煤矿富水区矿井瞬变电磁响应三维数值模拟及应用

摘要

矿井水害是煤矿生产和建设过程中的主要灾害之一，矿井瞬变电磁法是目前普遍采用探测煤矿隐伏富水区效果较好的地球物理方法。矿井瞬变电磁法的基础理论研究相对滞后，特别是全空间瞬变电磁场的分布规律和典型富水区的全空间瞬变电磁响应规律。本文采用基于Yee网格的三维时域有限差分法，对全空间瞬变电磁场的扩散规律和煤矿富水区的矿井瞬变电磁响应规律进行了研究，并将结果应用于煤矿隐伏富水区的探测中。主要研究内容和成果如下：
　　（1）针对井下多方向多角度探测问题，采用了以多组发射线圈代替实际发射回线的方式，实现了在直角网格中加载任意方向发射回线。研究了井下巷道中电磁场方程及处理方法，并对处理效果进行了验证。针对截断边界在晚期的影响问题，采用了卷积完全匹配层吸收边界（CPML）替代传统的Dirichlet边界条件，提高了晚期解的精度。分别采用均匀全空间和水平层状全空间模型对算法的效果进行了验证，验证结果表明本文采用的有限差分算法具有较高的可靠性和精度。
　　（2）研究了发射回线边长对全空间瞬变电磁响应的影响，并研究了小回线源激发的全空间瞬变电磁场的分布规律，采用水平层状介质模型，研究了在垂直介质界面激发、平行介质界面激发以及与介质界面呈45°夹角激发下的全空间瞬变电磁场的分布规律，同时研究了全空间条件下巷道对不同方位异常体判别的影响。结果表明：发射回线边长越小，其瞬变电磁响应视电阻率与模型电阻率越接近；全空间瞬变电磁场的分布与地面半空间的分布不同，且全空间瞬变电磁场的分布除受地层电性参数影响外也受激发角度的影响；对于位于巷道一侧的低阻体，受全空间效应的影响，发射回线位于巷道另一侧时也会产生低阻异常响应，但其低阻响应较弱，该结果为井下不同侧帮异常体位置的判别提供了参考。
　　（3）基于华北和中东部含煤地层资料，建立了含（导）水断层、含水陷落柱和老空水等煤矿典型富水区的三维全空间数学模型，结合井下实际激发和观测方式，研究了含（导）水断层、含水陷落柱和老空水等煤矿典型富水区的全空间瞬变电磁响应视电阻率等值线分布规律。结果表明：含（导）水断层产生的视电阻率等值线低阻异常区与断层位置及形态基本吻合，且视电阻率等值线的分布能够反映断层倾角的变化。回采工作面含水陷落柱在底板方向产生的视电阻率等值线低阻异常区范围较大且阻值较低，陷落柱顶部越靠近煤层底板，其产生的视电阻率值越低；掘进工作面含水陷落柱产生的视电阻率低阻异常区形状为近似椭圆状，且底板方向产生的视电阻率低阻响应较明显。掘进工作面老空水产生的视电阻率等值线低阻异常区与其位置基本吻合，但当老空水位于巷道迎头位置一侧时，由于全空间效应的影响，在另一侧也产生一范围相对较小的低阻假异常区，但其等值线数值相对较高。
　　（4）煤矿富水区的全空间瞬变电磁响应规律为矿井瞬变电磁探测资料的处理和解释提供了指导。将矿井瞬变电磁法应用于井下隐伏富水区的探测中，通过将实际探测结果与数值模拟结果对比，并结合矿井水文地质资料综合分析，初步确定了富水区的位置以及发育范围，解释结果得到了后期钻孔资料的验证。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义（Research Significance）

1.2 研究现状（Research Status）

1.3 研究内容（Research Contents）

1.4 研究方法（Research Approaches）

1.5 创新点（Innovations）

2 三维全空间瞬变电磁场时域有限差分原理

2.1 控制方程及其差分离散（ Governing Equations and Its Difference Fiscretization）

2.2 多方向回线源的加载及巷道的处理（ Loading of Multi-directional Transmitting Loop and Treatment Method of Roadway）

2.3 卷积完全匹配层吸收边界条件（ Convolutional Perfectly Matched Layer Absorbing Boundary Condition）

2.4 算法验证（Verification of the Method）

2.5 本章小结（Summary）

3 全空间瞬变电磁场的分布规律

3.1 回线源与磁偶源激发瞬变电磁响应的对比（Comparison of TEM Responses Between Loop Source and Magnetic Dipole Source）

3.2 均匀全空间瞬变电磁场的分布规律（Distribution of Transient Electromagnetic Field in Homogeneous Whole Space）

3.3 水平层状介质全空间瞬变电磁场的分布规律（Distribution of Whole-space Transient Electromagnetic Field in Layered Medium）

3.4 巷道影响下的瞬变电磁场特征（ Characteristics of the Transient Electromagnetic Field under the Influence of Roadway）

3.5 全空间均匀介质中存在三维低阻体的瞬变电磁场分布规律（Distribution of Transient Electromagnetic Field in Homogeneous Whole Space with a 3-D Low-resistivity Body）

3.6 本章小结（Summary）

4 煤矿富水区全空间瞬变电磁响应三维正演模拟

4.1 含（导）水断层全空间瞬变电磁响应特征（Whole-space TEM Responses of Water-bearing Fault）

4.2 含水陷落柱全空间瞬变电磁响应特征（ Whole-space TEM Responses of Water-bearing Collapse Column）

4.3 老空水全空间瞬变电磁响应特征（ Whole-space TEM Responses of Water in Goaf）

4.4 本章小结（Summary）

5 矿井瞬变电磁法探测煤矿富水区应用实例

5.1 断层富水性探测（Detection of Water-bearing Fault）

5.2 隐伏陷落柱探测（Detection of Hidden Collapse Column）

5.3 老空水探测（Detection of Water in Goaf）

5.4 本章小结（Summary）

6 结论

6.1 主要研究结论（Main Research Conclusions）

6.2 进一步研究方向（Further Research）

参考文献

作者简历

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