本文關鍵詞：隧道超前預報中的固源瞬變電磁正演方法

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【摘要】：瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,簡稱TEM)是一種人工源時域電磁法,具有探測深度大、橫向分辨率高、低阻響應靈敏以及工作效率高等優(yōu)勢,在礦產勘查、水文地質勘察和工程勘察等領域都得到了廣泛的應用。在隧道超前地質預報中,瞬變電磁法采用中心回線等動源類裝置,即在隧道掌子面上布置多匝方形或圓形等規(guī)則發(fā)射線框,利用接收回線(或探頭)在發(fā)射線框內接收電磁信號,然后沿著掌子面上的測線同時移動發(fā)射線框和接收回線(或探頭)進行逐點觀測。這種工作方式比較簡單,容易解釋,但也存在相應的缺點,比如：探測深度較小、互感干擾較強、覆蓋面小、數(shù)據(jù)量少、不利于整個掌子面的三維成像等。為了改進這些不足,本文提出了一種固源瞬變電磁法隧道超前預報方法。該方法采用定源類裝置,通過設計適合于隧道掌子面輪廓的半圓形不規(guī)則發(fā)射回線,在回線內布置多條平行測線進行逐點或多點觀測。這樣一種工作方式可以充分利用隧道掌子面空間,也為日后發(fā)展固源陣列式觀測方法奠定基礎。因固源瞬變電磁法在發(fā)射和接收方式上都做了較大的改動,倘若直接利用現(xiàn)有的中心回線工作裝置正反演方法,其結果必定會出現(xiàn)較大的誤差甚至錯誤,所以,需要重新建立相應的正反演理論方法。鑒于研究時間限制,加上正演是反演的基礎,本文只針對固源瞬變電磁正演方法開展研究。該研究主要是基于水平電偶極子合成不規(guī)則回線源的方法,建立了均勻層狀介質表面接收的固源瞬變電磁響應的理論表達式。采用線性數(shù)字濾波算法,獲得了水平電偶極子的瞬變電磁響應中的Hankel積分和余弦積分,進而可以實現(xiàn)固源瞬變電磁的正演模擬。該正演方法使得瞬變電磁的發(fā)射回線可以不規(guī)則,接收點位置可以放置在回線內非中心點位置,可適用于不同掌子面條件下的超前預報。通過對同一模型的固源瞬變電磁正演模擬與傳統(tǒng)中心回線裝置的瞬變電磁模擬結果對比,初步驗證了固源瞬變電磁正演理論及數(shù)值計算方法的正確性。為了更好地了解固源瞬變電磁正演方法的應用效果和特點,構建了三種隧道超前預報典型不良地質體的地電模型——充水斷層、裂隙(低阻薄層),充水或充泥破碎帶(低阻厚層)和干燥無充填斷層、破碎帶(高阻夾層),通過對模擬得到的感應電動勢衰減曲線及其一次微分變化曲線的分析,電磁響應結果基本符合模型結構特點,從而又進一步驗證了該正演方法的有效性。最后,利用隧道超前預報模型試驗系統(tǒng)開展相應的物理模擬與數(shù)值模擬對比分析,同樣也能較好地檢驗了固源瞬變電磁正演方法的實際應用效果。
【關鍵詞】：固源瞬變電磁法 隧道超前地質預報 正演方法 不規(guī)則回線 水平電偶極子
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U452.11
【目錄】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 緒論12-25
• 1.1 研究目的和意義12-14
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀14-22
• 1.2.1 瞬變電磁法在隧道超前地質預報中的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.2.2 瞬變電磁法一維正演的研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.3 瞬變電磁法不規(guī)則回線的研究現(xiàn)狀21-22
• 1.3 研究思路與主要內容22-24
• 1.4 主要創(chuàng)新點24-25
• 第二章 固源瞬變電磁正演理論25-36
• 2.1 固源瞬變電磁的基礎知識25-28
• 2.1.1 Maxwell方程25-26
• 2.1.2 矢量位函數(shù)26-28
• 2.2 水平電偶極子的諧變電磁場28-30
• 2.3 水平電偶極子的瞬變電磁場30-35
• 2.3.1 頻域電磁場與時域電磁場的關系30-34
• 2.3.2 水平電偶極子的瞬變電磁場34-35
• 2.4 本章小結35-36
• 第三章 固源瞬變電磁正演的數(shù)值實現(xiàn)36-56
• 3.1 固源瞬變電磁響應的表達式36-37
• 3.2 漢克爾型積分的計算37-40
• 3.3 余弦積分的計算40-43
• 3.4 正演計算中的預定義參數(shù)43-46
• 3.4.1 接-發(fā)距r的確定43-45
• 3.4.2 電偶極子長度及個數(shù)的確定45-46
• 3.5 正演計算中的核函數(shù)46-50
• 3.5.1 雙曲函數(shù)的定義域問題46-50
• 3.5.2 R_1~*的遞推公式及計算程序50
• 3.6 正演計算的對比驗證50-55
• 3.6.1 兩層D型地電斷面51-52
• 3.6.2 兩層G型地電斷面52-53
• 3.6.3 三層H型地電斷面53-54
• 3.6.4 感應電動勢對比曲線分析54-55
• 3.7 本章小結55-56
• 第四章 隧道超前地質預報中典型不良地質體的正演模擬計算56-64
• 4.1 充水斷層、裂隙56-58
• 4.2 充水、充泥破碎帶58-60
• 4.3 干燥無充填斷層、破碎帶60-61
• 4.4 正演模擬分析61-62
• 4.5 本章小結62-64
• 第五章 物理模型實驗分析64-72
• 5.1 物理模型概況64-67
• 5.2 儀器參數(shù)67
• 5.3 數(shù)據(jù)分析結果67-71
• 5.4 本章小結71-72
• 第六章 結論與建議72-74
• 6.1 主要研究成果及結論72-73
• 6.2 建議73-74
• 參考文獻74-78
• 致謝78-79
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文目錄79-80
• 學位論文評閱及答辯情況表80

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