直流电阻率法三维各向异性多尺度有限元数值模拟

在使用传统数值方法模拟大规模各向异性复杂地质模型三维直流电场分布时,需要进行大范围精细网格剖分,导致计算量巨大.为了提高计算效率,本文开发了直流电阻率法三维各向异性多尺度有限元正演模拟算法.通过在多尺度网格上并行求解局部偏微分方程的边值问题,构造多尺度基函数,将小尺度电性信息反映到大尺度上.然后,通过在大尺度粗网格上求解原电流传导问题,实现大规模复杂介质模型快速正演.针对由于网格大小与非均质目标尺寸相近引起的共振效应,本文采用过采样技术,压制共振误差,提高多尺度有限元法的计算精度.为了检验本文算法的准确性,我们首先建立了各向异性层状介质模型,通过与解析解进行对比,验证了本文算法的精度.在此基础上,建立了具有复杂结构的三维各向异性电阻率模型.通过与精细网格上传统有限元正演结果进行对比,我们发现本文算法在保证计算精度的同时具有更高的计算效率.最后,进一步分析了过采样技术以及多尺度网格粗细比对多尺度有限元算法的数值精度和计算效率的影响,进而为多尺度有限元最佳参数的设定提供指导.

孔—巷瞬变电磁隧道不良地质体超前预报方法研究

在复杂环境下进行隧道施工,需要解决对溶洞、裂隙等小规模不良地质体的精细探测。为此设计了掌子面前方存在小规模溶洞的隧道施工模型,在掌子面中心点向隧道施工方向打一个钻孔,将电性源放入孔中进行激发,在掌子面上进行阵列式数据采集,采用时域有限元方法对模型进行瞬变电磁三维正演计算。结果表明可以通过源的移动对目标体进行电磁测深,通过掌子面上电磁场分布规律确定不良地质体的平面位置。采用孔中电性源激发的方式,可以提高瞬变电磁对小规模溶洞的探测能力,为隧道环境中提高超前预报精度提供一种可行性手段。

基于PCA-BP神经网络的巷道通风摩擦阻力系数预测模型

根据实测巷道通风摩擦阻力系数数据的特点,建立了主成分分析PCA-BP神经网络预测模型。采用PCA法对影响巷道通风摩擦阻力系数的支护类型、断面形状、巷道宽、巷道高、支护部分周边长、巷道断面积和巷道长度7个因素进行降维。将降维后因素的贡献率进行排序筛选,得到3个主成分指标(F_(1)、F_(2)和F_(3)),作为BP神经网络输入层的神经元。利用实测数据对PCA-BP神经网络模型进行训练和测试,并将测试结果与支持向量机回归(SVM)模型和BP神经网络模型的测试结果进行对比,结果显示:全因素的BP神经网络预测模型和SVM预测模型的平均精度分别为92.9420%、93.0235%,而PCA-BP预测模型的平均精度达到了96.4325%。PCA-BP神经网络模型不但简化了网络结构,更提高了网络的泛化能力,使预测误差更小、精度更高,为更准确地获得巷道通风摩擦阻力系数提供了一种有效的方法。

巷道通风摩擦阻力系数遗传投影寻踪回归预测

为满足智能通风准确获得巷道摩擦风阻的需求,基于遗传算法的投影寻踪回归预测方法预测矿井通风摩擦阻力系数。研究空气密度变化和巷道有无支护两种类型时模型预测的准确性。利用通风摩擦阻力系数影响因素进行训练,对不同支护类型巷道采集学习样本建立模型,使用部分样本进行验证。将模型预测结果与主成分分析预测和BP神经网络预测结果进行比较。对不同支护类型巷道进行了预测,最大误差为1.76%,平均误差为1.07%;仅对圆木支护进行了分析,最大误差为1.73%,平均误差为0.79%;对不同密度无支护巷道预测表明,平均误差为-0.99%,最大误差为-1.01%,风流密度对模型预测结果的准确性基本没有影响。无论是风流密度还是支护形式,该方法预测精度均优于主成分分析和BP神经网络。

