电磁法在煤矿水害隐患探测方面的综述

煤矿水害是安全生产的重大隐患,如何精准探测隐蔽致灾体是解决这些隐患的前提。电磁法对低阻体反映灵敏,方法类型多样,适应性强,是探测富水致灾体的有效方法之一。传统的地面电磁方法包括可控源音频大地电磁法和回线源瞬变电磁法,在煤矿隐蔽致灾体探测方面发挥了重要作用。随着新技术的不断发展,近源电磁勘探方法得到了快速发展,包括广域电磁法和短偏移距瞬变电磁法,提高了勘探效率和信噪比,拓宽了观测区域。地空电磁法是新发展起来一种大功率快速勘探方式,具备航空电磁法快速采集和地面电磁法大功率发射两个优势,特别适合于复杂地形条件的煤矿灾害隐患探测。分析了煤矿典型致灾体的形成机理、时空分布及物性特征,其中,隐蔽型导水构造是造成煤矿安全隐患的重要因素,需要重点关注;回顾了各种电磁方法的主要特征、适用性以及在煤矿水害探测中的应用现状,总结了不同方法的技术参数和观测模式等,为相关技术人员从事煤矿灾害隐患探测提供了参考;最后对煤矿电磁法发展进行了展望:广域电磁法和短偏移距瞬变电磁法等近源电磁勘探方法将会在煤矿勘探中进一步扩大应用;三维反演技术和基于深度学习的神经网络反演算法等将是未来电磁法的主要发展方向;地空电磁勘探会快速发展,有取代传统地面电磁法勘探的趋势。

基于STAR-CCM+的30000 t散货船水阻力计算

考虑到船舶数值模拟过程中的不同的计算策略对于船舶阻力精确度影响不同,对STAR CCM+软件仿真过程中影响较大的几种影响因素进行对比分析,探讨了30 000 t散货船在不同计算区域、网格密度以及湍流模型等条件下船舶阻力的变化情况。结果表明,相比减少网格基础尺寸,适当的增加计算区域,可以在保证计算精度的情况下,减少计算时长,推荐采用SST K-Omega湍流模型进行仿真计算。提出的计算策略仿真误差在5%以内,满足实际的工程设计需要,是一种较为可靠的船舶阻力数值模拟方法,可为今后散货船静水阻力数值计算提供参考。

基于曲波变换的航空瞬变电磁去噪

噪声干扰严重影响着航空瞬变电磁的数据处理和成像解释,如何有效去噪成为航空瞬变电磁研究的重要内容。根据航空瞬变电磁噪声特点,结合曲波变换多尺度性,采用第二代快速离散曲波变换(FDCT),对航空瞬变电磁实测数据进行重构和去噪。首先建立带有异常体的三维理论模型,采用直接时间域瞬变电磁三维模拟程序进行正演;然后对理论电磁响应数据添加3种不同噪声(随机噪声、方波噪声、工业噪声),通过曲波变换和重构,生成不同尺度的图像,低尺度反映大的背景场,高尺度反映局部细节或者高频噪声。通过信噪比和相对误差等参数,对重构后的数据进行去噪效果评估。最后将该方法应用到航空瞬变电磁实测数据中,并与其他3种传统去噪方法(中值滤波、奇异值分解、小波变换)进行对比。结果表明:对于含有随机噪声和工业噪声的原始数据,去噪后的相对误差在2.6%以下;对于含有方波噪声的原始数据,去噪后的相对误差在6.5%以下,信噪比也高于传统去噪方法,证明第二代曲波变换可应用于航空瞬变电磁的数据去噪处理。

基于电场矢量波动方程的三维可控源电磁法有限单元法数值模拟

从可控源电磁法的基本原理出发,推导了基于电场矢量波动方程的三维边值问题,利用广义变分原理,把边值问题转换为变分问题,并引入散度条件,避免了伪解的出现,使有限元计算在理论上更加完备.在准静态近似条件下,把水平电偶极子在空中和大地的远区电场闭合表达式作为有限元计算中的区域外边界条件,解决了边界条件加载的困难;把应用于地震模拟中的伪delta函数引入到可控源电磁法中的三维有限元模拟中,消除了源点的奇异性,提高了方程组的稳定性.通过对均匀大地和层状介质模型的模拟,检验了程序的正确性,并对典型的地质体模型进行了数值模拟,分析了其变化规律.

