CN114839671A - 地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法 - Google Patents

地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，首先在勘探区进行三维地震勘探、地面和地巷瞬变电磁法数据采集，对三维地震勘探数据进行波阻抗反演；结合电阻率测井资料和波阻抗反演结果，构建煤系地层三维地电模型；采用Tetgen/Gmsh等开源程序对三维地电模型进行非结构四面体网格剖分；对网格剖分文件进行地面和地巷瞬变电磁联合约束反演，对于地震反演结果具有同一属性的岩层或隐蔽地质体作为同一电性单元进行反演，通过CPU并行以及降低反演过程中的雅可比矩阵维度提高反演速度，反演结果既保持了地震勘探的分辨能力，又保留了地面和地巷瞬变电磁法对电性体的灵敏度，可规避由于岩性本身电性引起的低电阻率假异常。

Description

地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法
技术领域
本发明涉及煤系地层电性界面识别领域，具体涉及地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法。
背景技术
当前，用于探测煤炭隐蔽突水致灾源的地球物理方法主要有直流电法和瞬变电磁法等。直流电法经过数十年的发展，已发展出多种观测方式，如矿井音频电透视、三点三极超前探测、矿井直流电测深等，具有较强的抗干扰和穿透能力，但其施工效率较低、劳动强度大，尤其井下通讯等问题，限制了该方法的应用。鉴于瞬变电磁法施工方便、对低阻体响应灵敏等特点，已成为各煤炭较为流行的隐蔽突水致灾源探测方法，尤其是矿井瞬变电磁法。
虽然瞬变电磁法已广泛应用于煤炭隐蔽突水致灾源的探测，但受井下巷道空间的限制，矿井瞬变电磁法的发射线圈一般采用多匝小回线，发射能量有限，其探测范围一般在百米以内，同时盲区范围较大。地面瞬变电磁法的发射源和接收点与存在于煤层顶、底板以及工作面内部的隐蔽突水致灾源距离较远，深部目标体探测能力有限。基于以上因素，刘树才、姜志海等于2011年开始进行地巷(地面-巷道)瞬变电磁法的研究，该方法结合地面瞬变电磁法发射源不受空间限制的优点以及矿井瞬变电磁法接收线圈与目标较近的特点，实现地面发射，巷道内接收的立体式观测系统，以此提高煤炭瞬变电磁法的探测深度和对目标体的响应能力。由于接收点位于巷道内，受全空间的影响比在地面接收严重，因此地巷瞬变电磁法对上方异常体的纵向定位能力比地面瞬变电磁法弱。经过多年的发展，地巷瞬变电磁法已经在多个矿区进行试验与生产，效果显著。另外，由于瞬变电磁法基于Maxwell方程组扩散场为基本原理进行地质信息探测，故分辨率不会太高，探测结果存在空间范围精度低、多解性强等问题，对煤岩层以及隐蔽地质构造的边界划分不准，同时通过电阻率进行地质构造或采空区导含水的判定，容易忽略由于岩性本身引起的低电阻率，造成煤矿防治水成本增加。
经大量文献收集以及与多方单位的沟通可知，近十多年来，我国煤炭普遍开展了采区高精度三维地震勘探，在采区小构造的探测方面取得了显著成果。地震勘探技术基于岩石弹性力学性质的差异，激发并观测弹性波在岩石中的传播规律进行勘探，具有较高的垂向和横向分辨率，在划分地层和小构造时具有较高的分辨能力。但岩石的弹性参数与其含水性相关度不高，因此利用地震勘探进行岩层富水区探测相对困难，无法识别煤系地层电性分界面，尽管也有多个矿区进行过三维地震对隐蔽突水致灾源探测应用，但效果不太理想。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，通过地震波阻抗反演结果建立地球物理电性模型，以此模型作为地面和地巷瞬变电磁法联合反演解释的初始模型，进行带有模型层边界的约束反演，能够精细探测煤矿隐蔽地质体的赋水性和边界，降低煤矿防治水成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，包括以下步骤：
