摘要：我国岩溶地质分布广泛,岩溶突涌水已成为石灰石矿山安全生产的巨大灾害与挑战。以广西某岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水为研究对象,针对该矿山地质条件复杂、集中涌水量大、流速高等特点,利用岩溶发育特征、资料分析与地球物理探查等方法初步圈定矿山径流带区域;进一步通过钻探、跨孔CT和示踪联通试验等精准查找到矿山Y01特大涌水点岩溶管道的具体位置,在此基础上研究并实施了矿山涌水治理技术与工艺。研究表明:(1)针对复杂岩溶凹陷式露天矿山大流量、高流速的涌水特征,提出并实施了“非连续帷幕截流+关键通道探查与封堵+止浆垫控流降速”的岩溶矿山涌水综合治理体系。依据岩溶发育的不均匀性,提出了非连续帷幕封堵裂隙型涌水区域的思想;对大流量岩溶管道型集中涌水设计采用止浆垫控流装置,通过控流能有效降低关键过水通道内水流速度,为注浆材料的有效留存沉积和工程的成功封堵提供了重要条件。(2)关键孔联合注浆工艺是岩溶管道型涌水成功封堵的保证,关键孔是指直接揭露岩溶涌水管道或与涌水管道联通性极强并对注浆堵水起主要作用的钻孔。针对矿山Y01岩溶管道型特大涌水精准查找到2个关键孔,均在矿坑南部:一个是距涌水点直线距离约50 m的近距离钻孔(以下简称“近孔”),另一个是距涌水点直线距离约150 m的远距离钻孔(以下简称“远孔”)。现场采用近孔、远孔2个关键孔联合注浆工艺:近孔以粗骨料和自主研发的可控凝结新型材料进行注浆,远孔仅注水泥浆液;近孔粗骨料和新型材料既能降低管道内的水流速度为远孔浆液起到更好的留存沉积作用,又能作为封堵材料起到增强的功能,远孔因其离涌水点距离长、辐射范围广、浆液扩散充分而能确保封堵长度和效果。近孔、远孔协同配合同步注浆是封堵管道型大流量涌水的有效组合工艺。(3)涌水口止浆垫控流降速装置的合理有效调控,配合关键孔联合注浆工艺的同步实施,进一步确保了注浆浆液的有效快速留存和沉积,是岩溶地区封堵管道型大流量涌水的创新性技术和方法。项目实施后,彻底封堵矿坑内集中涌水量达7.12万m^(3)/d的Y01特大涌水点,实现总减水量8.43万m3/d(含非连续帷幕注浆封堵),保证了矿山的正常安全开采,大幅降低了抽排水费用,同时保护了周边环境和地下水资源,具有显著的经济效益和社会效益。研究成果可为我国矿山涌水灾害治理提供理论价值和经验借鉴。

摘要：半航空瞬变电磁噪声数据形式复杂,获取成本高、数据量稀缺,难以通过传统的扩充方法进行数据扩充,极大地影响了后续降噪工作的开展。针对这个问题,本研究提出了基于生成对抗网络的半航空瞬变电磁信号数据扩充方法,通过将生成器设计为LSTM网络,基于实采噪声数据集,进行生成器与判别器模型的训练,成功获取了可以生成仿真噪声数据的生成器模型,之后分析了生成器生成的仿真噪声与实采噪声的分布,并且对比了扩充前后降噪网络的表现,验证了本方法对于半航空瞬变电磁实采噪声数据的扩充是真实有效的。

摘要：为保证瞬变电磁场晚期信号计算正确,在时域有限差分正演中通常采用低频近似,即将磁场散度方程显式的包含在电磁场迭代方程中,因而H_(z)的求解方式与H_(x)、H_(y)不同,导致常规CPML吸收边界无法施加.本文重新推导了CPML介质中的迭代方程,并将其与常规介质中的迭代方程在形式上进行了统一,提出了一种适用于瞬变电磁低频近似下三维FDTD的CPML边界条件及施加方法.首先采用均匀半空间模型来验证本方法的有效性,发现模拟结果与解析解吻合较好,且模拟用时为采用Dirichlet边界FDTD用时的一半;而且,反射误差实验验证了本文的CPML边界吸收效率较高.之后,模拟了典型的三层模型,发现本方法的模拟结果与线性数字滤波解吻合程度较好.最后采用本方法计算了航空瞬变电磁带地形的复杂模型,实验证明了本文提出的CPML具有广泛的适用性.

