煤炭是我国主体能源,并在未来相当长的一段时间内仍将占据能源生产和消费结构的主导地位。随着开采深度日益加深,以煤矿突水为代表的动力灾害发生风险和频次随之增加,给煤矿安全高效生产带来了巨大威胁。致灾机理认识不清、灾源识别不明及探测有效性不足是导致突水事故仍然频发的主要原因。因此,创新探测方法,进而提高灾害水源精准探测和早期识别能力,对提高矿井水害防治水平意义重大。目前,核磁共振方法是唯一直接找水的地球物理方法,相比常规电磁法而言,具有可以定量解释地下含水量信息的优势。其中,地巷核磁共振（即发射线圈在地面、接收线圈在巷道中的核磁共振探测方式）方法是近几年提出的新型探测方式,该方法可以突破传统核磁共振法探测边界,增强核磁共振激发能力和地质信息捕获能力。但现阶段地巷核磁共振法仍处于起步时期,存在正反演理论体系不完善、复杂含水构造响应特征尚未明晰等诸多问题,极大限制了该方法在工程现场的应用。针对以上不足,本文紧密围绕地巷核磁共振方法探测煤矿致灾含水构造的实际工程需求,采用理论分析和数值模拟相结合的研究手段,对该问题开展了性能分析、优化方式、响应规律、正反演方法等方面的研究。主要研究内容和成果有:1.地巷核磁共振三维正演方法的改进与完善。正演是研究煤矿含水构造响应的基础,也是开展反演研究的前提。本文基于核磁共振分离线圈理论和磁场总场有限元方法,实现了地巷核磁共振三维正演。该方法能自由定义模型和线圈的参数,从而计算任意三维地质体的多分量地巷核磁共振信号,为研究响应规律和反演方法奠定了基础。2.地巷核磁共振探测能力的研究与分析。为了实现对目标含水体的有效探测,需要了解地巷核磁共振的探测范围和分辨率。本文建立了若干含水层深度递减的模型,以GMR仪器的功率作为发射参数,计算了在不同深度接收到的信号最大初始振幅。与地面核磁共振响应的比较表明,地巷核磁共振方法的探测深度增加了93.33%以上,在地下100 m处的垂直分辨率有8.32%～12.31%的提高。3.地巷核磁共振观测方法的设计与优化。由于矿井巷道的空间限制,接收线圈的尺寸必须被缩小,这导致了信噪比的降低。本文根据巷道的几何特征设计了井下接收线圈,计算了不同参数线圈的地巷核磁共振响应。计算结果表明,信号的振幅与接收线圈面积成正比,且改变线圈朝向可能增加信号强度或者减少探测目标体所需的脉冲矩。基于上述结论,提出了井下接收线圈的2种优化方法:（1）使用“长短边线圈”接收,即增加接收线圈沿巷道走向方向的边长;（2）进行多分量探测,即改变接收线圈的朝向来接收信号。4.煤矿含水体地巷核磁共振信号的响应规律研究。本文根据几种煤矿典型含水构造的特征建立模型,计算了其三分量信号响应,比较了离层水动态演化过程中响应特征的变化。计算结果表明,地巷核磁共振信号反映了含水体的空间位置和几何结构,分析其响应特征有助于判断煤矿含水构造的类型。比较结果表明,地巷核磁共振信号可以有效区分不同发育阶段的离层水构造,使用核磁共振方法动态监测煤矿的含水构造具有可行性。5.地巷核磁共振反演方法的实现。本文分别基于Occam算法和深度学习方法,实现了含水量和2T*弛豫时间的定量解释,还通过深度学习实现了地面-地巷核磁共振联合反演。反演结果表明,深度学习方法在测试模型上的平均RMSE误差为0.2057,相比Occam反演,深度学习反演的分辨率也更高。联合反演方法进一步提高了预测的准确性,相比地面和地巷核磁共振单独反演,在验证集上的RMSE误差分别下降了1.03%和27.52%。论文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分析了地巷核磁共振的探测能力,总结了煤矿典型含水体核磁共振的信号响应规律,提出了相应的观测方法,同时实现了地巷核磁共振的反演解释,为地巷核磁共振探测理论研究、方法技术发展、仪器设备开发与应用推广奠定了基础。