掘进工作面隐伏陷落柱瞬变电磁井上下立体探测模拟研究

摘要

井下重叠回线装置是目前矿井瞬变电磁超前探最常用的装置，而受井下发射电流和巷道空间的限制，对于深部开采时掘进巷道前方的陷落柱揭露仍不能满足精细探测的需求。鉴于此，本文提出瞬变电磁井上下立体探测方法，即在地面建立人工场源，同时在井下巷道中与重叠回线源同时发射电磁场，只在井下接收电磁场数据。
　　瞬变电磁井上下立体探测方法是在井下重叠回线装置的基础上改进提出，阐述了该方法的装置形式和工作方法。依据煤矿掘进工作面陷落柱的特征和物理模拟相似性准则，建立物理模型，以掘进工作面隐伏陷落柱为例，对比两种装置的响应规律。
　　模拟结果表明：
　　①井上下立体探测装置存在两个发射源的线圈，因此其一次场和感应电位值幅值较井下重叠回线更高，两种装置曲线形态类似，都是单峰异常，峰值点对应异常体的中心点，对于距离较远的异常体表现出更强的响应特征，且对于较小尺寸的异常分辨能力更高；
　　②当异常体在位于掘进巷道正前方穿过煤层时，在顺层方向上井上下立体探测装置的信号强度明显大于井下重叠回线装置，但在顶板和底板方向的感应电位值偏小，顺层方向达到最佳耦合；
　　③当异常体位于掘进巷道正前方且发育在煤层底板以下时，井上下立体探测装置的信号强度大于井下重叠回线装置，但井上下立体探测在顺层方向耦合最佳，而重叠回线在底板方向的响应最强；
　　④当异常体位于掘进巷道右前方且穿过煤层时，两种工作装置均表现为右侧帮数值高于左侧帮，对应右前方存在低阻异常体，在左侧帮4或5号测点附近出现极小值，此时，线圈和铜棒近似在一个平面内，感应信号最弱，以此确定异常体的方向，井上下立体探测在顺层方向和底板方向耦合较好，重叠回线装置曲线幅值较小且在晚期容易出现跳动。
　　选用COMSOL仿真软件，以掘进巷道正前方穿过煤层的陷落柱为例进行数值模拟。结果显示：两种装置都出现单峰异常，且最大值点对应异常位置，定位准确，但井上下立体探测信号幅值更高，特征更明显，在顶板和顺层方向与异常体耦合效果最佳，底板方向信号较弱，对于较远距离的陷落柱异常响应更强、特征显著，井下重叠回线装置在顺层方向达到最佳耦合，与物理模拟结果基本一致。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义（ Subject Background and Research Significance）

1.2 瞬变电磁法研究现状综述（ Research Situation of Transient Electromagnetic Method）

1.3 研究内容及方法（Research Contents and Approach）

1.4 论文的组织结构（Framework）

2 矿井瞬变电磁法基本原理

2.1 矿井瞬变电磁法 (Mining Transient Electromagnetic Method)

2.2 矿井瞬变电磁法视电阻率（Apparent ResIstivity of Mining Transient Electromagnetic Method）

2.3矿井瞬变电磁法施工技术（Construction Technology of Mining Transient Electromagnetic Method）

2.4 小结（Summary）

3 掘进工作面隐伏陷落柱的物理模拟实验设计

3.1 物理模拟相似性准则(Similarity Criterion of Physical Simulation)

3.2 实验设计方案(Experiment Design Plan)

3.3 小结（Summary）

4 物理模拟实验结果及分析

4.1 不同装置模型实验背景场测定(Determination of Background Field in Different Devices Models)

4.2 含（导）水陷落柱位于掘进巷道前方物理模拟实验结果及分析(Experimental Results and Analysis of Collapse Column in Front of Tunnel)

4.3 小结(Summary)

5掘进工作面隐伏陷落柱的数值模拟分析

5.1 COMSOL Multiphysics仿真模拟软件(COMSOL Multiphysics Simulation Software)

5.2 含（导）水陷落柱位于掘进巷道正前方且穿过煤层的数值模拟分析(Numerical Simulation AnalysIs of Collapse Column in Front of Driving Tunnel and Through Coal Seam)

5.3小结（Summary）

6结论与展望

6.1结论（Conclusions）

6.2展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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