等值反磁通瞬变电磁在隧道超前地质预报中的解释方法研究与应用

瞬变电磁法具有对低阻体反应灵敏的特点,在探测隧道掌子面前方含水或充泥断层、破碎带等低阻不良地质体上具有独特的优势。这里首先简单介绍了等值反磁通瞬变电磁法的原理及特点,然后通过对隧道全空间域高低阻模型一维正演曲线响应特征、视电阻率及视纵向电导曲线的解释特点和效果进行较为全面地分析研究,提出并分析了视电阻率等值线图与视纵向电导断面图联合解释方法。最后通过两个应用案例,总结出等值反磁通瞬变电磁在隧道超前地质预报成果解释中的一些特点和规律。结论表明,等值反磁通瞬变电磁方法适用于隧道超前质预报工作,能够有效提高预报成果的精度及准确度。

基于二次插值的线源可控源有限元数值模拟

在准静态近似条件下,采用矩形网格单元和双二次函数插值就频率域二维线源边值问题进行了有限元数值模拟。在二维地电条件下,给出了边值问题和变分问题,并通过有限单元法对模型进行单元剖分、插值、积分和整体合成,最后通过求解复系数方程组得到了地表视电阻率响应。引入伪delta函数模拟线源,消弱了源带来的奇异性。通过与均匀大地以及层状介质模型的解析解对比,平均相对误差分别为0.71%和1.12%。建立了两个异常体模型,数值模拟表明异常响应比较明显,为进一步实现三维可控源电磁法有限元数值模拟提供了基础。

基于人工神经网络的瞬变电磁成像方法

瞬变电磁法(transient electromagnetic method,TEM)目前常用的解释方法是采用全区视电阻率参数,其涉及的公式复杂,迭代过程繁琐耗时。本文分析TEM数据特征,引入人工神经网络(ANN),实现了瞬变电磁拟电阻率成像。设计多隐层BP神经网络,利用瞬变电磁解析方法计算出响应幅值,作为拟电阻率的映射参数参与网络训练,再使用训练集外的新数据来测试训练后的网络。构建了均匀半空间、一维层状模型,验证神经网络的正确性和适应性,对三维地电模型进行了成像。结果表明:神经网络计算的拟电阻率能够反映出地电模型的目标体异常,网络成像结果准确度较高。最后,利用神经网络算法处理实测数据,进一步说明神经网络成像可以作为资料解释的依据。该研究证明了人工神经网络在瞬变电磁成像上的可行性,为瞬变电磁成像提供了一种新的思路。

基于预处理共轭梯度的大地电磁快速正演

针对大地电磁法有限元模拟中计算量大的特点,采用按行压缩存储方式的不完全LDLT预处理共轭梯度法快速求解大型复系数方程组。引入不完全LDLT预处理,提出快速求解(LDLT)-1r的方法,以加快预处理共轭梯度法的收敛速度。研究结果表明:当网格节点自由度超过1万时,压缩率达到99.9%,求解方程组时间在1 s以内,为进一步快速反演奠定了基础。

起伏地形电偶源2.5维有限元数值模拟

地形的起伏严重影响着电磁场分布,在实际资料处理中,研究地形起伏对电磁场的畸变规律可使电磁勘探解释更加准确可信。采用任意四边形网格剖分求解区域,实现起伏地形2.5维电偶源有限元正演算法,推导波数域电磁场耦合微分方程,通过基于等参单元的双二次插值将连续函数的微分离散化;采用一维非零元素紧缩存储,利用大规模稀疏矩阵并行求解器PARDISO求解,得到电偶源激发下二维地电断面的波数域电磁场响应。然后通过选取适当的波数进行傅里叶反变换,获取空间域电磁场响应,对正演中的关键问题,如波数的选择、场源参数的选取以及辅助场的计算等进行了分析和研究,为提高正演计算的精度和速度提供了理论保证。验证该算法的正确性和高效性,分别对山丘和山谷等典型地形进行了数值计算,分析起伏地形的电磁场响应规律。

有限元模拟中边界条件对计算结果的影响

本文从总电位法和异常电位法两个方面,分别就直流电法有限元中所采用的三类边界条件对计算结果的影响进行了分析,为采用合适的边界条件及选取最佳边界距离来提高正演精度提供了基础.结果表明,混合边界条件精度最高,可大大缩小求解区域而不影响计算精度,其次是Dirichlet边界条件精度较高,但测点越靠边界误差会越大,必须取足够大的边界区域,齐次边界条件的误差比较大,但如果采用非二极装置,通过电位差计算得到的视电阻率,由于无穷远边界对电位差的影响基本消除,视电阻率计算误差与混合边界条件下的接近,在反演中,为了节省计算时间,经常使用齐次边界条件进行有限元正演.