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。

瞬变电磁虚拟波场层状Green函数Born近似成像方法

瞬变电磁虚拟波场Born近似成像是通过Born近似对瞬变电磁虚拟波场方程进行线性化处理,求取速度扰动量实现成像的方法.Born近似采用半空间Green函数,在背景速度变化较大时成像分辨率较低.因此,本文从虚拟波场出发,建立辐射场与散射场满足的Helmholtz方程,导出层状介质Green函数表达式,将其应用于Born近似中,得到了基于层状介质格林函数的Born近似电导率计算公式和散射场关于速度扰动量的关系式,最终利用速度扰动量实现成像.通过对理论模型的实验计算,验证了利用层状模型Green函数的Born近似成像算法,能够重建地层电阻率分布,改善Born近似虚拟波动方程逆散射反演的垂向分辨率,获得较好的成像效果.对甘肃地区的实际资料处理结果表明,层状介质Green函数的Born近似,是一个精确度较高、稳定性好、有实际应用价值的成像方法.

从瞬变电磁扩散场到拟地震波场的全时域反变换算法

将瞬变电磁满足的扩散方程转变为波动方程,然后利用地震类成像方法实现瞬变电磁虚拟波场成像,是实现瞬变电磁三维反演的有效手段之一.为了实现由扩散场到虚拟波场的转换,文中采用预条件正则化共轭梯度法求解波场反变换问题.首先,对几种离散方式进行比较,采用条件数最小的离散方式进行离散;然后选择最优的正则化参数,并利用超松弛预条件技术对系数矩阵进行预条件处理;最后,利用共轭梯度法进行迭代求解.超松弛预条件有效降低了系数矩阵的条件数,正则化方法使得反变换得到的波场稳定、可靠,共轭梯度法能够保证计算快速收敛.将反变换结果与已知虚拟波场函数对比,证明算法稳定、可信.将文中算法结果与前人研究结果进行对比,说明方法效果.通过实测数据的波场变换处理给出了文中方法的实际应用效果.结合反变换算法,对不同参数模型进行分析,总结了虚拟波场在色散介质中的传播规律.

瞬变电磁水平分量视电阻率定义

为了将瞬变电磁水平分量转化成电阻率参数,实现瞬变电磁水平分量视电阻率定义,对不同偏移距下大定源回线瞬变电磁场水平分量响应进行了数值计算和分析,得出水平分量具有与中心点垂直分量相似的函数形态和函数性质,据此,水平分量可以用与中心点垂直分量类似的多项式进行拟合,从而得到多项式形式的感应电动势表达式。根据瞬变电磁晚期近似条件,用水平分量的拟合多项式,定义相应的晚期视电阻率表达式,从而实现水平分量响应到地下介质电阻率参数的转化。通过对模型的计算可知,上述方法可行,结果正确;通过对实测数据的解释可知,水平分量不仅具有纵向分辨力,也具有较好的横向分辨率。

大定源装置下瞬变电磁法视电阻率定义

对于应用较广的大回线源瞬变电磁装置,虽然得到了非中心点电磁响应式,但由于响应的复杂性,一直没有推导出不同场点视电阻率定义式,通常借用中心回线方式的视电阻率公式进行解释,必然会在观测区的边缘处出现异常.为提高瞬变电磁法的解释精度,将非中心点垂直分量转化为人们熟悉的电阻率参数,本文提出并建立了大定源装置情况下视电阻率定义.首先在频率域对回线内不同场点电磁响应进行计算,将计算出来的非中心点函数形态与中心点处垂直分量进行比较,认为两者具有相似的函数形态,因此,非中心点分量可以用与中心点垂直分量类似的多项式进行拟合,从而得到多项式形式的感应电动势表达式.根据中心点垂直分量视电阻率定义式,建立与中心回线方式相类似的与偏移距有关的视电阻率表达式.把回线内场点响应写成与中心回线方式多项式表达式相类似的多项式表达式,采用最小二乘法得到与偏移距有关的多项式各项系数,将求得的多项式系数代入形成不同偏移距情况下的视电阻率定义.根据推导的视电阻率表达式对模型计算数据进行解释,视电阻率曲线形态与地下模型电阻率变化一致,通过对实测数据视电阻率断面图对比可知瞬变电磁多分量解释提高了探测精度.研究成果具有很大的理论意义和实用价值.

