监督下降的直流电阻率法二维反演

为了解决拟线性反演中先验信息利用不充分及大批量数据计算效率低的问题,本文将监督下降法(Supervised Descent Method,SDM)应用到直流电阻率法二维反演中.SDM包括离线训练和在线预测两个阶段.训练集由根据先验信息生成的模型和正演模拟数据组成.在训练过程中,学习从初始模型到训练模型的下降方向.在预测过程中,同时考虑了训练过程中获取的下降方向和计算出的数据残差.通过合成数据算例,讨论了SDM的反演精度、收敛速度、抗噪能力与泛化能力.在线预测结果显示,块状体和分层结构的混合模型,反演数据误差为0.0037,表明块状模型与层状模型的模块化训练集能有效增强SDM的泛化能力.在对实测数据反演中,通过实测数据视电阻率结果构建训练集,可以优化训练集的模型数据质量及完整性.通过与高斯牛顿法对比,讨论了SDM针对批量实测数据的反演精度及效率.结果表明,针对单一数据,SDM反演耗时(训练时长与预测时长总和)较高斯牛顿法长,但当训练阶段完成后,预测阶段耗时不超过0.5 s,针对同类型、同维度、大批量数据,SDM具有进行批量处理的能力,反演效率更高.

基于FCM聚类约束的直流电阻率法与地震走时成像法二维联合反演

通过引入模糊均值聚类(FCM)模型约束函数对电阻率与速度进行约束,开展二维直流电阻率法与地震初至波走时成像法联合反演研究.在地下浅层结构勘探中,通常低电阻率的地质体具有低速特征,较高电阻率的地质体表现为较高的地震波速度.直流电阻率法因为低电阻率区域吸引电流而对其敏感,地震走时成像法因为射线集中在高波速区而对高速体敏感,因此,两者联合成像能够大幅度提高反演效果.合成数据反演表明,直流电阻率法和地震初至波走时联合反演对于两类地质体的分辨能力均有提升,能够优势互补.尤其是引入FCM模型约束进行联合反演,根据已知物性进行监督学习,进一步提高了反演质量,改善了成像模型的分辨率.

基于人工神经网络的矿井直流电阻率法超前预测方法

矿井直流电阻率法具有施工效率高、成本低的特点,广泛应用于煤矿掘进工作面水害超前探测。随着应用的不断深入,对矿井直流电阻率法超前探测信号处理方法提出了更高的要求。基于有限元方法和数据重构所得响应信息库,采用Levenberg-Marquardt人工神经网络方法实现了矿井直流电阻率法超前预测。首先采用非结构网格剖分和BiCGSTAB迭代有限元法建立了直流电阻率法超前探测模型,基于EMD方法实现数值计算响应与实测响应匹配,并提出了基于异常体超前距离与其异常率的预测机制,得到3000组23维重构响应;然后,采用L-M算法构建了人工神经网络模型;最后,基于训练好的网络对数值计算响应和实测数据进行预测分析。研究表明:针对数值模拟响应,基于L-M人工神经网络的矿井直流电阻率法超前预测方法可有效预测100 m范围内的水害异常,预测网络均方误差为0.00247,测试样本显示最大距离误差小于0.6 m;针对实测数据发现,该神经网络在全区段预测准确率为67%,当预测异常位置在15~80 m时预测准确率超过85%,基于L-M算法的人工神经网络可应用于直流电阻率法超前预测。研究成果对煤矿井下掘进工作面直流电阻率法超前探测方法的完善与推广应用有重要意义。

直流电阻率法在黄河下游地区地下咸水分布研究中的应用

为研究黄河下游惠民地区地下咸水分布特征,在该区域开展了直流电阻率法测量工作。通过电阻率测井确定区内咸水层视电阻率数值分布范围和咸—淡水界面变化特征,以此约束电阻率测深数据的分析,提高对咸水层分布解释的准确率。结果表明:研究区地下咸水层顶界面埋深主要位于20~50 m区间,局部发育至浅地表;咸水层底界面推断埋深主要分布在160~300 m区间,近似NW走向逐渐变浅。经后期水样调查和钻探验证,推测的地下咸水分布特征与实际情况基本一致,表明直流电阻率法在地下咸水分布特征研究中具有较好的应用效果。

