本文選題：礦井巷道全空間 + 鉆孔瞬變電磁　； 參考：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文

【摘要】：煤炭開(kāi)采經(jīng)常會(huì)碰到一類(lèi)問(wèn)題——煤礦水害問(wèn)題,而如何探明或定位水害異常體又是水害防治中的重要一環(huán)。目前常用的探測(cè)手段之一為礦井瞬變電磁法,近20年的大量實(shí)際探測(cè)實(shí)踐工作表明這種方法能取得較好的效果,但也存在一些問(wèn)題,其中主要的問(wèn)題是該方法的橫向分辨率較高而縱向分辨率相對(duì)較差,異常體在常規(guī)視電阻率剖面上表現(xiàn)為一個(gè)放大的低值區(qū),不能較為準(zhǔn)確地定位異常體的邊界,探測(cè)深度也相對(duì)較淺。另外,在使用礦井瞬變電磁法進(jìn)行井下水害探測(cè)時(shí),經(jīng)常會(huì)碰到瞬變電磁響應(yīng)的極性反轉(zhuǎn)問(wèn)題,一般將這種極性反轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)視為干擾數(shù)據(jù)而影響探測(cè)結(jié)果。聯(lián)想到瞬變電磁法的一個(gè)分支——地—井瞬變電磁或稱為鉆孔中瞬變電磁法,將源布設(shè)于地表,而將接收線圈做成細(xì)長(zhǎng)型的圓柱狀并放入鉆孔中從上至下或從下至上依次觀測(cè),大量的實(shí)際探測(cè)結(jié)果表明鉆孔中瞬變電磁法在垂向分辨率和異常體的邊界定位上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的地面瞬變電磁法。結(jié)合煤礦水害精細(xì)探測(cè)的迫切需求及鉆孔中瞬變電磁法的優(yōu)勢(shì),本文將地—井瞬變電磁法引入到煤礦井下巷道中,將源布設(shè)于巷道內(nèi),而將接收探頭放置巷道內(nèi)鉆孔中進(jìn)行觀測(cè),以期在礦井水害異常體探測(cè)時(shí)的縱向分辨率和邊界定位方面有所改進(jìn)。為此,本文以礦井巷道孔中瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)特征和礦井全空間瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象為研究對(duì)象。以理論分析、公式推導(dǎo)、積分方程法數(shù)值模擬和cole-cole模型理論等為研究方法。采用自主開(kāi)發(fā)的程序進(jìn)行礦井全空間巷道孔中瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)數(shù)值模擬。取得的主要研究成果如下:1.推導(dǎo)了全空間1D水平層狀介質(zhì)中磁偶極源和水平圓回線源的電磁場(chǎng)響應(yīng)公式。對(duì)于全空間1D水平層狀介質(zhì)中y向水平磁偶極源,采用頻域內(nèi)的矢量勢(shì)函數(shù),包括水平矢量勢(shì)和垂直矢量勢(shì),表示每層內(nèi)的電磁場(chǎng),以降低自由度。利用層界面處切向電場(chǎng)和切向磁場(chǎng)的連續(xù)性方程和矢量勢(shì)函數(shù)與電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H間的微分方程導(dǎo)出矢量勢(shì)函數(shù)所滿足的連續(xù)性方程——邊界條件,利用邊界條件導(dǎo)出源上方和源下方各層中水平矢量勢(shì)函數(shù)和垂直矢量勢(shì)函數(shù)中常系數(shù)比例關(guān)系。對(duì)源所在層的頂界面和底界面應(yīng)用矢量勢(shì)邊界條件求解出源所在層內(nèi)水平矢量勢(shì)系數(shù)和垂直矢量勢(shì)系數(shù)。再次利用矢量勢(shì)函數(shù)邊界條件導(dǎo)出其它層內(nèi)的水平矢量勢(shì)和垂直矢量勢(shì)系數(shù)。進(jìn)而導(dǎo)出每層內(nèi)的電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H的積分表達(dá)式。對(duì)于全空間1D水平層狀介質(zhì)中x向水平磁偶極源,利用x向磁偶極源電磁場(chǎng)響應(yīng)與y向磁偶極源電磁場(chǎng)響應(yīng)間的變換關(guān)系,導(dǎo)出x向磁偶極源電磁場(chǎng)響應(yīng)。