收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究

孙怀凤  
【摘要】:针对隧道含水构造的瞬变电磁场响应特征和隧道突水灾害瞬变电磁探测与预报问题进行了两方面的研究:第一,采用时域有限差分法实现了针对任意复杂模型瞬变电磁探测的三维正演,完成了隧道含水构造瞬变电磁场响应的三维建模并针对典型含水构造进行了响应特征分析;第二,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,并就其解释技术进行了探索。论文针对上述两方面的几个关键问题进行了研究。 地面和航空瞬变电磁的三维正反演技术在欧美、澳洲等发达国家已经开始应用于工业生产,然而,隧道内的瞬变电磁探测存在一个复杂的伪均匀全空间环境,现有的正演技术均不适用于隧道内的瞬变电磁探测,其主要原因是采用现有方法对隧道探测施加激励源存在难度。论文针对这一问题,同时考虑有源和无源区域的Maxwell方程组,引入激励源电流密度项到安培定理中,从而实现回线激励源的注入。理论上,这种施加激励源的方法适用于任意复杂的三维模型,但其缺点是增加了计算成本。为了提高计算效率,采用了CPU+GPU异构并行计算方案。为了验证本文给出的新激励源施加方法的正确性,首先采用均匀半空间模型解析解与三维FDTD解进行对比,结果显示衰减曲线误差小于5%,视电阻率误差小于3.5%;然后采用四类三层模型(A、H、K、Q)的线性数字滤波解与三维FDTD计算结果进行对比;之后采用均匀半空间包含低阻块体的模型进行计算并与WangHohmann(1993)文献中的FDTD军和积分方程解进行对比。以地面验证的理论为基础,针对隧道探测进行了专门改进,提出了隧道超前探测瞬变电磁三维正演建模方法,针对直立断层、倾斜断层、充水溶洞等隧道开挖过程中可能遇到的典型含水构造进行了正演模拟,考察了含水构造与掌子面的距离、含水构造规模、含水构造与背景围岩电阻率差异等参数对瞬变电磁响应的影响,得到了部分典型含水构造的瞬变电磁响应特征。针对TBM开挖的隧道,计算和分析了TBM机对瞬变电磁超前探测的影响规律,为隧道瞬变电磁超前地质预报用于TBM施工的隧道进行了数值的探索。分析数值算例后,新发现隧道超前地质预报中尚未采用的水平感应电动势响应对含水构造具有明显的反应,对于判识大规模含水构造具有重要作用。 现有的隧道瞬变电磁超前探测一般采用中心回线的方式并在掌子面布置1条测线,得到电阻率断面的二维分布,对含水构造的空间形态与分布规律反映较差,本文借鉴地面大回线中心装置的工作方式,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,给出了详细的装置布置形式与观测方法。以一维瞬变电磁基本理论为基础,研究了小回线半径下瞬变电磁回线内带偏移距观测点的水平和垂直磁场频率域响应中双重贝塞尔函数强振荡型积分的计算方法,以中心点频率域响应多项式为基函数,定义多项式形式的带偏移距观测点频率域响应表达式,通过最小二乘拟合获得多项式系数。将得到的频率域响应方程按照反傅里叶变换转换到时间域,得到瞬变电磁回线内带偏移距观测点水平和垂直感应电动势响应的时间域方程,在瞬变电磁场晚期近似条件下,给出了与隧道多点阵列式探测方法配套的水平和垂直感应电动势响应晚期视电阻率公式,从而使隧道多分量阵列式瞬变电磁探测采集的数据能够转换为视电阻率图像进行解释。以层状地层的横向和纵向电阻率合成方法给出了综合利用水平和垂直响应的电阻率矢量合成方法。采用均匀半空间模型和四类三层模型(A、K、Q)进行对比验证,并采用现场实测数据进行分析,结果得到了钻孔验证。 上述本文的两部分研究工作为瞬变电磁正演理论提供了研究基础,尤其是隧道突水灾害瞬变电磁探测的响应特征研究提供了基础。建立的隧道三维探测方法能够获得三维数据体,连同正演理论为进一步的三维反演提供了研究基础。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 孙怀凤;;隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究[J];岩石力学与工程学报;2015年03期
2 李展辉;黄清华;;复频率参数完全匹配层吸收边界在瞬变电磁法正演中的应用[J];地球物理学报;2014年04期
3 许彦斌;赵志飞;;基于瞬变电磁仪的公路隧道施工超前地质预报[J];公路工程;2011年06期
