孔内直流电法探测煤层底板破坏深度研究
发布时间：2020-09-26 18:00
煤炭安全开采一直备受社会各界的关注,其中突水灾害作为煤矿重大灾害之一,尤其是底板承压水经常造成经济、人员等重大损失。当煤层工作面开始回采时,势必对工作面底板岩石造成破坏,使其电性发生变化,底板隔水层厚度降低,若无法确定剩余隔水层厚度能否承受底板承压水的压力,将会对工作面正常回采造成严重影响。直流电阻率法主要反应地下岩、矿石的电性信息,而钻孔一般与目标体距离较近,本文结合直流电阻率法特点与钻孔距离目标体近的优点,提出了一种通过钻孔进行直流电法探测从而确定煤层破坏深度的方法。该方法是在钻孔内布设供电电极和接收电极,在工作面回采前进行一次数据采集并计算视电阻率,通过回采不同程度时探测到的视电阻率与初始视电阻率获得视电阻率变化率,结合视电阻率、视电阻率变化率以及数据采集时每个电极位置的电流变化情况进行工作面底板破坏深度的确定。本文首先通过数值模拟,分别对高阻、低阻底板破坏带的直流电法探测结果特征进行分析,通过视电阻率变化率计算公式得出不同电性的底板破坏带视电阻率变化率特征,得出以下结果:高阻底板破坏带的视电阻率变化率形态较为复杂,随着回采工作面的推进,在其前方和下方形成变化率闭合等值线;低阻底板破坏带的视电阻率变化率形态较为简单,当底板下方电阻率一致时,视电阻率变化率极大值处于底板破坏带中心位置,当底板下方电阻率为高-低-高-低状态时,较薄的底板破坏带视电阻率变化率极大值出现在破坏带下方边界,对于较厚底板破坏带视电阻率极大值出现在破坏带位置。随后选取某矿区准备回采的工作面通过网络并行电法仪采集电流数据和电位数据,通过采集到的数据计算视电阻率以及视电阻率变化率,绘制电流断面图、视电阻率断面图和视电阻率变化率断面图,结合三种数据综合分析底板破坏深度。与传统直流电法相比,孔内直流电法采集到的电流变化情况、视电阻率及视电阻率变化率的综合解释对底板破坏厚度具有更高的分辨能力。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD327.3
【部分图文】：
图 2-1 孔内电法成像工作示意图Figuer 2-1 Schematic diagram of electrical imaging in hole钻孔测试中布置一条电法测线，通过不同位置电极点的组合实施连续测量形成层析数据体，利用全空间电法勘探的体积效应，可以针对探测区域得到不同供电电极不同测量电极对应深度的电位值或电阻率值。2.1.2 数据采集方式数据采集仪器为集中式网络并行电法仪，该仪器由安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司自主研制的新产品，其最大优势在于任一电极供电，其余所有电极同时进行电位测量，可清楚地反映探测区域的自然电位、一次供电场电位的变化情况，采集数据效率比传统的高密度电法仪又大大提高；同时采用网络进行数据传输，将采集到数据保存至地面服务器，解放人力，提高效率，是电法勘探技术的又一次飞跃。例如：测线上布置 64 个电极，对于 AM 法采集时，任一电极供电时，其余 63 个电极同时采集电位，这样其数据采集效率与串联采集相比，采集效率至少提高了 63 倍。不仅如此，通过 AM 法和 ABM 法装置自动顺次切换
图 2-2 有限差分矩形网格剖分示意图ure 2-2 The diagram of finite difference rectangular mesh subdivision所示，模型在 x 方向上的网格数为xN ，在 y 方向上网格网格数为zN ，总节点数为 ( 1)( 1)( 1)x y zm N N N ，总z，设每个单元的电阻率为常数，每个节点 (i , j , k )上的电(i , j 1, k)，(i 1, j , k)，(i 1, j 1, k)，(i , j , k 1)，(i , j (i 1, j 1, k 1)这 8 个节点围住的网格单元的电导率构分法格式，将方程 2.8)离散化，生成系统方程：K u s称之为系统矩阵，每行只有 7 个元素不为 0，u 表示每个为一个列向量。s 是与场源有关的方程的右端项，为列向演问题就是如何求解（2.17）。场法来处理场源奇异性，所以整个异常场方程可以写成1 1( )aK U K K U
