煤矿采掘工作面多场联合探测技术及突水灾害源预报研究

课题根据煤矿水害事故及当前主要水害隐患，在系统收集和整理煤田地质、矿井地质、水文地质资料的基础上，以煤矿采掘工作面突水灾害为研究背景，综合运用理论分析、数值模拟和多场联合物探技术相结合的方法，对渗流-应力耦合作用下的突水机理进行分析，采用直流电法、电磁法和多波地震法为主要手段，开展多场联合探测技术的有效性研究，研究数据的综合处理与融合技术，确定多场联合探测技术体系，提高对异常体的空间分辨力，提高巷道掘进速度和安全系数。

第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 煤矿异常体综合探测技术研究进展 2
1.2.1 地球物理勘探技术研究进展 2
1.2.2 综合物探技术研究进展 7
1.3 主要研究内容与技术路线 8
1.3.1 研究目标 8
1.3.2 主要研究内容 8
1.3.3 技术路线 10
1.3.4 拟解决的关键问题 11
第2章 矿井直流点电源全空间电场条件下异常体响应特征 12
2.1 矿井直流电法超前探测原理 12
2.2 矿井直流电法超前探测影响因素数值模拟分析 15
2.2.1 各向同性均匀介质全空间电场模拟分析 17
2.2.2 巷道开挖影响模拟分析 19
2.2.3 非均匀介质全空间电场模拟分析 21
2.2.4 巷道前方高阻异常体对电场影响模拟分析 24
2.2.5 巷道前方低阻异常体对电场影响模拟分析 27
2.2.6 全空间电场分布影响因素及异常体响应特征综合分析 29
2.3 矿井直流电法超前探测实例分析 31
2.3.1 进风石门迎头直流电法超前探测分析 31
2.3.2 轨道顺槽直流电法超前探测分析 32
第3章 高密度电法不同装置下异常体响应特征 33
3.1 高密度电法正、反演基本原理 34
3.1.1 二维高密度电法正演原理 34
3.1.2 高密度电法最小二乘法反演原理 35
3.2 二维高密度电法不同装置条件下异常体探测模拟分析 35
3.2.1 地电模型设计 35
3.2.2 正演模拟结果对比分析 37
3.2.3 反演模拟结果对比分析 37
3.2.4 不同装置的灵敏度、分辨率及勘探深度分析 39
3.3 高密度电法不同装置水槽试验对比分析 39
3.3.1 水槽试验装置设计 40
3.3.2 数据解译与对比分析 40
3.4 矿井工作面底板电法勘探效果分析 42
3.4.1 井下探测方案设计 42
3.4.2 电法资料分析与解释 43
3.4.3 电法探测结果综合分析 46
第4章 地质异常体瞬变电磁法(TEM)响应特征 48
4.1 瞬变电磁法基本原理 48
4.2 地质异常体全空间瞬变电磁场响应模拟分析 51
4.2.1 瞬变电磁法有限元模拟基本理论 51
4.2.2 共轴装置异常体响应模拟分析 53
4.2.3 共轴装置不同类型异常体响应对比分析 57
4.2.4 共面装置不同类型异常体响应对比分析 63
4.3 瞬变电磁法关断效应与试验分析 68
4.3.1 试验区地质特征与试验参数选择 70
4.3.2 电流关断过程中一次场、二次场变化规律 71
4.3.3 电流关断后纯二次场变化规律 73
4.4 不同装置条件下地质异常体响应特征探测分析 76
4.4.1 共轴装置异常体探测分析 76
4.4.2 共面装置异常体探测分析 82
4.4.3 大定源装置异常体探测分析 85
第5章 地质异常体频率域电磁法(FEM)响应特征 90
5.1 CSAMT基本原理 92
5.1.1 卡尼亚视电阻率计算公式 92
5.1.2 视相位计算公式 92
5.1.3 CSAMT探测深度 93
5.2 CSAMT二维有限单元正演模拟 93
5.2.1 CSAMT二维有限单元正演模拟基本原理 93
5.2.2 断层模拟分析 96
5.2.3 含水陷落柱模拟分析 99
5.2.4 含水采空区模拟分析 101
5.2.5 高阻采空区模拟分析 103
5.3 可控源音频大地电磁法勘查实例 105
第6章 地质异常体高频电磁波场响应特征 107
6.1 探地雷达工作原理 107
6.2 煤矿井下常见介质的介电特性分析 109
6.3 雷达高频电磁波在煤岩巷中传播的衰减机理 111
6.4 探地雷达正演模拟基本原理 112
6.5 煤矿井下构造探地雷达正演模拟 113
6.5.1 地电模型设计 113
6.5.2 高阻采空区模拟分析 115
6.5.3 低阻采空区模拟分析 116
6.5.4 地堑模拟分析 117
6.5.5 地垒模拟分析 117
6.6 探地雷达异常体探测分析 118
第7章 异常体地震波场响应数值模拟与实践分析 120
7.1 地质异常体地震波场正演模拟 120
7.1.1 地震波正演模拟有限差分方法 121
7.1.2 异常体地震波场正演模拟分析 123
7.2 浅层三维地震勘探与异常体响应分析 129
7.2.1 测区地质概况 129
7.2.2 三维地震资料处理的关键技术 130
7.2.3 层位对比分析与解释 140
7.2.4 煤层厚度趋势解释 143
7.2.5 断层响应特征与解释 145
7.2.6 采空区响应特征与解释 149
7.2.7 岩溶及陷落柱响应特征与解释 149
7.3 井下多波多分量地震勘探与异常响应分析 152
7.3.1 矿井多波地震勘探原理 153
7.3.2 煤层风氧化带多波地震探测分析 155
第8章 异常体多场联合探测技术体系与实践分析 162
8.1 煤田地球物理勘探技术及分析 162
8.2 煤田物探技术的适用性 163
8.3 异常体多场联合探测技术体系 166
8.4 煤田地质多场联合探测技术实践分析 169
8.4.1 工作面突水注浆效果综合物探检测 169
8.4.2 回采工作面底板富水性综合探测 186
8.4.3 掘进工作面多场联合探测实例分析 196
参考文献 199
附录 209