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基于全空间初始场源的半空间TEM三维FDTD正演

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地球物理学进展 2022年第5期37卷 2147-2155页

作者：李飞温来福郑贵强华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室燕郊101601 河北工程大学地球科学与工程学院邯郸056038

传统TEM三维FDTD正演,受相邻网格步长比例和最大与最小网格步长比例限制,难以模拟小尺度和多尺度模型;对于基于半空间初始场源的正演,多采用向上延拓的地空边界处理方法,难以处理带地形模型和航空探测模型.针对以上问题,提出了基于全空... 详细信息

传统TEM三维FDTD正演,受相邻网格步长比例和最大与最小网格步长比例限制,难以模拟小尺度和多尺度模型;对于基于半空间初始场源的正演,多采用向上延拓的地空边界处理方法,难以处理带地形模型和航空探测模型.针对以上问题,提出了基于全空间初始场源的半空间TEM三维FDTD正演方法.首先,给出了正演方法,其中初始场源采用发射电流关断后某时刻的均匀全空间电磁场,地空边界处理采用设置空气层的方法,在初始场源计算中电阻率参数采用发送回线下方大地电阻率值,在初始时刻和时间步长计算中电阻率参数采用发送回线上方空气电阻率值.然后,建立了半空间均匀介质模型、半空间含低阻层模型和半空间含低阻三维块体模型,开展了正演计算,并将计算结果与其他方法结果进行了对比,验证了方法的可靠性.之后,采用控制变量法分析了网格步长和时间步长与稳定性和计算量的关系,结果表明:相邻网格步长比例为2时仍然可以取得稳定可靠的结果,最大与最小网格步长比例未发现存在限制.基于此性质,可以用较少的网格数量构建很大的模型,从而减小计算量,提高计算精度,且适用于小尺度、大尺度和多尺度模型的模拟.最后,给出了带地形模型、航空探测模型和多尺度模型的模型算例,验证了方法的适用性.提出的正演方法具有稳定性好、计算效率高、适用范围广的优势,实现了全空间正演和半空间正演的统一,适用于多领域(巷道、隧道、带地形的地面、航空探测等)和广尺度(小尺度、大尺度和多尺度)正演.

关键词：瞬变电磁法全空间半空间多尺度三维正演 FDTD

回线瞬变电磁场2.5维FDTD数值模拟及其应用研究

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回线瞬变电磁场2.5维FDTD数值模拟及其应用研究

作者：温来福石家庄经济学院

学位级别：硕士

近年来,瞬变电磁测深法(TEM)发展较快且日趋成熟。作为一种新兴的电法勘探方法,其在矿产资源勘查、水文地质、工程地质和环境地质等诸多领域得到了越来越广泛的应用。经过多年的发展,瞬变电磁法不论是理论研究还是应用水平方面均取得了... 详细信息

近年来,瞬变电磁测深法(TEM)发展较快且日趋成熟。作为一种新兴的电法勘探方法,其在矿产资源勘查、水文地质、工程地质和环境地质等诸多领域得到了越来越广泛的应用。经过多年的发展,瞬变电磁法不论是理论研究还是应用水平方面均取得了较大的进步,但由于瞬变电磁多维理论的复杂性及其不易实现性,严重制约了它的勘探效果和应用范围,其正反演理论尚需进一步深入研究和完善,由于正演问题是反演理论的基础,因此,开展多维瞬变电磁场数值模拟理论是当前人们研究的前沿课题之一。在实际工作中所采用的发射方式大多为矩形回线源,但这方面的理论研究却有所不及。其中一维和二维正演问题研究成果最多,理论也相对成熟,却往往与实际地电或瞬变电磁场响应存在一定的偏差。三维瞬变电磁响应理论是最接近实际情况的描述,但从理论上仍需研究行之有效的算法,加之实际三维数值模拟过程需耗费较长的运算时间,且对计算机硬件要求很高。所以,近年来研究人员想到一个折中的方法,提出2.5维正演理论研究问题,即:建立三维场源二维地电条件下瞬变电磁场响应的数值模拟理论。这种方法既降低了计算量、节省了计算成本,又能符合或更接近勘探实际,具有重要的实用价值。鉴于这方面的理论尚未成熟,本文利用时域有限差分法,开展回线源激发下的2.5维瞬变电磁场响应的数值模拟理论研究。基于瞬变电磁法的基础知识,本文从麦克斯韦方程组出发,导出了频率域电磁场满足的齐次扩散方程;为便于求解二维地电条件下的瞬变电磁场响应,我们首先对频率域三维电磁场的齐次扩散方程和回线源初场积分表达式沿地电体走向进行傅里叶变换,使二者分别转换成带波数参量的二维微分方程和初场的积分表达式。为实现数值模拟计算,本文采用了时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain Method简称FDTD),对所研究的空间区域作一定步长剖分离散处理,利用剖分网格节点上不同电阻率值模拟实际二维地电断面的电性分布,由有限差分式代替原微分式,从而得到满足感应电场的矩阵方程式;针对回线源电场积分表达式中的双重贝塞尔函数,采用了Hankel变换、余弦变换和G-S逆拉氏变换方式,求出定解所需的初始条件;此外,对所研究区域的地下边界采用Mur边界条件,在地-空边界采用边界样条插值方法实现场值向上延拓,以满足此处边界条件的需要。对上述所建立的定解算法,采用一定时间步长进行迭代计算,求得不同波数参量对应的感应电场和感应电动势响应,利用三次样条插值方式对其进行傅里叶逆变换,最终得到地下主断面内不同时刻回线源瞬变电磁响应值。在此基础上使用MATLAB语言开发出相应的数值模拟程序。本文利用已开发的程序,通过典型地电模型解析解与本数值模拟解相对比的方式,验证了本次所建理论的正确性和可靠性之后,开展了不同地电条件下的瞬变电磁场响应规律的研究,并对收发偏移距和发射线框大小对观测感应电动势影响问题开展了研究。其研究成果必将对2.5维瞬变电磁反演问题的研究具有重要的理论价值,对于瞬变电磁实际工作设计、资料分析与解释均具有指导意义。

