近年来,导水通道(岩溶陷落柱、断层、裂隙带、老窑井巷和采空区等)导致的煤矿水害事故频发,给安全生产和人民生命财产带来的损失极为惨重。因为导水通道通常埋深大尺度小,单一探查技术存在局限性,现有探测方法针对性不强、精度不高等原因,目前对导水通道的精细探测尚难以实现。精细探测要求既要对导水通道位置进行精确定位,又要对导水通道富水性进行准确判断。联合反演是地球物理方法的前沿研究方向,可以减少反演多解性,提高探测精度和分辨率。地震勘探空间分辨率高,瞬变电磁法对富水性敏感,研究建立适用于煤矿导水通道探测的联合反演方法,实现对导水通道的精细探测,可以为矿井水灾防控和突水抢险救灾提供科学技术支撑,具有重要的理论意义和应用价值。本文以导水陷落柱精细探测为例,在瞬变电磁场正演算法研究基础上,建立了基于瞬变电磁法(TransientElectromagneticMethod,TEM)(包括矿井TEM)和地震波阻抗的单向交叉梯度联合反演算法,通过模型算例和工程实例验证了联合反演效果。主要研究内容、方法和结论如下:(1)在前人研究基础上推导了半空间和全空间条件下3DTEM和1DTEM正演算法,提出了3DTEM正演双模型方法,编写了正演程序,为联合反演建立了正演基础,包括:①推导了无源和有源介质中3D瞬变电磁场方程及其有限差分离散格式,利用模型设置空气层的方法避免地面边界条件的特殊处理,利用等效为面电流源的回线源作为激励源,迭代计算一次场和二次场,实现了3DTEM正演计算。②基于1DTEM频率域响应公式,利用滤波系数法进行响应公式的数值计算,利用折线逼近法进行频率域响应值到时间域的转换,实现了1DTEM正演计算。③提出了3DTEM正演双模型方法,通过3D有限差分算法计算异常场,通过1D数字滤波算法计算背景场,然后叠加得到总场。模型计算结果表明双模型方法可以在保证计算精度的前提下有效减少模型网格数量,提高计算效率;在相同模型网格数量情况下,双模型方法相比有限差分方法具有更高的计算精度。(2)基于在后采样时刻视电阻率计算中考虑前采样时刻视电阻率计算结果,提出了“累积全区视电阻率计算法”,给出了具体计算公式和流程,可以为反演提供更精确的初始模型。基于线性空间理论推导了最小二乘反演算法。研究建立了半空间和全空间条件下的Pseudo-2DTEM反演算法,Pseudo-2DTEM反演基于2D电阻率模型和1D正演程序,既满足了交叉梯度联合反演算法对2D模型的要求,又实现了2DTEM快速反演计算。(3)通过理论分析和公式推导,提出了基于TEM(包括矿井TEM)和地震波阻抗的单向交叉梯度联合反演算法。提出的联合反演算法主要由Pseudo-2DTEM反演算法、地震波阻抗反演方法、单向交叉梯度联合反演算法和地震波阻抗模型的插值转换与聚类分割处理等技术组成。其中,通过去掉联合反演目标函数中的地震正演项,只在交叉梯度项中保留地震波阻抗模型参数,实现单向交叉梯度联合反演计算;通过对地震波阻抗模型进行双三次插值处理,实现地震波阻抗模型和电阻率模型之间的模型网格匹配;通过基于K-means算法的地震波阻抗模型聚类分割处理方法消除地震波阻抗模型中的次要结构变化,增加联合反演稳定性。提出的联合反演算法实现了TEM(包括矿井TEM)和多次覆盖反射地震数据的联合反演,相比传统联合反演方法主要应用于大尺度目标体探测或浅地表成像,提出的联合反演算法可以实现大深度小尺度目标体的精细探测。(4)以华北型石炭-二叠纪煤田为地质基础,建立了含导水陷落柱地质地球物理计算模型,分别进行了利用大定源TEM观测系统和多次覆盖地震观测系统的3DTEM和3D地震勘探正演计算。对模拟数据分别进行了TEM反演、波阻抗反演和联合反演计算,结果表明:①地震波阻抗反演结果具有较高的空间分辨率;②TEM反演结果地层的层状特征不明显,陷落柱形态模糊,边界难以识别,整体空间分辨率较低;③联合反演结果可以同时重建理论模型地层和陷落柱的形状和电性特征,对非中心位置测点的二次场畸变也有一定的压制作用,联合反演结果既可以有效识别地层界面和陷落柱边界,又能够反映陷落柱富水性,相比单独TEM反演结果探测精度显著提高。(5)通过理论分析、数值模拟和现场试验,推导建立了矿井TEM互感消除和大地二次场提取公式,为实测数据的联合反演奠定了基础。建立了煤层底板下30m含导水陷落柱的华北型煤田地质地球物理计算模型,进行了矿井TEM和地震勘探3D数值模拟计算。对模拟数据分别进行了TEM反演、波阻抗反演和联合反演计算,结果表明:①地震波阻抗反演结果对陷落柱具有较高的空间分辨率;②受体积效应影响,TEM反演结果难以确定陷落柱边界;③联合反演结果能够准确确定陷落柱的形状和位置,能够反映陷落柱的富水性,可以实现对导水陷落柱的精细探测。(6)结合工程实例对联合反演算法进行了验证和应用。在内蒙古鄂尔多斯市某煤矿开展了TEM现场探测试验,结合工区三维地震资料的精细数据处理结果,分别对实测数据进行了地震波阻抗反演、TEM反演和联合反演计算。联合反演结果表明陷落柱埋深约360m,形态上窄下宽,在6上号煤层(深度380m)水平直径约50m。联合反演结果与钻探结果吻合较好。单独TEM反演结果难以确定陷落柱的范围,联合反演结果既能确定陷落柱的位置和范围,又能够反映陷落柱的富水情况,达到了对导水陷落柱的精细探测。