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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“钻孔瞬变电磁探测技术及应用”专题

来源:煤田地质与勘探

【编者按】随着煤矿采深的日益增大和深部矿产资源需求的急剧增加,地面瞬变电磁探测的分辨率已很难满足深地精细探测所需的精度,亟需发展距离地质目标体更近、干扰因素更少的电磁探测方法。近年来,地面、井下、隧道中的钻孔成为了瞬变电磁法新的施工空间,通过钻孔内外收发系统的不同组合,学者们已发展出了包括地–井、巷孔、单孔、跨孔在内的多种钻孔瞬变电磁装置,并针对性地开展了全空间理论、异常响应特征、三维正演、立体成像等方面的研究工作,取得了一系列有代表性的科研成果。为交流推广相关领域的新技术、新理论、新装备,邀请中煤科工西安研究院(集团)有限公司范涛研究员担任专题客座主编,策划出版“钻孔瞬变电磁探测技术及应用”专题,选登 6 篇稿件,系统报道相关领域的最新研究成果,以期促进钻孔瞬变电磁探测技术与装备的发展与推广,为煤矿安全高效生产、灾害治理和深部矿产资源勘查发展提供技术支撑。

行业视野

煤层气

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33个

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28位

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  • 作者(Author): 智庆全, 武军杰, 王兴春, 杨毅, 张杰, 邓晓红

    摘要:地−井瞬变电磁法响应规律复杂,现有解释方法以定性分析和半定量解释应用最为广泛,不能 直接获取大地电阻率参数。针对这一问题,提出一种基于瞬变冲激时刻的快速定量解释方法。首先 给出均匀半空间地−井瞬变电磁响应的表达式,分析地−井瞬变电磁响应的冲激时刻特征。结果表明, 接收点深度越大、大地电导率越高,则瞬变冲激时刻越晚。结合已有的研究成果,推导冲激时刻与 大地电导率和深度的函数关系,依据反函数理论进行大地视电阻率定义。以获取真实大地电阻率为 目标,研究基于地下电磁场扩散速度的改进大地电阻率恢复算法。采用所提出的算法,根据实际常 用工作方式,分别设计均匀半空间、二层模型和三层模型进行模拟计算。模型算例和实测数据试算 结果表明:基于冲激时刻的视电阻率定义方法能够较好地反映大地电阻率的变化趋势,但具有较强 的体积效应;基于电磁场扩散速度的改进算法能够有效地削弱体积效应的影响,更加准确地恢复大 地电阻率值和反映电性界面。该算法无需进行复杂模型的迭代正演计算,具有较高的计算效率,能 够定量恢复大地电阻率值,适用于地−井瞬变电磁法的快速初步定量解释。但在实际资料解释应用中, 还需考虑视电阻率的“overshoot”和“undershoot”现象,避免造成错误解释。
  • 作者(Author): 郭建磊, 高小伟, 侯彦威

    摘要: 巷−孔瞬变电磁法在存在明显电导率各向异性的勘探区会产生较大的解释误差。基于时域有限 差分算法,通过引入电导率各向异性张量构建控制方程、将矩形回线源电流密度加入 Maxwell 方程 安培环路定理实现任意电流源的加载,以差分代替微分对控制方程进行离散,实现巷−孔瞬变电磁三 维模型正演计算。在与解析解对比验证算法计算精度的基础上,构建全空间模型、层状模型和三维 块状模型进行正演并分析电导率各向异性对巷−孔瞬变电磁三分量响应的影响程度与方式。结果表明: 垂直轴电导率对巷−孔瞬变电磁三分量响应基本没有影响,水平轴电导率对巷−孔瞬变电磁三分量响 应影响较大,其中,∂Bx /∂t 响应主要受 y 轴电导率影响,∂By /∂t 响应主要受 x 轴电导率影响;通过三 分量响应的形态和幅值的相互关系可以辨别各向异性介质所在方位及主轴电导率方向;当异常体所 处全空间介质为电导率各向异性时,异常体产生的异常响应会被全空间介质电导率各向异性产生的 异常响应所淹没。电导率轴向各向异性特征在巷−孔瞬变电磁法解释过程中不可忽略,研究成果为 巷−孔瞬变电磁法各向异性解释提供指导,也为各向异性反演提供参考。
  • 作者(Author): 范涛, 李萍, 张幼振, 赵睿, 房哲, 樊依林, 刘磊, 王程, 李宇腾

