瞬变电磁法超前预报全空间解释技术研究

瞬变电磁法超前预报技术是预测井下突水构造的有效方法之一,其资料解释方法为地下瞬变电磁法理论体系的重要组成部分.从应用的角度出发对全空间资料解释的理论基础及传统解释方法的精确性进行分析,进而将全空间解释方法应用于井下超前预报实测资料的处理.结果表明,全空间视电阻率和视深度为半空间的某一倍数.半空间晚期视电阻率值在各个采样时刻与真值的相对误差均大于40％,当以精确视电阻率公式和全空间深度公式为标准时,采用半空间深度公式计算误差范围为45.50％ ～50.88％.全空间晚期视电阻率与真值的误差小于8.74％,进而由此计算的深度与标准值的最大相对误差仅为3.97％.将全空间全区视电阻率公式和深度计算公式应用于矿井突水构造的超前探测,取得了令人满意的效果.     

基于镜像模型的矿井瞬变电磁全空间反演研究

常规的瞬变电磁反演用半空间响应乘以全空间响应系数来拟合观测数据,具有一定的局限性;直接进行全空间反演,瞬变电磁场的空间不可分性会导致反演结果的不稳定。针对以上问题,提出了基于镜像模型的矿井瞬变电磁全空间反演方法,编制了反演程序。对低阻模型、受巷道后方高阻影响的低阻模型、受巷道后方低阻影响的低阻模型进行了反演试算,结果表明:基于镜像模型的全空间反演方法能够准确反演出掘进工作面前方的低阻地质异常体,巷道后方的高阻体不会影响对前方低阻地质异常体的判断。     

重叠回线装置地下瞬变电磁法后延改正技术

为了提高重叠回线源地下瞬变电磁法资料解释效果,丰富精细探测理论体系,从均匀全空间介质中重叠回线源产生的感应电动势出发,推导了全空间视电阻率公式,并在地面斜阶跃波后延改正方法的基础上,对全空间关断效应的幅值影响和延时影响进行了分析;选择水文地质资料丰富的矿井开展了井下瞬变电磁超前探测实验,验证了后延改正方法和超前预报技术的效果。结果显示,重叠回线源全空间视电阻率值与中心回线源相同,均为地面瞬变电磁法的(5/2)2/3倍。全空间后延影响系数与半空间相同,因而可将半空间后延改正方法应用于全空间。但与半空间结论不同,全空间延时改正以tk方式最佳。井下实验成果与水文地质资料比较显示,幅值-延时联合改正提高了资料解释的准确性,该实验也验证了瞬变电磁超前探测技术的有效性。     

矿井瞬变电磁传统视电阻率算法的可靠性分析

矿井瞬变电磁已普遍应用于我国各大矿区的水害探查。由于适用于矿井探测空间的视电阻率算法在大量数据处理平台中还未得到及时更新,很多矿方技术人员仍在沿用传统的地面视电阻率算法,其结果的可靠性值得探讨。通过将水平电偶极子产生的瞬变电磁场沿发射回线的路径进行积分,并基于磁矩等效原理,推导了矿井空间条件下的多匝方形回线瞬变电磁场响应公式,与数值计算结果进行对比,确定其最大误差为1.5%,证明该公式是准确的。利用相同测试参数条件下矿井与地面瞬变电磁场的对比,确定前者的响应幅值为后者的2.5倍,相应的视电阻率比值为1.842,进一步表明传统的地面视电阻率值与矿井视电阻率值之间仅存在固定的比例关系,对视电阻率的趋势特征并未改变,可认为传统视电阻率算法相对可靠,对现场勘探解释的影响较小。     

基于电磁场合矢量的陷落柱三维模拟及其探测

为了了解瞬变电磁场在含水陷落柱中的传播过程及电磁场响应特征,为瞬变电磁法超前探测掘进头前方的含水区提供理论支撑。建立矿井全空间含水陷落柱的地球物理模型,采用基于Yee网格的三维时域有限差分算法,模拟了电磁场的扩散过程,分析了在含水陷落柱影响下的全空间瞬变电磁场的时空分布特征,对电磁场某一方向上的分量进行了分析,并首次基于电场合矢量进行了详细描述,分析了电场合矢量的传播规律及响应特征,最后通过数值模型算例以及实际应用来验证瞬变电磁法探测含水陷落柱的有效性和适用性。结果表明：数值模拟采用适合瞬变电磁场计算的CPML(卷积完全匹配层)边界进行求解,可以减弱截断边界对计算结果的影响;模拟过程中含水低阻体能够显著地影响瞬变电磁场扩散过程,随着感应电场向上下空间不断地扩散,由于电场EX、Ey和Ez至少有两个极值的存在,若电场的畸变较小时,变化情况容易被淹没,一定程度上影响了异常体位置的准确判定,说明仅利用单一方向场量不利于分析低阻异常体的确切范围;而用合矢量来描述电磁场的扩散过程,感应电场合矢量仅有一个极大值,位于图形中心,感应电场此时已经到达低阻陷落柱内部,电场的分布受到陷落柱的的显著影响,用合矢量来描述电磁波的扩散情况,可精确分析出异常体的位置,更能体现低阻体的电性、形态、位置等特征;实际应用也表明瞬变电磁法不仅可以探测到掘进头前方的含水陷落柱,还可以确定其方位和距离,说明数值模拟和实际应用都表明瞬变电磁法是探查含水陷落柱的有效方法之一。     

