【摘要】：我國的能源結(jié)構(gòu)決定了其對煤炭資源的依賴性。隨著煤礦開采范圍和開采深度的不斷增加,所留下的采空區(qū)常有大量的積水,極易造成突水災害。為了避免此類安全事故的發(fā)生,尋求探查此類復雜采空區(qū)精確位置及富水性的方法具有重要意義。目前,探查煤礦災害水源的礦井地球物理方法主要有礦井直流電阻率法和礦井瞬變電磁法,其中礦井瞬變電磁法以其施工便捷、工作效率高和對低阻體反映靈敏等特點被廣泛應用于煤礦災害水源的探查。本文通過對煤系地層中發(fā)育的單層低阻采空區(qū)、高阻采空區(qū)及多層采空區(qū)等不同地電模型的瞬變電磁物理模擬實驗和正演數(shù)值模擬計算,分析了不同條件下的復雜采空區(qū)的瞬變電磁響應特征。由實驗和數(shù)值模擬結(jié)果可知,高阻圍巖中的單層低阻(積水)采空區(qū)情況下,瞬變電磁法信號反應靈敏;而高阻(充氣)單層采空區(qū)情況下,信號反應不靈敏,且探測采空區(qū)位置準確性還存在一定誤差;多層采空區(qū)情況下,兩煤層中間層厚度大小與其感應電動勢大小成正比關系,并通過數(shù)值模擬方法研究了上組煤層和下組煤層在含水及不含水等多種復雜情況下瞬變電磁響應特征。對多層采空復雜區(qū)響應結(jié)果分析可知,復雜采空區(qū)存在的情況下,會對瞬變電磁法探測的分辨率造成不利影響,減弱瞬變電磁法的探測能力。為了克服這種不利影響,須對瞬變電磁解釋方法進行針對性改進�；谏鲜鲈蛟跀�(shù)據(jù)解釋的同時需要提出一種新的算法消除復雜采空區(qū)對瞬變電磁精度的影響。針對復雜煤層采空區(qū)的屏蔽影響,本文提出了改進阻尼最小二乘法反演方法完成了瞬變電磁數(shù)據(jù)擬合。具體研究內(nèi)容如下:在利用“煙圈”成像反演得出的電阻率剖面作為阻尼最小二乘反演初始模型的基礎上,對實測數(shù)據(jù)進行晚期視電阻率轉(zhuǎn)化,以晚期視電阻率相對誤差作為收斂標準,推導了迭代方程,實現(xiàn)瞬變電磁數(shù)據(jù)擬合,并提出了阻尼因子修正方法、設定了參數(shù)上、下界,在保證收斂良好的情況下,完成了阻尼最小二乘法擬合,使迭代參數(shù)達到最大步長,提度和精度高了反演算法的運算速。通過對復雜采空區(qū)的的正反演理論的研究,結(jié)合煤層復雜采空區(qū)探測實例,證明所得結(jié)論正確性。驗證了改進阻尼最小二乘法擬合的實用性與精確性。進一步表明瞬變電磁法對煤礦復雜采空區(qū)的探測具有良好的效果。
[Abstract]:China's energy structure determines its dependence on coal resources. With the increasing mining scope and depth of coal mine, there is often a large amount of water in goaf, which is easy to cause water inrush disaster. In order to avoid the occurrence of such safety accidents, it is of great significance to find out the exact location and water-rich property of this kind of complex goaf. At present, the main geophysical methods to explore the water source of coal mine disasters are the mine DC resistance method and the mine transient electromagnetic method, in which the mine transient electromagnetic method is convenient for its construction. The characteristics of high working efficiency and sensitivity to low resistance are widely used in the exploration of coal mine disaster water sources. In this paper, the transient electromagnetic physical simulation experiment and forward numerical simulation of different geoelectric models, such as single layer low resistivity goaf, high resistivity goaf and multi-layer goaf, developed in coal measure strata, are carried out. The transient electromagnetic response characteristics of complex goaf under different conditions are analyzed. The results of experiment and numerical simulation show that the transient electromagnetic method is sensitive to the single-layer and low-resistivity goaf in the surrounding rock with high resistance. In the case of high resistance (inflatable) single-layer goaf, the signal response is not sensitive, and there is some error in detecting the accuracy of goaf position. In the case of multi-layer goaf, the thickness of the middle layer of the two coal layers is proportional to the size of the induction electromotive force (EMF). Through numerical simulation, the transient electromagnetic response characteristics of upper and lower coal seams are studied under various complicated conditions, such as water-bearing and non-water-bearing. By analyzing the response results of multi-layer goaf complex area, it can be seen that the presence of complex goaf will adversely affect the detection resolution of transient electromagnetic method, and weaken the detection ability of transient electromagnetic method. In order to overcome this adverse effect, the method of transient electromagnetic interpretation must be improved. Based on the above-mentioned reasons, a new algorithm is proposed to eliminate the influence of complex goaf on the transient electromagnetic accuracy while interpreting the data. In view of the shielding effect of goaf in complex coal seam, this paper presents an improved damping least squares inversion method to complete transient electromagnetic data fitting. The specific research contents are as follows: based on the initial model of damping least squares inversion, the resistivity profile obtained from smoke ring imaging inversion is used to transform the measured data into late apparent resistivity. Taking the relative error of late apparent resistivity as the convergence criterion, the iterative equation is derived to fit the transient electromagnetic data, and the correction method of damping factor is put forward. The upper and lower bounds of the parameters are set. Under the condition of good convergence, the upper and lower bounds of the parameters are set. The damping least square fitting is completed, and the iterative parameters reach the maximum step size, and the lifting degree and precision are higher than that of the inversion algorithm. Through the study of the theory of forward and inversion of complex goaf and combined with the detection example of complex goaf in coal seam, the conclusion is proved to be correct. The practicability and accuracy of the improved damping least squares fitting are verified. It is further shown that the transient electromagnetic method has a good effect on the detection of complex goaf in coal mine.
【學位授予單位】：河南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P631.325;TD325.3

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