关键词：时域有限差分回线源三次样条插值 Mur边界条件响应规律

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铬污染场地电阻率法探测效果研究

河北工程大学学报（自然科学版） 2022年第4期39卷 106-112页

作者：刘阿伟温来福郝海强河北工程大学地球科学与工程学院河北邯郸056038 华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021 河北省矿山地下水安全技术创新中心河北石家庄050021

为了研究高密度电阻率法对铬污染场地的探测效果,建立了典型铬污染模型,采用有限差分法以及最小二乘法对其进行正反演计算,分析铬污染的电阻率特征,得到了高密度电阻率法不同装置类型下的不同污染程度的探测效果。随后对河北某铬污染场... 详细信息

为了研究高密度电阻率法对铬污染场地的探测效果,建立了典型铬污染模型,采用有限差分法以及最小二乘法对其进行正反演计算,分析铬污染的电阻率特征,得到了高密度电阻率法不同装置类型下的不同污染程度的探测效果。随后对河北某铬污染场地进行高密度电阻率法探测,得到该厂区地下污染羽的分布范围,探测结果得到了钻孔取芯验证。通过理论分析和实际探测结果表明,地下土体受到铬污染后,其电阻率表现为相对低阻特征,与同层未污染土体存在明显的电阻率差异;随着污染程度减弱,高密度电阻率的识别能力也随之降低,并且不同装置类型的探测效果也存在差异。

关键词：铬污染高密度电阻率法数值模拟反演探测效果

矿井TEM与地震联合反演导水陷落柱的试验研究

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煤炭学报 2020年第7期45卷 2472-2481页

作者：李飞程久龙杨思通温来福董毅中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 华北科技学院矿井灾害防治河北省重点实验室北京101601 山东科技大学地球科学与工程学院山东青岛266590

陷落柱对煤矿安全生产威胁极大,矿井TEM和地震勘探是2种主要的导水陷落柱探查方法,矿井TEM对富水性敏感,地震勘探空间分辨率高,为了充分利用2种方法各自优势,提出了基于矿井TEM和地震联合反演的导水陷落柱精细探测方法。首先,提出了基... 详细信息

陷落柱对煤矿安全生产威胁极大,矿井TEM和地震勘探是2种主要的导水陷落柱探查方法,矿井TEM对富水性敏感,地震勘探空间分辨率高,为了充分利用2种方法各自优势,提出了基于矿井TEM和地震联合反演的导水陷落柱精细探测方法。首先,提出了基于镜像2D电阻率模型和全空间1D TEM正演算法的矿井拟二维(Pseudo-2D)TEM反演算法。矿井Pseudo-2D TEM反演算法既满足交叉梯度联合反演算法对2D模型的需要,又具有较快的反演计算速度。然后,通过去掉常规联合反演目标函数中的地震正演项,只在交叉梯度项中保留地震波阻抗模型参数,建立了单向交叉梯度联合反演算法。在单向交叉梯度联合反演算法中,地震波阻抗模型只对TEM反演进行约束,电阻率模型不对地震反演进行约束,地震波阻抗反演可以通过商业软件完成,TEM反演采用矿井Pseudo-2D TEM反演算法。通过对地震波阻抗模型进行双三次插值处理,实现地震波阻抗模型和电阻率模型之间的模型网格匹配。通过基于K-means算法的地震波阻抗模型聚类分割处理方法消除地震波阻抗模型中的次要结构变化,增加联合反演稳定性。最后,建立了含导水陷落柱地质-地球物理模型,采用有限差分方法分别进行了3D矿井TEM和3D地震勘探正演计算,对正演模拟数据进行了单独反演和联合反演计算。结果表明:联合反演能够同时重建理论模型的形状和电性特征,联合反演结果不仅具有较高的空间分辨率,而且能够反映陷落柱的富水性,优于单独TEM和单独地震方法反演结果。相比传统联合反演方法主要应用于大尺度目标体探测或浅地表成像,基于矿井TEM和地震的单向交叉梯度联合反演方法可以实现大深度小尺度目标体的精细探测。

