煤矿含水异常体矿井瞬变电磁法波场成像方法研究

According to the key scientific problems of volume effect of mine transient electromagnetic method and difficult detection accurately to electrical interface of watery anomalies. Research on mine transient electromagnetic wave field imaging method are carried out by introducing theory of synthetic aperture in radar. Based on the actual mine transient electromagnetic data, mine transient electromagnetic field transformation algorithm is proposed to make the study on pseudo-seismic processing method. Numerical model of typical geologic anomalies in the whole space of coal mine is established to make the study of wave field transformation numerical simulation. Experimental sites containing known geological anomalies are used to simulate coal mine detection environment accurately. Research on the response characteristics of typical geologic anomalies in transformed wave field are carried out to obtain the response characteristics and identification method of faults and subsided columns. The numerical model of synthetic aperture imaging is established, then the methods and control parameters of different types of detection devices are analyzed to highlight the weak anomaly, the resolution is improved. The basic theory system of mine transient electromagnetic wave field transformation data synthetic aperture imaging method is established. The new method proposed in this study can solve the problem of the lack of resolution of the electrical interface in the whole space mine transient electromagnetic method. The method provide the theoretical basis for the pseudo seismic application of mine transient electromagnetic method.

针对传统矿井瞬变电磁探测技术体积效应明显、对含水异常体边界电性界面难以精确探测这一关键科学问题，引入雷达中合成孔径理论，开展矿井瞬变电磁法波场成像方法研究。基于实际矿井瞬变电磁数据提出矿井瞬变电磁波场变换算法，对波场变换数据进行拟地震处理方法研究；构建煤矿井下全空间典型地质异常体的数值计算模型，进行典型含水地质异常体波场变换数值计算，同时选取包含已知地质异常体的实验场地，精准模拟煤矿井下探测环境，开展典型地质异常体的变换波场响应特征研究，研究断层、陷落柱等典型地质异常体的瞬变电磁变换波场响应特征及识别方法；构建合成孔径成像数值计算模型，分析不同类型探测装置相关合成的方法及控制参数，以突出弱异常，提高分辨率，形成矿井瞬变电磁波场变换数据合成孔径成像方法基础理论体系。本研究提出的新方法能够解决全空间矿井瞬变电磁法对电性界面分辨能力不足的问题，并为矿井瞬变电磁法拟地震探测应用提供理论基础。

近年来，时间域瞬变电磁法在煤矿水害防治领域发挥了巨大的作用，但受制于矿井地质条件、井下人文干扰、数据处理技术及仪器硬件水平等众多因素的影响与限制，方法的探测精度还存在较大的提升空间，特别是由于瞬变电磁法的原理决定了其为体积勘探，对含水异常体的探测具有体积效应的特点，含水异常体在断面图上通常表现为低阻区域，不能分辨实际探测情况中最为重要的含水异常体的边界，而且针对煤矿井下巷道全空间瞬变电磁探测的电性界面分辨技术研究较少，现有的传统瞬变电磁探测方法难以满足煤矿高精度地球物理探测的要求。. 针对传统矿井瞬变电磁探测技术体积效应明显、对含水异常体边界电性界面难以精确探测这一关键科学问题，制定了本项目的研究内容和方案，开展了波场变换理论分析与数值计算，研究了矿井瞬变电磁数据中所包含的电性界面信息的提取方法，进行了矿井瞬变电磁数据波场变换响应特征分析，发明了一种基于场变换确定地质电性界面的瞬变电磁探测法，开展了基于合成孔径成像的矿井瞬变电磁精细数据处理方法研究，发展了基于合成孔径成像的矿井瞬变电磁法扩散场及拟地震波动场“双场”精细数据处理复核理论体系，开发了矿井瞬变电磁波场变换数据处理系统。. 通过本项目的研究形成了一套基于波场变换反演、插值圆滑、反褶积、合成孔径、虚拟速度分析算法的煤矿含水异常体矿井瞬变电磁法波场变换数据处理与成像方法；获取了含水采空区、含水空巷等典型的煤矿含水异常体的转换波场条件下的响应特征与识别方法；形成了一套煤矿含水异常体矿井瞬变电磁数据电性界面信息的提取方法，降低了含水异常体的体积效应，应用实例表明方法对含水体电性边界探测误差小于5m。. 本研究提出的新方法能够解决全空间矿井瞬变电磁法对电性界面分辨能力不足的问题，克服了含水地质异常体矿井瞬变电磁高精度探测的存在的技术难题。在安全、经济社会效益方面与传统技术相比有着明显优势，可更好地指导矿井水害防治与煤矿安全生产工作。