直流聚焦超前探测影响因素及水槽模拟实验

采用基于异常电位法的三维有限元数值模拟方法,对影响直流聚焦超前探测效果的各种因素进行了数值计算,以异常幅度大于三倍均方误差为标准,对各种影响因素是否忽略进行了判定。结果表明,距离隧道轴线6m之外的旁侧异常体对超前探测效果影响很小,坑道后方的金属体对超前探测效果几乎没有影响,坑道正前方水体灾害的规模大小对聚焦电流法超前探测距离的确定影响较大。最后制作隧道空腔模型进行水槽模拟实验,该实验验证了九极聚焦法的实际可行性,并且其探测效果明显优于传统的单极装置。

多源频率域地空系统三维电磁响应分析

地空电磁法已经成为深部资源勘探的重要地球物理方法,但对频率域地空系统的三维多源电磁响应特征研究较少.本文设计了多种激励源组合方式,采用非结构化有限元数值模拟方法,对三维地电模型的空中垂直磁场的响应特征进行了研究.首先推导了基于电场的双旋度公式及其变分形式,加入罚项以减少伪解的影响.接着把有限元稀疏矩阵方程转换为频率的函数,采用Krylov子空间投影方法,通过模型降阶算法降低稀疏矩阵的阶数,实现多频点的快速计算.建立了三维低阻体模型、高阻体模型以及两个相邻低阻体模型,分别采用单源、双源、三源和四源激励模式,从垂直磁场的总场、二次场响应和全域视电阻率等方面进行分析比较.结果表明:多源地空电磁法不仅可以增加总场的强度,而且可以改变异常体的二次电磁响应分布规律.各电偶源延长线呈正三角形分布的三源和矩形分布的四源激励模式在增强信号强度以及削弱异常体的边界效应方面具有一定的优势,是一种优化的多源激励方式.

结构动力方程求解的改进精细Runge-Kutta方法

在已有精细Runge-Kutta(龙格-库塔)方法的基础上,考虑了状态空间方程非齐次项的特点和外荷载的特殊性,提出了求解结构动力方程的改进精细Runge-Kutta方法.通过对矩阵进行分块计算,在利用原有精细Runge-Kutta方法高精度的同时进一步提高了计算效率,有利于大型结构的长时间仿真.将改进精细Runge-Kutta方法应用于结构动力方程求解,为其求解提供一种新方法.数值算例表明了改进方法的正确性和有效性.

三维陆地可控源电磁法有限元模型降阶快速正演

三维陆地可控源电磁法有限元快速正演的主要瓶颈在于多频率大型稀疏方程组求解问题.本文引入一种基于模型降阶的Krylov子空间投影算法,推导了有限元刚度矩阵的模型降阶形式,构建了频率域传递函数;采用标准正交向量序列,构建一个远远小于有限元刚度矩阵维度的矩阵,该矩阵与频率无关,通过一次模型降阶即可实现多频点有限元方程快速求解.采用基于电场的变分方程,加入散度校正条件,以消除伪解;引入伪δ函数,消除了源点的奇异性,可适用于复杂背景模型三维有限元数值模拟,并为多源的求解奠定了基础;以层状介质模型解析解为标准,通过和基于Pardiso直接求解器的有限元算法(3DFEM)进行比较,模型降阶法计算时间小于前者的1/10,平均相对误差在1.72%,在满足精度要求下,实现了高效率三维有限元数值求解;分别设计了横向高低阻模型和纵向高低阻模型,分析了从近区到远区电场和卡尼亚视电阻率的变化规律,假极值的表现特征,阴影效应的影响等,从而也验证了该算法的正确性.最后,建立了一个地层陷落柱模型,通过模型降阶有限元正演模拟,发现视电阻率断面图在陷落柱上方出现“凹陷”,与模型设计吻合,表明该算法对复杂地层模拟具有同样的适用性.