关键词：矿井瞬变电磁法地震勘探联合反演导水陷落柱交叉梯度

矿井全空间三维主轴各向异性介质瞬变电磁场响应特征研究

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煤炭学报 2019年第1期44卷 278-286页

作者：程久龙黄少华温来福董毅王浩宇中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院江苏南京211103

研究瞬变电磁场中的电性各向异性问题,可以为各向异性条件下的地下全空间瞬变电磁法资料处理解释工作提供理论指导,对提高瞬变电磁法探测精度具有重要意义。为了研究矿井全空间条件下主轴各向异性介质的瞬变电磁场响应特征,采用改进的... 详细信息

研究瞬变电磁场中的电性各向异性问题,可以为各向异性条件下的地下全空间瞬变电磁法资料处理解释工作提供理论指导,对提高瞬变电磁法探测精度具有重要意义。为了研究矿井全空间条件下主轴各向异性介质的瞬变电磁场响应特征,采用改进的交错网格有限差分方法实现了主轴各向异性介质的瞬变电磁场三维正演。将电导率张量加入麦克斯韦方程组,对Yee氏交错网格进行了改进以便于对主轴各向异性介质中的瞬变电磁场进行差分离散处理,形成了全空间三维主轴各向异性有限差分正演算法。在均匀全空间模型中对比各向异性有限差分数值解及均匀全空间解析解,验证了算法的正确性。建立了不同各向异性类型和不同各向异性对称主轴姿态模型,分别计算了其瞬变电磁场响应,最后结合工程探测实例,通过正演模拟分析了不同主轴各向异性介质对瞬变电磁场的影响特征,解释了探测结果存在偏差的原因。研究表明:在矿井超前探测模式下,对于HTI-X介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场的影响不明显,不同各向异性系数条件下的感应电动势曲线差异较小;对于HTI-Y介质和VTI介质,各向异性系数的变化对瞬变电磁场有明显的影响,随着介质各向异性系数增大,介质瞬变电磁场响应不断变小;随着各向异性介质对称主轴方向与探测方向之间夹角的增大,各向异性介质产生的瞬变电磁场响应不断增大,当对称主轴方向与探测方向一致时(HTI-X介质),各向异性介质产生的感应电动势最弱,而对称主轴方向与探测方向垂直时(VTI介质),各向异性介质产生的感应电动势最强;不同类型的主轴各向异性介质具有明显的各向异性瞬变电磁场响应特征。

关键词：主轴各向异性响应特征矿井全空间瞬变电磁场三维数值模拟

矿井瞬变电磁法电阻率偏低原因分析与校正方法

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煤炭学报 2018年第7期43卷 1959-1964页

作者：李飞程久龙温来福刘德民杨德方中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 华北科技学院矿井灾害防治河北省重点实验室北京101601

矿井瞬变电磁法由于采用多匝小回线工作装置进行发射和接收,实测视电阻率与大地中实际岩层电阻率相比存在严重偏低问题,给资料解释带来困难,探测深度也随之降低。通过数值模拟和现场试验,分别研究了半空间和矿井全空间条件下瞬变电磁法... 详细信息

矿井瞬变电磁法由于采用多匝小回线工作装置进行发射和接收,实测视电阻率与大地中实际岩层电阻率相比存在严重偏低问题,给资料解释带来困难,探测深度也随之降低。通过数值模拟和现场试验,分别研究了半空间和矿井全空间条件下瞬变电磁法偶极装置观测信号随收发距的变化规律,发现收发距在20 m内变化二次场信号变化很小;随收发距增大,实测信号在双对数坐标系中呈线性衰减。理论分析表明,实测信号主要为发射线圈与接收线圈之间的互感信号和大地中感应二次场的叠加,其中互感信号强度远大于大地中感应的二次场,是造成电阻率偏低的主要原因。然后,基于互感电动势随收发距变化的规律,考虑到二次场信号在20 m收发距内变化很小,提出了利用两次不同收发距观测数据进行互感消除和二次场提取方法,推导了相关计算公式,实现了偶极装置矿井瞬变电磁法实测视电阻率偏低的校正。最后,通过半空间和全空间探测实例应用,验证了方法的有效性。

