基于地震与CSAMT联合反演的陷落柱精细探测研究

论文摘要

我国煤矿水文地质条件复杂,导水通道（陷落柱、采空区、断层和裂隙等）种类繁多,导致煤矿水害事故频发。其中,作为煤矿中分布最为广泛的一种隐蔽致灾源,陷落柱具有隐蔽性强、突发性高以及突水量大等特点,对于煤矿生产以及人民的生命财产安全危害尤为突出,所以准确查明陷落柱的位置及其导水性,对于水害防治和保障煤矿的安全生产意义重大。目前,国内外陷落柱探测技术主要以地震勘探和电磁法为主。地震勘探尤其是三维地震勘探对地质构造有较高的探测精度,可以准确识别陷落柱的空间位置及形态,但该方法无法实现陷落柱富水性探测;而电磁法对低阻异常反映灵敏,可以有效探测陷落柱的富水性,但是该方法分辨率较低,无法准确圈定陷落柱的边界。也就是说,单独利用地震勘探或者电磁法中的任何一种方法都无法实现对陷落柱空间位置和富水性的精细探测,因此有必要通过有效的参数耦合方法来进行联合反演,克服单一方法的局限性,减少反演的多解性,实现陷落柱的精细定位及解释。论文首先采用交错网格有限差分法,对一阶速度-应力弹性波方程进行求解。以华北煤田主要地层结构为基础,建立陷落柱模型,实现了三维地震波场正演。研究和分析了不同直径和不同埋深陷落柱模型的地震波场响应特征,研究表明:①随着陷落柱直径减小、埋深增加,陷落柱顶底界面反射波振幅变弱;当陷落柱直径较小时,陷落柱的多次反射纵波在地震记录上呈现“烟圈”状。②对于本文研究的陷落柱模型,当埋深250m、直径与埋深比小于8%时,三维地震勘探方法仅能有效识别其顶界面,几乎无法识别出其底界面。其次采用有限单元法对麦克斯韦方程组进行求解,编程实现了 2.5维和三维可控源音频大地电磁法的正演。分别与层状模型的解析解以及地下含低阻异常体模型的积分方程法计算结果进行对比,验证了本文程序的正确性和精度。对煤系地层中含有陷落柱模型进行电磁场数值模拟,着重分析了不同直径、不同埋深以及不同电阻率陷落柱模型的可控源音频大地电磁响应特征。研究表明,陷落柱的电磁场异常响应随其直径减小、埋深增加而迅速减弱可控源音频大地电磁法的分辨能力也随着陷落柱的直径减小和埋深增加而逐渐降低。研究了地震与可控源音频大地电磁的联合反演算法,阐述了人工蜂群算法的基本原理,包括人工蜂群算法的基本行为、算法流程以及主要参数等。针对该方法中的随机性过大和易陷入局部最优等问题,在人工蜂群算法的随机性、收益度公式以及新食物源的产生策略等方面进行改进,提出了改进的人工蜂群算法。利用标准测试函数,对改进后的人工蜂群算法的优化结果与粒子群算法、标准型人工蜂群算法进行了对比,评估了其优化能力。为了解决不同的地球物理方法中参数耦合问题,将交叉梯度函数加入到联合反演的目标函数中,并对交叉梯度函数的定义、离散和性质方面进行了研究。针对地震解释剖面中缺少地震波速或波阻抗等量化信息,导致无法计算交叉梯度的问题,利用聚类的思想,对传统交叉梯度法进行改进,提出了修正的交叉梯度法,并给出了算法流程。通过对二维速度和电阻率模型进行传统交叉梯度法与修正的交叉梯度法试算对比,验证了该方法的正确性和可行性。在地震波场正演和可控源音频大地电磁法正演的基础上,分别开展了陷落柱模型的可控源音频大地电磁法单独反演、基于精确地震解释的联合反演、基于“不精确”地震解释的联合反演以及基于“不精确”地震解释的多聚类联合反演,并对反演结果进行对比分析。结果表明,联合反演结果明显优于可控源音频大地电磁法单独反演,能够有效提高陷落柱的定位精度。最后,结合山东某煤矿疑似陷落柱的探测实例,分别对比了可控源音频大地电磁法二维反演、可控源音频大地电磁法2.5维反演和联合反演结果。结果表明,联合反演能够使陷落柱位置处的低阻异常与围岩呈现出明显的高低阻差异,提高了陷落柱的横向定位精度,并且在陷落柱形态方面能提供更多的细节信息,说明本文提出的联合反演算法具有较好的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 选题背景和意义
•   1.2 课题来源
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 陷落柱探测研究现状
•     1.3.2 联合反演的研究现状
•   1.4 研究内容
•   1.5 研究方法与技术路线
•     1.5.1 研究方法
•     1.5.2 技术路线
•   1.6 主要创新点