隧道含水构造直流电阻率法超前探测研究

含导水构造和岩溶裂隙水的探查是亟需研究和解决的关键问题。直流电阻率法以其对低阻体反映敏感、分辨率高等优点被引入到隧道掌子面前方含水构造的预报工作中。首先,推导出了无限全空间中球体含水构造直流电法超前探测的解析解公式,并在利用有限元数值方法进行正演分析的基础上,借助"比较法"将含隧道腔体的三维空间中超前探测视电阻率数据转换为无限全空间中的数据,并探讨了由MN电极附近电阻率不均匀所造成的干扰以及识别和去除这种干扰的方法。然后,设计了基于全空间球体含水构造超前探测解析公式的阻尼最小二乘反演方法,对隧道中多组球体含水构造模型进行了较为成功的反演。另外,探讨了其他形状的有限体积的含水构造超前探测异常规律,提出了"等效球体"的概念,亦在全空间球体含水构造超前探测解析公式的基础上设计了快速反演方法。最后,利用物理模型试验验证了有限元数值正演方法和阻尼最小二乘反演技术的可行性和有效性,为实际工程中含水构造的直流电法超前预报奠定了基础。

隧道含水构造直流电阻率法超前探测三维反演成像

突涌水地质灾害是隧道修建面临的主要威胁,隧道掌子面前方赋存的突水灾害源——含水构造的三维定位已经成为亟待解决的关键难题。针对上述难题,提出了直流电阻率法三维反演成像超前探测方法。首先,建立了直流电阻率法超前探测三维全空间立体观测方式,针对测线附近的旁侧干扰严重这一关键问题,提出了干扰识别与去除方法,实现了掌子面前方三维有效信息的测量。综合线性反演方法和非线性反演方法的优点,提出了改进遗传算法与最小二乘法相结合的混合反演成像方法,既摆脱了对初始模型的依赖,又保证了反演进化效率。然后,重点对断层、裂隙、溶洞等典型的含水构造进行了系统的反演数值试验,获得了典型含水构造的三维成像特征和相应的地质解释依据,为实现由观测数据到三维成像再到地质模型的映射奠定了基础。最后,将直流电阻率法超前探测三维反演成像方法应用到模型试验和实际工程中,实现了含水地质构造的较准确三维定位,证明该方法具有良好的推广应用价值。

多源条件下直流电阻率法有限元三维数值模拟中一种近似边界条件

在多源直流电阻率法有限元三维数值模拟中,传统混合边界条件由于刚度矩阵与源点位置相关,无法实现线性方程组的快速回代求解,目前常用齐次边界条件或无限元边界进行替代,虽然实现了快速回代求解,但同时也降低了数值模拟的精度.为了实现快速回代求解,并确保数值模拟的计算精度,本文提出了一种近似边界条件方法.其核心思想是将与场源位置相关的边界系数矩阵从刚度矩阵中分离出来,使得分离后的刚度矩阵与场源位置无关.并将边界系数矩阵与边界处一次电场向量的乘积移到线性方程组右端源项中,当场源位置发生改变时,只需要重新计算右端源项就可以实现快速回代求解.理论模型数值计算表明,在水平地形条件下,本文边界条件数值精度优于混合边界条件;在起伏地形条件下,与齐次边界条件相比,本文边界条件数值结果与混合边界条件吻合度更高.

巷道掘进直流电阻率法超前探测技术应用探讨

直流电阻率法在巷道超前探水中起到了重要的作用,但受巷道测试条件限制,依据点电源电场球壳理论的超前探测在实际应用中仍存在诸多问题。论文在对直流电阻率法超前探测中数据采集方式、非均质地质条件、巷道干扰因素等进行讨论的同时,通过改变数据采集观测系统,利用多次覆盖方式、巷孔联合方式增加数据量,提高了对前方含水异常体的综合认识及预测能力。巷道超前探测实践表明,直流电阻率法探测应增大激励场对前方地质体的影响力,这样可以获得较为可靠的观测数据。改进后的观测系统增强了对前方含水异常体的判识能力,其预报结果准确可靠,对巷道掘进安全生产指导意义大。同时指出巷道直流电法超前探测需加大对聚焦电流方式研究,并结合多方法配合综合预报与解释。

基于高斯牛顿法的二维直流电阻率法的快速反演

从二维线源问题出发,对二维直流电阻率法高效、高精度正反演方法进行研究。在正演数值模拟中,引入直接解法求解器求解线性方程组,既保证了起伏地形条件下有限元法正演数值模拟的计算精度和计算效率,又为反演算法中"拟正演"快速回代求解提供了条件。结合高效、高精度的正演算法,采用高斯牛顿法对电阻率进行反演成像。在弱非均匀介质前提下,基于近似海森矩阵主对角线元素严格占优的特点,采用舍弃海森矩阵非对角线元素的策略,提高整个反演计算的效率。最后,利用合成数据对反演算法的有效性进行检验。结果表明:给出的反演算法稳定、快速,结合偶极-偶极装置和三极装置,能有效地反演出异常体的形状、大小和位置。