结构动力方程的增维分块精细积分法

在增维精细积分法的基础上,对矩阵进行分块计算。考虑非齐次项的特点,减小了矩阵的维数,实现简化计算,提高了计算效率,同时算法仍然具有增维精细积分法的原有优点。数值算例表明本方法在保持精度的同时提高了计算效率,在处理大型问题时将有着很大的优势。

被动源电磁测深三维有限元数值模拟

从基于电场的双旋度方程出发,针对被动源电磁测深法中的三维正演问题进行了有限元数值模拟。首先推导了被动源电磁法中电场所满足的矢量波动方程,然后从变分原理出发,得到其变分形式,通过有限元分析,最后形成大型复系数线性方程组。采用LDLT预处理共轭梯度法,降低了矩阵的条件数,提高了解方程组的速度。建立了一个典型的3层地电模型,得到了地表电磁场分布及其主测线视电阻率和阻抗相位,视电阻率平均相对误差为2.06%,阻抗相位平均相对误差为0.734%,满足实际要求,同时也验证了程序的正确性。

多自由度块行压缩存储技术及大型稀疏方程组的求解

在地球物理电磁勘探领域有限元数值模拟中,最后都会得到一个大型稀疏的复系数线性方程组,受计算机内存空间的限制,必须根据有限元刚度矩阵的稀疏性对其进行压缩存储。由于电磁场有限元计算的自由度大都在三个以上,因而提出了适合多自由度的块按行压缩稀疏存储方案,并通过存储格式的转换,把块按行压缩方式转换成流行的,大型稀疏矩阵的行压缩存储格式,以便于求解。用求解大型稀疏方程组的Krylov子空间方法中的稳定双共轭梯度(Bicg-stab)方法,收敛速度快,精度高,而且稳定性好,结合ilu预处理技术,可以大大提高求解大型稀疏方程组的效率。

一种新的改进精细直接积分法

针对结构动力方程转化为状态空间方程后矩阵维数增加而导致计算量增大的问题,考虑状态空间方程中所含外部荷载的特点,提出了一种新的改进精细直接积分法.给出了利用梯形公式、复化梯形公式、辛普生公式、复化辛普生公式、科特斯公式、高斯公式计算杜哈姆积分时的计算格式,分析了不同计算格式下的计算精度和计算效率.数值算例表明本文改进方法的正确性.

基于小波分析的MT静态效应识别及校正

大地电磁测深中,观测结果常受静态效应的影响而发生畸变,增加了资料解释工作的难度。基于小波分析理论,提出使用Daubechies小波分解对有静态效应测点进行有效识别。建立含有静态体并镶嵌有高阻异常体的地垒模型,分别采用中值滤波方法、相位法和小波分析方法进行了静态效应的校正。结果表明:相位法校正结果不稳定,相对误差随频点起伏较大;中值滤波方法在高频段误差较大;基于多尺度小波分析校正方法比较稳定,误差基本不超过5%,能够有效的压制静态效应。采用小波分析方法对某区大地电磁(MT)实测数据进行了静态效应识别和校正,取得比较理想的效果。

E-E_(x)广域电磁法横向约束反演

针对E-E_(x)广域电磁法反演剖面横向不连续性问题,在原有Occam反演的基础上添加了相邻测点约束项,使得在模型反演过程中不仅仅考虑到了反演模型的纵向光滑性,同时尽可能使横向相邻测点反演剖面具有连续性。当存在测井先验资料时,该约束项可实现对钻井附近测点的纵向约束,其余测点则通过上一测点进行约束,从而改善反演剖面的横向连续性。为了充分利用先验资料及减小剖面反演误差积累,采用测井附近的点或电场值较稳定的测点为剖面分割点,对整条剖面进行分段反演,可减小累积误差。采用一维横向约束反演目标函数,先后通过进退法和黄金分割法求取拉格朗日乘子。一维模型测试结果显示,采用参考点约束的反演收敛速度更快,反演电阻率在中间层更趋近于模型本征电阻率。二维模型测试结果表明:采用横向约束反演得到的剖面电阻率连续性好,电阻率剖面更光滑。基于横向约束的反演对于地层的精细分层和定量解释优于广域视电阻率解释断面。实际数据反演时,可首先对实测数据进行预处理和光滑,计算广域视电阻率,以此作为反演的初始模型,能够快速收敛到真实模型。最后,对山西某处广域电磁法野外实测资料进行了反演,结果表明:一维横向约束反演比广域视电阻率在横向上连续性更好,纵向分层能力强,该结果和实际出水点以及已知采空区吻合较好,与实际地质情况符合,表明该方法能够改善实测资料的反演效果,提高广域电磁法在煤矿水文地质方面的勘探精度。