智能精準開采作為煤礦行業(yè)未來的發(fā)展趨勢,復(fù)雜的地質(zhì)開采條件是煤炭智能精準開采建設(shè)過程中必須解決的一大難題,特別是礦井水害事故不僅嚴重制約著開采水平的提高,還對礦井安全高效生產(chǎn)有著巨大威脅。瞬變電磁法因其具有對低阻體敏感、探測精度高、施工效率高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于探測煤巖體中的含水異常體和其它異常地質(zhì)構(gòu)造。但是目前瞬變電磁的研究和實際應(yīng)用中表明,當我們想要探測到的含水異常體上方存在低阻異常體或者完全被低阻層覆蓋時,對低阻屏蔽層下方含水體的探測準確性會大大降低。由于我國煤礦開采的地質(zhì)環(huán)境異常復(fù)雜,隨著我國煤炭深部開采和精準開采發(fā)展的趨勢,礦井瞬變電磁勘探受低阻層屏蔽效應(yīng)影響的問題將會愈來愈嚴重。因此,本文通過瞬變電磁的正演數(shù)值模擬和反演算法兩個方面,針對井下全空間瞬變電磁勘探中含水異常體受低阻層屏蔽影響的問題展開研究。首先,利用COMSOL軟件模擬在全空間條件下模擬含水異常體上方存在低阻屏蔽層的情況,通過分析模型的瞬變電磁響應(yīng)特征,發(fā)現(xiàn)低阻層屏蔽效應(yīng)不僅會影響下方含水異常體對瞬變電磁場的反應(yīng),還會使得二次場傳播的更慢,延長擴散時間。所以在礦井瞬變電磁的現(xiàn)場應(yīng)用中,當通過現(xiàn)場監(jiān)測或者依據(jù)地質(zhì)... 

【文章來源】：中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

瞬變電磁法的工作時序Figure2-1Workingtimingoftransientelectromagneticmethod

2含水異常體受低阻層屏蔽影響的數(shù)值模擬9半徑為25mm的圓形線圈，線圈發(fā)射電流波形為方波，發(fā)射電流為2A，發(fā)射回線60匝，接收回線40匝，低阻異常體設(shè)置成地面半徑20m高10m的圓柱體，其中線圈布置在低阻異常體的正上方10m處，緊挨著線圈的下方設(shè)為底面半徑20m、高10m的圓柱體巖層，上方設(shè)為底面半徑20m、高2m的圓柱體空氣層。模擬時間從0s開始，在t＝0.4ms時刻電流開始關(guān)斷，關(guān)斷時間為1ms，電流關(guān)斷后5ms模擬時間結(jié)束，線圈參數(shù)如表2-2所示。圖2-2激勵方波示意圖：圖2-2激勵方波圖Figure2-2Agraphoftheincentivesquarewave表2-2線圈參數(shù)表Table2-2Tableofcoilparameters半徑截面半徑電流發(fā)射回線匝數(shù)接收回線匝數(shù)關(guān)斷時間關(guān)斷時刻脈沖總時長1m25mm2A60匝40匝1ms40ms45ms在COMSOL軟件中，本章選擇三維模型和AD/DC模塊下的磁場(mf)當物理場，然后構(gòu)建具體的幾何模型，設(shè)置相應(yīng)的材料屬性和添加物理常在模型計算之前需要進行網(wǎng)格剖分，在COMSOL軟件中，網(wǎng)格剖分屬于模型前處理十分重要且困難的一步，固然模型剖分的越細，計算結(jié)果越準確，但是網(wǎng)格剖分太細會導(dǎo)致單元體數(shù)量巨大，會成倍數(shù)地增加模型計算時間和成本，甚至導(dǎo)致模型計算無法收斂。另外在礦井全空間瞬變電磁的正演模擬中，因為線圈和地電模型的尺寸相差較大，如果整個模型的單元體采用統(tǒng)一的較小尺寸，必然會產(chǎn)生很大的浪費。所以在本文中基于小尺寸幾何模型劃分較細，大尺寸幾何模型劃分較粗的原則，先在圓柱體地面形成自由三角形網(wǎng)格，再通過掃掠的方式，在整個幾何模型行成四面體單元，這樣不僅保證了計算精度而且大大漸少了計算時間。

碩士學(xué)位論文10如圖2-3所示，以單層模型為例，整個模型完整網(wǎng)格包含“105070”個域單元、7576個邊界元和552個邊單元。在時間上采用局部細化時間步長剖分的方法，電流關(guān)斷過程及關(guān)斷之采用0.1ms的時間步長，其余時間采用1ms的時間步長，這樣既保證計算精度又大幅提升計算效率。（a）整體模型（b）層狀模型圖2-3網(wǎng)格剖分示意圖Figure2-3Schematicdiagramofmeshing2.4單層模型的礦井瞬變電磁響應(yīng)特征分析（AnalysisoftheResponseCharacteristicsofTransientElectromagneticsinSingle-layermodels）在本小節(jié)中將模型設(shè)置為一層，本文所研究的主題是瞬變電磁法中低阻屏蔽層對含水層、老空水及充水斷層、陷落柱等低阻異常體產(chǎn)生的影響，而且由前文瞬變電磁的基本原理可知，之所以能夠利用瞬變電磁法探明地層中的含水異常體的原因，主要是利用了瞬變電磁法對低阻物體較為敏感特點，所以才能分辨出電導(dǎo)率較大的含水異常體。所以在正演數(shù)值模擬中，模型的電導(dǎo)率大小的設(shè)置是重中之重。觀測到的瞬變電磁場大小不僅和模型的電導(dǎo)率、形狀和大小等物理性質(zhì)有關(guān)，還受發(fā)射、接收線圈的激發(fā)電流、匝數(shù)、大小等因素影響，所以在研究低阻層屏蔽效應(yīng)問題之前，本文中構(gòu)建的模型電阻率多大是高阻，多小又是低阻是我們需要探討的問題。由于現(xiàn)實地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜，實際異常體的電阻率也很難給出具體的范圍，高阻和低阻只有相對的大校通過查閱文獻關(guān)于礦井瞬變電磁正演物理模擬和數(shù)值模擬，巖層的電阻率大都設(shè)定成100Ω·m左右，煤的電阻率設(shè)定成1Ω·m左右，異常體電阻率大都設(shè)置在0.1～1Ω·m范圍內(nèi)，也有少數(shù)文獻中


本文編號：3223282