基于高密度电法的煤矿多层采空区数值模拟研究

摘要

随着煤矿开采量的增加，开采规模的扩大，煤矿采空成为主要的地质灾害之一。由于地下采煤的深入，开采程度的差异，以及小窑私采乱采，会形成不同时期，不同规模的采空区，采空塌陷区，还会出现采空积水和多层采空的问题，严重威胁着矿山生产安全和地面稳定性。因为多层采空区的相互干扰和耦合，地下电性分布特征更加复杂多变，使得地面物探工作的探测精度受到了极大的限制，也为解译工作增加了难度。
　　高密度电阻率法，是在常规电阻率法的基础上，通过一次布设多根电极，实现多次测量，完成在二维剖面上的勘探，从而获取地下在水平方向和不同深度的电性特征变化，可以形象直观地反映断面异常体的形态、产状等，具有工作效率高、劳动强度低、探测精度较高等优点。
　　本文运用基于有限差分法的二维高密度电法正演和基于最小二乘法的二维高密度电法反演软件，首先对单层采空区进行模拟，得出不同电阻率值下的采空区在地下的有效探测埋深范围；然后对双层采空区进行模拟，分别建立两层高阻、两层低阻、上高下低、上低下高四组模型，得出高密度电法能够识别出的有效间距下限，最终得到以下结论：（1）高密度电法在理论探测深度内可以有效分辨高阻和低阻异常体，而且异常体与围岩电阻率值差距越大，探测效果越明显；（2）对两层高阻、上高下低、上低下高三种异常体模型，温纳四极测深可以通过反演有效分辨出两层异常，而对于双层低阻的异常体，不能有效分辨出下层异常；（3）对两层都是高阻的异常体，间距小于20m，两层界限模糊，随着两层间距递减，只能分辨出一层异常，间距大于20m，可以有效分辨出两层异常，随着间距增大，分辨效果越来越明显，但是不能准确判断出下层高阻异常的确切深度；（4）对于双层低阻的异常体，不管间距多大，只能分辨出一层异常，随着两层间距的增大，下层低阻异常在反演结果中也没有反映；（5）对于上高下低和上低下高两组双层异常体，可以通过反演有效分辨出两层异常，随着间距递增，两层异常之间的相互影响减弱，异常边界更加明显。
　　通过对山西某矿区进行高密度电法探测矿井水的工程反演试验，验证了上述高密度电法在双层采空区数值模拟研究中所得规律的正确性。

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第一章 绪论

1.1选题背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3主要内容

第二章 高密度电阻率法简介

2.1电阻率法基础

2.2高密度电法勘探系统

2.3高密度电阻率法装置类型和特点

2.4装置和电极距选择

第三章 数值模拟的方法和原理

3.1正演方法和操作

3.2反演方法与操作

第四章 双层采空区数值模拟

4.1建模依据和参数选择

4.2单一异常体的建模和反演

4.3双层采空区模拟

4.4本章小结

第五章 工程实例试验

5.1工区概况

5.2高密度电法探测工作参数

5.3高密度电法的反演

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间公开发表的学术论文