【摘 要】
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井下含水致灾体的存在对煤炭开采构成了严重威胁,特别是在深部地层环境,如何有效准确探测含水致灾体成为当前亟须解决的难题。井下瞬变电磁法由于具有纯二次场观测、对低阻体敏感的特点,成为井下水文地质勘探的首选方法。随着煤炭开采深度的增加,地质条件越来越复杂,井下准确分辨出致灾体的难度加大,制约了该方法的进一步发展。其中影响准确率的因素有仪器自身条件、探测方法、数据资料的处理等,本文主要从发射线圈的一次场干
【基金项目】
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十三五国家重点研发计划课题(2018YFC0807805),回采工作面无线电波透视在线动态探测技术与装备; 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室自主研究资助目(2011DA105287-MS201906);
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井下含水致灾体的存在对煤炭开采构成了严重威胁,特别是在深部地层环境,如何有效准确探测含水致灾体成为当前亟须解决的难题。井下瞬变电磁法由于具有纯二次场观测、对低阻体敏感的特点,成为井下水文地质勘探的首选方法。随着煤炭开采深度的增加,地质条件越来越复杂,井下准确分辨出致灾体的难度加大,制约了该方法的进一步发展。其中影响准确率的因素有仪器自身条件、探测方法、数据资料的处理等,本文主要从发射线圈的一次场干扰和分辨能力准确评估方面的角度,开展对井下瞬变电磁法分辨准确率提高的研究。首先,发射线圈的一次场干扰会影响井下瞬变电磁分辨准确率。在进行井下瞬变电磁法超前探测时,矿井瞬变电磁天线采用多匝小回线,此天线的收发距近,导致在发射电流关断期间及完全关断早期,发射电流在接收线圈中产生的一次场会持续叠加在地层二次场上,使得近距离的响应被覆盖,造成漏报。其次,井下瞬变电磁对含水致灾体实际分辨能力的评估方法也会影响井下瞬变电磁分辨准确率。如果没有准确评估井下瞬变电磁对不同深度、不同规模致灾水体的实际分辨能力,只大致给出了探测深度,将导致矿方不清楚仪器的实际有效使用范围,误认为在某个深度范围内、任何规模的致灾水体都应该能探测出来,从而漏报了远距离的小规模致灾水体。基于此,对这两个因素开展的具体研究内容如下:(1)针对发射线圈在接收线圈内产生一次场,造成早期探测盲区,创新性的提出了基于同心补偿线圈的矿井瞬变电磁天线装置。为了达到接收线圈内的一次场剔除效果,借鉴地面一次场消除的方法,提出了井下同心补偿线圈的概念并对其进行分析;根据同心补偿线圈的理论,研究了基于同心补偿线圈的矿井瞬变电磁天线装置的内部构造及形状,从天线一次场磁场分布分析,推导了矩形线圈的一次场计算公式,进而计算出了接收线圈内一次场被剔除时的发射线圈的边长和匝数、补偿线圈的边长和匝数以及接收线圈的边长。(2)针对未能准确评估井下瞬变电磁对含水致灾体的实际分辨能力的问题,提出了适用于井下的瞬变电磁分辨方法。通过比较二次场绝对差和仪器分辨率、叠加后背景噪声之间的大小关系,分析了能够分辨出含水致灾体的硬件条件和评估依据,提出了从硬件方面评估井下瞬变电磁对含水致灾体分辨能力的计算方法:根据致灾水体结构建立了三维地质模型,推导了梯形波关断与负阶跃波关断二次场感应电压的关系,在GPU上采用全空间三维有限差分并行算法计算了致灾水体二次场响应;测量了某瞬变电磁仪的关断时间和综合噪声,根据致灾水体的硬件分辨依据,从硬件方面评估了井下瞬变电磁仪对含水陷落柱、充水采空区等含水致灾体的分辨能力。
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