•   1.7 本章小节
• 2 陷落柱的地质与地球物理特征
•   2.1 陷落柱的成因及形成过程
•   2.2 陷落柱的分类
•     2.2.1 陷落柱单一指标分类
•     2.2.2 陷落柱综合指标分类
•   2.3 陷落柱的地球物理特征
•   2.4 本章小结
• 3 陷落柱地震波场和可控源音频大地电磁场数值模拟
•   3.1 陷落柱地震波场数值模拟
•     3.1.1 一阶速度-应力弹性波方程
•     3.1.2 交错网格有限差分
•     3.1.3 稳定性分析
•     3.1.4 频散分析
•     3.1.5 边界条件与震源函数
•     3.1.6 模型正演及偏移成像分析
•   3.2 陷落柱可控源音频大地电磁场数值模拟
•     3.2.1 理论基础
•     3.2.2 2.5维正演理论
•     3.2.3 三维正演理论
•     3.2.4 正演程序验证
•     3.2.5 模型试算及分析
•   3.3 本章小节
• 4 地震与可控源音频大地电磁联合反演方法研究
•   4.1 标准型人工蜂群算法
•     4.1.1 群智能优化算法概述
•     4.1.2 人工蜂群算法的行为描述
•     4.1.3 人工蜂群算法流程
•     4.1.4 人工蜂群算法的主要参数
•   4.2 人工蜂群算法的改进
•     4.2.1 基于反向学习理论的改进策略
•     4.2.2 收益度公式改进
•     4.2.3 新食物源产生策略的改进
•     4.2.4 改进的人工蜂群算法性能验证
•     4.2.5 算法参数的选择
•   4.3 初始模型的建立
•   4.4 联合反演理论与算法
•     4.4.1 交叉梯度函数的定义
•     4.4.2 交叉梯度函数的离散
•     4.4.3 交叉梯度函数的性质
•     4.4.4 修正的交叉梯度法
•   4.5 联合反演目标函数的建立
•   4.6 本章小节
• 5 陷落柱联合反演数值实验研究
•   5.1 联合反演观测系统及正演结果
•   5.2 可控源音频大地电磁法单独反演
•     5.2.1 可控源音频大地电磁法窄范围约束2.5维反演
•     5.2.2 可控源音频大地电磁法一维Occam反演
•     5.2.3 可控源音频大地电磁法宽范围约束2.5维反演
•   5.3 基于精确地震解释的联合反演
•   5.4 基于“不精确”地震解释的联合反演
•     5.4.1 地震解释范围大于陷落柱实际范围
•     5.4.2 地震解释范围小于陷落柱实际范围
•     5.4.3 地震解释存在误差时的结果讨论
•   5.5 基于“不精确”地震解释的多聚类联合反演
•   5.6 本章小节
• 6 应用实例
•   6.1 工区概况
•   6.2 工程布置与数据采集
•   6.3 数据处理及反演解释
•     6.3.1 可控源音频大地电磁法二维反演
•     6.3.2 可控源音频大地电磁法2.5维反演
•     6.3.3 地震与可控源音频大地电磁联合反演
•     6.3.4 基于地震解释的多聚类联合反演
•   6.4 本章小节
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 在学期间发表的学术论文
• 在学期间参加科研项目
• 主要获奖

文章来源

类型: 博士论文

作者: 温来福

导师: 程久龙

关键词: 地震勘探,可控源音频大地电磁,联合反演,陷落柱,修正的交叉梯度,改进的人工蜂群算法

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程,矿业工程,安全科学与灾害防治

单位: 中国矿业大学(北京)

基金: 国家重点研发计划《矿井突水水源快速判识与水灾防控关键技术研究》课题“导水通道综合精细定位技术与装备”,项目编号:2017YFC0804105,2017年7月-2020年12月

分类号: P631;TD745

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000031

总页数: 158

文件大小: 14965K

下载量: 31