對(duì)于水平圓回線源,采用頻域內(nèi)垂直向磁赫茲勢(shì)函數(shù)表示每層內(nèi)電磁場(chǎng),以降低自由度。利用層界面處切向電、磁場(chǎng)邊界條件和赫茲勢(shì)與e、h間的微分方程導(dǎo)出赫茲勢(shì)所滿足的邊界條件,導(dǎo)出源界面(源所在界面,若源不在實(shí)際界面處,可插入一虛擬界面)上、下各層中赫茲勢(shì)常系數(shù)比。再根據(jù)源界面處邊界條件導(dǎo)出源界面上層向上傳播的赫茲勢(shì)系數(shù)和源界面下層向下傳播的赫茲勢(shì)系數(shù),并結(jié)合系數(shù)比和邊界條件導(dǎo)出其它層中的系數(shù),求出每層內(nèi)的電磁場(chǎng)表達(dá)式。利用水平圓回線源和垂直磁偶源間的極限關(guān)系(水平圓回線源半徑趨于0時(shí)即為垂直磁偶源)導(dǎo)出垂直磁偶源電磁場(chǎng)響應(yīng)公式。最后利用矢量疊加法給出了任意方向磁偶源的電磁場(chǎng)響應(yīng)。與前人所導(dǎo)出的全空間1d層狀介質(zhì)中磁偶極源電磁場(chǎng)響應(yīng)公式相比,本文所導(dǎo)出的響應(yīng)公式,導(dǎo)出過(guò)程簡(jiǎn)單,易于理解,適合編程,數(shù)值穩(wěn)定性好。2.編制了全空間1d水平層狀介質(zhì)中磁偶極源和水平圓回線源電磁場(chǎng)響應(yīng)程序和全空間電磁法積分方程正演程序。3.全空間鉆孔中1d瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)特征及其變化規(guī)律。根據(jù)煤礦井實(shí)際地質(zhì)條件,建立共計(jì)6組全空間1d地電模型。其瞬變響應(yīng)特征為:(1)華北型煤田全空間六層模型,豎直鉆孔。衰減曲線上,由淺部到深部各測(cè)點(diǎn)的vz響應(yīng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻依次增大;鉆孔剖面上,早期vz響應(yīng)隨深度增加迅速衰減,呈弧形,中期和晚期衰減變慢,呈近直線形。(2)與半空間相比,全空間小回線源數(shù)值模擬時(shí),頻點(diǎn)范圍應(yīng)適當(dāng)?shù)南蚋哳l方向延伸。4.礦井全空間巷道-孔中3d瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)特征和變化規(guī)律。根據(jù)煤礦井實(shí)際地質(zhì)條件,建立典型的全空間3d地電模型,共計(jì)54組,對(duì)圓回線半徑變化模型、礦井巷道模型、頂?shù)装褰橘|(zhì)物性和幾何參數(shù)變化模型、異常體物性和幾何參數(shù)變化模型、鉆孔幾何參數(shù)變化模型、源和異常體和鉆孔間相對(duì)位置變化模型、兩個(gè)異常體模型等典型的地電模型,進(jìn)行數(shù)值模擬,瞬變響應(yīng)特征如下:(1)小半徑回線源在保證與異常體有效耦合時(shí)完全可以作為礦井全空間孔中瞬變電磁法的激勵(lì)源。(2)礦井巷道側(cè)幫煤塊體對(duì)巷道底層孔中瞬變響應(yīng)的影響是早期和淺部強(qiáng),晚期和深部弱;對(duì)軸向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)vr影響強(qiáng),而垂向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)vz影響弱。(3)隨頂、底板介質(zhì)電阻率的減小,全空間層狀介質(zhì)的電磁響應(yīng)(背景響應(yīng))會(huì)逐漸壓制異常響應(yīng)。這種影響對(duì)孔1中的vz和vy及孔3中的vz影響強(qiáng),而對(duì)孔2中的vz和vy及孔3中的vr影響弱。(4)巷道高度的變化對(duì)三類(lèi)孔中的vz影響較弱,而對(duì)三類(lèi)孔中的vy的早期及淺部有相對(duì)較強(qiáng)的影響,而對(duì)中期、晚期和深部的影響較弱。(5)隨異常體電阻率的減小、異常體厚度的增加、異常體埋深的減小,異常響應(yīng)變強(qiáng)。