阅读说明：本技术 一种基于平均值约束的层析反演方法 (Average value constraint-based chromatographic inversion method ) 是由 郭昌放 杨真 于 2020-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于平均值约束的层析反演方法,先采用无线电波坑透获取工作面的原始数据；将工作面进行网格离散化,每个网格作为一个像素,利用直射线理论获得每条射线在工作面内所有网格的截距；根据原始无线电波坑透数据、网格截距以及直射线理论,构建无线电波层析反演矩阵方程组；通过已知的反演方法结合反演矩阵方程组,求得每个像素的反演吸收系数值；最后将已揭露的多源先验数据作为平均值约束的数据引入到层析反演计算过程中,不断修正得出的每个像素的反演吸收系数值,最终将修正后的数据通过图像显示,从而得出工作面内的异常分布情况。因此本发明能提高反演得出的工作面内异常分布情况的准确性。(The invention discloses a chromatographic inversion method based on average value constraint, which comprises the steps of firstly, acquiring original data of a working face by adopting a radio wave pit; carrying out grid discretization on the working surface, taking each grid as a pixel, and obtaining the intercept of each ray in all the grids in the working surface by using a straight ray theory; constructing a radio wave chromatography inversion matrix equation set according to original radio wave pit penetration data, grid intercept and a straight ray theory; solving the inversion absorption coefficient value of each pixel by combining an inversion matrix equation set through a known inversion method; and finally, introducing the revealed multi-source prior data serving as data constrained by an average value into a chromatographic inversion calculation process, continuously correcting the obtained inversion absorption coefficient value of each pixel, and finally displaying the corrected data through an image so as to obtain the abnormal distribution condition in the working surface. Therefore, the method can improve the accuracy of the abnormal distribution condition in the working surface obtained by inversion.)

一种基于平均值约束的层析反演方法

技术领域

本发明涉及一种基于平均值约束的层析反演方法，属于煤矿工作面内构造反演技术领域。

背景技术

煤炭是我国的主体能源和基础产业，而煤矿工作面内部断层、陷落柱等地质异常的存在直接影响着工作面回采方案制定、回采效率以及井下工作人员的生命安全。以后随着煤矿开采深度的增加，所面临的开采条件将变得更加复杂。因此，对工作面内地质异常构造的精准反演与预测对煤矿的安全高效生产具有十分重要的现实意义。

井下无线电波坑透技术作为一种非接触式探测方法，由于其施工便捷、效率高、分辨能力强、成本较低，而且还不存在破坏性等优点，使其成为目前国内外煤矿工作面内部地质异常探测和反演的主要方法。在通过无线电波坑透技术对工作面内地质异常反演结果进行分析解释的过程中，往往还需要结合巷探、钻探甚至回采揭露等多源数据进行综合判断。然而，这些已揭露的多源先验数据只是用于辅助结果的定性分析，并未直接定量参与到层析反演的计算过程中。不仅对预测结果的准确性产生一定的影响，同时还产生一定的数据资源浪费。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于平均值约束的层析反演方法，将已揭露的多源先验数据作为平均值约束引入到层析反演计算过程中，不断修正反演计算过程，从而能提高反演得出的工作面内异常分布情况的准确性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于平均值约束的层析反演方法，具体步骤为：

Ⅰ、采用无线电波坑透获取工作面的原始数据；

Ⅱ、将工作面进行网格离散化，利用直射线理论获得每条射线在工作面内所有网格的截距；其中，网格数目为B，射线条数为A；每个网格称为一个像素，并用x_j代表第j个网格的真实吸收系数，j＝1,2,3…B；

假设任一条射线y_i从发射端穿过工作面达到接收端，该射线在第j个网格的截距为d_ij。其中若设定射线的条数为A，则在第i条射线路径上有：i＝1,2,3…A；

由于已知：

H_i＝H₀-20y_ilge-20lgr_i (2)

将公式(1)和(2)联立，即：

上式中：

H_i为针对第i条射线采集到的无线电波场强数据；

H₀为无线电波的发射初始场强值；

r_i为第i条射线的长度，初始通过计算得出的已知值；

Ⅲ、根据原始无线电波坑透数据、网格截距以及直射线理论，构建无线电波层析反演矩阵方程组；

由于煤矿无线电波坑透探测的整个过程是利用多个发射点产生无线电波，其中针对每一个发射点激发产生的无线电波均有多个接收点进行数据的采集，则公式(1)能进一步推广为：

简化后，得出：

[D][X]＝[Y]

式中：

[D]为A*B阶系数矩阵，即每条射线通过每个网格的截距，其中射线条数为A，网格数目为B；

[X]为B*1阶未知系数矩阵，为每个像素的无线电波吸收系数；

[Y]为A*1阶常数矩阵，各观测方式下与实测场强有关的常数，均为已知数据；

其中，[X]为需要反演的目标值，即根据结合上述公式采用已知的反演方法求得每个像素的反演吸收系数值x'_j；

Ⅳ、在通过无线电波坑透技术对工作面内传播介质的吸收系数反演过程中，对得到的每个网格的反演吸收系数值x'_j进行约束处理：

①在煤矿工作面已揭露无地质异常区域范围内，若x'_j小于等于当前反演得到的所有网格的平均吸收系数值x_avg，则x'_j并不改变；若x'_j大于x_avg，则用平均吸收系数值x_avg替代该网格的吸收系数值x'_j；

