考虑激电效应和电磁效应的复电阻率法二维数值模拟研究

复电祖率实测数据是包含激电效应和电磁效应的影响,而传统的复电祖率法二维数值模拟只考虑激电效应会影响后续资料处理结果的精度,因此本文开展同时考虑激电效应和电磁效应的复电祖率法二维正演研究。本文正演是基于二次场满足的麦克斯韦方程组,通过傅里叶变换将其变换到波数域,结合有限单元法,引入Cole-Cole模型,形成正演矩阵方程,采用超松弛迭代双共轭梯度法求解该方程组可得波数域结果,再由反傅里叶变换将其转换至空间域,完成了正演研究。然后通过几个模型算例的计算验证了该算法的正确性,也为复电阻率法二维反演奠定了基础。     

矿井TEM与地震联合反演导水陷落柱的试验研究

陷落柱对煤矿安全生产威胁极大,矿井TEM和地震勘探是2种主要的导水陷落柱探查方法,矿井TEM对富水性敏感,地震勘探空间分辨率高,为了充分利用2种方法各自优势,提出了基于矿井TEM和地震联合反演的导水陷落柱精细探测方法。首先,提出了基于镜像2D电阻率模型和全空间1D TEM正演算法的矿井拟二维(Pseudo-2D) TEM反演算法。矿井Pseudo-2D TEM反演算法既满足交叉梯度联合反演算法对2D模型的需要,又具有较快的反演计算速度。然后,通过去掉常规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,建立了单向交叉梯度联合反演算法。在单向交叉梯度联合反演算法中,地震波阻抗模型只对TEM反演进行约束,电阻率模型不对地震反演进行约束,地震波阻抗反演可以通过商业软件完成,TEM反演采用矿井Pseudo-2D TEM反演算法。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。最后,建立了含导水陷落柱地质-地球物理模型,采用有限差分方法分别进行了3D矿井TEM和3D地震勘探正演计算,对正演模拟数据进行了单独反演和联合反演计算。结果表明:联合反演能够同时重建理论模型的形状和电性特征,联合反演结果不仅具有较高的空间分辨率,而且能够反映陷落柱的富水性,优于单独TEM和单独地震方法反演结果。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,基于矿井TEM和地震的单向交叉梯度联合反演方法可以实现大深度小尺度目标体的精细探测。     

三维井地电阻率法正演数值模拟研究

井地电阻率法主要是在井中供电地表测量电位值,并通过地表测量到的电位值计算得到地表视电阻率值反演地下异常体的各种性质(电阻率在地下的分布)。而正演是反演的基础,视电阻率三维正演的主要难点是用计算机编程实现三维数值模拟,其次是迭代算法的合理选择。本文主要研究以下几个方面:①从电法最基本的理论出发导出有限差分理论公式,通过计算机编程实现其算法,并通过大量理论模型计算理论值(解析解)对比数值解来验证算法的正确性;②使用不同迭代算法(高斯赛德尔迭代、超(低)松弛)比较迭代次数和计算时间。     

非线性高斯-牛顿反演法及其在层析成像中的应用研究

分析和讨论了非线性高斯-牛顿反演法的原理,阐述了基于图论的MOSER曲射线追踪的方法,给出了高斯-牛顿反演法在层析成像中的应用步骤.对两个典型的低速断层和高速岩脉构造进行了正演模拟和反演试算,结果表明,非线性高斯-牛顿方法只需迭代2～3次就可取得了较为满意的重建结果图像.     

综合物探方法在隐伏导水地质构造探测中的应用

为了准确预测煤层回采工作面地质构造及富水情况,基于矿井无线电波透视及瞬变电磁理论,对工作面中导含水隐伏地质构造进行无线电波曲线变化特征的正演模拟,探讨了无线电波透视探测导含水隐伏地质构造及随介质电阻率变化曲线特征,并在煤矿井下进行试验。研究得出,当隐伏地质构造含水且呈现低阻时,无线电波透视衰减曲线相对于透过高阻地质构造衰减幅度更大。回采工作面的采动变化会导致工作面内部形成新的导水裂隙带,因此结合无线电波透视技术和瞬变电磁技术,可以动态分析新的导含水地质构造的形成。经过在煤矿井下的试验验证,无线电波透视和瞬变电磁成果结合地质资料分析,可以相对准确判断工作面地质构造及富水区域的范围。     

