矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究

论文摘要

近几年,矿井瞬变电磁法在全国各个矿区逐渐得到了推广和应用,其应用效果和带来的经济和社会效益逐渐得到认可。但在矿井地质条件下,即巷道空间影响下瞬变电磁场在全空间内的分布规律没有得到系统的研究,研究巷道空间及空间内的金属体(工字钢、铁轨和金属锚网)对探测结果的影响规律是矿井瞬变电磁法资料解释及处理中的关键技术。本论文以均匀介质中瞬变电磁场响应理论为基础,编制了全空间瞬变电磁场正演模拟程序,结合数值计算和物理模型实验,总结了矿井地质条件下瞬变电磁场的分布规律。主要研究成果如下:1)研究了全空间条件下瞬变电磁场的传播规律。在早期阶段,感应电流集中分布于发射天线附近,电磁场主要反映地层浅部地质信息;在晚期阶段,高频成份被导电介质吸收,低频成份占主导地位,这时瞬变电磁场的传播主要是扩散过程,反映中深部的地质信息;2)研究了矿井瞬变电磁法最小及最大探测深度及其影响因素。由于采用多匝小回线天线,接收信号不仅包括探测目标体感应的有用地质信息同时还包括由于线圈产生的自感信号。在采样早期阶段线圈自感信号比目标体感应信号强,但其衰减速度较快。在线圈自感信号衰减时间范围内线圈自感信号与浅层地层介质感应信号很难分离,所以总存在一个无法分辨目标体感应信号的时间范围,这个范围则是矿井瞬变电磁法对应的探测盲区,即最小探测深度。线圈自感信号迅速衰减后,接收的信号主要为不同深度介质的感应信号。由于瞬变电磁场在介质中传播时能量不断地衰减,当能量衰减到一定程度时就不可分辨,无法识别更深地层介质的感应信息,所以对应一个最大探测深度;3)建立了全空间瞬变电磁场数学模型,并编写了三维有限元正演模拟程序。利用所编制的程序对不同模型及不同参数进行计算对比分析。在均匀全空间条件下分离回线装置与重叠回线装置所接收的感应信号衰减规律基本一致,但分离回线装置接收的响应值比重叠回线装置接收的响应值小,说明在相同条件下重叠回线装置的灵敏度较高;巷道空间的存在使瞬变电场响应值减小,但没有改变其整体上的衰减趋势。当巷道空间围岩介质中存在低阻异常体时,巷道空间对异常体响应曲线的影响主要集中在采样时间序列的早期阶段,而对采样时间序列的晚期阶段无影响,说明巷道空间的存在对浅层异常体的探测结果有影响,而且巷道空间越大,对探测结果影响越大;4)对巷道空间内金属体对感应场的干扰特征进行了物理模型实验:当天线位于巷道靠近探测目标体所在一侧时,接收到的响应值最高;当天线位于远离探测目标体一侧时,由于巷道空间的影响使探测结果的分辨能力降低。巷道内的金属体(工字钢、金属锚网和铁轨)使所接收到的信号值变大;5)根据数值模拟和物理模型实验结果,设计了矿井瞬变电磁探测方法与技术。如果探测目标体位于巷道顶板以上,同时巷道内有锚网支护底板上有铁轨时,发射接收天线置于巷道顶板;如果探测目标体位于工作面煤层,应将天线装置垂直巷道底板,并且靠近探测目标体所在巷道一侧,以获得探测目标体最大的感应信号;如果不能确定异常体的具体空间位置,应采用全方位探测技术。论文有图77幅,表4个,参考文献127篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究方法
• 1.5 论文的组织结构
• 2 瞬变电磁场理论基础
• 2.1 瞬变电磁场的基本认识
• 2.2 电磁场的基本方程
• 2.3 电磁场边界条件
• 2.4 瞬变电磁场常用的发射波形
• 2.5 瞬变电磁法测深原理
• 2.6 矿井瞬变电磁法
• 2.6.1 矿井瞬变电磁法基本原理
• 2.6.2 矿井瞬变电磁法探测深度研究
• 2.7 全空间瞬变电磁场数学模型
• 2.8 小结
• 3 矿井瞬变电磁场数值模拟研究
• 3.1 有限元法基本原理
• 3.1.1 泛函与变分的基本概念
• 3.1.2 网格剖分设计
• 3.1.3 时间步长设计
• 3.2 程序设计
• 3.2.1 程序框图和计算步骤
• 3.2.2 有限元系数矩阵存储技术
• 3.2.3 有限元线性方程组求解
• 3.2.4 计算误差分析
• 3.3 矿井瞬变电磁场数值模拟
• 3.3.1 全空间瞬变电磁场分布规律研究
• 3.3.2 巷道空间条件下瞬变电磁场分布规律研究
• 3.3.3 巷道迎头前方瞬变电磁场分布规律研究
• 3.4 小结
• 4 矿井瞬变电磁场物理模型实验研究
• 4.1 相似准则
• 4.2 物理模型及天线参数设计
• 4.2.1 物理模型设计
• 4.2.2 天线参数设计分析
• 4.3 均匀介质中瞬变电磁场特征研究
• 4.4 巷道空间对电磁场影响特征研究
• 4.5 巷道金属干扰体对瞬变电磁场影响规律研究
• 4.5.1 工字钢对瞬变电磁场影响规律研究
• 4.5.2 铁轨对瞬变电磁场影响规律研究
• 4.5.3 锚网对瞬变电磁场影响规律研究
• 4.5.4 轨道和锚网对瞬变电磁场影响规律研究
• 4.6 施工方法与技术
• 4.7 小结
• 5 矿井瞬变电磁法应用实例分析
• 5.1 天线参数设计
• 5.2 煤层顶板构造探测结果分析
• 5.2.1 古城煤矿1315 工作面顶板探测
• 5.2.2 济宁二号煤矿9305 工作面顶板水探测
• 5.3 煤层底板构造探测结果分析
• 5.3.1 陈四楼煤矿底板隐伏含水裂隙探测)
• 5.3.2 任楼煤矿底板隐伏含水裂隙探测
• 5.4 工作面内隐伏构造探测结果分析
• 5.5 巷道超前探测技术的应用
• 5.5.1 超前探测施工方法技术
• 5.5.2 超前探测资料处理及成果显示技术
• 5.5.3 超前探测物理模型实验
• 5.5.4 超前探测实例分析
• 5.5.5 矿井瞬变电磁与矿井直流电法超前探测对比分析
• 5.6 小结
• 6 全文总结
• 6.1 主要研究成果
• 6.2 创新性工作
• 6.3 进一步研究内容
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集