图 2-3 矿井直流电法三维正演有限差分程序流程图ow chart of finite difference 3D forward program of mine dir井直流电法三维有限差分正演程序实现的流程图立回采工作面的地电模型；公式(2.12)计算均匀场电位1U ，同时计算均匀场的系统矩阵 K ；大型线性方程组。程序中使用 BICGSTAB 解法（1 1( )aK U K K U，求出异常场电位aU ；算总场电位U ； /s k U I计算视电阻率，式中 k 为装置系数电源不在地表时虚点电源的影响。(Summary)钻孔内电阻率法的基本原理、数据采集和数据处井直流三维电阻率法数值模拟进行了简要介绍。
本文编号：2827299
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD327.3
【部分图文】：
图 2-1 孔内电法成像工作示意图Figuer 2-1 Schematic diagram of electrical imaging in hole钻孔测试中布置一条电法测线，通过不同位置电极点的组合实施连续测量形成层析数据体，利用全空间电法勘探的体积效应，可以针对探测区域得到不同供电电极不同测量电极对应深度的电位值或电阻率值。2.1.2 数据采集方式数据采集仪器为集中式网络并行电法仪，该仪器由安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司自主研制的新产品，其最大优势在于任一电极供电，其余所有电极同时进行电位测量，可清楚地反映探测区域的自然电位、一次供电场电位的变化情况，采集数据效率比传统的高密度电法仪又大大提高；同时采用网络进行数据传输，将采集到数据保存至地面服务器，解放人力，提高效率，是电法勘探技术的又一次飞跃。例如：测线上布置 64 个电极，对于 AM 法采集时，任一电极供电时，其余 63 个电极同时采集电位，这样其数据采集效率与串联采集相比，采集效率至少提高了 63 倍。不仅如此，通过 AM 法和 ABM 法装置自动顺次切换
图 2-2 有限差分矩形网格剖分示意图ure 2-2 The diagram of finite difference rectangular mesh subdivision所示，模型在 x 方向上的网格数为xN ，在 y 方向上网格网格数为zN ，总节点数为 ( 1)( 1)( 1)x y zm N N N ，总z，设每个单元的电阻率为常数，每个节点 (i , j , k )上的电(i , j 1, k)，(i 1, j , k)，(i 1, j 1, k)，(i , j , k 1)，(i , j (i 1, j 1, k 1)这 8 个节点围住的网格单元的电导率构分法格式，将方程 2.8)离散化，生成系统方程：K u s称之为系统矩阵，每行只有 7 个元素不为 0，u 表示每个为一个列向量。s 是与场源有关的方程的右端项，为列向演问题就是如何求解（2.17）。场法来处理场源奇异性，所以整个异常场方程可以写成1 1( )aK U K K U
图 2-3 矿井直流电法三维正演有限差分程序流程图ow chart of finite difference 3D forward program of mine dir井直流电法三维有限差分正演程序实现的流程图立回采工作面的地电模型；公式(2.12)计算均匀场电位1U ，同时计算均匀场的系统矩阵 K ；大型线性方程组。程序中使用 BICGSTAB 解法（1 1( )aK U K K U，求出异常场电位aU ；算总场电位U ； /s k U I计算视电阻率，式中 k 为装置系数电源不在地表时虚点电源的影响。(Summary)钻孔内电阻率法的基本原理、数据采集和数据处井直流三维电阻率法数值模拟进行了简要介绍。
【参考文献】
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本文编号：2827299
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