不等式约束的电阻率三维层析成像技术在采空区探测中研究与应用
煤炭在当下我国能源结构中仍有重要作用，煤炭采出后形成采空区，对人民经济财产和生命安全具有重大安全隐患。陕北煤矿基岩厚度较薄、煤层采厚大、煤层埋深浅等原因导致采空区对地面影响大，地表变形较剧烈，在陕北矿区寻求一种能够圈定采空区水平赋存范围及纵向埋深位置的技术方法成为广大科研工作者的研究重点。目前对采空区主流探测方法是二维探测，存在明显不足，无法实现采空区三维空间分布研究。本文通过数值模拟对选定区域进行电阻率三维层析成像技术探测采空区域进行研究，以期望为陕北采空区三维空间分布研究提供一种可靠方法，为采空区研究开拓思路，拓展三维电法的应用范围。 在查阅大量文献的基础上，本文对电阻率三维层析成像技术基本原理与采空区形成机理上做了简要介绍。在此基础上，结合工区实际地质条件设计相应模型，利用Res2DMOD、Res3DMOD、Res2DINV、Res3DINV等软件，进行数值模拟研究，优选出适合工区实际的数据采集装置、数据采集方式和反演方法，得出一条适用于陕北矿区采空区三维空间分布研究的技术方法和研究路线。最后将该技术方法进行工程实际应用，将其结果与转孔资料结果相对比，验证该方法的正确性和实用性。 经研究得出如下结论： （1）有限单元法正演精度略高与有限差分法，两者精度都高于解析法。有限差分法、有限单元法与解析法计算值相比在距离异常体较远处相似性强、逼近程度高，在异常体上数值存在一定差异，相差约3%-5%。有限差分法计算值稍小于有限单元法计算值，两者误差在0.8%以内，计算结果误差较小，趋同性强，带入反演后，有限单元法反演均方误差前期较有限差法下降较快，末期终值均方误差较有限差法稍小，约为0-0.01%，相差极小，有限单元法作精度略高。 （2）二级装置探测深度较温纳装置和三极装置深，采集数据全，更适合采空区三维探测。由于探测深度取决于供电电极间距，含无穷远电极的二极与三极装置探测深度较深，二极装置探测深度最深，数据采集得更全面。 （3）十字形数据采集方式采集数据量较少、耗时较短，但反演效果稍差，全数据采集方式数据采集量大、耗时长，反演效果稍好。两种数据采集方式对模型主要特征反映基本清晰，在细节反映效果方面全数据采集方式效果更好。 （4）不等式约束最小二乘法反演效果优于传统最小二乘法。前者反演时间更短，均方误差更小，迭代次数更少，并且异常体值更接近模型设置数值，反演效果更好，整体反映与模型设置更接近。 （5）通过电阻率三位层析成像技术反演结果图推断采空区含水性及其分布范围和形态与钻孔资料结果相一致，表明不等式约束的电阻率三维层析技术能有效运用于采空区探测的研究。 （6）该研究开拓了采空区研究思路，拓展了三维电法的应用范围，提供了通过数据模拟指导类似实际工程的思路和参照。
煤炭开采;采空区探测;电阻率三维层析成像;不等式约束
西藏大学
硕士
地质资源与地质工程
吴华
2023
中文
TD823
2023-09-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）