无线电波探测瓦斯富集区理论与方法

为了准确预测煤层回采工作面瓦斯富集区情况,基于矿井无线电波透视理论,对瓦斯压力与无线电波透视曲线变化关系进行了物理试验,并根据井下回采工作面实际情况进行了煤层瓦斯富集区的无线电波曲线变化特征的正演模拟,探讨了无线电波透视探测瓦斯富集区的曲线特征,并在煤矿井下进行试验。研究得出,煤层瓦斯压力与无线电波透视衰减曲线呈现一致性变化,煤层瓦斯富集区的存在会造成无线电波坑透的异常区域,相对于正常煤层接收机接收值来说,煤层瓦斯富集区的异常曲线整体呈现接收值偏小,而且中间区域衰减的更大些,两边相对衰减的小些,形成一个“蝙蝠”形状。经过在煤矿井下的实验验证,无线电波透视成果结合地质资料分析,可以用来较为准确地划分煤与瓦斯突出危险区。     

张量CSAMT法二维建模正演的应用实践

可控源张量音频大地电磁法(Tensor controlled source audio-frequency magnetotelluric,TCSAMT)由于需要两个或两个以上的发射电偶极子,目前二维反演是基于天然场法原理,因此二维反演结果会含有一些不确定成分。结合某两个矿区实例,分别给出了TCSAMT二维建模正演结果,并与天然场法的二维反演结果进行了对比分析。研究表明:(1)依据地质勘探剖面建立地电断面的正演模型进行TCSAMT法二维视电阻率和阻抗相位正演,对于深部金属矿体均能获得低阻、高相位异常;(2)正演结果的视电阻率等值线断面图中深部矿体的异常特征与天然场法的二维反演结果较一致;(3)在目前TCSAMT法缺乏完善的二维反演计算软件的情况下,应用二维正演配合反演可对TCSAMT法资料进行更好的地质解译。     

基于改进粒子群算法的阵列侧向测井快速反演

电阻率是评价储层含烃饱和度的重要物理参数,电阻率参数的精确度对测井储层参数评价及油气资源勘探开发方案有重要影响。在电法测井中,由于视电阻率影响复杂,如围岩—层厚、井斜、泥浆侵入、井眼、仪器分辨率等因素都会使测量的电阻率值产生较大的误差,测量资料准确度不够高,因而对测量的视电阻率数值进行校正很有必要。通过对电阻率资料反演的方法来进行视电阻率的校正,合适的反演算法一般都是要满足反演效率和精度的诉求。由于反演过程中伴随着大量的正演计算,所以实时反演对反演算法收敛速度及正演计算效率要求较高。提出了一种高速有效的实时反演算法——自适应混沌粒子群反演算法,与基本粒子群算法、马奎特算法相比,该算法在寻优成功率、收敛速度、抗噪性等方面具备一定优势。在反演的过程中,将严格的正演计算用预先制作的阵列侧向测井伪几何因子表格进行替代,采用线性插值法直接调用,在保证计算精度的前提下进一步提高了反演速度。构建三参数反演模型,将反演结果与基于渗流—对流扩散二场耦合的动态泥浆侵入模拟结果进行对比,证明了快速反演算法的适用性及准确性,可用于井场阵列侧向测井资料的实时反演处理。     

基于Comsol仿真软件的大地电磁法拟二维反演研究

大地电磁法(MT)具有探测深度大、不受高阻屏蔽以及对低阻异常体敏感等优点,引起了众多学者对该方法的大量研究,尤其是正演数值模拟。该文借助Comsol Multiphysics有限元仿真软件,进行大地电磁二维正演研究,利用该软件构建所要研究的地电模型,将大地电磁正演计算公式转换成软件中某些特定的参数和变量,完成大地电磁TE、TM模式正演计算。在与ModEM软件进行正确性对比后,进一步采用Bositick法对正演数据进行了拟二维反演研究。     

高次插值有限元在大地电磁正演中的应用

大地电磁测深正演问题是反演和解释的基础，正演的精度决定了反演的准确性，在常规的有限单元计算中常用二次或三次插值函数来进行计算，较少使用高次插值，其主要原因是高次插值的形函数计算更复杂，而且一般情况下低次插值计算精度能满足要求，且计算量少。推导出了任意阶次插值有限元的形函数计算公式，并编程实现了基于高次插值有限元法的大地电磁测深一维正演，对2个模型进行了计算，并和解析法进行对比，验证了程序的正确性。由该算例应用得知，高次插值有限元能提升计算的精度。     