摘要：我国海洋资源开发与空间利用的力度逐年增强,为了实现更加高效率、低成本、广覆盖的地球物理探测,基于移动平台的瞬变电磁软硬件技术发展迅速,为浅海拖曳式磁性源瞬变电磁探测技术发展提供了有利条件.本文以浅海拖曳式磁性源瞬变电磁探测系统为研究对象,通过三维正演模拟分析了浅海磁性源瞬变电磁传播规律及响应特征,在此基础上给出适用于任意发射波形条件下的全域视电阻率定义方法.接着,采用OCCAM方法对浅海瞬变电磁数据进行反演,并通过数值模拟考察了该方法的适用性与稳定性.最后,设计浅海拖曳式磁性源瞬变电磁探测系统并采用该系统开展浅海试验研究.理论数值分析和海上试验结果表明,拖曳式磁性源瞬变电磁系统能够快速、准确获得水下异常体的信息.未来将浅海拖曳式磁性源瞬变电磁系统应用于海底管道探测、水下残骸搜寻及资源勘探等领域将具有可观的应用前景.

摘要：为解决我国西南地区复杂地形条件下的隧道勘探难题,采用地面激发、空中接收的半航空瞬变电磁法开展试验研究,优化航线设计与数据采集流程、构建基于α-trimmed均值滤波器的天电噪声去除和基于多项式拟合方法的运动噪声去除方法、确定数据叠加方式与时窗积分参数、全域视电阻率计算与探测区域三维成像、隧道充填型岩溶发育区视电阻率特征分析与探测结果综合解释,并通过隧道实际开挖资料对探测结果进行验证。主要结论如下:1)半航空瞬变电磁法能够较准确地推断含水破碎带、岩溶发育区等不良地质结构的范围和深度,能够提前探明隧道地质风险区域并获得地下导电性分布特征,展示了该方法在复杂地形岩溶山区隧道勘察中相较于传统地面物探方法具有地形适应性强、探测效率高等特点;2)通过三维视电阻率成像和关键位置切片结果获得的地质异常区域推断与隧道开挖实际揭露异常吻合度较高,表明该方法可以为隧道岩溶处置预案设计和安全施工提供技术支撑,能够有效避免在隧道施工过程中因隐伏岩溶灾害导致的人员伤亡和财产损失。

摘要：通过对含异常体的三维地电模型进行系统正演和分析,提出了一种地—井瞬变电磁异常体快速定位方法。在对含异常体的三维地电模型进行正演响应规律分析时发现:纯异常场的X、Y分量曲线零点以及Z分量曲线的极值点与异常体深度对应较好;当异常体的规模、电阻率、埋深发生改变时,X、Y分量曲线形态基本不变;当异常体方位发生变化时,X、Y分量曲线形态发生变化。在此基础上,提出地—井瞬变电磁异常体快速定位方法:首先,依据X、Y曲线的零点确定异常体所在深度;其次,依据X、Y分量曲线形态确定异常体所在象限(90°范围);最后,依据X+Y或者X-Y分量的曲线形态将异常体定位于井周45°范围内。数值试验显示本方法对不同方位异常体模型的定位结果均与设计模型吻合。采用陕北某矿区地—井瞬变电磁实测数据作进一步验证,本文方法推断的结果与实际吻合较好。

摘要：接地源半航空瞬变电磁法一般采用单一线源激发,发射电流幅值很大程度受接地电阻影响,且复杂地形条件下大长度线源布设难度较大.采用多个场源代替单一线源是解决这一问题的途径.本文基于Crank-Nicolson-Cycle-Sweep-Uniform FDTD(CNCSUFDTD)隐式差分算法对不同发射源布置形式的多接地源半航空瞬变电磁模型进行三维正演模拟,并对比分析了不同模型的瞬变电磁响应特征,进而探讨采用多个场源代替单一线源的可行性.数值试验结果表明:相比仅采用单一线源激发,使用不同源间距的平行双辐射源可同时增加早期与晚期感应电动势衰减曲线幅值,且随着源间距的增加晚期幅值逐渐增大;平行发射源的数量与感应电动势衰减曲线幅值呈正相关关系,且多个小电流平行辐射源与单一大电流线源的勘探效果基本一致,采用此方式可在接地电阻较大时仍获得大发射电流,提高采集数据质量;单一长导线源与多个共线短源、多个平行短源衰减曲线早期存在轻微差异,而在晚期则基本重合,三者勘探效果基本一致;发射源处的山峰、山谷地形对全部计算时间范围内的衰减曲线均存在显著影响,山峰地形会显著降低晚期幅值,山谷地形则会显著降低早期幅值.本文的研究结果为采用多个场源代替单一线源提供理论基础,为降低复杂地形条件下半航空瞬变电磁发射源的野外布置工作难度提供参考.