(1)在探测区域布设一个矩形发射回线，并与发电机和方波发射设备通过导线相连接；
(2)在探测区地表和井下巷道内分别布设三分量接收探头，所述三分量接收探头连接有接收机，所述接收机与步骤(1)中的方波发射设备同步设置用于在地表和巷道内同时接收电磁信号；
(3)在探测区内打孔放置炸药震源，所述炸药震源与震源车电性连接；
(4)布置检波器于探测区地表，由震源车控制炸药震源激发地震波，地震波激发后利用检波器以及三分量接收探头进行数据记录；
(5)利用步骤(4)检测的数据进行地震波阻抗反演，得到波阻抗反演数据体，将地震反演结果由二进制文件转换成十进制，采用MATLAB/Python语言将其转换至三维数据空间；
(6)利用步骤(5)得到的三维数据空间以及电阻率测井资料构建地球物理电性模型，并进行非结构四面体网格剖分；
(7)通过CPU并行和降低雅各比矩阵维度的方式提高反演速度，以地电模型同一属性岩层作为反演中的一个单元进行基于有限单元法的地面和地巷瞬变电磁法联合反演，反演结果以地震波阻抗反演为基准模型，只改变岩层、隐蔽地质体的电阻率实现煤系地层地电界面的精细识别。
优选地，所述接收机通过GPS、石英钟或晶振与方波发射设备同步。
优选地，所述地震波阻抗反演时采用Geoview三维反演软件。
优选地，步骤(7)中每个反演中的单元均包括若干个非结构四面体网格。
优选地，所述矩形发射回线布设于探测区域地表位置，回线边长等于探测深度，再地表和巷道内同时进行观测。
优选地，所述步骤(6)中采用Tetgen/Gmsh开源程序对构建地球物理电性模型进行非结构四面体网格剖分。
本发明的有益效果在于：
本发明通过地震波阻抗反演结果建立地球物理电性模型，以此模型作为地面和地巷瞬变电磁法联合反演解释的初始模型，通过CPU并行以及降低雅可比矩阵维度的方式提高反演速度，进行带有模型层边界的联合约束反演，能够精细探测煤矿隐蔽地质体的赋水性和边界，降低煤矿防治水成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为地面和地巷瞬变电磁法观测系统；
图2为煤系地层电性界面精细识别方法基本流程；
图3为串行与并行运算示意图；
图4为雅可比矩阵计算示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图2所示，本实施例提供一种地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，包括以下步骤：
(1)在探测区域布设一个矩形发射回线，并与发电机和方波发射设备通过导线相连接；
(2)在探测区地表和井下巷道内分别布设三分量接收探头，所述三分量接收探头连接有接收机，所述接收机与步骤(1)中的方波发射设备同步设置用于在地表和巷道内同时接收电磁信号；
(3)在探测区内打孔放置炸药震源，所述炸药震源与震源车电性连接；
(4)布置检波器于探测区地表，由震源车控制炸药震源激发地震波，地震波激发后利用检波器以及三分量接收探头进行数据记录；
(5)利用步骤(4)检测的数据进行地震波阻抗反演，得到波阻抗反演数据体，将地震反演结果由二进制文件转换成十进制，采用MATLAB/Python语言将其转换至三维数据空间；
(6)利用步骤(5)得到的三维数据空间以及电阻率测井资料构建地球物理电性模型，并进行非结构四面体网格剖分；
(7)通过CPU并行和降低雅各比矩阵维度的方式提高反演速度，以地电模型同一属性岩层作为反演中的一个单元进行基于有限单元法的地面和地巷瞬变电磁法联合反演，通过CPU并行及降低雅可比矩阵的方式进行快速反演，反演结果以地震波阻抗反演为基准模型，只改变岩层、隐蔽地质体的电阻率实现煤系地层地电界面的精细识别。