TEM探测低阻覆盖层下煤矿浅埋积水采空区

为了实现低阻覆盖层下浅埋积水采空区的瞬变电磁探测(TEM)，采用大发射回线可以增强信号，易穿透低阻覆盖层，提高其下部数据的信噪比，但会使浅埋积水采空区的反映信号主要集中在早期数据中，采用在反演过程中使用前次反演的最优正则化参数直接做为后次迭代的模型参数，并在迭代时控制步长的约束反演方法，可克服晚期视电阻率对早期信号分辨率低的弊端，实现对地层的电性分层与早期信号中积水采空区的空间定位。经建立K型地质模型正反演验算，以及经过钻探验证的实例表明：对瞬变电磁大磁矩数据进行约束反演，可以实现低阻覆盖层下浅埋积水采空区的定位探测。     

基于BFGS算法的概率积分模型的参数反演

概率积分模型是描述煤炭开采引起地表变形规律的重要数学模型,通常采用传统优化算法和智能优化算法,对概率积分模型中的未知参数进行反演,以确定明确的地表变形特征。为了更有效地反演概率积分模型中的未知参数,引入最优化方法,提出一种基于BFGS算法的概率积分模型中参数反演方法,该方法利用相邻两迭代点之间的位移和目标函数的一阶导数构建近似Hesse矩阵,然后确定牛顿方程产生的搜索方向,通过非精确线搜索完成迭代过程,从而获得参数的最优解。仿真实验结果表明:新算法能够有效反演出全部参数,且在不同的误差水平下,新算法的参数反演精度均明显高于模矢法(传统优化算法)和遗传算法(智能优化算法);同时,在不同的粗差水平和数据缺失情况下,新算法的参数反演精度仍明显优于其他两种算法,一定程度上说明了引入新算法进行概率积分模型中参数反演的可行性和优越性。工程实例中,反演结果和下沉值的拟合曲线图进一步验证了新算法的可靠性,但工程实例中拟合单位权中误差明显大于仿真实验,其主要原因是矿区较大的地表起伏造成较大的概率积分模型误差,进而影响参数反演的精度。因此,对于具体的工程案例,除了采用有效的参数反演方法,还需要根据实际情况制定合理的反演方案,以达到更好的参数反演效果。     

TEM探测低阻覆盖层下煤矿浅埋积水采空区

为了实现低阻覆盖层下浅埋积水采空区的瞬变电磁探测(TEM)，采用大发射回线可以增强信号，易穿透低阻覆盖层，提高其下部数据的信噪比，但会使浅埋积水采空区的反映信号主要集中在早期数据中，采用在反演过程中使用前次反演的最优正则化参数直接做为后次迭代的模型参数，并在迭代时控制步长的约束反演方法，可克服晚期视电阻率对早期信号分辨率低的弊端，实现对地层的电性分层与早期信号中积水采空区的空间定位。经建立K型地质模型正反演验算，以及经过钻探验证的实例表明：对瞬变电磁大磁矩数据进行约束反演，可以实现低阻覆盖层下浅埋积水采空区的定位探测。     

一维大地电磁贝叶斯反演研究

在目前地球物理反演领域中,解的多解性是固然存在的。贝叶斯反演理论利用物性参数的后验概率密度分布来表达解,并提取了最终迭代解、最大后验概率解和均值解,为表达反演结果的多解性提供了思路。其在地球物理反演中应用较为广泛,但显有文章讨论各参数对后验概率密度的影响。基于模拟退火算法实现一维大地电磁贝叶斯反演,并讨论相关参数变化对各参数后验概率分布的影响。模型实验表明:贝叶斯反演理论可实现大地电磁反演解的定量评价。除此,相关参数的选取对后验概率密度分布也具一定影响。     

基于煤矿应用的超高密度的正反演算法

超高密度电法具有数据信息量大和精度高的优点,已广泛应用于煤矿生产地质环境的安全管理方面。在正演分析中,采用有限单元法对所测区域进行网格化分析,然后求得一个极值方程,为反演的求解提供了条件。采用高斯牛顿法对其进行反演求解,在求解的过程中,对其不断迭代,最后找到一个最符合真实情况的地电模型。利用仿真和实际测量对其结果进行检验。     

多频无线电波透视技术在演马庄煤矿中的应用

无线电波透视在演马庄矿应用中,高频的1.5MHz对异常响应较明显,但衰减较快,低频的0.3MHz、0.5MHz衰减较慢,但对异常响应稍弱,3个频率的综合应用效果更佳。多频无线电波透视利用多频同步分时探测工艺,实现了3个频率的同时探测,降低了工作量,提高了工作效率。便于综合利用3个频率的探测成果研究回采工作面内部地质异常的发育情况,提高了解释精度,为煤矿安全生产提供了技术保障。     