(6)當(dāng)孔1和孔2向異常體傾斜時(shí),異常響應(yīng)增強(qiáng),而孔3向著遠(yuǎn)離源方向傾斜時(shí)Vz曲線和向著源方向傾斜時(shí)的Vy曲線上異常響應(yīng)強(qiáng)。鉆孔傾向?qū)z影響大,而對(duì)Vr影響相對(duì)小。(7)當(dāng)源位于異常體上方時(shí),由于源與異常體間的耦合增加,異常響應(yīng)變強(qiáng);5.存在極化層或極化異常體時(shí),全空間1D和礦井巷道3D瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)特征和變化規(guī)律。根據(jù)煤礦實(shí)際地質(zhì)條件,建立地表含有粘土極化層全空間1D模型、具有極化性的含水異常體(極化低阻異常體)模型等典型地電模型,共計(jì)20組,采用cole-cole模型理論和編制的程序進(jìn)行數(shù)值模擬,瞬變電磁響應(yīng)特征為:(1)受到地表粘土極化層的激發(fā)極化影響,隨著回線半徑的減小,全空間內(nèi)中心回線下Vz隨時(shí)間衰減曲線上均出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)點(diǎn),它們出現(xiàn)的時(shí)刻變化較小;Vz響應(yīng)衰減曲線的幅值逐漸減小,極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)之前的Vz曲線的曲率變小,極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)后Vz曲線的斜率相同。(2)含硫化物煤巷側(cè)幫塊體對(duì)Vz響應(yīng)的淺部影響較大,深部影響較小。(3)隨著直接頂板電阻率的增加,Vz衰減曲線上的極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間先是顯著的減小,而后變化較小。(4)(1)隨著極化異常體埋深的減小、極化率的增加、頻率因子的增加和時(shí)間常數(shù)的增加,Vz衰減曲線上極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間逐漸減小,極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)之前的Vz曲線的曲率逐漸增大。(2)隨著極化異常體尺寸的增大,極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間緩慢減小,極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)之前的正響應(yīng)拐點(diǎn)和之后的負(fù)響應(yīng)極值均增大。隨著極化異常體電阻率的增大,Vz響應(yīng)曲線極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間先減小后增大,極性反轉(zhuǎn)點(diǎn)之前的Vz響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)和負(fù)響應(yīng)極值的幅值逐漸減小。(5)受到異常體的激發(fā)極化效應(yīng)的影響,穿過(guò)異常體的鉆孔中Vz響應(yīng)上,異常響應(yīng)表現(xiàn)為極性與背景場(chǎng)極性相反圓弧曲線;而鉆孔中的Vy響應(yīng)上,異常響應(yīng)表現(xiàn)為從早期至晚期,從淺部到深部的極性反轉(zhuǎn),也即表現(xiàn)為從時(shí)間和空間上均產(chǎn)生極性反轉(zhuǎn)的特征。對(duì)以上結(jié)果的綜合分析可知,在礦井全空間中,條件允許時(shí),盡可能使用大回線裝置,若受空間限制,可以使用小回線作為孔中瞬變電磁探測(cè)的發(fā)射源,但需源與異常體有較好的耦合。在進(jìn)行礦井巷道鉆孔中瞬變電磁探測(cè)時(shí),需要接收垂向和軸向感應(yīng)電壓。當(dāng)全空間某一層帶或低阻異常體具有極化性質(zhì)時(shí),從礦井巷道孔中瞬變響應(yīng)剖面中能清楚地分辨出激發(fā)極化效應(yīng)。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TD745;P631.325
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本文編號(hào)：1930448