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巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究

作　者: 姜志海
导　师: 岳建华
学　校: 中国矿业大学
专　业: 地球探测与信息技术
关键词: 瞬变电磁法超前探测时间域有限差分平行层理垂直层理
分类号: P631.325
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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引　用: 14次
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内容摘要

巷道掘进前方隐伏的导、含水构造极易造成矿井突水事故的发生,对煤矿的安全生产构成了极大的威胁。研究和应用非接触式的地球物理超前探测技术,准确及时地预报掘进前方隐伏的导、含水构造,对于煤矿的防治水工作与安全生产具有十分重要的现实意义。瞬变电磁超前探测技术具有方便快捷、对含水构造反映灵敏、探测距离大等许多优点,目前在我国许多矿区展开了应用,但理论研究相对滞后。本文综合应用数值模拟、物理模拟、井下实体实验等方法与手段,对瞬变电磁超前探测机理与技术进行了系统研究。论文的主要成果及创新点如下:(1)根据煤系地层成层分布的地电断面特征与瞬变电磁井下超前探测方法,提出了全空间磁偶源垂直层理与平行层理的激发概念;(2)基于瞬变电磁场的扩散方程,建立了2.5D时间域瞬变电磁场的有限差分方程,采用余弦滤波技术解决了波数域激发源的设置问题,编制了2.5D全空间瞬变电磁场时间域有限差分程序;(3)运用自编有限差分程序,模拟呈现了磁偶源垂直层理激发与平行层理激发两种方式下全空间瞬变电场的扩散衰减过程,得到了不同地电断面瞬变磁场的响应特征,并根据瞬变电磁超前探测需要解决的地质问题,研究了含断层、陷落柱层状全空间瞬变电磁场的扩散衰减规律与响应特征,进而揭示了瞬变电磁超前探测技术机理;(4)自主设计了含巷道空间的瞬变电磁超前探测物理模拟实验系统,对不同地质构造进行了物理模拟,得到了瞬变电磁超前探测数据采集方式下不同异常体的响应特征;(5)通过井下现场实验,总结分析了掘进机械对瞬变电磁超前探测结果的影响特点,给出了规避其干扰的施工距离。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-15
1 前言  15-22
  1.1 研究背景与意义(Research Significance)  15-16
  1.2 研究现状(Research Situation)  16-19
    1.2.1 矿井瞬变电磁法研究现状综述(Research Situation of Mine Transient Electromagnetic Methods)  16-18
    1.2.2 瞬变电磁超前探测技术研究现状综述(Research Situation of Prediction)  18-19
  1.3 瞬变电磁超前探测技术存在问题(Problems for Prediction with Transient Electromagnetic Methods)  19-20
    1.3.1 超前探测机理(Theory of Prediction)  19-20
    1.3.2 掘进工作面前方异常体响应特征(Response of Abnormal Body)  20
    1.3.3 金属机械干扰问题(Disturbing of Engines)  20
  1.4 研究目标(Research Objectives)  20
  1.5 研究内容(Research Contents)  20-21
  1.6 研究方法(Research Approach)  21
  1.7 创新点(Innovation)  21-22
2 2.5D 全空间瞬变电磁场时间域有限差分算法  22-41
  2.1 时间域方程[7](Time Domain Equations)  22-24
  2.2 2.5D 时间域有限差分方程(2.5D FDTD Equations)  24-30
  2.3 初始值设置与边界条件(Initial Conditions and Boundary Conditions)  30-36
    2.3.1 源的选择(Source Choosing)  30-31
    2.3.2 傅氏变换算法(Algorithm of Fourier Transform)  31-32
    2.3.3 边界条件(Boundary Conditions)  32-36
  2.4 反傅氏变换算法与波数选取(Fourier Inverse Transform and Selection of Wave Number)  36-38
    2.4.1 反傅氏变换算法(Algorithm of the Fourier Inverse Transform)  36-37
    2.4.2 波数 k 的选择(Selection of Wave Number)  37-38
  2.5 程序设计与实现(Program Design)  38
  2.6 程序可靠性验证(Algorithm Verification)  38-40
  2.7 本章小结(Summary)  40-41
3 层状介质全空间瞬变电磁场分布规律与响应特征  41-59
  3.1 均匀全空间瞬变电场的分布规律(Diffusion Regular of Whole- Space Transient Electric Field)  41-42
  3.2 垂直层理激发层状全空间瞬变电场的分布规律(Diffusion Regular of Layer Whole-Space Transient Electric Field in Exciting Vertically)  42-50
