煤矿复杂采空区瞬变电磁响应及解释方法研究

摘要

我国的能源结构决定了其对煤炭资源的依赖性。随着煤矿开采范围和开采深度的不断增加，所留下的采空区常有大量的积水，极易造成突水灾害。为了避免此类安全事故的发生，寻求探查此类复杂采空区精确位置及富水性的方法具有重要意义。目前，探查煤矿灾害水源的矿井地球物理方法主要有矿井直流电阻率法和矿井瞬变电磁法，其中矿井瞬变电磁法以其施工便捷、工作效率高和对低阻体反映灵敏等特点被广泛应用于煤矿灾害水源的探查。
　　本文通过对煤系地层中发育的单层低阻采空区、高阻采空区及多层采空区等不同地电模型的瞬变电磁物理模拟实验和正演数值模拟计算，分析了不同条件下的复杂采空区的瞬变电磁响应特征。由实验和数值模拟结果可知，高阻围岩中的单层低阻（积水）采空区情况下，瞬变电磁法信号反应灵敏；而高阻（充气）单层采空区情况下，信号反应不灵敏，且探测采空区位置准确性还存在一定误差；多层采空区情况下，两煤层中间层厚度大小与其感应电动势大小成正比关系，并通过数值模拟方法研究了上组煤层和下组煤层在含水及不含水等多种复杂情况下瞬变电磁响应特征。对多层采空复杂区响应结果分析可知，复杂采空区存在的情况下，会对瞬变电磁法探测的分辨率造成不利影响，减弱瞬变电磁法的探测能力。为了克服这种不利影响，须对瞬变电磁解释方法进行针对性改进。基于上述原因在数据解释的同时需要提出一种新的算法消除复杂采空区对瞬变电磁精度的影响。
　　针对复杂煤层采空区的屏蔽影响，本文提出了改进阻尼最小二乘法反演方法完成了瞬变电磁数据拟合。具体研究内容如下：在利用“烟圈”成像反演得出的电阻率剖面作为阻尼最小二乘反演初始模型的基础上，对实测数据进行晚期视电阻率转化，以晚期视电阻率相对误差作为收敛标准，推导了迭代方程，实现瞬变电磁数据拟合，并提出了阻尼因子修正方法、设定了参数上、下界，在保证收敛良好的情况下，完成了阻尼最小二乘法拟合，使迭代参数达到最大步长，提度和精度高了反演算法的运算速。
　　通过对复杂采空区的的正反演理论的研究，结合煤层复杂采空区探测实例，证明所得结论正确性。验证了改进阻尼最小二乘法拟合的实用性与精确性。进一步表明瞬变电磁法对煤矿复杂采空区的探测具有良好的效果。

目录

声明

致谢

1绪论

1.1 研究背景

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容、方法及路线

1.4创新点

2采空区瞬变电磁积分方程法三维正演理论

2.1一维层状介质全空间电磁场

2.2层状介质中三维异常体频率域电磁散射方程

2.3电磁张量格林函数的求解

2.4视电阻率计算方法

2.5小结

3采空区瞬变电磁物理模拟

3.1物理模拟相似性准则

3.2实验设计方案

3.3物理实验模型及实验结果

3.4小结

4采空区瞬变电磁三维积分方程法正演数值模拟

4.1单盖层下单煤层采空区数值模拟

4.2单盖层下两组煤层采空区数值模拟

4.3双盖层下单煤层采空区数值模拟

4.4双盖层下两组煤层采空区数值模拟

4.5小结

5采空区瞬变电磁最优化迭代反演研究

5.1最优化迭代反演方法

5.2单煤层模型情况下瞬变电磁反演分析

5.3两组煤层模型情况下瞬变电磁反演分析

5.4小结

6.1概况

6.2施工参数与资料处理

6.3探测结果分析

6.4小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

作者简历

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