地面—巷道直流电阻率法探测技术

针对目前直流电阻率法在巷道及工作面周围隐蔽致灾源精细探测方面不足这一现状,结合地面和矿井直流电法工作特点,提出在地面布设场源,巷道内进行接收的地面—巷道直流电阻率法探测技术。在对地面—巷道直流电阻率法基本原理和观测系统设计原则介绍的基础上,分析了偶极源电场及不同深度归一化电位差曲线分布特征。根据煤系地层典型地质构造地电特征建立数值模型,计算结果表明:地面—巷道相比于地面和矿井直流电阻率法具有更高的探测精度,且以对低阻异常体探测效果最为明显;提出采用调节偶极距观测异常幅值变化规律快速确定隐蔽致灾源空间位置的方法。实际应用效果表明,地面—巷道直流电阻率法可有效解决巷道及工作面周围隐蔽致灾源全方位探测难题,指出其场源与观测系统相分离的布测方式在矿井、交通、水利等工程地质灾害预测、预报方面应用前景广阔。

水下直流电阻率法数值模拟

利用有限单元法对水下电阻率测深进行数值模拟。与地面测量不同的是,水下电极所处的深度、水体本身和水底地形都会给电阻率数据造成较大影响,给数据的解释带来困难。若先通过计算,分析不同电阻率装置在水下测量时的视电阻率与水深的关系,再用有限单元法对水下的三维地电断面进行数值模拟,讨论水底地形对视电阻率的影响,即可用比较法消除地形影响。

直流电阻率法三维正演的聚集代数多重网格算法研究（英文）

为加快直流电阻率法三维正演模拟的计算速度,本文引入一种新型的代数多重网格算法一聚集代数多重网格算法(AGMG)。首先从直流电阻率法满足的电位二次场微分方程出发,采用七点有限差分格式进行离散,结合混合边界条件形成大型稀疏求解线性方程组;然后详细给出AGMG法聚集粗化的成对聚集算法及技术流程,并采用V循环AGMG预处理共轭梯度(CG)算法(AGMG-CG)求解线性方程组,最终实现直流电阻率三维正演模拟。通过典型地电模型数值模拟研究,并与成熟的直流电阻率三维正演模拟程序(3DDCXH)结果及解析结果对比验证了本文给出算法可行性和准确性。另外通过对不同剖分网格和不同模型的数值模拟,并与传统迭代算法(ILU-BCGSTAB、ILU-GCR、SSOR-CG)对比表明,AGMG-CG算法不论从迭代次数还是迭代时间上都有显著优势,同时具有近乎线性快速下降、迭代次数随网格大小增加而缓慢增加等优点。因此,本文算法具有收敛精度高、收敛快、迭代稳定等优点,为提高直流电阻率法三维正演模拟的计算效率提供了可能。

基于混合网格有限元的直流电阻率法三维正演研究

直流电阻率法因效率高、成本低等特点广泛应用于有色金属、煤田等矿产资源勘探和地质调查行业。但在井–地、地–井电阻率法勘探过程中,钻孔因素(井液电阻率和钻孔孔径)对不同探测模式下视电阻率响应的影响尚未明确,是否影响视电阻率资料的解释是值得探讨的一个问题。因此,提出采用混合网格有限元法实现直流电阻率三维正演。给出异常电位法满足的边值问题及有限元变分问题,应用三棱柱和四面体混合网格实现对计算区域的快速离散,并建立2种网格的线性插值基函数和单元系数矩阵;采用SSOR–PCG迭代算法求解异常电位满足的大型线性方程组,得到各观测点的响应。在保证计算精度的前提下,应用混合网格有效地离散钻孔地电模型,探讨钻孔因素对井–地、地–井观测方式视电阻率数据的影响特征。对于井–地观测方式:钻孔附近视电阻率受钻孔因素影响最大,严重影响视电阻率资料的合理解释,但随着测点收发距的增加,视电阻率响应逐渐趋于围岩电阻率;而且随着发射源深度的增加,钻孔对地表视电阻率响应的影响也逐渐减小。对于地–井观测方式:钻孔因素对浅部数据影响较大,对深部数据影响小,相比于井液电阻率,视电阻率响应更易受钻孔孔径的影响。直流电阻率法混合网格有限元三维正演算法的提出,对实际井–地、地–井电阻率法勘探具有理论指导意义,可结合钻孔信息进行正演模拟分析,选择合适的收发距,有效压制钻孔因素对实测资料的影响。

人工洞室上直流电阻率法视电阻率的异常特征

直流电阻率法装置种类较多,根据实际地质条件选用不同的装置类型,通过对探测结果进行综合对比分析,可全面地反映地下洞室赋存状态。通过对一地下人工洞室进行多种装置类型直流电阻率法勘查,综合分析了各种装置类型探测结果的视电阻率异常特征,并论述了直流电阻率法探测地下人工洞室的有效性。

