电磁波在煤层中的传播规律与全波形概率反演方法研究

发布时间：2017-10-08 09:19

  本文关键词：电磁波在煤层中的传播规律与全波形概率反演方法研究

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【摘要】：巷道电磁波层析成像技术是一种探测煤矿工作面内地质异常构造的矿井地球物理勘探方法。在井下有限观测方位下,目前仅利用透射电磁波的振幅衰减信息,其成像精度和准确度均难以满足煤矿生产需要。本文作为国家科技支撑计划项目“煤矿突水、火灾等重大事故防治关键技术与装备研发”(2013BAK06B00)的一部分,采用数值模拟和物理实验综合研究方法,从电磁波振幅和相位测量及全波形曲线观测出发,研究和分析了包括相位信息在内的成像敏感参数的传播规律,建立了全波形概率反演方法,提高了巷道电磁波层析成像法的反演精度。(1)通过正演模拟,基于虚实分量检测法原理研究了电磁波在煤层中传播时振幅和相位的分布变化规律,对比分析了电磁波振幅和相位参数在不同工况条件下对地质异常体的响应灵敏度。研究表明相位参数特征与煤层中小于菲涅尔半径的异常体边界有良好的对应关系,对垂直和平行巷道的复合异常体有良好的空间分辨能力,在推断解释断层及其组合关系方面具有良好的应用潜力。鉴于相位参数对低阻异常体反应灵敏的特性,将相位参数应用到巷道电磁波层析成像技术中。(2)利用联合迭代的线性反演方法,对振幅和相位参数分别进行了反演和重建。结果表明,相位参数较振幅参数对单个异常体有更加准确的横向定位,对多个地质构造并存的复合异常,透视异常的叠加效应也得到很好的压制。采用矢量网络分析仪和自行设计的宽角覆盖天线,进行了振幅衰减和相位延迟参数测量的室内物理模型实验,实测相位延迟曲线及其层析成像的结果验证了相位信息作为反演成像新参数予以利用的可行性和有效性。(3)基于相位参数在成像中的优势,为方便井下施工,提出了同时反映透射电磁波振幅和相位信息的全波形曲线观测方法,并在贝叶斯框架下,将后验概率分布作为全波形反演算法的目标解,利用地质统计学与蒙特卡罗模拟方法生成先验模型,通过先验模型的正演拟合波形和观测波形的似然概率函数与Metropolis准则构造了一个平稳分布与目标后验概率分布相同的马尔科夫链,获取了后验概率分布的样本。样本的统计信息提供了对全波形反演结果的可靠性的评估方法。在此基础上,采用Matlab开发平台,编制了电磁波全波形概率法层析成像反演计算程序,程序中利用先验概率分布描述问题模型,可充分融合各种来源的先验信息,降低反问题的多解性。另外,利用概率建模的方法改善了传统全波形反演方法对初始模型的依赖,降低了反演方法对噪声的敏感度,实现了介电常数和电导率模型的同步反演。(4)各种理论模型的反演成像结果表明:全波形反演方法充分考虑了电磁波传播过程中的绕射、散射等效应,有效改善了巷道电磁波层析成像方法的成像精度,显著提高了单个小于菲涅耳半径的小断层的反演精度和复合异常的空间分辨能力。
【关键词】：巷道电磁波 相位 地质统计建模 蒙特卡罗抽样 全波形概率反演
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD166;P631.325
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-22
• 变量注释表22-23
• 1 绪论23-29
• 1.1 论文研究背景及意义23-24
• 1.2 巷道电磁波透视技术的研究历史与现状24-26
• 1.3 研究内容与技术路线26-28
• 1.4 主要创新点28-29
• 2 巷道电磁波透视方法与理论基础29-47
• 2.1 巷道电磁波透视法原理29-33
• 2.2 电磁波在煤层波导中的传播规律33-39
• 2.3 电磁波数值模拟算法39-46
• 2.4 本章小结46-47
• 3 电磁波在煤层中的相位分布特征及反演结果分析47-72
• 3.1 模拟参数的选择47
• 3.2 模拟程序的准确性验证47-49
• 3.3 电磁波在煤层中的相位分布特征研究49-63
• 3.4 相位参数的观测与反演重建63-66
• 3.5 电磁波在煤层中的全波形响应特征66-70
• 3.6 本章小结70-72
• 4 电磁波相位观测物理模型实验72-86
• 4.1 物理相似性准则72
• 4.2 实验原理及天线设计72-77
• 4.3 相位参数的实验测量结果及分析77-82
• 4.4 巷道透视全波形观测系统设计82-85
• 4.5 本章小结85-86
• 5 基于全波形观测的巷道电磁波透视反演方法研究86-122
• 5.1 全波形概率反演的贝叶斯描述86-88
• 5.2 全波形反演的马尔科夫链蒙特卡洛抽样88-92
• 5.3 全波形概率反演的数据不确定性92-93
• 5.4 全波形概率反演算法流程及编程实现93-97
• 5.5 不同地质异常体模型的反演分析97-121
• 5.6 本章小结121-122
• 6 结论和展望122-124
• 参考文献124-131
• 作者简历131-133
• 学位论文数据集133

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 汤井田;任政勇;化希瑞;;地球物理学中的电磁场正演与反演[J];地球物理学进展;2007年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 吴俊军;跨孔雷达全波形层析成像反演方法的研究[D];吉林大学;2012年

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本文编号：993212