    摘要:为了提高煤矿井下钻孔瞬变电磁反演成像结果中的异常响应边界识别和解译能力,完成掘进 工作面前方隐伏水害精准刻画、隐蔽致灾因素精细分析等地球物理解释,提出应用无监督机器学习 中的聚类方法分析钻孔瞬变电磁处理成果。根据电阻率数值分布特征和 2 种聚类方法的特点,选择 K-Means 聚类算法对电阻率成像结果进行聚合分类;在聚类计算过程中,应用最远距离原则确定类 簇的初始质心,选用欧氏距离作为距离计算方法,采用基于组内平方误差和的肘部法则确定聚类数 目。针对掘进工作面前方的隐伏水害,分别采用三维数值模拟和井下现场应用实例进行了实用性和 有效性验证。研究结果表明:该方法可自动识别最佳类簇数目,对电阻率实现准确聚类,聚类成像 结果能改善原始成像模型的光滑过渡问题,突出异常响应边界,清晰显示异常响应形状和位置,有 效帮助对钻孔瞬变电磁超前探测反演结果中的隐蔽致灾水体进行识别和归类。
  • 作者(Author): 武军杰, 刘彬, 智庆全, 邓晓红, 王兴春, 杨毅, 刘东明, 邱金柱

    摘要:深部矿产探测是一个难题,井中瞬变电磁方法(Transient Electromagnetic Method, TEM) 通过传 感器沿钻孔深入地下,更接近于深部目标体,从而提高见矿率和找矿效果。在国外井中瞬变电磁被 广泛地应用于深部找矿勘查中,并取得了许多重要的找矿成果,而在国内受限于仪器、理论研究以 及解释技术发展较慢等诸多原因,在实际深部找矿应用方面较少。以辽宁青城子白云金矿区 2 000 m 深部找矿作为典型案例,开展井中 TEM 和地面 TEM 的探测,尝试将地面和井中 TEM 资料进行综 合解释,以期更合理地解释钻孔周围的有利成矿部位。实测结果表明:井中 TEM 原始剖面曲线在 1 400~1 650 m 深度段出现典型负异常特征,显示钻孔外局部低阻异常体的存在;此外,井中 TEM 原始曲线晚期道中出现极化现象,是由于断裂和破碎带中富集的与金密切相关的黄铁矿化引起;地 面 TEM 反演结果清楚显示了测线下方典型分布情况,发现了隐伏断裂深部延伸较大,成矿条件良好; 综合分析解释,TEM L52 线所推测的隐伏断裂深部仍有良好的金富集条件;经钻孔资料证实,地面 和井中 TEM 综合解释结果正确可靠。研究成果表明,井−地瞬变电磁法联合探测在深部找矿中具有 较好应用前景。
  • 作者(Author): 王程, 安又新, 朱宏军, 郭建磊

    摘要:鄂尔多斯盆地准格尔东部煤田石炭−二叠系 6 煤层为巨厚煤层,煤层底板面临奥陶纪灰岩含水 层威胁尤为突出,由于采动效应的影响会形成底板采动破坏带,可能会形成新的导水通道引起突水 灾害。针对底板采动破坏带测试问题,提出采用动源动接收的孔中瞬变电磁法,在采前和采后工作 面底板钻孔中获取岩层电阻率特征数据的方法。首先通过数值模拟对比孔中瞬变电磁法在完整和二 层岩层模型中呈现的电阻率差异性,验证该方法对二层岩层模型具有较好分辨率;然后在准格尔煤 田酸刺沟煤矿 6119 巨厚煤层综放工作面进行试验,通过探查底板电性差异层得到底板破坏深度,经 过验证结果准确可靠。研究表明:孔中瞬变电磁法探测技术与测试钻孔相结合,通过对比采前与采 后结果获取了较为准确底板破坏深度,对类似条件下的工作面破坏深度测试提供了一种新的方法。
  • 作者(Author): 孙怀凤, 张莹莹, 赵友超, 刘玉超, 赵华亮

    摘要:与航空、地面瞬变电磁法不同,钻孔瞬变电磁法将接收探头置于钻孔之中,由于距离探测目 标更近且远离地表,不仅可以观测到更强的响应信号,还可有效削弱孔外各类电磁信号的干扰,能 够满足大埋深、精细化探测需求,尤其是深部盲矿和水害探测。通过回顾各类钻孔瞬变电磁法(回线 源地−井、电性源地−井和隧(巷)道钻孔瞬变电磁法)的研究历史,总结各类方法在正演模拟、反演成 像、仪器装备和应用案例等方面的研究现状。研究结果表明:回线源地−井瞬变电磁法研究基础丰厚, 发展较为全面,已在生产中取得较多成功应用;而电性源地−井和隧(巷)道钻孔瞬变电磁法研究基础 薄弱,由于理论方法、探测装备、反演技术等方面的限制,目前尚未得到广泛推广与应用,整体仍 处在初步研究阶段,相关技术仍有待进一步提升。未来发展方向可以从以下几个方面入手,如带地 形三维反演、快速地形校正方法、伪随机发射、多辐射源发射、套管干扰消除和多参数地球物理方 法联合解释等,形成完善的钻孔瞬变电磁法理论和解译方法,为深部矿体探测、煤矿和隧道含水构 造探测提供理论依据。

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