瞬变电磁法在煤矿采空区含水性探测中的应用研究

摘要

我国是煤炭消费大国、同时也是煤炭生产大国，随着煤矿向深层的开采，留下的采空区也越来越多。而采空区的含水性问题，一直牵动的安全生产管理人员的心。为了避免煤矿安全事故频发，必须找到探测此类采空区含水性的方法，即通过探测来确定采空区有没有积水、积水的边界在哪里划分。为了消除隐患，四川省安科院在川东地区某煤矿开展了水患调查的试点工作，具体工作内容包括:1、通过瞬变电磁方法对采空区进行探测研究，具体包括地面（大定源回线装置）瞬变电磁探测和井中（偶极装置）瞬变电磁探测，研究采空区的含水性问题，划定采空积水区的范围矿区;2、煤田地质、水文地质调查研究和矿区地质资料甄别、整理、备案;3、三维激光扫描技术在矿山数字建模的应用，即利用三维激光扫描数据建立的矿山高程模型，整合瞬变电磁探测的数据成果，并综合煤田地质、水文地质资料，形成立体的矿山采空积水区的构架。
　　作为主要内容之一，瞬变电磁法探测对本次工作具有重要意义。此次研究正是基于矿山防治水试点工作，重点对地面瞬变电磁的探测工作，即大定源回线装置瞬变电磁法进行研究和分析。本文研究内容包括:一维正演，即使用大定源装置，瞬变电磁场在不同的发射面积、不同均匀半空间电阻率值、不同二层或三层模型等条件约束下的响应特征;同时，利用烟圈反演的方法，对一维正演的结果进行反演，分析各个模型的似电阻率和视深度的相互关系，研究烟圈反演成果的特点，总结出，似电阻率的“峰值”与地下异常地层有相互对应关系的规律，以及验证烟圈反演的半定量解释特点，发现似电阻率曲线在划分地层方面存在的问题和可以改进的方向。
　　根据烟圈反演得出的结论，本文还着手研究了提高反演结果的解释精度的处理方法。在瞬变电磁法中，除了可以采用电阻率表征地下地质体信息以外，还可以使用其他物理参数。通过研究，本文采用表征介质材料的介电性质的物理参数——相对介电常数进行相关转换处理，即利用水这一低阻介质，和高阻的围岩在相对介电常数方面的巨大差异，求出不同地下地质体的相对介电常数和电阻率之间的对应关系，进一步突出水的异常，压低高阻围岩的异常。本文根据线性回归方程的理论方法，推导出适合理论模型的相对介电常数与电阻率换算的经验公式，并利用经验公式对反演数据进行了处理研究。通过对比原始反演结果，验证了经验公式处理反演数据的可行性和正确性。总结出，采用相对介电常数与电阻率的换算方法，对反演数据进行处理，能够在凸显低阻异常的特征、压制高阻响应的同时，还能够保持实际原始数据对地下地质体的物理特征的反映情况。在实际工作中，利用经验公式对瞬变电磁对采空区的探测结果进行处理和验证研究工作，证明了此次试点工作中利用瞬变电磁探测成果划定采空积水区界线的正确性。本文最后将瞬变电磁成果与三维激光扫描模型整合，形成了煤矿采空积水区的立体模型，并综合煤矿的各种地质资料给出了初步的治理方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 瞬变电磁法国内外研究现状

1．3 瞬变电磁在煤矿水文调查中的应用情况

1．4 本文的研究内容及取得的成果

第2章 瞬变电磁法勘探原理

2．1 瞬变电磁法概述

2．2 电磁学性质

2．2．1 岩矿石的电阻率

2．2．2 岩矿石的介电常数

2．3 本章小结

第3章 大定源瞬变电磁一维模型正演

3．1．大定源瞬变电磁一维正演理论

3．1．1 麦克斯韦方程组

3．1．2 均匀半空间瞬变电磁场

3．2 大定源回线的瞬变电磁响应

3．2．1 大定源回线层状模型的频率域电磁响应

3．2．2 大定源回线层状模型的时间域电磁响应计算

3．3 一维正演模型响应分析

3．3．1 均匀半空间瞬变电磁响应分析

3．3．2 水平各向同性两层层状模型瞬变电磁响应

3．3．3 水平各向同性三层层状模型瞬变电磁响应

3．4 本章小结

第4章 烟圈反演与数据处理研究

4．1 烟圈反演

4．1．1 烟圈反演理论

4．1．2 视电阻率计算方法

4．2 烟圈反演分析

4．2．1 均匀半空间模型的反演分析

4．2．2 水平各向同性G型两层模型的反演分析

4．2．3 水平各向同性三层层状模型反演的分析

4．3 数据处理研究

4．3．1 应用相对介电常数处理数据的依据

4．3．2 经验公式的推导

4．4 本章小结

第5章 实际应用

5．1 地质概况

5．1．1 地理概况

5．1．2 区域地层

5．1．3 区域构造

5．2 区域水文地质

5．3 煤矿区地质

5．3．1 地形地貌

5．3．2 矿区构造

5．3．3 矿区地层岩性和开采煤层

5．4 煤矿区水文地质

5．4．1 地表水

5．4．2 煤层直接充水含水层

5．4．3 矿井直接充水含水层

5．5 工作方式及布置

5．6 瞬变电磁成果解释

5．7 瞬变电磁数据的检验与分析

5．8 煤矿采空积水区空间分布及治理方案

5．9 本章小结

结论与建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果