井中瞬变电磁全区视电阻率解释方法研究

针对井中瞬变电磁全区视电阻率定义求解和解释方法开展研究。依据均质全空间瞬变电磁场解析式计算不同采样时间或装置条件下感应电压响应,认识到响应值在电阻率取值范围的全区间或部分区间内保持单调性。根据"牛顿-下降"最优化原理,给出一种井中瞬变电磁全区视电阻率求解方法,通过均质全空间瞬变电磁场响应试算结果与介质真电阻率对比验证该方法的精度和适用性。建立典型径向及垂向分层地电介质模型,通过时域有限差分法模拟计算瞬态场感应电压响应,并进行全区视电阻率换算分析。结果表明:视电阻率是不同时刻电磁场作用范围内所有电性体的综合反映,由全时段视电阻率结果识别全空间介质的径向及垂向电性情况具有一定可行性,各时道的视电阻率值可作为推断地电结构等信息的依据。     

矿井瞬变电磁法接收端单向屏蔽

矿井瞬变电磁法由于受到全空间效应的影响,无法实现井下的定向探测,目前尚无从根本上解决该问题的方法。对采集信号进行单向屏蔽有望从根本上突破矿井瞬变电磁法定向探测的难题。本文通过理论计算、仿真模拟对不同材料和不同结构单向屏蔽装置的电磁场响应特征进行定量分析,确定单向屏蔽装置材料及结构设计参数,并通过物理实验验证屏蔽装置的单向电磁屏蔽效果。研究表明：通过仿真模拟得到锥形结构的坡莫合金屏蔽罩相对其他结构屏蔽装置有更好的单向屏蔽效果,能够在有效压制非探测方向干扰信号的同时,突出探测方向的有效信号;在锥形屏蔽罩高度不变的情况下,锥形屏蔽罩顶角越大,单向屏蔽效果越好。此外,仿真模拟得到的屏蔽方案经物理实验证实具有明显的单向屏蔽效果。     

坑道含水围岩瞬变电磁响应数值模拟研究

文章基于电磁场阻尼波动方程,探讨了全空间瞬变电磁三维时域有限差分算法,通过建立方形回线和设置线性关断电流,实现了数值模拟场源与实际激励场源的统一;针对坑道掘进前方岩溶含水及断层导水模型进行模拟,并通过调整模型距离、尺寸及充水性参数(以电阻率表征),获得了该2种模型条件下瞬变场的扩散规律,及各参数与回线中心瞬变场异常响应的特征关系,所得结果有助于提高坑道超前探水理论认识。     

大定源回线全区视电阻率平移算法的应用

为了更快速的计算大定源回线全区视电阻率,深入分析了均匀半空间中大定源回线装置瞬变电磁场的解析表达式,分析结果表明:瞬变响应曲线随电导率、测试点坐标和观测时间具有平移伸缩特性.运用平移算法计算大定源回线的全区视电阻率,本文通过数学公式推导出大定源回线全区视电阻率的计算公式,并通过模型和理论计算,证明该方法有效可行.     

基于时域有限差分法计算共面波导的特性阻抗

使用时域有限差分法计算共面波导的特性阻抗．比较了全空间和半空间两种FDTD计算模型,并给出了全空间模型的计算结果．与文献中用半空间模型计算得出的结果以及实际测试结果作比较,取得了良好的一致性．     

皮带巷电机暂态过程对电磁环境的影响

利用ATP软件仿真皮带电机暂态过程,并运用传输线模型分析瞬态脉冲沿巷道和电缆的衰减特性. 结果表明,理论上电机起动、制动及负载突变时产生的瞬态脉冲电压峰值最大为额定电压的6倍,电流峰值最高可达额定电流的11倍;瞬态辐射发射对皮带巷电磁环境的影响较小,而瞬态脉冲沿长电缆传播会产生较大衰减. 确定煤矿井下现场测量工具及测点布置方法,分析比较实测数据与理论值,结果说明皮带电机起动和制动过程产生的瞬态辐射骚扰可以忽略,瞬态传导骚扰较大,但脉冲峰值最大不会超过额定值的4倍. 提出的井下现场测量方法、获得的实测数据和理论值为矿井电磁兼容性研究提供了参考依据.      

