【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于地質(zhì)工程，涉及一種采空區(qū)探測方法。
技術(shù)介紹
1、煤礦開采造成的采空區(qū)是指煤層采掘后形成的空洞區(qū)域，主要包括煤層采空、巷道工程及硐室三個部分。采空區(qū)的形成演化直接關(guān)系到礦區(qū)地表沉陷、巖溶塌陷、水資源破壞、生態(tài)環(huán)境惡化問題，是制約礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此，及時探測查明采空區(qū)的空間分布和穩(wěn)定性狀況，對保障煤炭開采安全、指導(dǎo)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)、促進礦區(qū)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型具有重要意義。
2、常規(guī)的采空區(qū)探測方法主要有鉆探法、物探法和礦測法，但上述方法存在成本高、分辨率低、實時性差的問題。近年來，物探技術(shù)在采空區(qū)探測中得到廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，如采用瞬變電磁法對某采煤沉陷區(qū)開展了探測研究，揭示了沉陷區(qū)的三維電性結(jié)構(gòu)；利用淺層地震反射法確定了采空區(qū)頂板破壞帶的埋深和范圍；綜合重力和視電阻率數(shù)據(jù)反演了采空區(qū)的密度和電阻率分布。但目前針對采空區(qū)探測的聯(lián)合反演方法多局限于定性描述，缺乏統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和反演框架，難以準(zhǔn)確刻畫復(fù)雜條件下采空區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為解決
技術(shù)介紹
中所述的采空區(qū)探測的聯(lián)合反演方法難以準(zhǔn)確刻畫復(fù)雜條件下采空區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)的問題，本專利技術(shù)提供基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法。
2、本專利技術(shù)的方法，包括以下步驟：
3、根據(jù)采空區(qū)的埋藏條件，在采空區(qū)所處的隧洞穿越區(qū)域布設(shè)瞬變電磁探測系統(tǒng)和反射地震探測系統(tǒng)；
4、采集瞬變電磁視電阻率和反射地震波形數(shù)據(jù)，并進行包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、噪音壓制、同步成像在內(nèi)的預(yù)處理，提取采空
5、基于采空區(qū)電性及彈性差異特征參數(shù)，提取得到多屬性特征數(shù)據(jù)集，采用機器學(xué)習(xí)分類算法對多屬性特征數(shù)據(jù)集進行訓(xùn)練、驗證及測試，建立采空區(qū)分類模型，對采空區(qū)類型、規(guī)模、穩(wěn)定性進行判別；
6、基于麥克斯韋方程組和彈性波動方程，采用有限差分和有限元方法進行離散求解，建立采空區(qū)物性參數(shù)與采空區(qū)電性及彈性差異特征參數(shù)的定量響應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建采空區(qū)瞬變電磁與地震波場聯(lián)合正演數(shù)值模型；
7、依據(jù)采空區(qū)瞬變電磁與地震波場聯(lián)合正演數(shù)值模型，結(jié)合采空區(qū)包括幾何形態(tài)、圍巖應(yīng)力狀態(tài)地質(zhì)在內(nèi)的先驗信息，構(gòu)建電磁-地震聯(lián)合反演目標(biāo)函數(shù)；
8、依據(jù)電磁-地震聯(lián)合反演目標(biāo)函數(shù)，采用貝葉斯-馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法進行反演求解，得到采空區(qū)電阻率、地震波速三維分布及其不確定性定量評估結(jié)果；
9、依據(jù)采空區(qū)類型、規(guī)模、穩(wěn)定性判別結(jié)果，結(jié)合采空區(qū)電阻率、地震波速三維分布及其不確定性定量評估結(jié)果，建立采空區(qū)三維精細(xì)結(jié)構(gòu)與物性模型。
10、進一步地，所述瞬變電磁的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組，表達(dá)式為:
11、
12、式中，e為電場強度，h為磁場強度，js為電流源密度，d為電位移，b為磁感應(yīng)強度，σ為電導(dǎo)率，ρ為電荷密度；
13、考慮準(zhǔn)靜態(tài)近似條件，忽略位移電流，上述方程組可簡化為:
14、
15、在采空區(qū)瞬變電磁數(shù)值模擬中，采用交錯網(wǎng)格有限差分方法對上述方程組進行離散求解，首先將研究區(qū)域剖分為nx×ny×nz的立方體網(wǎng)格，然后將電場、磁場分量分別配置在網(wǎng)格棱邊和面的中心點，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等參數(shù)賦值在網(wǎng)格中心；時間方向采用二階精度的中心差分格式，空間方向采用二階精度的交錯網(wǎng)格差分算子，建立三維瞬變電磁正演數(shù)值方程為：
16、en+1-en-1，
17、
18、hn+1-hn，
19、
20、將上述方程在整個空間網(wǎng)格和時間步長上進行組裝，形成大型稀疏線性方程組，采用直接法或迭代法進行求解，即可得到三維電磁場時空分布。
21、更進一步地，所述反射地震數(shù)值模擬采用彈性波動方程，表達(dá)式為:
22、
23、式中，u為位移矢量，σ為應(yīng)力張量，ρ為密度，f為震源項；
24、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滿足胡克定律:
25、σ＝λtr(ε)δ+2με，
26、
27、式中，δ為單位張量，λ和μ分別為第一拉梅常數(shù)和第二拉梅常數(shù)；
