矿井实际地质条件,建立共计6组全空间1d地电模型。其瞬变响应特征为:(1)华北型煤田全空间六层模型,竖直钻孔。衰减曲线上,由浅部到深部各测点的vz响应转折点对应的时刻依次增大;钻孔剖面上,早期vz响应随深度增加迅速衰减,呈弧形,中期和晚期衰减变慢,呈近直线形。(2)与半空间相比,全空间小回线源数值模拟时,频点范围应适当的向高频方向延伸。4.矿井全空间巷道-孔中3d瞬变电磁感应电动势响应特征和变化规律。根据煤矿井实际地质条件,建立典型的全空间3d地电模型,共计54组,对圆回线半径变化模型、矿井巷道模型、顶底板介质物性和几何参数变化模型、异常体物性和几何参数变化模型、钻孔几何参数变化模型、源和异常体和钻孔间相对位置变化模型、两个异常体模型等典型的地电模型,进行数值模拟,瞬变响应特征如下:(1)小半径回线源在保证与异常体有效耦合时完全可以作为矿井全空间孔中瞬变电磁法的激励源。(2)矿井巷道侧帮煤块体对巷道底层孔中瞬变响应的影响是早期和浅部强,晚期和深部弱;对轴向感应电动势vr影响强,而垂向感应电动势vz影响弱。(3)随顶、底板介质电阻率的减小,全空间层状介质的电磁响应(背景响应)会逐渐压制异常响应。这种影响对孔1中的vz和vy及孔3中的vz影响强,而对孔2中的vz和vy及孔3中的vr影响弱。(4)巷道高度的变化对三类孔中的vz影响较弱,而对三类孔中的vy的早期及浅部有相对较强的影响,而对中期、晚期和深部的影响较弱。(5)随异常体电阻率的减小、异常体厚度的增加、异常体埋深的减小,异常响应变强。(6)当孔1和孔2向异常体倾斜时,异常响应增强,而孔3向着远离源方向倾斜时Vz曲线和向着源方向倾斜时的Vy曲线上异常响应强。钻孔倾向对Vz影响大,而对Vr影响相对小。(7)当源位于异常体上方时,由于源与异常体间的耦合增加,异常响应变强;5.存在极化层或极化异常体时,全空间1D和矿井巷道3D瞬变电磁感应电动势响应特征和变化规律。根据煤矿实际地质条件,建立地表含有粘土极化层全空间1D模型、具有极化性的含水异常体(极化低阻异常体)模型等典型地电模型,共计20组,采用cole-cole模型理论和编制的程序进行数值模拟,瞬变电磁响应特征为:(1)受到地表粘土极化层的激发极化影响,随着回线半径的减小,全空间内中心回线下Vz随时间衰减曲线上均出现极性反转点,它们出现的时刻变化较小;Vz响应衰减曲线的幅值逐渐减小,极性反转点之前的Vz曲线的曲率变小,极性反转点后Vz曲线的斜率相同。(2)含硫化物煤巷侧帮块体对Vz响应的浅部影响较大,深部影响较小。(3)随着直接顶板电阻率的增加,Vz衰减曲线上的极性反转点出现的时间先是显著的减小,而后变化较小。(4)(1)随着极化异常体埋深的减小、极化率的增加、频率因子的增加和时间常数的增加,Vz衰减曲线上极性反转点出现的时间逐渐减小,极性反转点之前的Vz曲线的曲率逐渐增大。(2)随着极化异常体尺寸的增大,极性反转点出现的时间缓慢减小,极性反转点之前的正响应拐点和之后的负响应极值均增大。随着极化异常体电阻率的增大,Vz响应曲线极性反转点出现的时间先减小后增大,极性反转点之前的Vz响应曲线的拐点和负响应极值的幅值逐渐减小。(5)受到异常体的激发极化效应的影响,穿过异常体的钻孔中Vz响应上,异常响应表现为极性与背景场极性相反圆弧曲线;而钻孔中的Vy响应上,异常响应表现为从早期至晚期,从浅部到深部的极性反转,也即表现为从时间和空间上均产生极性反转的特征。对以上结果的综合分析可知,在矿井全空间中,条件允许时,尽可能使用大回线装置,若受空间限制,可以使用小回线作为孔中瞬变电磁探测的发射源,但需源与异常体有较好的耦合。在进行矿井巷道钻孔中瞬变电磁探测时,需要接收垂向和轴向感应电压。当全空间某一层带或低阻异常体具有极化性质时,从矿井巷道孔中瞬变响应剖面中能清楚地分辨出激发极化效应。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD745;P631.325
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本文编号：1930448