煤层气富集矿井采空区瞬变电磁波场变换成像技术

煤矿采空区及采动裂隙是煤层气富集、渗流及赋存的重要载体,精准探测采空区位置及采动裂隙成为煤层气开采的基础工作.基于波场变换理论,采用非线性阻尼最小二乘算法对波场变换积分方程进行反演计算,开展了全空间响应校正及波场数据处理,阐述了矿井瞬变电磁合成孔径工作方法,进行了采空区三维模型波场成像数值模拟,在晋城煤层气富集矿区开展了巷道掘进超前及工作面探测工程应用试验.研究结果表明:波场变换成像技术能够提取瞬变电磁信号中的电性界面信息,对采空区及采动裂隙的富水边界反映明显,钻探验证结果同波场成像及视电阻率综合分析成果吻合,该技术可降低体积效应对采空区及采动裂隙解释工作的不利影响.     

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。     

中心回线瞬变电磁自适应正则化反演

采用自适应正则化反演,直接对瞬变电磁感应电动势曲线进行反演拟合。相对于传统的求取视电阻率进行定性或半定量的解释方法,利用自适应正则化反演技术可更为准确的获得地电断面的电阻率分布。通过理论模型试算表明自适应正则化反演算法收敛快速、拟合效果好,一般只需迭代5次反演就趋于稳定,迭代10次后目标函数即可达到5×10-2。对某煤矿区的中心回线装置瞬变电磁资料进行反演,和已知资料吻合较好,验证了自适应正则化反演算法可以很好的应用于瞬变电磁资料解释中。     

矿井探水工程技术实践

针对煤矿采空区透水事故频发的问题,采用瞬变电磁法对采空区分布及其积水情况进行物探。确定瞬变电磁法在正常煤层、采空区和积水区的视电阻值范围,圈定采空区边界及范围效果好,分辨率高,提高了采空区及其积水情况的探测效果。     

液体管道瞬变流摩阻的计算方法

在液体管道瞬变流计算中,传统的拟恒定摩阻模型不能准确描述瞬变流的真实物理现象。多年来人们一直在研究瞬变流摩阻的精确表达式和计算方法。总结了液体管道中瞬变流摩阻的计算方法,着重阐述了瞬变流非恒定摩阻问题的主要研究成果,介绍了几类有重要价值的非恒定摩阻模型及相应的应用范围,并给出了各类模型进行数值计算的思路,最后通过算例验证了非恒定摩阻模型比传统的拟恒定摩阻模型能更精确地模拟液体管道瞬变流压力波的衰减和波形畸变。     

液体管道瞬变流摩阻的计算方法

在液体管道瞬变流计算中,传统的拟恒定摩阻模型不能准确描述瞬变流的真实物理现象。多年来人们一直在研究瞬变流摩阻的精确表达式和计算方法。总结了液体管道中瞬变流摩阻的计算方法,着重阐述了瞬变流非恒定摩阻问题的主要研究成果,介绍了几类有重要价值的非恒定摩阻模型及相应的应用范围,并给出了各类模型进行数值计算的思路,最后通过算例验证了非恒定摩阻模型比传统的拟恒定摩阻模型能更精确地模拟液体管道瞬变流压力波的衰减和波形畸变。     

基于全区视电阻率瞬变电磁一维正演中滤波系数的选取

为提高瞬变电磁正反演数值计算的效果和效率,选取合适的数值滤波系数是关键.通过建立参照模型,选用正演数值计算效果良好的3组汉克尔变换滤波系数和3组余弦变换滤波系数,对比分析了其不同组合正演的计算效率、精度和有效范围.利用瞬变响应的平移伸缩特性提出参数模型法,实现了针对实测数据的滤波系数选取的估算,经过反演测试,最终得出了基于全区视电阻率的最佳滤波系数组合.     

基于组合场积分方程的表面离散化边界方程法

表面离散化边界方程法是最近被提出的分析电磁散射问题的数值方法,论文基于组合场积分方程的表面离散边界方程法,分析了二维导体的电磁散射问题.数值计算结果表明:对于TM波,基于组合场积分方程的表面离散化方程与基于电场积分方程的表面离散边界方程法的精度和收敛速度相当,然而对于TE波,前者则具有更高精度和更快的收敛速度.     

基于保角变换法的地震裂缝波场研究

针对实际地层中的裂缝形状,提出了两种裂缝模型,一种是广义四边形裂缝模型,另一种是角形裂缝模型。基于保角变换,对单个裂缝的波场进行了研究。首先,对物理域中的裂缝区域施加保角变换,将其变换为计算域中的上半平面,对物理域中的裂缝边界条件进行保角变换为计算域中的边界条件;其次,在计算域中求出裂缝边界及其附近的波场;最后,通过保角变换的反变换得到物理域中裂缝边界波场变化规律。提出的保角变换法对研究单个和多个任意形状的裂缝波场之间的定量关系以及勘探地球物理中的非均质问题提供了新的思路。     

地面瞬变电磁法对采空区赋水情况的应用研究

为了研究地面瞬变电磁法探测煤矿采空区的响应特征及探测效果的可行性,根据测区的地球物理特征以及工程要求,运用TerraTEM瞬变电磁仪在山东甘霖煤矿矿界内探测采空区范围及采空积水性方面进行了应用。根据地面瞬变电磁法对低阻体响应十分敏感的特性,并结合试验选取的工作参数,较准确地查明了采空区的位置及赋水性情况。实践证明,地面瞬变电磁法在施工过程中能够有效避免井下空间限制及周围金属支架等的干扰,对于低阻体位置的圈定及定性解释,地面瞬变电磁法可作为一种有效的探测手段。     

COREX熔化气化炉风口回旋区的界定

建立COREX熔化气化炉的半周三维冷态模型,利用高速摄影的方法跟踪冷态模型内示踪粒子的运动,得到冷模型观察面板处风口回旋区的颗粒运动信息,通过对大量颗粒运动信息的处理得到风口回旋区范围的颗粒速度标量场,运用分形理论对利用不同颗粒速度大小等值线界定的回旋区边界的"不规则"程度进行了研究,准确界定了风口回旋区边界.研究结果为风口回旋区的宏观动力学计算以及数值模拟提供准确的边界条件.     