隧道瞬变电磁克希霍夫偏移成像与地质灾害探测

隧道绿色施工不仅需要预报工作面前方突水突泥等低阻异常,更需要查明灾害体的地质构造,为灾害预警与防治提供保障。传统的瞬变电磁解释方法仅能够提供单一电阻率信息不能满足隧道地质灾害治理要求。因此,将虚拟波场成像技术引入到瞬变电磁隧道探测技术中,期望实现灾害体电性与结构综合解释。首先,根据波场变换原理将瞬变电磁数据转换到虚拟波场;然后,利用电阻率成像算法计算工作面前方电阻率建立虚拟波场速度模型,利用波动方程克希霍夫积分解进行波场延拓实现瞬变电磁虚拟波场偏移成像;最后,综合电阻率与偏移成像结果对工作面前方地质体进行解释,判断地质灾害体的电性与构造特征。分别采用充水溶洞、充水断层两类常见灾害模型对算法进行验证。充水断层模型电阻率成像结果可以识别工作面前方低阻异常,但是异常分布范围略有增加,且不易判断倾斜角度;而偏移成像结果有效地识别异常的边界位置且对应准确,更易容判断异常倾斜方向。充水溶洞模型电阻率成像结果可识别溶洞的低阻异常与位置,但是异常形态与实际模型略有偏差;偏移成像结果圈定了模型的前后边界且与模型吻合较好。实测数据偏移成像结果有效圈定了低阻异常位置与裂隙形态,预测结果与已知出水孔情况相符。理论模型与实测数据结果表明,虚拟波场克希霍夫偏移成像结果既包含地质灾害体的电阻率分布,又能识别灾害体电性分界面,为地质灾害预警与防治提供了丰富的地质信息。

大定源瞬变电磁三分量全域视电阻率定义与三分量联合反演

多数瞬变电磁仪器可以同时采集三个分量的响应,但目前瞬变电磁的解释方法却主要以中心回线垂直分量为主。为了充分利用瞬变电磁三分量的信息,介绍一种大定源瞬变电磁三分量约束反演方法。基本思想是利用瞬变电磁三个分量的场分别求取全区视电阻率,并以此为基础建立初始模型,利用阻尼最小二乘法进行三分量反演。首先,将回线源看成是多个电偶极子产生的场的叠加,利用偶极子叠加的原理求取回线的三分量电磁响应,并推导视电阻率的全区与全期定义(即全域视电阻率定义);然后,利用烟圈理论求取视深度,并以此建立反演的初始地电模型。最后,利用阻尼最小二乘法实现三分量约束反演。利用文中视电阻率定义方法对已知模型数据进行处理,视电阻率曲线与模型的电性参数变化一致;以视电阻率结果为依据建立初始模型,利用三分量约束反演方法对层状模型数据进行反演,结果与模型吻合较好。

考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演

从麦克斯韦旋度方程出发可以直接导出瞬变电磁场扩散方程,然而扩散方程不含电场对时间的一阶导数,不能构成显式的时域有限差分方程,借鉴du Fort-Frankel有限差分离散方法引入虚拟位移电流项构建显式时域有限差分方程.对Wang和Hohmann的经典时域算法进行了两点改进:第一,通过将矩形回线源电流密度加入麦克斯韦方程组的安培环路定理方程,实现回线源瞬变电磁激发源加入;第二,在计算中考虑关断时间.第一点改进使时域有限差分方程考虑了一次场的计算,并且源的计算不再依赖均匀半空间模型响应作为初始条件,使算法能够适应表层电阻率不均匀时的三维复杂模型.由于实际观测中不可能出现阶跃电流的关断形式,第二点改进可以方便设置发射电流下降沿.采用改进的三维时域有限差分正演算法对均匀半空间模型、四类三层模型、均匀半空间中含有低阻块体模型进行了计算并分别与解析解、线性数字滤波解、积分方程解和Wang的三维时域有限差分解进行了对比验证.以H模型为例,采用建立的三维时域有限差分正演算法计算了不同关断时间的斜阶跃脉冲回线源瞬变电磁中心点感应电动势衰减曲线.以实际地质资料为基础,构建包含两层采空区的三维复杂模型,以1μs的极短关断时间进行了复杂模型定回线源瞬变电磁响应计算,并计算了该复杂模型的视电阻率曲线.

