多層采空區(qū)地面-巷道瞬變電磁探測理論與方法研究

當(dāng)前，采空區(qū)積水是誘發(fā)我國煤礦特大突水災(zāi)害事故的主要原因之一。礦井瞬變電磁技術(shù)、礦井直流電法技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了礦井防治水水平，由于受技術(shù)本身條件所限，仍無法滿足煤礦防治水工作的精細(xì)探查要求，急需研究適用于我國煤礦特有條件下，更為先進(jìn)、更為有效的高分辨率地球物理探測技術(shù)。地面—巷道瞬變電磁技術(shù)具備了地面、井下地球物理探測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了兩者的缺點(diǎn)，有望成為多層采空區(qū)有效探測的最佳方法。 本項目主要研究內(nèi)容為：①大回線源瞬變電磁場3D數(shù)值模擬計算方法；②大回線源地表下半空間內(nèi)任意點(diǎn)的瞬變電磁場的時空響應(yīng)特征；③地面發(fā)射巷道接收時多層采空區(qū)不同組合方式下瞬變電磁場時空響應(yīng)差異；④地面-巷道瞬變電磁探測結(jié)果的表征與解釋方法。 項目重要結(jié)果： 1）一維層狀模型數(shù)值模擬結(jié)果表明，早期，瞬變電磁場由淺至深、由回線邊緣至回線中心逐步擴(kuò)散；晚期，在整個擴(kuò)散區(qū)域的瞬變電磁場在垂向上趨于均勻，不同深度上的瞬變電磁響應(yīng)信號存在明顯差異，說明多層采空區(qū)地面—巷道瞬變電磁法的理論可行性。 2）3D數(shù)值模擬與物理模擬結(jié)果表明，①地面—巷道瞬變電磁法由于觀測點(diǎn)位于地下巷道中，可以屏蔽地面干擾信號，相對地面瞬變電磁法而言距探測目標(biāo)體更近，其響應(yīng)幅值高，抗噪能力強(qiáng)，結(jié)果更加可靠；②對于積水采空區(qū)，當(dāng)水平范圍較大時，傳統(tǒng)地面瞬變電磁法與地面—巷道瞬變電磁法均有較好的探測效果，但當(dāng)水平范圍分布較小時，地面—巷道瞬變電磁法分辨更高，優(yōu)勢更加明顯；③地面-巷道瞬變電磁法對采空區(qū)的探測效果均隨著厚度的增加而增強(qiáng)，但當(dāng)?shù)妥璨煽諈^(qū)厚度小于50m以及高阻采空區(qū)厚度大于20m時，該方法探測效果更好，地面-巷道瞬變電磁法對高阻采空區(qū)的分層能力較低，而對低阻采空區(qū)的層位識別能力較強(qiáng)。 3）在山西朔州東易煤礦與陽煤一礦進(jìn)行了工程實踐，成功圈定了采空積水邊界。 該項目的科學(xué)意義在于系統(tǒng)地研究了地面—巷道瞬變電磁技術(shù)的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用方法，豐富了我國礦井災(zāi)害水源探測的技術(shù)手段，開拓了瞬變電磁新的探測方法，有望提高我國礦井防治水技術(shù)水平，也為深部水源污染實時動態(tài)監(jiān)測提供了潛在技術(shù)儲備，具有較高的理論意義與現(xiàn)實應(yīng)用意義。 2100433B

采空區(qū)積水是誘發(fā)我國煤礦特大突水災(zāi)害事故的主要原因之一?；诘孛?、井下兩種地球物理探查技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出了多層采空區(qū)地面-巷道瞬變電磁探測的方法技術(shù)。擬采取數(shù)值模擬、物理實驗、現(xiàn)場測試等手段對大回線源地表下半空間內(nèi)任意點(diǎn)的瞬變電磁場的時空響應(yīng)特征進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究不同空間方位低阻薄板異常體地面-巷道探測方式下瞬變電磁場空間響應(yīng)差異，實現(xiàn)多層采空區(qū)積水層位識別，采空區(qū)積水邊界的圈定，并探討地面-巷道方式瞬變電磁探測結(jié)果的表征與解釋方法，進(jìn)而建立該方法的理論基礎(chǔ)。該方法的成功應(yīng)用必將豐富礦井水文地質(zhì)探查的技術(shù)手段，同時也能提高我國礦井防治水技術(shù)水平，為礦井安全生產(chǎn)提供保障，具有較高的理論意義與現(xiàn)實意義。

盡管隧道結(jié)構(gòu)表面病害的快速探測方法已經(jīng)趨于成熟，但是隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害的快速探測方法還是一個尚未得到很好解決的難題。為此，本研究提出應(yīng)用列車瞬變電磁法，考慮隧道全空間瞬變電磁近場效應(yīng)特征，對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害快速探測方法開展研究，主要對以下問題開展研究： (1) 天線形式、布置及最佳參數(shù)； (2) 列車探測速度、天線發(fā)接頻率和近場盲區(qū)干擾源影響探測精度的規(guī)律； (3) 快速分塊采集、定位和合并方法； (4) 數(shù)學(xué)濾波和快速反演方法； (5) 建立智能數(shù)據(jù)庫，形成反演結(jié)果的智能評價體系。 本研究首次提出了一種新型的隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害快速探測方法，為隧道結(jié)構(gòu)維護(hù)提供了新的技術(shù)手段和保障。

盡管隧道結(jié)構(gòu)表面病害的快速探測方法已經(jīng)趨于成熟，但是隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害的快速探測方法還是一個尚未得到很好解決的難題。為此，本研究提出應(yīng)用列車瞬變電磁法，考慮隧道全空間瞬變電磁近距離效應(yīng)特征，對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害快速檢測方法開展研究，主要對以下問題開展研究： 1，天線形式，布置和最佳參數(shù)； 2，列車探測速度，天線接發(fā)頻率和近距離盲區(qū)干擾源影響探測精度的規(guī)律； 3，快速分塊采集，定位和合并方法； 4，數(shù)學(xué)濾波和快速反演方法； 5，建立智能數(shù)據(jù)庫，形成反演結(jié)果的智能評價體系。 2100433B