基于多场联合反演的矿井巷道掘进超前预测含水构造研究

矿井突水是矿井重大动力学灾害之一，其中巷道掘进突水在我国矿井防治水中尤其突出，严重威胁矿井的安全生产，而准确预测巷道掘进前方含水构造是目前矿井水害防治中重要课题和难题，因此，进行巷道掘进超前预测含水构造及含水体研究对于保障矿山安全生产具有重要的理论意义和现实意义。本项目主要利用数值计算、物理模拟、现场试验等多途径、多方法进行研究，解决巷道掘进超前预测含水构造相关基础科学问题。建立层状地层地质体的数值模型和物理模型，进行多场（地震波场和电场）数值计算和物理模拟，研究全空间条件下巷道前方存在不同地质异常体的地球物理场（以波场、电场为主）响应特征，以地震波场为几何控制参数、以地层电阻率及波场动力学参数为物性参量进行联合反演，研究数据采集、数据处理、物理场信息识别方法，实现巷道前方地质异常体的精确定位和含水性质确定，为建立矿井巷道掘进高效精细超前探测和突水预报奠定理论基础。

矿井突水是矿井重大动力学灾害之一，其中巷道掘进突水在我国矿井防治水中尤其突出，严重威胁矿井的安全生产，而准确预测巷道掘进前方含水构造是目前矿井水害防治中重要课题和难题，因此，进行巷道掘进超前预测含水构造及含水体研究对于保障矿山安全生产具有重要的理论意义和现实意义。.本项目主要利用理论分析、数值计算、物理模拟、现场试验等多途径、多方法进行研究，解决巷道掘进超前预测含水构造相关基础科学问题。建立了多组层状地层地质体的数值模型和物理模型，进行了多场（地震波场和电场）数值计算和物理模拟，得到全空间条件下巷道前方存在不同地质异常体的地球物理场（以波场、电场为主）响应特征，进行了不同物理场的物性参量的反演成像和多场联合反演，提出数据采集、数据处理、物理场信息识别方法，实现巷道前方地质异常体的精确定位和含水性质确定。.在矿井巷道前方构造地震超前探测方面，创造性提出了利用槽波进行超前探测的方法，进行了理论分析。推导了黏弹性VTI介质的频率-空间域准Ｐ波波动方程，实现了频率空间域的正演模拟。进行了二维煤巷槽波超前探测数值模拟，对槽波绕射有了新认识，同时对常规的TRSP超前探测方法的不足进行了理论分析验证。开发了矿井巷道地震波全波场三维数值模拟系统，通过三维煤巷槽波超前探测数值模拟，进行探测方法研究，得到在煤层中激发的SV型槽波反射波对煤巷工作面前方的构造反映最为灵敏，Y分量接收效果最好。.探讨了巷道含水构造超前探测7电极系测量系统的原理，提出了巷道掘进中电法超前探测的数据采集、处理和异常识别方法等，通过现场试验确定了相应的超前探测技术。研究了瞬变电磁法的波场变换及偏移成像，提出了矿井瞬变超前探测的拟地震解释方法。根据合成孔径雷达中合成孔径的思想，提出了矿井瞬变电磁波场变换数据合成孔径成像方法，以突出弱异常而提高分辨率。.提出了以瞬变电磁响应对数与直流电法视电阻率比值作为联合反演参数的最小二乘联合反演方法，研究表明，联合反演既解决了直流电法单独反演时的等值现象，又克服了瞬变电磁单独反演时对高阻体的不敏感性，对异常体的电阻率和厚度的反演效果改善最明显，反演效果好于任何单一反演效果。.本项研究成果为建立矿井巷道掘进高效精细超前探测和突水预报奠定理论基础。