摘要：为了避免井下瞬变电磁探测面临的金属强干扰、高瓦斯矿井防爆等要求,对矿井地面布置瞬变电磁发射源,在井下巷道、采场接收的瞬变电磁探测方法进行研究。采用三维时域有限差分法建立电性源瞬变电磁三维正演算法,研究地面电性源发射,井下巷道接收的瞬变电磁响应规律。首先采用均匀半空间模型和层状模型研究地下接收瞬变电磁场的曲线形态特征以及对地层电阻率变化的敏感性,并考察接收排列的最佳方位角和收发距。以层状模型为例设置均布的5条测线接收排列,计算了不同接收点的瞬变电磁响应响应曲线,对比分析曲线形态,得到电性源瞬变电磁地面发射、井下接收采集范围和传播规律,即:1电性源磁响应在垂向(broadside)排列方向比在轴向(inline)排列幅值大,井下接收的最佳测线方向为垂直排列方向;2发射长度为1 km的电性源井下接收有效探测深度可达到1.5 km;3电阻率较高的煤层对接收点响应曲线的影响不大。其次,设计包含顶板水和底板水的模型,计算得到了不同类型含水层的响应规律,对比曲线可以发现明显的异常差异。最后,设计一个包含断层的复杂模型,得出了倾斜充水断层影响下的瞬变电磁响应曲线。得到地面发射-井下接收的瞬变电磁方法的采集范围和传播规律,最佳方位角为垂直排列方向;地面发射-井下接收的瞬变电磁方法对顶板水和底板水有一定的分辨和识别能力;地面发射-井下接收的瞬变电磁方法能够初步对倾斜充水断层的电磁场响应进行识别。该方法仅要求接收机在井下,易于进行本安设计。

摘要：瞬变电磁反演存在高度的非线性特征,常用的最小二乘等线性反演方法往往对初始模型高度依赖,并且极易陷入局部最优解.本文基于观测数据与模拟数据的L1范数建立目标函数,采用模拟退火非线性全局最优化方法实现瞬变电磁一维反演.初始模型完全随机产生,通过指数函数退温机制模拟系统能量最小实现迭代,通过接收概率函数评价当前模型,实现局部最优解的跳出,最终实现全局最优化求解.通过数值算例发现,无论给定的反演层数等于还是大于设计模型,都可以获得较好的反演效果,因而可以在反演初始就设计较多的层数,实现反演模型的自动拟合;同时,利用含噪声数据反演进一步验证算法的稳定性.最后,对实测数据进行了反演测试,结果与钻孔编录基本一致,表明提出的基于L1范数的模拟退火反演可用于实测数据处理.

摘要：半航空瞬变电磁探测方法将长导线发射源布设于地面,发射阶跃脉冲电流激发瞬变电磁信号,使用无人机在空中吊载接收线圈来接收瞬变电磁二次场信号,最终实现探测.然而与传统地面瞬变电磁相比,半航空瞬变电磁的不同之处在于其正演计算时需考虑飞行高度、接收偏移距等因素.针对上述问题,开展半航空瞬变电磁数据的三维时域有限差分正演理论研究,推导了加入接地源电流项Js的Maxwell方程组时域有限差分格式,并进行三维正演模拟.首先,通过均匀半空间模型和多种层状模型,对比分析感应电动势衰减曲线形态特征以及不同电阻率参数和层厚参数对衰减曲线的影响;然后,建立包含高阻异常体、低阻异常体和高-低阻混合异常体的三维模型,对比分析接收高度、异常体电阻率、规模和偏移距对感应电动势衰减曲线的影响特征,研究三维地下目标对半航空瞬变电磁探测的影响因素和响应规律,并开展试验验证,为后续半航空瞬变电磁观测设计提供了参考.