基于露天边坡力学参数的位移反分析研究

针对黑岱沟露天煤矿岩土体物理力学性质复杂,节理、裂隙高度发育,岩体完整性较差,边坡力学参数难以确定的问题,基于现有的监测数据,确定出反演参数的范围,通过正交试验法建立样本数据,采用有限差分软件FLAC3D建立边坡模型,计算模拟位移值,将模拟数值与实测位移值进行比对,确定出目标反演参数的最优组合,将反演数据反馈于FLAC3D边坡模型中,通过正演分析,证明位移反分析法在边坡工程的可行性,为该矿参数的获取以及施工的进行提供预测与指导。     

量子遗传算法在地震资料寻优中的应用

量子遗传算法QGA以量子理论为基础,利用量子位编码代替经典遗传算法的二进制位编码,利用量子旋转门定向更新种群,使得算法具有一定的内在并行运算能力和量子的隧道效应,从而加快了搜索速度,改善了收敛速度,并具有更强的全局寻优能力。针对地球物理反演问题的非线性、多极值特点,将QGA引入一维反演中,根据实际参数的多少以及问题的复杂性确定种群的大小,通过种群的量子位编码表示,量子位测量得到对应的二进制值,继而得到相应的正演模型参数值,在计算种群拟合值和保留最优值后,再利用量子旋转门定向更新种群,最后进入下一轮搜索得到最优解。通过理论模型,突出表明了量子遗传算法在地震资料寻优中能快速寻出全局最优值的效果及收敛性较好、精度高的特点。     

短工作面陷落柱无线电波透视探测研究及应用

为了准确查明回采工作面的隐伏地质构造,采用无线电波探测基本理论和层析成像方法,结合霍尔辛赫回采工作面的构造特点,建立了典型陷落柱正演模型,并基于SIRT算法对模型进行反演,研究其综合曲线变化特征与衰减系数变化规律特征;结合霍尔辛赫实际探测资料,准确预测了工作面内的隐伏陷落柱。研究结果表明:在场强、测点编号曲线平面图中,在均匀煤层中,场强值呈上凸圆弧形中心对称分布;当电磁波穿透陷落柱时,场强值会以陷落柱为中心,呈"V"型下凹对称分布;在相对衰减系数成果图中,陷落柱形成的异常区呈条带状分布,陷落柱呈条带状分布,通过横向、纵向交叉准确定位异常;当工作面较短时,可优化观测系统,加密观测可提高无线电波透视探测的纵向分辨率。     

概率积分法参数反演的SAAFC模型

针对传统算法在概率积分法参数反演时无法获取全局最优解或收敛速率慢,以及基于生物遗传进化的智能寻优算法反演参数存在最优解非唯一的情况,为了更有效地进行概率积分法参数反演,引入新型群智能寻优方法,采用一种动态改变步长和视野的 SAAFC 算法预计概率积分法参数并与实际下沉值和水平移动值组合成目标函数,从而使参数反演问题转化为目标优化问题,建立了概率积分法参数反演的SAAFC模型。以朱集东矿1242（1）工作面为工程实例,根据该矿其它工作面岩移观测站实测数据解算的预计参数值给定反演参数初值范围,生成初始鱼群并模拟人工鱼的觅食、聚群、追尾和随机4种行为,设定试探次数上限并不断选择适应度最优的行为执行,直到获得全局最优参数或者达到迭代次数上限终止并输出参数值。利用模型反演所得参数预计地表下沉、水平移动、倾斜变形、曲率变形及水平变形,与5种实测变形拟合曲线进行对比,并计算预计下沉值的决定系数和泛化性能指标,综合评定模型的参数反演性能。比较预计下沉曲面与实测空间下沉曲线构建的实际下沉曲面轮廓,检验反演所得参数用于下沉预计的可行性。在地质采矿条件和解空间相同的条件下,利用AFC算法和LSM算法对该工作面的概率积分法参数进行反演,与所建模型进行对比,进一步验证模型的参数反演精度和收敛速率。结果表明：①模型反演参数预计地表下沉的决定系数为0.930 0,泛化性能指数为0.971 7,说明模型的参数反演可靠性较高;②模型反演所得概率积分法参数 预计的下沉曲面较贴近实测空间下沉曲线,拟合效果较好;③3种模型反演参数预计的下沉和水平移动空间拟合曲线中,SAAFC算法更加贴近实测曲线,AFC算法较LSM算法更加贴近实测曲线。SAAFC、AFC、LSM算法反演参数下沉预计中误差分别为32.958、67.857、74.288 mm,走向水平移动预计中误差分别为42.818、52.144、57.512 mm,倾向水平移动预计中误差分别为79.391、86.671、92.739 mm。总体上,SAAFC算法反演8个概率积分法参数的收敛速率较AFC算法和LSM算法更快,AFC算法相比LSM算法收敛速率略快些。