瞬变电磁虚拟波场的三维曲面延拓成像

根据瞬变电磁场扩散方程与波动方程间存在的数学对应形式,将已知瞬变电磁场数据转换为虚拟波场数据,在此基础上,提出了用克希霍夫积分法将所转换的波场从地面向地下反向延拓的方法.在延拓的数值计算中,为提高计算效率,采用三维边界元技术,把边界积分分解为诸三角单元积分的积分之和,建立了曲面延拓方程式;通过地面测点的波场值,求出地下某一点的波场值,实现了地表为曲面的向下延拓成像计算.通过对理论模型计算和实际资料处理,证明了该方法可以增强瞬变电磁法识别地下电性分界面的能力,使瞬变电磁法对地下目标体的三维精细探测成为可能.

瞬变电磁拟地震子波宽度压缩研究

导电媒质中电磁场所满足的扩散方程与无耗媒质中电磁场所满足的无阻尼波动方程之间存在着数学转换关系式,可以实现瞬变电磁法拟地震资料解释.但是转换出的虚拟波往往波形较宽,使分辨能力下降,影响了瞬变电磁拟地震方法的发展和推广,本文针对虚拟波形展宽这一现象进行了研究,认为虚拟波形展宽的原因,不是由于波在介质中传播时能量损耗所致,而是波场变换式中核函数随虚拟时间的增加,分布范围增大的特点导致的.然后提出利用反褶积技术,消除波场变换中的波形展宽效应.对已知模型的计算求解和处理,取得较好的效果.证明了瞬变电磁拟地震方法可以增强识别地下电性分界面的能力.

隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法研究

针对传统的隧道瞬变电磁探测与解释仅主要依靠二维视电阻率断面图的不足,借鉴地面大回线中心装置瞬变电磁的观测方式,提出隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法。研究瞬变电磁非中心点垂直分量频率域响应双重贝塞尔函数强振荡型积分的计算方法,以中心点频率域响应多项式为基函数,定义多项式形式的非中心点频率域响应表达式,通过最小二乘拟合的方法得到多项式系数。推导瞬变电磁非中心点时间域响应公式,在瞬变电磁场晚期近似条件下,给出非中心点垂直分量晚期视电阻率公式,实现隧道瞬变电磁探测时观测回线内非中心点垂直分量响应能够转换为视电阻率图像进行解释,为隧道瞬变电磁多点阵列式探测提供理论基础,提出利用隧道瞬变电磁阵列式探测响应数据进行三维视电阻率综合解释的方法。在理论研究的基础上,结合现场试验,开展隧道瞬变电磁多点阵列式实际探测研究,对隧道底板下方含水构造进行多点阵列式探测,对探测结果进行对比和解释,形成三维视电阻率图,分析得到含水构造的三维空间展布规律。

电性源地-井瞬变电磁全域视电阻率定义

地-井瞬变电磁(TEM)方法是在地表发射,探头沿钻孔(井)测量瞬变响应的一种井中物探方法.由于接收探头沿钻孔深人地下,因此能够获得更加可靠的地下目标体信息,尤其当存在低阻覆盖层、浅部矿化等地质干扰,或者勘查深部规模不大之良导矿体时,地-井TEM方法的优势更加明显.相对于磁性源系统,电性源系统发射功率大,辐射面积广,更适合地形复杂地区之深部找矿.本文的目的是研究电性源地-井TEM的近似解释方法,首先给出了层状介质电偶极子在地下的TEM响应,进而通过电偶极子叠加的方式获得了电性源条件下的TEM响应.利用感应磁场与均匀半空间电阻率的单调关系通过反函数定理进行了全域视电阻率定义.理论模型的视电阻率计算结果显示,不同深度测点的视电阻率曲线首支不同,而尾支基本一致.这说明了全域视电阻率是测点周围有限范围内介质的综合反映,所以不同深度测点的视电阻率曲线首支所反映的范围是不同的.绘制了不同时间道视电阻率剖面曲线,以期显示地下电性分布规律.计算结果表明全域视电阻率定义能够基本可靠地反映地下信息,从而为该技术在矿区深部找矿的应用提供有力支持.