如图1所示为地面和地巷瞬变电磁观测系统示意图：最上层的矩形框为位于地表的矩形发射回线，与发射机通过导线连接，发射回线边长应大于等于最大探测目标深度，通过GPS等对发射线圈位置进行定位，地面接收点通过GPS 与发射系统进行同步；最上层的若干点为地面接收点，地面接收点既可位于发射线圈内又可位于发射线圈外，通过GPS定位地面接收点位置；中间阴影部位为煤层所在位置，煤层中间的两条白色区域为巷道，位于巷道中间的点为巷道内接收点，由于巷道空间有限，则接收点数相对较少。本实施例的地面接收点以及巷道内接收点的数量采用本领域技术人员所熟知的现有方法确定，在此不再做详细描述，本实施例的方波发射设备与发电机位于地面通过导线和发射回线连接，地面接收点和巷道内接收点均采用三分量接收探头接收电磁场信号，其与方波发射设备通过GPS/晶振/石英钟同步。
本实施例的发射回线、三分量接收探头、方波发射设备、发电机均采用本领域技术人员所熟知的现有产品或结构，其相互之间的连接方式也采用本领域技术人员所熟知的现有连接方式，在此不再做详细描述。
本实施例中炸药震源及炸药震源的放置位置采用本领域技术人员所熟知的现有方式确定，在此不再做详细描述，检波器、震源车采用本领域技术人员所熟知的现有产品或结构，其安装方式、安装位置以及相互连接关系采用本领域技术人员所熟知的现有方式，在此不再做详细描述。
如图2所示，首先在勘探区进行三维地震勘探、地面和地巷瞬变电磁法数据采集，对三维地震勘探数据采用成熟软件Geoview三维反演软件进行波阻抗反演；通过MATLAB/Python语言或是其他本领域技术人员所熟知的语言将波阻抗反演结果由二进制转换至十进制，并转换至三维数据空间；结合电阻率测井数据和波阻抗反演结果转换的三维数据，构建煤系地层三维地电模型；采用 Tetgen/Gmsh开源程序对三维地电模型进行非结构四面体网格剖分；对网格剖分文件进行地面和地巷瞬变电磁联合反演，对于地震反演结果具有同一属性的岩层或隐蔽地质体作为同一电性单元进行反演，反演程序通过CPU并行技术以及降低雅可比矩阵维度的方式提高运算速度；通过此流程得到的三维反演结果即可获得煤系地层电性断面，该电性断面既保持了地震勘探的分辨能力，又保留了地面和地巷瞬变电磁法对电性体的灵敏度，可精细识别煤系地层电性界面，规避由于岩性本身电性引起的低电阻率假异常，降低煤矿防治水成本。
本实施例采用串行与并行运算流程如图3所示，其中并行线程数与计算机性能相关。采用的雅各比矩阵J运算如图4所示，图4中每一个属性单元P包含数个四面体单元，其中m为四面体单元电阻率，P为属性单元电阻率，dc为瞬变电磁法正演模拟数据，M为模拟数据个数，N1四面体单元个数，N2反演过程中属性单元个数，其中N2远远小于N1。
本实施例的MATLAB/Python语言为本领域技术人员所熟知的现有语言，在此不作详细描述。
本实施例的电阻率测井数据为本领域技术人员所熟知的现有数据。
瞬变电磁法不同时刻的实测数据可以写成向量
Figure BDA0003567891970000061
Figure BDA0003567891970000062
模型参数可被写成
Figure BDA0003567891970000063
Figure BDA0003567891970000071
式中N为模型参数个数。当正演函数
Figure BDA0003567891970000072
为线性时，实测数据与模型之间存在以下关系
Figure BDA0003567891970000073
其中
Figure BDA0003567891970000074
为实测数据与正演数据之差；F正演算子，为M×N矩阵。
最小二乘法的反演过程就是通过拟合观测数据的方式迭代计算出新的模型，最终获得一个响应数据与观测数据的拟合符合给定精度的模型，即
Figure BDA0003567891970000075
最小，这个模型就是反演结果。最小二乘以“L2范数”最小来确定反演结果，因此，最小二乘线性反演的目标函数为
Figure BDA0003567891970000076
令目标函数取极小值，则有
Figure BDA0003567891970000077
假设维度为M×M矩阵FTF的逆存在，则最小二乘解可被写为
Figure BDA0003567891970000078
然而，地球物理数据受周围环境的影响造成同一地点不同时间观测的数据不同，所以观测到的数据具有一定的误差Δdi，反演过程中观测数据误差的影响尤为重要，将误差权重平方和带入(6)式，即可得到加权最小二乘解：
