隧道超前预报中的固源瞬变电磁正演方法

摘要

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是一种人工源时域电磁法，具有探测深度大、横向分辨率高、低阻响应灵敏以及工作效率高等优势，在矿产勘查、水文地质勘察和工程勘察等领域都得到了广泛的应用。
　　在隧道超前地质预报中，瞬变电磁法采用中心回线等动源类装置，即在隧道掌子面上布置多匝方形或圆形等规则发射线框，利用接收回线（或探头）在发射线框内接收电磁信号，然后沿着掌子面上的测线同时移动发射线框和接收回线（或探头）进行逐点观测。这种工作方式比较简单，容易解释，但也存在相应的缺点，比如:探测深度较小、互感干扰较强、覆盖面小、数据量少、不利于整个掌子面的三维成像等。为了改进这些不足，本文提出了一种固源瞬变电磁法隧道超前预报方法。该方法采用定源类装置，通过设计适合于隧道掌子面轮廓的半圆形不规则发射回线，在回线内布置多条平行测线进行逐点或多点观测。这样一种工作方式可以充分利用隧道掌子面空间，也为日后发展固源阵列式观测方法奠定基础。
　　因固源瞬变电磁法在发射和接收方式上都做了较大的改动，倘若直接利用现有的中心回线工作装置正反演方法，其结果必定会出现较大的误差甚至错误，所以，需要重新建立相应的正反演理论方法。鉴于研究时间限制，加上正演是反演的基础，本文只针对固源瞬变电磁正演方法开展研究。该研究主要是基于水平电偶极子合成不规则回线源的方法，建立了均匀层状介质表面接收的固源瞬变电磁响应的理论表达式。采用线性数字滤波算法，获得了水平电偶极子的瞬变电磁响应中的Hankel积分和余弦积分，进而可以实现固源瞬变电磁的正演模拟。该正演方法使得瞬变电磁的发射回线可以不规则，接收点位置可以放置在回线内非中心点位置，可适用于不同掌子面条件下的超前预报。
　　通过对同一模型的固源瞬变电磁正演模拟与传统中心回线装置的瞬变电磁模拟结果对比，初步验证了固源瞬变电磁正演理论及数值计算方法的正确性。为了更好地了解固源瞬变电磁正演方法的应用效果和特点，构建了三种隧道超前预报典型不良地质体的地电模型——充水断层、裂隙（低阻薄层），充水或充泥破碎带（低阻厚层）和干燥无充填断层、破碎带（高阻夹层），通过对模拟得到的感应电动势衰减曲线及其一次微分变化曲线的分析，电磁响应结果基本符合模型结构特点，从而又进一步验证了该正演方法的有效性。最后，利用隧道超前预报模型试验系统开展相应的物理模拟与数值模拟对比分析，同样也能较好地检验了固源瞬变电磁正演方法的实际应用效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 瞬变电磁法在隧道超前地质预报中的研究现状

1．2．2 瞬变电磁法一维正演的研究现状

1．2．3 瞬变电磁法不规则回线的研究现状

1．3 研究思路与主要内容

1．4 主要创新点

第二章 固源瞬变电磁正演理论

2．1 固源瞬变电磁的基础知识

2．1．1 Maxwell方程

2．1．2 矢量位函数

2．2 水平电偶极子的谐变电磁场

2．3 水平电偶极子的瞬变电磁场

2．3．1 频域电磁场与时域电磁场的关系

2．3．2 水平电偶极子的瞬变电磁场

2．4 本章小结

第三章 固源瞬变电磁正演的数值实现

3．1 固源瞬变电磁响应的表达式

3．2 汉克尔型积分的计算

3．3 余弦积分的计算

3．4 正演计算中的预定义参数

3．4．1 接-发距r的确定

3．4．2 电偶极子长度及个数的确定

3．5 正演计算中的核函数

3．5．1 双曲函数的定义域问题

3．5．2 R1的递推公式及计算程序

3．6 正演计算的对比验证

3．6．1 两层D型地电断面

3．6．2 两层G型地电断面

3．6．3 三层H型地电断面

3．6．4 感应电动势对比曲线分析

3．7 本章小结

第四章 隧道超前地质预报中典型不良地质体的正演模拟计算

4．1 充水断层、裂隙

4．2 充水、充泥破碎带

4．3 干燥无充填断层、破碎带

4．4 正演模拟分析

4．5 本章小结

第五章 物理模型实验分析

5．1 物理模型概况

5．2 仪器参数

5．3 数据分析结果

5．4 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 主要研究成果及结论

6．2 建议

参考文献

致谢

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