4 李大俊;翁爱华;杨悦;李斯睿;李建平;李世文;;地-井瞬变电磁三维交错网格有限差分正演及响应特性[J];吉林大学学报(地球科学版);2017年05期
5 孙怀凤;李术才;李貅;戚志鹏;苏茂鑫;薛翊国;郭文波;刘人太;韩伟伟;;隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法研究[J];岩石力学与工程学报;2011年11期
6 李凯;孙怀凤;宿传玺;李术才;唐鹏越;戚志鹏;;隧道瞬变电磁超前探测装置型式对比与试验研究[J];岩石力学与工程学报;2017年S1期
7 资谊;马士伟;;岩溶隧道涌突水灾害发生机理与工程防治[J];铁道工程学报;2011年02期
8 武强,潘国营,管恩太,李德安,夏镛华,卜昌森,武小燕,武 钢;焦作矿区突水灾害研究综述[J];中国地质灾害与防治学报;1995年04期
9 赵越;许枫;;瞬变电磁法探测浅海掩埋未爆物的三维仿真研究[J];地球物理学进展;年期
10 李泽生;;隧道涌水处理技术探讨[J];黑龙江交通科技;2016年02期
11 孟庆鑫;潘和平;牛峥;;大地介质影响下地-井瞬变电磁的正演模拟分析[J];中国矿业大学学报;2014年06期
12 杨增夫,白海波;“2·18”特大突水灾害的水源及通道判别[J];徐煤科技;1998年02期
13 孙怀凤;程铭;宿传玺;李术才;王世睿;张乐文;范秋雁;李海燕;李凯;;隧(巷)道掘进工作面-钻孔瞬变电磁超前探测方法物理模拟试验研究[J];煤炭学报;2017年08期
14 苏茂鑫;李术才;李貅;张庆松;薛翊国;邱道宏;;瞬变电磁三维成像技术在地质预报中的应用[J];山东大学学报(工学版);2009年04期
15 汪洋;赵文轲;钟鸣;;瞬变电磁技术在隧道超前地质预报中的应用[J];工程建设与设计;2014年04期
16 许颢砾;王大庆;刘志新;邓正栋;于景邨;丁志斌;;地面-井下双源瞬变电磁立体探测模拟研究[J];地质与勘探;2018年03期
17 闫文超;李博凡;王继矿;李萍;田小超;;矿用孔-巷瞬变电磁系统在煤矿的试验应用[J];煤矿安全;2018年06期
18 高刚刚;;瞬变电磁技术在金辛达煤业防治水工作中的应用[J];陕西煤炭;2018年03期
19 成帅;李术才;李利平;石少帅;周宗青;袁永才;;基于多元监测信息融合分析的突水灾害状态判识方法[J];岩土力学;2018年07期
20 郭元欣;何慧;李松营;王康;;瞬变电磁勘探技术在义马矿区的应用与有关思考[J];能源技术与管理;2017年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 武欣;李巨涛;刘丽华;刘富波;方广有;;航空瞬变电磁研发进展[A];2017中国地球科学联合学术年会论文集(三十七)——专题69:利用人工震源探测地下介质结构及其变化、专题70:地球物理探测前沿技术[C];2017年
2 刘富波;李巨涛;刘丽华;耿智;张启卯;武欣;方广有;;半航空瞬变电磁系统研制进展[A];2017中国地球科学联合学术年会论文集(三十七)——专题69:利用人工震源探测地下介质结构及其变化、专题70:地球物理探测前沿技术[C];2017年
3 任秀艳;殷长春;刘云鹤;蔡晶;;基于有限体积法的地空瞬变电磁响应计算[A];2015中国地球科学联合学术年会论文集(十五)——专题41环境地球物理方法技术与研究进展、专题42浅地表地球物理进展、专题43工程地球物理技术进展与应用[C];2015年
4 李贺;李貅;姚伟华;刘文韬;;三维矢量有限元瞬变电磁直接时间域正演[A];2015中国地球科学联合学术年会论文集(十五)——专题41环境地球物理方法技术与研究进展、专题42浅地表地球物理进展、专题43工程地球物理技术进展与应用[C];2015年
5 李貅;赵越;;航空瞬变电磁合成孔径多尺度信息提取[A];2016中国地球科学联合学术年会论文集(二十)——专题41:环境地球物理方法技术与研究进展、专题42:浅地表地球物理进展[C];2016年
6 呼彦朴;嵇艳鞠;;基于虚拟波动场的三维瞬变电磁带地形快速正演[A];2016中国地球科学联合学术年会论文集(十五)——专题32:电磁地球物理学研究应用及其新进展、专题33:盆地动力学与能源[C];2016年