双轴各向异性介质中回线源瞬变电磁三维拟态有限体积正演算法

采用模拟离散的有限体积法实现了双轴各向异性地层回线源瞬变电磁三维正演.首先引入内积定义,采用自然边界条件,将瞬变电磁法的控制方程转化为弱形式表示.将计算区域划分为一系列的控制体积单元,采用交错网格对控制方程进行模拟有限体积空间离散,包括旋度算子离散和空间内积离散.基于斯托克斯定理的旋度积分定义公式实现旋度算子离散.中点平均实现电导率双轴各向异性的空间内积离散,从而得到离散化的控制方程.时间步迭代采用无条件稳定的欧拉后向差分格式.并通过均匀全空间中稳定电流回线源的磁场解析表达式得到回线源初始时刻的电磁场分布.为了同时保证计算精度和效率,本文采用分段等间隔的时间步迭代,利用直接法求解器PARDISO实现其快速求解.最后通过对比层状模型和各向异性半空间模型的正演计算结果,验证了本文算法的计算精度和计算效率;计算三维双轴各向异性模型的正演响应可知,水平方向电导率变化对电磁响应产生显著影响,而垂直方向的电导率变化对电磁响应几乎没有影响.产生这一现象的主要原因是回线源产生的感应电流主要是水平方向的,因此响应主要受到水平方向电导率的影响,垂直方向的电导率影响很小.

多频可控源电磁法三维有理函数Krylov子空间模型降阶正演算法研究

本文采用有理函数Krylov子空间模型降阶算法实现了同时求解多频可控源电磁法三维正演响应的快速计算.首先采用基于Yee氏交错网格的拟态有限体积法实现控制方程的空间离散,将任意频率的电场响应表示为关于频率参数的传递函数.采用有理函数Krylov子空间算法求解该传递函数.针对构建m维有理函数Krylov子空间需要求解m次(几十到上百)关于有理函数极点和离散控制方程系数矩阵的线性方程组的问题,本文提出采用单个重复极点的有理函数Krylov子空间模型降阶算法,结合直接法求解器PARDISO,采用Gram-Schmidt方法,只需要1次系数矩阵分解和m次矩阵回代即可实现有理函数Krylov子空间的构建,极大地减少了计算量.针对最优化有理函数极点选取问题,本文根据传递函数的有理函数Krylov子空间投影算法的误差分析理论,引入关于单个重复极点的收敛率函数,通过求解有理函数的最大收敛率直接给出最优化的单个重复极点公式.最终实现了不同发射频率的可控源电磁法三维正演响应的快速计算.分别计算了典型层状模型多发射频率的CSAMT和海洋CSEM的正演响应,通过与解析解的对比验证了本文算法在多发射频率正演的计算精度和计算效率;并通过一个三维海洋CSEM勘探设计最优化发射频率和接收区域选取的例子进一步说明本文算法的优点.

瞬变电磁法三维拟地震成像信息提取技术

在瞬变电磁法中,为提高对地下电性界面的分辨率,可移植地震勘探中的诸多技术对界面直接成像,以克服反演中的不适定性.首先为使得波形在高低不同的电性基底所产生的虚拟反射波振幅有可比性,在将原有瞬变电磁场逆变换成虚拟波场数据的基础之上,需要求取均衡系数;接着通过对虚拟波场的离散数据求取反褶积,可基本抵消波场变换的展宽作用和大地滤波影响,以达到对电性界面精确定位的效果;然后,对波形做低通滤波处理后运用克希霍夫积分公式,将虚拟地震波场由地面向地下反向逆时偏移成像.把波场分析原理用于对瞬变电磁场的解释,就形成了瞬变电磁偏移方法.从波场角度看,它拓展和丰富了瞬变电磁场的内涵.使用本方法,可更加容易得到从前用常规解释方法处理无法提取的信息.在延拓成像中可更精确的确定界面深度,并为在瞬变电磁法中合理引入拟地震处理解释方法提供重要的理论依据和实验参照.

西藏沙让特大型钼矿的发现与瞬变电磁法探查

近10年来,西藏冈底斯斑岩成矿带找矿取得重要研究成果,成为研究热点地区之一.西藏沙让地表为粘土化低温矿化蚀变、总体品位不够.穿插有小而富的脉状辉钼矿,规模有限,深部成矿状况不明.利用大回线源瞬变电磁法新技术进行工作,成功改装瞬变电磁接收装置;定义大回线源瞬变电磁晚期视电率计算公式;采用修正后的视电阻率计算公式进行数据处理,完成大深度瞬变电磁探测目的,划分出低电阻率异常,推测主矿体在地表200 m以下,矿体垂直延伸大于600m,异常区的面积总和为3.77 km^2,解释结果得到钻探验证,取得良好的地质效果.研究成果表明沙让钼矿为西藏首例独立的特大型斑岩型钼矿床,研究成果具有重要的区域找矿示范意义.