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。     

基于波动方程的Ansys模型黏弹性边界条件研究

 研究了应用Ansys 有限元软件进行地震波场数值模拟的边界条件问题,提出一种基于波动方程的Ansys 模型黏弹性边界条件构建方法。由波动方程推导并建立了黏弹性边界条件的理论基础,在Ansys 模型中选用带阻尼的Combin14 单元作为加载有限元,采用APDL 代码成功地将黏弹性边界条件施加于Ansys 模型中。对模型进行实例计算,在模型边界设置虚拟检波器,加载Ricker 子波震源,提取计算后的波场快照和时间记录进行对比,结果显示,所施加的黏弹性边界条件可以很好地吸收边界反射波,表明了该方法所构建的Ansys 模型黏弹性边界条件的有效性。     

瞬变电磁法在探查铁新煤矿老空区的应用

为了探查铁新煤矿未知老空区,从根本上消除安全隐患,通过分析岩层地电特征,在对比各种物探方法应用条件的基础上,采用地面瞬变电磁法进行地质构造探查。在对探查数据进行剖面图和切片图分析后,圈定出了老空区的位置及范围,计算得出老空区积水量,并提出老空区防治水建议。     

瞬变电磁勘探中的人工神经网络反演法

为使瞬变电磁勘探的反演法简单和通用,提出了一种瞬变电磁勘探吵的人工神经网络反演法,基于人工神经网络的BP算法,设计和开发了一个自适应的人工神经网络反演系统,该系统避免了复杂的电磁场计算,只需经过学习训练就能够解决复杂的实际问题,而且具有记忆功能,从而使瞬变电磁法的反演工作具有延续性和可继承性,通过对实际的地质数据进行反演,结果表明,该方法是切实可行的。     

航空瞬变电磁一维正演的连分式算法研究

针对快速Hankel变换精度不高的问题,改进了连分式算法,使之能够计算余弦变换,并与快速汉克尔变换算法作了比较,结果表明：无论是计算积分收敛或核函数快速衰减的余弦变换,还是计算核函数震荡增加的发散型Hankel积分时, 连分式算法都具有精度高、计算稳定的特点,而滤波法计算核函数震荡增加的发散型Hankel积分的误差较大.最后,把连分式算法应用于航空瞬变电磁一维正演模拟计算,得到了满意的瞬变响应,其计算精度、速度和稳定性很好,为瞬变电磁模拟计算提供了一种新的计算方法.     

隧道反射波超前探测有限差分正演模拟与偏移处理

针对地下工程领域隧道不良地质灾害超前探测问题,构建断层、倾斜软弱夹层等地质灾害体的隧道介质模型,研究隧道反射波超前探测的波场传播机理与偏移成像问题。利用一阶速度-应力弹性波方程和高阶交错网格差分计算方法,导出隧道工程反射波探测数值模拟的差分计算格式、数值稳定性条件以及边界条件,对上述模型进行正演模拟,得到相应模型不同时刻的波场快照与地震合成记录;通过对这些模拟结果进行分析,验证高阶交错网格差分法在隧道波场正演中的有效性。在导出弹性波方程逆时延拓交错网格差分计算格式基础上,通过求解程函数方程,获取激发时间成像条件,进而得到隧道全波场逆时偏移算法及偏移处理程序,并应用于隧道波场偏移成像中。研究结果表明:采用高阶交错网格有限差分逆时偏移算法能使反射波归位,绕射波收敛,从而大大提高了隧道工程反射波探测的分辨率,为隧道超前探测资料的解释提供理论依据。     

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。     

季冻区破碎围岩隧道冻胀力计算方法及工程应用

为了保障季冻区破碎围岩隧道的运营安全及使用年限,依托榆树川隧道冻害处治工程,采用理论分析、现场监测及数值模拟,对季冻区破碎围岩隧道冻胀力计算方法及隧道衬砌安全监测管理标准进行研究.基于冻融岩石圈冻胀模型和含水风化层冻胀模型,提出了季冻区破碎围岩马蹄形隧道冻胀力计算方法,并以衬砌最小安全系数素混凝土2.0、2.4、2.8...     

对波浪入射边界上反射波的消波及其验证

针对直接给定波浪入射边界条件时数值模型不能有效计算反射波的弊端,提出吸收入射边界上反射波的方法.该方法首先在离入射边界约1/2波长的范围内,计算入射波的理论解;然后将数值解减去理论解,得到真正反射波或由于数值累计误差所产生的伪反射波;再对反射波进行消波.结合非线性波传播数值模型,通过对水深均匀和具有水深复杂变化的台阶地形的水槽内波浪传播的数值模拟,说明所提出吸收入射边界上反射波的方法能有效消除反射波对入射边界的影响.