7 王显祥;底青云;唐静;;电性源瞬变电磁初探[A];中国科学院地质与地球物理研究所2015年度(第15届)学术论文汇编——工程地质与水资源研究室[C];2016年
8 李貅;戚志鹏;刘银爱;汝亮;吴琼;马炳镇;;航空瞬变电磁合成孔径快速成像方法研究[A];中国地球物理2010——中国地球物理学会第二十六届年会、中国地震学会第十三次学术大会论文集[C];2010年
9 史渊;肖恒训;;瞬变电磁探测技术在煤矿水患探测中的应用[A];创新推动新型煤炭工业体系建设和安全健康发展——2010年湘赣皖闽苏等多省(市)煤炭学会学术交流暨湖南省煤炭科技论坛论文集[C];2010年
10 赵希刚;贺建国;赵翠萍;娄汉生;;应用瞬变电磁测量资料分析麻黄泉地区地层结构及沉积环境[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第1册)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙怀凤;隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究[D];山东大学;2013年
2 常江浩;煤矿富水区矿井瞬变电磁响应三维数值模拟及应用[D];中国矿业大学;2017年
3 谭代明;隧道超前探水全空间瞬变电磁理论及其应用研究[D];西南交通大学;2009年
4 王成亮;铁路隧道岩溶突水灾害风险识别与预警方法研究[D];北京交通大学;2015年
5 陈魁奎;煤矿复杂采空区瞬变电磁响应及解释方法研究[D];河南理工大学;2016年
6 王川;煤点锤击破坏瞬变电磁信号特征实验研究[D];中国矿业大学(北京);2015年
7 李琳琳;半航空瞬变电磁发射机关键技术研究[D];成都理工大学;2015年
8 嵇艳鞠;浅层高分辨率全程瞬变电磁系统中全程二次场提取技术研究[D];吉林大学;2004年
9 邓晓红;定回线源瞬变电磁三维异常特征反演[D];中国地质大学(北京);2006年
10 李慧;海洋瞬变响应理论计算及浅海底瞬变电磁探测技术研究[D];吉林大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵焕硕;采空区及堤坝渗漏瞬变电磁探测研究[D];中国地质大学(北京);2018年
2 李凯;隧道含水构造地面—地下瞬变电磁探测方法与响应规律研究[D];山东大学;2017年
3 郭建磊;阵列源瞬变电磁法隧道高分辨超前探测研究[D];长安大学;2017年
4 姚伟华;瞬变电磁法矢量有限元三维正演研究[D];长安大学;2015年
5 武军杰;瞬变电磁新技术在隧道超前地质预报中的应用研究[D];长安大学;2005年
6 陈骏骏;岩溶隧道涌突水灾害风险评价研究[D];吉林大学;2016年
7 刘昭军;瞬变电磁法隧道超前地质预报正演模拟及应用实例[D];广西大学;2015年
8 刘尧;基于有限差分的瞬变电磁三维数值模拟[D];中国地质大学(北京);2015年
9 高瑜;隧道超前预报中的固源瞬变电磁正演方法[D];山东大学;2016年
10 宿传玺;浅层岩溶半航空瞬变电磁响应规律与试验研究[D];山东大学;2018年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 周建平;我国海底硫化物三维勘探实现突破[N];中国海洋报;2017年
2 张宏新李志勇;白庄矿瞬变电磁勘探填补国内空白[N];经理日报;2007年
3 王洪涛牛秋福;瞬变电磁技术破解矿井透水难题[N];中国企业报;2007年
4 李晓玲;航空瞬变电磁勘查技术落户新疆[N];中国矿业报;2016年
5 本报记者;总局物探院完成三个瞬变电磁勘探项目[N];中煤地质报;2010年
6 记者 郝锴;做好突水灾害外排水污染治理工作[N];徐州日报;2010年
7 张素琴;瞬变电磁仪助山西212队竞争市场项目[N];地质勘查导报;2010年
8 本报记者 刘静 通讯员 解冰;在雅鲁藏布江畔攻关“最强岩爆”[N];工人日报;2017年
9 通讯员 伍振 记者 袁海明;十八局集团宜万指 精细化管理击破施工成本瓶颈[N];中国铁道建筑报;2005年
10 陈卫东杨兴俊 张燕;“超前地质预报”见成效[N];建筑时报;2007年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978