【摘要】：煤炭是我國的基礎能源。在追求煤炭高產高效的同時,絕對不能忽視地質安全保障系統(tǒng)的建設。災害源是引起礦井災難事故的重要原因。在礦井采煤過程中,通過探測災害源的空間信息和特征屬性,預測可能的隱伏災害源,可為煤礦安全生產提供科學的地質保障,是避免煤礦事故的有效手段,也是我國煤礦企業(yè)急迫解決的重大安全科學和工程問題。地質雷達作為一種快速、無損、高效的地球物理探測方法,是目前精確度最高的物探方法,但探測距離是限制地質雷達技術在礦井應用的主要因素。層析成像探測利用的是單程直達波的走時等數(shù)據,能夠有效提升地質雷達的探測距離,可直接在工作面巷道內對工作面進行近距離探測,實現(xiàn)地面地球物理勘探方法無法達到的地質勘探效果。本論文以國家重大科學儀器設備開發(fā)專項“礦井災害源探測儀器研制與產業(yè)化應用”(2012YQ030126)為背景,對礦井復雜構造雷達波走時層析成像反演算法進行研究。研究內容包括礦井雷達波走時層析成像技術的觀測技術,礦井非線性介質雷達波走時層析射線追蹤算法,基于動態(tài)射線追蹤與稀疏存儲的反演優(yōu)化算法,不規(guī)則觀測區(qū)域的走時層析成像反演算法,以及處理層析成像大數(shù)據的并行化反演算法,并通過數(shù)值模擬實驗與物理模型實驗驗證算法的可行性。通過研究礦井復雜構造雷達波走時層析成像反演算法,將極大地拓展地面地質雷達在礦井災害源探測中的應用范圍,為煤礦關系到社會穩(wěn)定和國民經濟可持續(xù)發(fā)展等重大安全生產問題提供有效的技術支撐,對我國礦井災害預防及煤礦安全生產有著十分重要的現(xiàn)實意義。本文建立了適用于矩形、梯形與楔形觀測區(qū)域的礦井環(huán)境的雷達波走時層析成像觀測系統(tǒng)。針對層析成像探測方法的特點,介紹了多偏移距數(shù)據采集方法與連續(xù)掃描數(shù)據采集方法。在進行走時層析成像反演時,首先將觀測區(qū)域離散化,將觀測區(qū)域劃分為若干個網格,再進行射線追蹤,獲取射線在網格中的路徑,求取反演方程組中的系數(shù)矩陣。針對礦井觀測區(qū)域的特點,以及目前直射線追蹤算法與彎曲射線追蹤算法的局限性,提出了一種改進的射線追蹤算法——礦井非線性介質二次剖分動態(tài)射線追蹤算法。該算法分為三個過程:直射線追蹤確定波速向量初值并計算當前反演走時,通過數(shù)理統(tǒng)計方法篩選出異常射線并確定其曲線傳播起始點,在后續(xù)反演迭代中對異常射線進行線性插值追蹤。由于每一道射線只經過觀測區(qū)域中的少數(shù)網格,導致系數(shù)矩陣中存在大量零元素。零元素的存儲與計算耗費了大量的計算機存儲空間和計算時間。本文改進了系數(shù)矩陣的稀疏存儲與求解方法,可以大大降低層析反演算法的時間復雜度與空間復雜度,提高反演算法的效率。三組數(shù)值模型實驗的結果驗證了采用稀疏存儲后三種算法的計算時間都顯著縮短。雷達波走時層析成像的反演算法有多種,本文針對三種通用的算法,即art、sirt和lsqr算法,結合動態(tài)射線追蹤與稀疏存儲做了優(yōu)化。迭代終止條件一般是檢驗最小二乘條件,即計算根據反演結果計算出的反演走時同采集到的走時的差的范數(shù)。本文將走時殘差改為相對走時殘差,并增加了走時殘差變化值與反演結果變化值兩個條件,當反演結果趨于穩(wěn)定或者精度不再提高時,即停止迭代計算,提高了算法的效率,避免結果穩(wěn)定后依然計算直至最大迭代次數(shù)才停止反演。當觀測區(qū)域含塊狀高速異常時,三種算法均可識別異常區(qū)域的位置和大小。art與dampinglsqr的結果相近,明顯優(yōu)于sirt算法,art算法的反演結果中異常部位的波速值最準確。當觀測區(qū)域含塊狀低速異常時,art與dampinglsqr均可識別異常區(qū)域的位置和大小,sirt只能識別異常區(qū)域的位置。當觀測區(qū)域含帶狀異常時,art與dampinglsqr均可識別帶狀異常的位置和大小,sirt只能識別平行于透射方向的帶狀異常的位置和大小。此外,使用一定角度范圍內的射線的走時數(shù)據進行反演時,效果優(yōu)于使用全部射線的走時數(shù)據,在一定程度上避免了大角度射線對反演結果的干擾。