全程瞬变电磁法浅层勘探数据的处理方法

快速、高效的地面勘探技术是解决工程建设中遇到的浅层地质问题的关键.基于半空间瞬变电磁勘探理论,利用多匝重叠小回线装置,通过物理实验模拟全程瞬变电磁勘探技术,探讨剔除法处理后的地质异常体对半空间重叠小回线浅层瞬变电磁的响应特征及变化规律.结果表明：瞬变电磁对浅层高低阻异常体响应明显,等值线响应变化规律性强.纯背景条件下剔除仪器自身因素造成的干扰数据体,并对剔除后得到的新数据体进行反演处理,可准确地反映被测地质体的浅层信息.剔除干扰数据体方法对提高瞬变电磁全程勘探能力行之有效,为相关研究提供了借鉴.     

瞬变电磁法对多种采空区的探测精度

由于煤矿不断向深部开采,很多煤矿出现了不同深度、不同层次的采空区,而且大部分采空区还存在积水,给煤矿的安全生产带来隐患.为了提高瞬变电磁法对各类采空区的探测精度,建立了高、低阻电性不同的双层采空区组合以及同一开采水平面相邻采空区组合的电性模型进行数值模拟,研究它们在不同层间距或不同水平距离下的电磁场响应规律.结果表明:双层采空区的存在会使瞬变电磁响应变得复杂,增大解析难度;瞬变电磁法易于穿透高阻层,下层采空区的响应容易受到上层低阻屏蔽的影响;瞬变电磁法能够分辨一定层间距的高阻-低阻双层采空区,其他双层采空区难以分辨;瞬变电磁法容易分辨相邻采空区,不同电性的相邻采空区分辨能力也有所不同.     

光子质量对电磁场理论的影响

光子静止质量为零 ,是麦克斯韦理论成立的前提假设。如果假设不成立 ,即光子静止质量不为零 ,麦克斯韦方程必须改写。本文首次从相对论质量、动量关系出发 ,修正库仑定律和麦克斯韦方程 ,并对由此引起的一系列奇特的电磁现象进行讨论。     

通过磁现象与电现象的对称性探讨磁单极

本文以物理定律具有对称性的观点,讨论了磁现象和电现象的对称性与磁单极的关系。在进一步研究磁现象和电现象的对称性时,发现电场可以是涡旋场,也可以是有势场,磁场却只有涡旋场而没有静磁场,即出现了磁现象与电现象的不完全对称性。如果我们承认狄拉克的磁单极假设,那么磁荷的静磁场就是有势场,则磁流的电场与电流的磁场就是相似的,实现了电磁现象的完全对称性和麦克斯韦理论的完全对称性。     

用惠更斯作图法研究左手材料的负折射现象

针对理解电磁波在左手材料中的传播特性,在详细分析了该介质中电磁波波矢量k的方向、大小和坡印廷矢量s之间关系的基础之上,根据电磁场理论探讨了电磁波在右手、左手材料分界面上的反射和折射(各介质都是各向同性的)现象。并运用惠更斯作图法解释了电磁波由右手材料穿越左手材料时的负折射现象。指出发生负折射现象的根本原因是由于电磁波在左手材料中传播时其波矢量与坡印廷矢量的方向相反。     

矿井浪涌脉冲辐射电磁场研究

研究煤矿井下浪涌脉冲电流激励下电缆的辐射电磁场,运用推迟矢量位和行波天线理论推导了浪涌脉冲电流激励下电缆的辐射电磁场时域数学模型,给出了辐射场强的解析表达式,并进行了仿真计算.时域结果表明,浪涌脉冲电流在电缆附近会产生很高的瞬态辐射场强,但随着距离电缆的径向距离的增加,辐射场强迅速衰减;辐射场强的大小与浪涌电流峰值成正比;在巷道径向距离内,同一横截面辐射场强与距离成反比;在浪涌电流峰值为1kA时,距离电缆径向距离4m处瞬态辐射电场强度峰值达到15kV/m,磁场强度峰值达到40A/m.因此在不采取屏蔽措施的情况下,瞬态浪涌辐射会对井下巷道内监控及通信系统的正常工作造成影响.     

神经网络自变量输入模式的视电阻率求解算法

根据瞬变电磁场理论公式中的响应和自变量之间的关系特点,提出用非线性方程模式的 BP 神经网络求解电阻率。通过构造单输入单输出网络结构,建立以不同时间点上的电流归一化的感应电压值为输入、视电阻率值为输出的神经网络,来拟合瞬变电磁场的二次涡流曲线。利用数值方法计算出的数据验证该训练网络的精确性,比较了不同算法对训练精度和收敛速度产生的影响。以重庆大学某处的防空洞探测实验为例验证了该算法的有效性,该算法避开具体的复杂电磁场计算或数值反问题计算,从而实现电阻率快速计算,为快速成像准备必要条件。