时延电阻率层析成像方法研究及其应用

发布时间：2020-03-25 21:51

【摘要】：时延电阻率层析成像作为一种监测浅层地下发生的动态过程的新技术已经得到越来越广泛的应用,但此技术应用到煤矿井巷中的报道较为少见。本文综合应用数值模拟、物理模拟、巷道实体实验等方法与手段,对时延电阻率层析成像技术机理与技术进行了系统研究。论文的主要成果及创新点如下:(1)为应对井下空间狭小和动态开采的双重压力,通过将传统的二维观测系统改造为三维观测系统,并重新设计钻孔采样电极,研发出新的井下时延ERT观测系统,通过对时延ERT的各种装置形式进行对比实验分析,弄清了适用于井巷环境下的装置形式。(2)通过对单幅时延ERT图像正演计算,首先从ERT层析成像的基本数学原理出发推导出采用四面体单元时有限元法求解三维电阻率正演问题的计算过程,得到离散形式的泊松方程解,通过引入多重代数网格-共轭梯度预处理算法,降低了计算雅可比矩阵时间,满足了煤矿动态监测短时分析的要求,并且相对于电导率系数的跳跃具有高度鲁棒性,对于井巷环境这种三维复杂网格也具有更好的适应性,并在通过模型状态过程方程和观测模型构建起动态过程的滤波算法,对时延观测数据集进行计算得出了时延模型的状态估计。(3)基于煤系地层成层分布的地电断面特征,提出了一种新的时延3D精细反演和快速反演算法,用来对电阻率随时间的变化进行成像。通过预先估计地质体变化区域并分配适当的时间拉格朗日值,采用差分成像对所记录的数据进行初步分析,继而将4D-ATC反演方法应用于所有监测步骤记录的整个数据集,使得成像结果更关注预期变化的区域,以用来对电阻率随时间的变化进行成像。而井巷时延ERT快速算法通过聚类策略的引入在大幅度减少反演次数的同时,保持了成像的稳定性,有效地满足了煤矿安全监测对于快速的、可突出动态变化的定性、半定量和定量算法的需求,尤其是对于监测复杂,高度可变的目标来说尤为重要,因为这些区域中的异常随着时间的变化会被错误的认为是伪影。应用结果表明,时延电阻率层析成像技术能够探测巷道底板隐伏构造的导含水性以及与其他富水体的水力联系情况,施工方便快捷,适于实时追踪探测。
【图文】：

示意图,代数多重网格,预条件,示意图

具有明显的优势，其工作复杂度只与问题大小成线性关系并且不需要额外的几何信息。这里，共轭梯度法被用于选择的求解器，因为它具有对阵正定矩阵系统的最佳近似属性。在每次共轭梯度法迭代中，都可以将一个 V 周期的代数多重网格应用于A 矩阵。在井巷时延 ERT 应用中，求解的时间成本是我们最需要考虑的因素。为了说明预处理方案的效率，考虑在具有各向异性 =diag (1 ,2,3)和 10lzl 1 : 4的三维域上的简单测试问题。设定网格上的特征值为1P A ，且具有对称平滑的多重代数网格的一个 V 循环，重复实验。对于共轭梯度法，初始值为 0，当残留误差满足下式时终止迭代8 0 010T Ti ir r r r 根据计算，，只需要 10 次迭代的共轭梯度法-代数多重网格算法就可以将相对残留误差减少到 10-8。当网格被细化时，特征值不会扩散，迭代计数也不会增加。代数多重网格算法预处理的结果如图 2-1 所示。

断面图,时延,反演,电阻率

且在正确的位置上未显示出最大深度水平的变化。而在位于顶部和横向的异常成像相对良好（图 3-1c），此时时间拉格朗日值为 0.066，模型的反演成果范围（分别为 40 和 100 m 的垂直和水平范围值）更接近实际模型（分别为35 和 98 m）的范围。(a) 基础视电阻率断面图(b) TimeStep1-时延视电阻率断面图(c) TimeStep2-时延视电阻率断面图
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD76

【参考文献】