Figure BDA0003567891970000079
式中Wd为误差权重矩阵，可表示为
Figure BDA0003567891970000081
对于大多数地球物理方法，正演算子是非线性的，正演算子无法被写成一个线性矩阵，因此对正演算子一阶泰勒展开并忽略高阶项，从而获得线性正演算子。基于此，(3)式中的正演算子可被写为
Figure BDA0003567891970000082
式中雅可比矩阵
Figure BDA0003567891970000083
模型修改量
Figure BDA0003567891970000084
令
Figure BDA0003567891970000085
有
Figure BDA0003567891970000086
与求解式(3)类似，求解(9)式的过程为Gauss-Newton迭代求解
Figure BDA0003567891970000087
通过求解模型修改量
Figure BDA0003567891970000088
我们可以得到新的模型
Figure BDA0003567891970000089
不断迭代求解获得新的模型，直至计算出的模型满足所设阈值，则该模型为我们所寻结果。求解过程中运算量最大的地方为雅可比矩阵J的求取，在本发明专利中，雅可比矩阵的求解采用图4的方式，以此提高反演速度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在探测区域布设一个矩形发射回线，并与发电机和方波发射设备通过导线相连接；
(2)在探测区地表和井下巷道内分别布设三分量接收探头，所述三分量接收探头连接有接收机，所述接收机与步骤(1)中的方波发射设备同步设置用于在地表和巷道内同时接收电磁信号；
(3)在探测区内打孔放置炸药震源，所述炸药震源与震源车电性连接；
(4)布置检波器于探测区地表，由震源车控制炸药震源激发地震波，地震波激发后利用检波器以及三分量接收探头进行数据记录；
(5)利用步骤(4)检测的数据进行地震波阻抗反演，得到波阻抗反演数据体，将地震反演结果由二进制文件转换成十进制，采用MATLAB/Python语言将其转换至三维数据空间；
(6)利用步骤(5)得到的三维数据空间以及电阻率测井数据构建地球物理电性模型，并进行非结构四面体网格剖分；
(7)通过CPU并行和降低雅各比矩阵维度的方式提高反演速度，以地电模型同一属性岩层作为反演中的一个单元进行基于有限单元法的地面和地巷瞬变电磁法联合快速反演，反演结果以地震波阻抗反演为基准模型，只改变岩层、隐蔽地质体的电阻率实现煤系地层地电界面的精细识别。
2.如权利要求1所述的地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，其特征在于，所述接收机通过GPS或石英钟或晶振与方波发射设备同步。
3.如权利要求1所述的地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，其特征在于，所述地震波阻抗反演时采用Geoview三维反演软件。
4.如权利要求1所述的地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，其特征在于，步骤(7)中每个反演中的单元均包括若干个非结构四面体网格。
5.如权利要求1所述的地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，其特征在于，所述矩形发射回线布设于探测区域地表位置，矩形发射回线边长大于等于探测深度，在地表和巷道内同时进行观测。
6.如权利要求1所述的地面和地巷瞬变电磁法精细识别煤系地层电性界面方法，其特征在于，所述步骤(6)中采用Tetgen/Gmsh开源程序对构建地球物理电性模型进行非结构四面体网格剖分。
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