低阻层屏蔽影响下的矿井含水异常体的瞬变电磁法正反演应用研究
发布时间：2021-06-10 23:04
智能精准开采作为煤矿行业未来的发展趋势,复杂的地质开采条件是煤炭智能精准开采建设过程中必须解决的一大难题,特别是矿井水害事故不仅严重制约着开采水平的提高,还对矿井安全高效生产有着巨大威胁。瞬变电磁法因其具有对低阻体敏感、探测精度高、施工效率高等优点,被广泛应用于探测煤岩体中的含水异常体和其它异常地质构造。但是目前瞬变电磁的研究和实际应用中表明,当我们想要探测到的含水异常体上方存在低阻异常体或者完全被低阻层覆盖时,对低阻屏蔽层下方含水体的探测准确性会大大降低。由于我国煤矿开采的地质环境异常复杂,随着我国煤炭深部开采和精准开采发展的趋势,矿井瞬变电磁勘探受低阻层屏蔽效应影响的问题将会愈来愈严重。因此,本文通过瞬变电磁的正演数值模拟和反演算法两个方面,针对井下全空间瞬变电磁勘探中含水异常体受低阻层屏蔽影响的问题展开研究。首先,利用COMSOL软件模拟在全空间条件下模拟含水异常体上方存在低阻屏蔽层的情况,通过分析模型的瞬变电磁响应特征,发现低阻层屏蔽效应不仅会影响下方含水异常体对瞬变电磁场的反应,还会使得二次场传播的更慢,延长扩散时间。所以在矿井瞬变电磁的现场应用中,当通过现场监测或者依据地质...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
瞬变电磁法的工作时序Figure2-1Workingtimingoftransientelectromagneticmethod
2含水异常体受低阻层屏蔽影响的数值模拟9半径为25mm的圆形线圈，线圈发射电流波形为方波，发射电流为2A，发射回线60匝，接收回线40匝，低阻异常体设置成地面半径20m高10m的圆柱体，其中线圈布置在低阻异常体的正上方10m处，紧挨着线圈的下方设为底面半径20m、高10m的圆柱体岩层，上方设为底面半径20m、高2m的圆柱体空气层。模拟时间从0s开始，在t＝0.4ms时刻电流开始关断，关断时间为1ms，电流关断后5ms模拟时间结束，线圈参数如表2-2所示。图2-2激励方波示意图：图2-2激励方波图Figure2-2Agraphoftheincentivesquarewave表2-2线圈参数表Table2-2Tableofcoilparameters半径截面半径电流发射回线匝数接收回线匝数关断时间关断时刻脉冲总时长1m25mm2A60匝40匝1ms40ms45ms在COMSOL软件中，本章选择三维模型和AD/DC模块下的磁场(mf)当物理场，然后构建具体的几何模型，设置相应的材料属性和添加物理常在模型计算之前需要进行网格剖分，在COMSOL软件中，网格剖分属于模型前处理十分重要且困难的一步，固然模型剖分的越细，计算结果越准确，但是网格剖分太细会导致单元体数量巨大，会成倍数地增加模型计算时间和成本，甚至导致模型计算无法收敛。另外在矿井全空间瞬变电磁的正演模拟中，因为线圈和地电模型的尺寸相差较大，如果整个模型的单元体采用统一的较小尺寸，必然会产生很大的浪费。所以在本文中基于小尺寸几何模型划分较细，大尺寸几何模型划分较粗的原则，先在圆柱体地面形成自由三角形网格，再通过扫掠的方式，在整个几何模型行成四面体单元，这样不仅保证了计算精度而且大大渐少了计算时间。
硕士学位论文10如图2-3所示，以单层模型为例，整个模型完整网格包含“105070”个域单元、7576个边界元和552个边单元。在时间上采用局部细化时间步长剖分的方法，电流关断过程及关断之采用0.1ms的时间步长，其余时间采用1ms的时间步长，这样既保证计算精度又大幅提升计算效率。（a）整体模型（b）层状模型图2-3网格剖分示意图Figure2-3Schematicdiagramofmeshing2.4单层模型的矿井瞬变电磁响应特征分析（AnalysisoftheResponseCharacteristicsofTransientElectromagneticsinSingle-layermodels）在本小节中将模型设置为一层，本文所研究的主题是瞬变电磁法中低阻屏蔽层对含水层、老空水及充水断层、陷落柱等低阻异常体产生的影响，而且由前文瞬变电磁的基本原理可知，之所以能够利用瞬变电磁法探明地层中的含水异常体的原因，主要是利用了瞬变电磁法对低阻物体较为敏感特点，所以才能分辨出电导率较大的含水异常体。所以在正演数值模拟中，模型的电导率大小的设置是重中之重。观测到的瞬变电磁场大小不仅和模型的电导率、形状和大小等物理性质有关，还受发射、接收线圈的激发电流、匝数、大小等因素影响，所以在研究低阻层屏蔽效应问题之前，本文中构建的模型电阻率多大是高阻，多小又是低阻是我们需要探讨的问题。由于现实地质环境的复杂，实际异常体的电阻率也很难给出具体的范围，高阻和低阻只有相对的大校通过查阅文献关于矿井瞬变电磁正演物理模拟和数值模拟，岩层的电阻率大都设定成100Ω·m左右，煤的电阻率设定成1Ω·m左右，异常体电阻率大都设置在0.1～1Ω·m范围内，也有少数文献中