28、在數(shù)值求解中，采用交錯網(wǎng)格有限差分方法，應(yīng)力分量配置在網(wǎng)格中心，速度分量配置在相應(yīng)棱邊中點；時間和空間方向均采用二階精度的中心差分格式，建立速度-應(yīng)力形式的彈性波動方程差分格式：
29、
30、其中，v為速度分量；
31、對全部網(wǎng)格和時間步長組裝得到巨型稀疏矩陣方程組，采用顯式時間步進方法進行求解，得到三維彈性波場時空演化信息。
32、更進一步地，所述采空區(qū)電性及彈性差異特征參數(shù)包括瞬變電磁多屬性特征參數(shù)和反射地震多屬性特征參數(shù)；所述瞬變電磁多屬性特征參數(shù)包括視電阻率、視電導(dǎo)率、感應(yīng)極化系數(shù)、瞬變電磁波形衰減系數(shù)；所述反射地震多屬性特征參數(shù)包括地震波初至走時、振幅、頻率、相位、反射系數(shù)、衰減系數(shù)。
33、更進一步地，所述采空區(qū)分類模型的建立方法包括：
34、s1、基于采空區(qū)電性及彈性差異特征參數(shù)，提取得到多屬性特征數(shù)據(jù)集，其中所述采空區(qū)電性及彈性差異特征參數(shù)包括瞬變電磁多屬性特征參數(shù)和反射地震多屬性特征參數(shù)，所述瞬變電磁多屬性特征參數(shù)包括視電阻率、視電導(dǎo)率、感應(yīng)極化系數(shù)、瞬變電磁波形衰減系數(shù)，所述反射地震多屬性特征參數(shù)包括地震波初至走時、振幅、頻率、相位、反射系數(shù)、衰減系數(shù)；
35、s2、采用pearson相關(guān)系數(shù)、互信息指標(biāo)對多屬性特征數(shù)據(jù)集中各特征與采空區(qū)類型的相關(guān)性，用遞歸特征消除和序列特征選擇方法篩選最佳特征組合，作為對采空區(qū)分類貢獻度最大的特征子集；
36、s3、采用隨機分層抽樣的方式將特征子集劃分為訓(xùn)練集、驗證集和測試集三部分；
37、s4、機器學(xué)習(xí)分類算法采用支持向量機，在高維特征空間中構(gòu)建最優(yōu)分類超平面，使不同類別的樣本間隔最大化，將訓(xùn)練集輸入至支持向量機中進行訓(xùn)練，支持向量機的數(shù)學(xué)模型為:
38、min12||w||2+c∑i＝1nξi，
39、s.t.yi(w·xi+b)≥1-ξi，ξi≥0，i＝1，2，…，n；
40、其中，為分類超平面法向量，b為偏置項，c為懲罰因子，ξi為松弛變量；
41、通過求解上述優(yōu)化問題，得到分類決策函數(shù):
42、f(x)＝sign(∑i＝1nαiyi(x·xi)+b)，
43、式中，αi為拉格朗日乘子，yi為支持向量，(x·xi)為核函數(shù)；
44、訓(xùn)練過程中，采用網(wǎng)格搜索、交叉驗證方法優(yōu)選包括核函數(shù)類型、懲罰因子、核函數(shù)參數(shù)在內(nèi)的模型超參數(shù)，得到訓(xùn)練后模型；
45、s5、利用測試集評估訓(xùn)練后模型的采空區(qū)分類模型性能，采用精度、召回率、f1值、roc曲線指標(biāo)綜合評價分類效果；同時學(xué)習(xí)曲線分析訓(xùn)練集和驗證集精度隨樣本量的變化趨勢，判斷訓(xùn)練后模型是否存在過擬合或欠擬合；對于表現(xiàn)欠佳的訓(xùn)練后模型，返回步驟s2-s4，調(diào)整特征選擇、優(yōu)化模型參數(shù)，直至本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述瞬變電磁的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組，表達(dá)式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述反射地震數(shù)值模擬采用彈性波動方程，表達(dá)式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述采空區(qū)電性及彈性差異特征參數(shù)包括瞬變電磁多屬性特征參數(shù)和反射地震多屬性特征參數(shù)；所述瞬變電磁多屬性特征參數(shù)包括視電阻率、視電導(dǎo)率、感應(yīng)極化系數(shù)、瞬變電磁波形衰減系數(shù)；所述反射地震多屬性特征參數(shù)包括地震波初至走時、振幅、頻率、相位、反射系數(shù)、衰減系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述采空區(qū)分類模型的建立方法包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述采空區(qū)瞬變電磁與地震波場聯(lián)合正演數(shù)值
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述電磁-地震聯(lián)合反演目標(biāo)函數(shù)為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述電磁-地震聯(lián)合反演目標(biāo)函數(shù)的求解過程為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述瞬變電磁的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組，表達(dá)式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述反射地震數(shù)值模擬采用彈性波動方程，表達(dá)式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于瞬變電磁與地震波場聯(lián)合反演的采空區(qū)探測方法，其特征在于：所述采空區(qū)電性及彈性差異特征參數(shù)包括瞬變電磁多屬性特征參數(shù)和反射地震多屬性特征參數(shù)；所述瞬變電磁多屬性特征參數(shù)包括視電阻率、視電導(dǎo)率、感應(yīng)極化系數(shù)、瞬變電磁波形衰減系數(shù)；所述...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：盧樹盛，顏慧明，張正清，吳樹良，李士明，萬永良，齊凌軒，李國耀，劉凱，王茂智，
申請(專利權(quán))人：長江巖土工程有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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