②在煤矿工作面已揭露存在地质异常区域范围内，若x'_j大于等于当前反演得到的所有网格的平均吸收系数值x_avg，则x'_j并不发生改变；若x'_j小于x_avg，则用平均吸收系数值x_avg替代该网格的吸收系数值x'_j；

具体公式为：

其中：

x'_j为工作面第j个网格对应的反演吸收系数值；

x_avg为当前反演的所有网格吸收系数平均值；

Q₁为在煤矿工作面已揭露无地质异常区域范围内大于x_avg的网格序号集合；

Q₂为在煤矿工作面已揭露存在地质异常区域范围内小于x_avg的网格序号集合；

通过上述平均值约束对反演得到的每个像素的吸收系数值进行处理，最终将处理后的数据通过图像显示，从而得出工作面内的异常分布情况。

与现有技术相比，本发明先采用无线电波坑透获取工作面的原始数据；将工作面进行网格离散化，每个网格作为一个像素，利用直射线理论获得每条射线在工作面内所有网格的截距；根据原始无线电波坑透数据、网格截距以及直射线理论，构建无线电波层析反演矩阵方程组；通过已知的反演方法结合反演矩阵方程组，求得每个像素的反演吸收系数值；最后将已揭露的多源先验数据作为平均值约束的数据引入到层析反演计算过程中，不断修正得出的每个像素的反演吸收系数值，最终将修正后的数据通过图像显示，从而得出工作面内的异常分布情况。因此本发明能提高反演得出的工作面内异常分布情况的准确性。

附图说明

图1是本发明中无线电波层析成像的网格离散化示意图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的具体步骤为：

Ⅰ、采用无线电波坑透获取工作面的原始数据；

Ⅱ、将工作面进行网格离散化，利用直射线理论获得每条射线在工作面内所有网格的截距；其中，网格数目为B，射线条数为A；每个网格称为一个像素，并用x_j代表第j个网格的真实吸收系数，j＝1,2,3…B；

假设任一条射线y_i从发射端穿过工作面达到接收端，该射线在第j个网格的截距为d_ij。其中若设定射线的条数为A，则在第i条射线路径上有：i＝1,2,3…A；

由于已知：

H_i＝H₀-20y_ilge-20lgr_i (2)

将公式(1)和(2)联立，即：

上式中：

H_i为针对第i条射线采集到的无线电波场强数据；

H₀为无线电波的发射初始场强值；

r_i为第i条射线的长度，初始通过计算得出的已知值；

Ⅲ、根据原始无线电波坑透数据、网格截距以及直射线理论，构建无线电波层析反演矩阵方程组；

由于煤矿无线电波坑透探测的整个过程是利用多个发射点产生无线电波，其中针对每一个发射点激发产生的无线电波均有多个接收点进行数据的采集，则公式(1)能进一步推广为：

简化后，得出：

[D][X]＝[Y]

式中：

[D]为A*B阶系数矩阵，即每条射线通过每个网格的截距，其中射线条数为A，网格数目为B；

[X]为B*1阶未知系数矩阵，为每个像素的无线电波吸收系数；

[Y]为A*1阶常数矩阵，各观测方式下与实测场强有关的常数，均为已知数据；

其中，[X]为需要反演的目标值，即根据结合上述公式采用已知的反演方法求得每个像素的反演吸收系数值x'_j；

Ⅳ、在通过无线电波坑透技术对工作面内传播介质的吸收系数反演过程中，对得到的每个网格的反演吸收系数值x'_j进行约束处理：

①在煤矿工作面已揭露无地质异常区域范围内，若x'_j小于等于当前反演得到的所有网格的平均吸收系数值x_avg，则x'_j并不改变；若x'_j大于x_avg，则用平均吸收系数值x_avg替代该网格的吸收系数值x'_j；

②在煤矿工作面已揭露存在地质异常区域范围内，若x'_j大于等于当前反演得到的所有网格的平均吸收系数值x_avg，则x'_j并不发生改变；若x'_j小于x_avg，则用平均吸收系数值x_avg替代该网格的吸收系数值x'_j；

具体公式为：

其中：

x'_j为工作面第j个网格对应的反演吸收系数值；

x_avg为当前反演的所有网格吸收系数平均值；

Q₁为在煤矿工作面已揭露无地质异常区域范围内大于x_avg的网格序号集合；

Q₂为在煤矿工作面已揭露存在地质异常区域范围内小于x_avg的网格序号集合；

通过上述平均值约束对反演得到的每个像素的吸收系数值进行处理，最终将处理后的数据通过图像显示，从而得出工作面内的异常分布情况。