本文编号：3223282
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
瞬变电磁法的工作时序Figure2-1Workingtimingoftransientelectromagneticmethod
2含水异常体受低阻层屏蔽影响的数值模拟9半径为25mm的圆形线圈，线圈发射电流波形为方波，发射电流为2A，发射回线60匝，接收回线40匝，低阻异常体设置成地面半径20m高10m的圆柱体，其中线圈布置在低阻异常体的正上方10m处，紧挨着线圈的下方设为底面半径20m、高10m的圆柱体岩层，上方设为底面半径20m、高2m的圆柱体空气层。模拟时间从0s开始，在t＝0.4ms时刻电流开始关断，关断时间为1ms，电流关断后5ms模拟时间结束，线圈参数如表2-2所示。图2-2激励方波示意图：图2-2激励方波图Figure2-2Agraphoftheincentivesquarewave表2-2线圈参数表Table2-2Tableofcoilparameters半径截面半径电流发射回线匝数接收回线匝数关断时间关断时刻脉冲总时长1m25mm2A60匝40匝1ms40ms45ms在COMSOL软件中，本章选择三维模型和AD/DC模块下的磁场(mf)当物理场，然后构建具体的几何模型，设置相应的材料属性和添加物理常在模型计算之前需要进行网格剖分，在COMSOL软件中，网格剖分属于模型前处理十分重要且困难的一步，固然模型剖分的越细，计算结果越准确，但是网格剖分太细会导致单元体数量巨大，会成倍数地增加模型计算时间和成本，甚至导致模型计算无法收敛。另外在矿井全空间瞬变电磁的正演模拟中，因为线圈和地电模型的尺寸相差较大，如果整个模型的单元体采用统一的较小尺寸，必然会产生很大的浪费。所以在本文中基于小尺寸几何模型划分较细，大尺寸几何模型划分较粗的原则，先在圆柱体地面形成自由三角形网格，再通过扫掠的方式，在整个几何模型行成四面体单元，这样不仅保证了计算精度而且大大渐少了计算时间。
硕士学位论文10如图2-3所示，以单层模型为例，整个模型完整网格包含“105070”个域单元、7576个边界元和552个边单元。在时间上采用局部细化时间步长剖分的方法，电流关断过程及关断之采用0.1ms的时间步长，其余时间采用1ms的时间步长，这样既保证计算精度又大幅提升计算效率。（a）整体模型（b）层状模型图2-3网格剖分示意图Figure2-3Schematicdiagramofmeshing2.4单层模型的矿井瞬变电磁响应特征分析（AnalysisoftheResponseCharacteristicsofTransientElectromagneticsinSingle-layermodels）在本小节中将模型设置为一层，本文所研究的主题是瞬变电磁法中低阻屏蔽层对含水层、老空水及充水断层、陷落柱等低阻异常体产生的影响，而且由前文瞬变电磁的基本原理可知，之所以能够利用瞬变电磁法探明地层中的含水异常体的原因，主要是利用了瞬变电磁法对低阻物体较为敏感特点，所以才能分辨出电导率较大的含水异常体。所以在正演数值模拟中，模型的电导率大小的设置是重中之重。观测到的瞬变电磁场大小不仅和模型的电导率、形状和大小等物理性质有关，还受发射、接收线圈的激发电流、匝数、大小等因素影响，所以在研究低阻层屏蔽效应问题之前，本文中构建的模型电阻率多大是高阻，多小又是低阻是我们需要探讨的问题。由于现实地质环境的复杂，实际异常体的电阻率也很难给出具体的范围，高阻和低阻只有相对的大校通过查阅文献关于矿井瞬变电磁正演物理模拟和数值模拟，岩层的电阻率大都设定成100Ω·m左右，煤的电阻率设定成1Ω·m左右，异常体电阻率大都设置在0.1～1Ω·m范围内，也有少数文献中
本文编号：3223282
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