    3.2.1 三层地电断面(Three-Layer Geoelectric Model)  42-45
    3.2.2 五层地电断面(Five-Layer Geoelectric Model)  45-48
    3.2.3 瞬变磁场响应特征(Response of the Transient Magnetic Field)  48-50
  3.3 平行层理激发层状全空间瞬变电场的分布规律(Diffusion Regular of Layer Whole-Space Transient Electric Field in parallel Exciting)  50-57
    3.3.1 三层地电断面(Three-Layer Geoelectric Model)  50-53
    3.3.2 五层地电断面(Five-Layer Geoelectric Model)  53-55
    3.3.3 瞬变磁场响应特征(Response of Transient Magnetic Field)  55-57
  3.4 本章小结(Summary)  57-59
4 巷道掘进工作面典型地质异常体瞬变电磁场响应特征  59-72
  4.1 断层瞬变电磁场响应(Response of Transient Electromagnetic Field of Fault)  59-63
    4.1.1 瞬变电场响应(Response of Transient Electric Field)  59-62
    4.1.2 瞬变磁场响应(Response of Transient Magnetic Field)  62-63
  4.2 陷落柱瞬变电磁场响应(Response of Transient Electromagnetic Field of Fallen-columns)  63-70
    4.2.1 低阻陷落柱(Low Resistivity Fallen-columns)  63-66
    4.2.2 高阻陷落柱(High Resistivity Fallen-columns)  66-68
    4.2.3 瞬变磁场响应特征(Response of Transient Magnetic Field)  68-70
  4.3 本章小结(Summary)  70-72
5 巷道掘进工作面地质异常体瞬变电磁响应物理模拟  72-91
  5.1 相似准则(Similarity Criterion)  72-73
  5.2 实验系统设计(Experiment System Design)  73-76
    5.2.1 含巷道全空间模型的建立(Building of Whole-space Model with Roadway)  73-74
    5.2.2 模拟仪器(Instrument)  74
    5.2.3 发射接收线圈(Transmitter and Receiver Loops)  74
    5.2.4 参数选择(Parameter Setting)  74-75
    5.2.5 异常体的选择(Abnormal Bodies Choosing)  75
    5.2.6 模拟方法(Simulation Method)  75-76
  5.3 均匀全空间响应特征(Response of Uniformity Whole Space)  76-79
    5.3.1 均匀空间的响应特征(Response of Uniformity Whole Space)  76-77
    5.3.2 线圈方位对探测结果的影响(Affection of Loop Position)  77-79
  5.4 良导柱体响应特征(Response of Electric Cylinder)  79-81
    5.4.1 掌子面正前方(Frontage of Heading)  79-80
    5.4.2 掌子面左前方(Left Hand Side of Heading)  80-81
  5.5 低阻薄板体响应特征(Response of Electric Sheet)  81-85
    5.5.1 垂直低阻薄板(Perpendicular Low Resistivity Sheet)  82-83
    5.5.2 倾斜低阻薄板(Sloping Low Resistivity Sheet)  83
    5.5.3 倾向低阻薄板(Incline Electric Sheet)  83-85
  5.6 充水巷道(Roadway Filled with Water)  85-86
  5.7 金属干扰体影响的井下实体实验(Experiment on Affection of Medal Disturbing)  86-89
    5.7.1 实验参数(Experiment Parameter)  86-87
    5.7.2 实验方案(Experiment Approach)  87
    5.7.3 结果分析(Result Analysis)  87-89
  5.8 本章小结(Summary)  89-91
6 瞬变电磁超前探测技术应用实例  91-97
  6.1 断层含水性探测(Detecting of Water-Bearing Fault)  91-92
  6.2 陷落柱探测(Detecting of Collapse-column)  92-94
  6.3 老窑积水探测(Detecting of Goaf Water)  94-96
    6.3.1 探测方法(Method)  95
    6.3.2 结果分析(Analysis of Result)  95-96
  6.4 本章小结(Summary)  96-97
7 结论  97-99
参考文献  99-106
作者简历  106-109
学位论文数据集  109

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