本文還討論了網格大小的確定依據,網格數(shù)目增多,會改善反演效果,網格數(shù)目與走時數(shù)據道數(shù)近似是一個較優(yōu)的選擇。在實際反演過程中,可以先將觀測區(qū)域劃分為網格邊長較大的模型,再逐漸縮小,直至走時均方根誤差趨于穩(wěn)定并且等值線圖中異常部位的輪廓清晰為止。梯形與楔形觀測區(qū)域反演時,大角度射線占據比例高,系數(shù)矩陣稀疏度提高,并且每條射線經過的網格數(shù)減少,導致反演方程組病態(tài)程度加劇。根據其反演的特殊性,本文提出了基于投影分區(qū)的加權排序art優(yōu)化算法。優(yōu)化算法包括兩部分:第一部分是對射線追蹤的優(yōu)化,將不規(guī)則觀測區(qū)域投影到矩形邊界,根據斜邊與網格的位置關系不同劃分為三個區(qū)域,將初始射線投影至矩形邊界后重新進行射線追蹤,降低了反演方程組的病態(tài)程度;第二部分通過設計射線角度權系數(shù)和慢度差值權系數(shù),并在迭代過程中根據慢度差值權系數(shù)排序計算,對傳統(tǒng)的art算法進行了優(yōu)化。數(shù)值模擬實驗結果顯示,梯形觀測區(qū)域實驗中,空洞模型、含水區(qū)模型與帶狀破碎帶模型,異常的大小、位置與性質都可以準確識別。含水區(qū)模型的波速相對誤差比其他模型更嚴重,導致圖像出現(xiàn)部分虛假異常。帶狀破碎帶模型中水平破碎帶的反演效果很好,垂直破碎帶靠近斜邊一端比較準確,但整體仍可判斷為帶狀破碎帶。楔形觀測區(qū)域實驗的結果與梯形觀測區(qū)域基本一致。帶狀異常的方向與反演精度呈現(xiàn)對應性規(guī)律,與帶狀異常方向傾角較小的射線數(shù)據量大時,該異常的反演效果較好。如果在采集數(shù)據時,布置不同方向的測線,多邊發(fā)射多邊接收,會改善反演效果�？朔@一影響的另一個方法是圖像融合技術。本文采用基于小波變換的圖像融合技術,對兩種測線布置獲取的走時數(shù)據反演計算得到的圖像進行融合。融合圖像很好的綜合了兩幅原始圖像中的異常信息,減小了背景噪音,并確定了8~12層為較優(yōu)的小波分解層數(shù),db4與sym4為綜合性能較優(yōu)的小波基函數(shù)。為檢驗本論文提出的算法對實測數(shù)據的有效性,使用中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研發(fā)的CT透射地質雷達,利用按照礦井實際開采尺寸的1:1~1:3大小制作的巷道物理模型,進行了矩形觀測區(qū)域與楔形觀測區(qū)域的實驗研究。矩形實驗結果中,多偏移距與連續(xù)掃描兩種方法采集的走時數(shù)據基本一致,但楔形實驗中,二者存在明顯的差異,并且對反演結果造成了影響。因此,在選擇走時數(shù)據采集方法時,應綜合考慮測線長度、布點個數(shù)與檢測分辨率的要求。矩形實驗結果表明,ART與Damping LSQR算法的反演結果較好,優(yōu)于SIRT算法,可以準確、全面的反映探測區(qū)域的介質分布情況。楔形實驗結果表明,基于投影分區(qū)的加權排序ART優(yōu)化算法對實測數(shù)據也是有效的,可以準確識別探測區(qū)域中空洞異常的大小、位置與介質波速。雷達波走時層析成像數(shù)據處理主要包括射線追蹤與反演計算兩部分,本文分別設計了這兩部分的并行化策略。結合射線追蹤算法的特點,對射線數(shù)據進行均勻分塊。ART算法逐網格進行計算,適合進行并行化處理,對網格區(qū)域采用不均勻劃分策略,令劃分節(jié)點位于網格節(jié)點處,并使分塊數(shù)據近似平均。采用關聯(lián)式MapReduce并行框架的迭代組合應用,一次框架實現(xiàn)射線追蹤的并行化,二到N次框架實現(xiàn)ART算法的并行化。通過搭建完全分布式模式的Hadoop云計算平臺,應用上述并行框架組合,對模擬數(shù)據進行并行化反演實驗。實驗結果表明,基于MapReduce的并行框架組合應用在雷達波走時層析成像的并行化反演中得到了較好的應用,提高了反演效率。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P631

【參考文獻】

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本文編號：2786884