【摘要】：時(shí)延電阻率層析成像作為一種監(jiān)測(cè)淺層地下發(fā)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程的新技術(shù)已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,但此技術(shù)應(yīng)用到煤礦井巷中的報(bào)道較為少見(jiàn)。本文綜合應(yīng)用數(shù)值模擬、物理模擬、巷道實(shí)體實(shí)驗(yàn)等方法與手段,對(duì)時(shí)延電阻率層析成像技術(shù)機(jī)理與技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。論文的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)為應(yīng)對(duì)井下空間狹小和動(dòng)態(tài)開(kāi)采的雙重壓力,通過(guò)將傳統(tǒng)的二維觀測(cè)系統(tǒng)改造為三維觀測(cè)系統(tǒng),并重新設(shè)計(jì)鉆孔采樣電極,研發(fā)出新的井下時(shí)延ERT觀測(cè)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)時(shí)延ERT的各種裝置形式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析,弄清了適用于井巷環(huán)境下的裝置形式。(2)通過(guò)對(duì)單幅時(shí)延ERT圖像正演計(jì)算,首先從ERT層析成像的基本數(shù)學(xué)原理出發(fā)推導(dǎo)出采用四面體單元時(shí)有限元法求解三維電阻率正演問(wèn)題的計(jì)算過(guò)程,得到離散形式的泊松方程解,通過(guò)引入多重代數(shù)網(wǎng)格-共軛梯度預(yù)處理算法,降低了計(jì)算雅可比矩陣時(shí)間,滿足了煤礦動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)短時(shí)分析的要求,并且相對(duì)于電導(dǎo)率系數(shù)的跳躍具有高度魯棒性,對(duì)于井巷環(huán)境這種三維復(fù)雜網(wǎng)格也具有更好的適應(yīng)性,并在通過(guò)模型狀態(tài)過(guò)程方程和觀測(cè)模型構(gòu)建起動(dòng)態(tài)過(guò)程的濾波算法,對(duì)時(shí)延觀測(cè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行計(jì)算得出了時(shí)延模型的狀態(tài)估計(jì)。(3)基于煤系地層成層分布的地電斷面特征,提出了一種新的時(shí)延3D精細(xì)反演和快速反演算法,用來(lái)對(duì)電阻率隨時(shí)間的變化進(jìn)行成像。通過(guò)預(yù)先估計(jì)地質(zhì)體變化區(qū)域并分配適當(dāng)?shù)臅r(shí)間拉格朗日值,采用差分成像對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析,繼而將4D-ATC反演方法應(yīng)用于所有監(jiān)測(cè)步驟記錄的整個(gè)數(shù)據(jù)集,使得成像結(jié)果更關(guān)注預(yù)期變化的區(qū)域,以用來(lái)對(duì)電阻率隨時(shí)間的變化進(jìn)行成像。而井巷時(shí)延ERT快速算法通過(guò)聚類(lèi)策略的引入在大幅度減少反演次數(shù)的同時(shí),保持了成像的穩(wěn)定性,有效地滿足了煤礦安全監(jiān)測(cè)對(duì)于快速的、可突出動(dòng)態(tài)變化的定性、半定量和定量算法的需求,尤其是對(duì)于監(jiān)測(cè)復(fù)雜,高度可變的目標(biāo)來(lái)說(shuō)尤為重要,因?yàn)檫@些區(qū)域中的異常隨著時(shí)間的變化會(huì)被錯(cuò)誤的認(rèn)為是偽影。應(yīng)用結(jié)果表明,時(shí)延電阻率層析成像技術(shù)能夠探測(cè)巷道底板隱伏構(gòu)造的導(dǎo)含水性以及與其他富水體的水力聯(lián)系情況,施工方便快捷,適于實(shí)時(shí)追蹤探測(cè)。
【圖文】：

具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其工作復(fù)雜度只與問(wèn)題大小成線性關(guān)系并且不需要額外的幾何信息。這里，共軛梯度法被用于選擇的求解器，因?yàn)樗哂袑?duì)陣正定矩陣系統(tǒng)的最佳近似屬性。在每次共軛梯度法迭代中，都可以將一個(gè) V 周期的代數(shù)多重網(wǎng)格應(yīng)用于A 矩陣。在井巷時(shí)延 ERT 應(yīng)用中，求解的時(shí)間成本是我們最需要考慮的因素。為了說(shuō)明預(yù)處理方案的效率，考慮在具有各向異性 =diag (1 ,2,3)和 10lzl 1 : 4的三維域上的簡(jiǎn)單測(cè)試問(wèn)題。設(shè)定網(wǎng)格上的特征值為1P A ，且具有對(duì)稱(chēng)平滑的多重代數(shù)網(wǎng)格的一個(gè) V 循環(huán)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于共軛梯度法，初始值為 0，當(dāng)殘留誤差滿足下式時(shí)終止迭代8 0 010T Ti ir r r r 根據(jù)計(jì)算，，只需要 10 次迭代的共軛梯度法-代數(shù)多重網(wǎng)格算法就可以將相對(duì)殘留誤差減少到 10-8。當(dāng)網(wǎng)格被細(xì)化時(shí)，特征值不會(huì)擴(kuò)散，迭代計(jì)數(shù)也不會(huì)增加。代數(shù)多重網(wǎng)格算法預(yù)處理的結(jié)果如圖 2-1 所示。

且在正確的位置上未顯示出最大深度水平的變化。而在位于頂部和橫向的異常成像相對(duì)良好（圖 3-1c），此時(shí)時(shí)間拉格朗日值為 0.066，模型的反演成果范圍（分別為 40 和 100 m 的垂直和水平范圍值）更接近實(shí)際模型（分別為35 和 98 m）的范圍。(a) 基礎(chǔ)視電阻率斷面圖(b) TimeStep1-時(shí)延視電阻率斷面圖(c) TimeStep2-時(shí)延視電阻率斷面圖
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TD76

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2600496