环工作面三维直流电阻率法研究及应用

本文在矿井直流电法理论基础上,推导环工作面三维直流电法测量深度公式,得到环工作面三维直流电法记录点坐标位置.基于以上理论,建立了环工作面三维直流电法异常体模型,分析了环工作面三维直流电法二极装置、三极装置、四极装置异常体响应特征,得出环工作面三维直流电法各装置敏感度低的主要原因是缺少必要的数据采集点.为了提高环工作面三维直流电法分辨率,最大限度增加工作面内侧的采集数据点.基于以上原因本文提出了对角偶极装置采集模式及多装置的数据叠加反演处理方法,以增加工作面内采集数据点,提高三维勘探的精度.本文通过某矿8802工作面底板富水性探查实例,说明该方法的有效性.

点源二维直流电阻率法正演模拟

从点源二维电场边值问题出发,利用傅里叶变换将三维问题转换为二维问题,而后使用有限元法求解正演变分问题得节点电位。对三种常用解大型有限元线性方程组解法的计算机时进行试算统计,认为共轭梯度法计算速度较快。最后,通过对比均匀半空间模型有限元数值解和解析解的误差,以及对四个模型分别进行正演模拟试算,算例结果表明本文采用算法具备较好的模拟效果。

用直流电阻率法确定油气藏边界的初步实验

本文根据井中—地面工作方式(供电电极 A 置于井中、B 置于无穷远处,测量电极 M、N 沿地面观测视电阻率)的初步实验结果,探讨了采用直流电阻率法确定油气藏边界,预测油气藏垂向和横向位置、顶点、形状以及其它地质参数的可能性。实验结果表明,在油气藏电阻率远远大于围岩电阻率、其形状简单、围岩电阻率均匀、地表平坦、井中套管干扰能排除等理想情况下,直流电阻率法可解决:①当钻井穿过油气藏时,可较准确地圈定出油气藏的边界,了解油气藏在平面上的展布形态;②当钻井未打穿油气藏或在油气藏旁边穿过时,能进行垂向和横向预测,圈定出油气藏的边界;③确定油气藏的高点位置;④了解油气藏的形状及产状;⑤对油气藏进行开发监测。

直流电阻率法在水文地质调查中的应用

在水文地质调查工作中,直流电阻率法是一种重要的物探方法。文章简要介绍了直流电阻率法的基本原理和特点,论述了水文地质调查的相关内容,分别总结了高密度电阻率法和电测深法在水文地质调查中的应用,并通过实例论述了高密度电阻率法和电测深法在水文地质工作中取得的地质效果,为该工作区的水文地质调查工作提供了一定的技术支撑。

利用直流电阻率法探测黄河堤坝隐患试验研究

直流电阻率法是地球物理电法勘探的一种重要方法，国内７０年代初开始将它用于江河湖泊堤坝隐患探测，并取得了较好的探测效果。其原理是先用直流电阻率仪探测堤坝各点的视电阻率值，再通过分析比较其相对大小来推断堤身隐患和质量状况。近几年在黄河堤坝的探测实践表明，该方法用于探测黄河堤坝裂缝、洞穴、松散土层等常见隐患的位置和埋深，异常系数取１．３０作为判断堤坝隐患的标准，验证准确率可达１００％。此外，这种方法在堤身质量、土质普查及压力灌浆效果检查等方面也取得了较好的应用效果。

直流电阻率法中不同装置的灵敏度探讨

直流电阻率法勘探是根据岩石和矿石导电性的差别,通过研究地下岩、矿石电阻率变化,进行地下介质探查的一种方法。本文介绍了直流电阻率法中灵敏度的基本概念,计算公式及其实际意义。文中以二极装置和三极装置为例,绘制不同电极距下的灵敏度曲线,并且对灵敏度曲线进行比较分析。然后以一个简单地电模型为例,采用软件绘制不同装置下的灵敏度剖面图,对不同装置的灵敏度情况进行简单的比较,简单分析了灵敏度与探测深度的关系。灵敏度信息包含了装置在横向和纵向的分辨率,绘制灵敏度曲线和剖面图有助于人们了解装置对地下介质的探测效果。在文章最后总结了灵敏度的影响因素,并指出在进行野外工作设计时,要综合考虑灵敏度、探测深度、工作效率以及勘探成本,可以根据经验或者理论模型计算来选择适合目标探测区域的装置进行野外数据采集。随着深部找矿的需求日益增加,需要设计更大探测深度、更高效率的装置,以达到勘探目的。