关键词：矿井瞬变电磁法偶极装置电阻率偏低互感电动势校正

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基于矿井瞬变电磁的金属矿山超前探测研究

工程地球物理学报 2022年第6期19卷 829-834页

作者：刘大金胡体才温来福任周洪云南驰宏锌锗股份有限公司云南曲靖654212 华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021 河北省矿山地下水安全技术创新中心河北石家庄050021 河北工程大学地球科学与工程学院河北邯郸056038

为了解决强透水性地层条件下的金属矿山突水问题,保障矿井安全生产,采用矿井瞬变电磁法对金属矿山掘进前方岩层富水性情况进行探测。在矿井瞬变电磁超前探测原理的基础上,建立了全空间地质模型,开展了人工鱼群反演技术的研究,验证了该... 详细信息

为了解决强透水性地层条件下的金属矿山突水问题,保障矿井安全生产,采用矿井瞬变电磁法对金属矿山掘进前方岩层富水性情况进行探测。在矿井瞬变电磁超前探测原理的基础上,建立了全空间地质模型,开展了人工鱼群反演技术的研究,验证了该方法在矿井瞬变电磁超前探测数据处理解释中的有效性;随后,将其应用到云南某铅锌矿瞬变电磁超前探测实测资料反演中,圈定了掘进前方岩层富水异常区域,解释结果得到了钻孔验证。研究表明,矿井瞬变电磁法以及人工鱼群反演技术可以有效预测金属矿山掘进前方岩层富水性情况,为强透水性地层条件下的金属矿山的安全生产提供了有力的技术保障。

关键词：金属矿山超前探测矿井瞬变电磁人工鱼群

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矿井瞬变电磁法反演方法研究进展与展望

煤矿安全 2017年第4期48卷 180-183,187页

作者：周金程久龙温来福中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083

如何通过改进矿井瞬变电磁法反演方法来提高解释精度一直以来都是瞬变电磁研究领域的重要课题。在分析总结目前矿井瞬变电磁法反演方法的基础上,将其分为定性近似反演、基于目标函数迭代反演和联合反演3类,并探讨了不同方法的特点、优... 详细信息

如何通过改进矿井瞬变电磁法反演方法来提高解释精度一直以来都是瞬变电磁研究领域的重要课题。在分析总结目前矿井瞬变电磁法反演方法的基础上,将其分为定性近似反演、基于目标函数迭代反演和联合反演3类,并探讨了不同方法的特点、优势、局限性及改进方法。通过对矿井瞬变电磁法反演发展趋势的分析,提出发展全空间反演理论和方法、进行多方法尤其是非线性方法的联合反演以及多维反演是实现井下精细探测和定量解释的主要发展方向。

关键词：矿井瞬变电磁定性近似反演迭代反演联合反演全空间

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矿井瞬变电磁金属干扰响应特征与校正方法

中国矿业 2017年第8期26卷 146-149,164页

作者：周金程久龙温来福中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083

为了消除巷道内金属干扰对矿井瞬变电磁探测的影响,以常见的铁轨干扰源为例,采用井下实验方法系统分析了铁轨影响下不同距离、不同方向和不同探测模式等情况的瞬变电磁响应特征和影响规律,发现铁轨的存在导致感应电动势幅值增大,且不同... 详细信息

为了消除巷道内金属干扰对矿井瞬变电磁探测的影响,以常见的铁轨干扰源为例,采用井下实验方法系统分析了铁轨影响下不同距离、不同方向和不同探测模式等情况的瞬变电磁响应特征和影响规律,发现铁轨的存在导致感应电动势幅值增大,且不同情况的探测响应差异较大。通过计算有无干扰的归一化感应电动势比值得到各时间窗的校正系数,在其基础上提出拟合函数校正法,并将其应用到某煤矿工作面顶板探测中。实际应用结果表明:基于拟合函数的校正方法能够较好的剔除干扰异常,准确反映煤层顶板含水异常区的范围和赋水程度,明显提高金属干扰下矿井瞬变电磁探测含水异常区的准确性。

关键词：矿井瞬变电磁金属干扰响应特征拟合函数干扰校正