一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法技术

本发明专利技术公开了一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法，包括：构建n个地电模型以及全空间条件下的高阻和低阻地电模型；对n个地电模型和高阻和低阻地电模型进行模拟仿真计算，得到n个地电模型对应的视电阻率数据集和高阻和低阻地电模型对应的视电阻率数据集，作为训练集和测试集；利用训练集和测试集对BP神经网路进行训练和验证，直至BP神经网络的输出与高阻和低阻地电模型设定的电阻率间的误差满足目标误差；利用训练好的BP神经网路对开采现场采集不同采动阶段的地电响应数据进行全空间反演，得到开采现场的真实电阻率数据，确定不同采动阶段的覆岩采动裂隙发育范围。本发明专利技术能对覆岩采动裂隙带发育范围和高度进行精确测量。高度进行精确测量。高度进行精确测量。

【技术实现步骤摘要】
一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法


[0001]本专利技术涉及采矿工程和岩土工程监测
，更具体的说是涉及一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法。

技术介绍

[0002]随着煤层的开采，煤层顶板在不断变化的应力扰动下产生大量采动裂隙。覆岩采动裂隙是煤层顶板突水及瓦斯运移的通道，因此针对覆岩采动裂隙演化特征开展研究对于煤矿灾害事故防治至关重要。
[0003]钻孔电阻率法在覆岩采动裂隙演化动态监测中具备实时动态监测的优势，可以满足覆岩采动裂隙发育范围和高度实时监测的需求。然而，钻孔电阻率法原位监测采集的电场数据本质是覆岩全空间条件下围岩的综合地电响应，而基于半空间理论的电阻率反演方法和常规电阻率反演软件仅仅能够实现半空间电阻率反演与成像，无法实现全空间电阻率反演与成像的要求，这导致探测结果与实际存在较大的误差。
[0004]因此，如何提供一种能实现对覆岩导水裂隙带发育高度的精确测量的监测覆岩采动裂隙演化的全空间钻孔电阻率方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法，能够对覆岩采动裂隙发育高度进行精确定位。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法，包括：
[0008]针对采煤工作面回采过程中未采动阶段、采动阶段和停采阶段的地质资料和岩层电阻率资料，确定地层属性和岩层电阻率属性，并构建全空间条件下，未采动阶段、采动阶段和停采阶段的n个地电模型；
[0009]构建全空间条件下的高阻和低阻地电模型；
[0010]对n个所述地电模型进行模拟仿真计算，得到n个所述地电模型对应的视电阻率数据集，作为训练集；对所述高阻和低阻地电模型进行模拟仿真计算，得到所述高阻和低阻地电模型对应的视电阻率数据集，作为测试集；
[0011]利用所述训练集对预先构建的BP神经网路进行训练，直至满足预设训练目标的最小误差；
[0012]利用所述测试集对训练后的BP神经网路的性能进行测试，通过最小均方根误差判断测试正确率是否满足预设值，若满足，则得到最终的BP神经网路；
[0013]利用最终好的BP神经网路对开采现场采集不同采动阶段的地电响应数据进行全空间反演，得到开采现场的真实视电阻率数据；
[0014]根据开采现场的真实电阻率数据的变化规律，确定不同采动阶段的覆岩采动裂隙发育范围和最大发育高度。
[0015]进一步的，所述高阻和低阻地电模型包括：单层高阻地电模型和双层高阻和低阻地电模型；所述单层高阻高阻和低阻地电模型中包含有一层高阻地层；所述双层高阻和低阻地电模型中包含有两层地层，一层为高阻地层，其电阻率高于所述双层高低组地电模型中背景场的电阻率，另一层为低阻地层。
[0016]进一步的，所述单层高阻地电模型的构建过程为：
[0017]建立500*500*500的三维均匀全空间模型，将该三维均匀全空间模型的电阻率视为围岩背景场的电阻率，设为200Ωm；
[0018]在三维均匀全空间模型的中间位置建立一层高阻地层，将高阻地层的电阻率设为500Ωm。
[0019]进一步的，所述双层高阻和低阻地电模型的构建过程为：
[0020]建立500*500*500的三维均匀全空间模型，将该三维均匀全空间模型的电阻率视为围岩背景场的电阻率，设为200Ωm；
[0021]在三维均匀全空间模型中间建立两层地层，一层为高阻地层，电阻率设为500Ωm，另一层为低阻地层，电阻率设为100Ωm。
[0022]进一步的，对n个所述地电模型和所述高阻和低阻地电模型进行模拟仿真计算，包括：
[0023]针对n个所述地电模型和所述高阻和低阻地电模型，在采煤工作面推进过程中，每推进2.5m调整一次所述地电模型的电阻率值，且岩层电阻率变化步长为10Ω
·
m；
[0024]根据上述电阻率的变化规律，得到裂隙动态发育过程中的n个所述地电模型在未采动阶段、采动阶段和停采阶段的视电阻率数据集以及所述高阻和低阻地电模型的视电阻率数据集。
[0025]进一步的，根据开采现场的真实电阻率数据的变化规律，确定不同采动阶段的覆岩采动裂隙发育范围和最大发育高度，包括：
[0026]对BP神经网路输出的开采现场的真实电阻率数据进行成像处理，以不同颜色表示不同数值范围的电阻率；
[0027]根据成像结果分析开采现场在未采动阶段、采动阶段和停采阶段的岩层电阻率变化趋势；
[0028]根据岩层电阻率变化趋势，圈定不同采动阶段下开采现场覆岩采动裂隙的发育范围和裂隙带最大发育高度。
[0029]进一步的，所述BP神经网络包括：一个输入层、两个隐含层和一个输出层；所述隐含层的神经元个数为12个；所述隐含层的激活函数为sigmoid函数，训练函数为trainscg函数，学习函数为learngd函数，性能函数为mse函数，训练目标的最小误差为10
‑6，学习速率为0.01。
[0030]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法，根据以往地质资料和岩层电阻率确定采动覆岩破坏的裂隙发育规律，建立工作面不同推进阶段下的多个三维地电模型；同时在全空间条件下，建立的高阻和低阻地电模型，高阻和低阻地层可以近似的指代工程实际中的出现的高阻和低阻异常；对上述模型进行模拟仿真计算后得到的视电阻率数据集分别作为训练集和测试集对BP神经网络进行训练和性能验证，使训练好的BP神经网络能够对全空间条件下
钻孔电阻率法反演和钻孔断面成像，实现对钻孔剖面的全空间反演与成像，并对覆岩采动裂隙带发育高度的精确定位，极大地提高了钻孔电阻率法的动态监测的准确性，且能够清晰地反映“两带”(冒落带和裂隙带)发育范围及电阻率值，实现了采动覆岩裂隙的精细测量。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0032]图1为本专利技术提供的基于全空间钻孔电阻率的覆岩采动裂隙演化监测方法的流程图；
[0033]图2为本专利技术提供的工作面距离停采线40m时，基于BP神经网络的钻孔电阻率全空间成像断面图。
[0034]图3为本专利技术提供的工作面距离停采线31m时，基于BP神经网络的钻孔电阻率全空间成像断面图。
[0035]图4为本专利技术提供的工作面距离停采线20.5m时，基于BP神经网络的钻孔电阻率全空间成像断面图。
[0036]图5为本专利技术提供的工作面距离停采线20m时，基于BP神经网络的钻孔电阻率全空间成像断面图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法，其特征在于，包括：针对采煤工作面回采过程中未采动阶段、采动阶段和停采阶段的地质资料和岩层电阻率资料，确定地层属性和岩层电阻率属性，并构建全空间条件下，未采动阶段、采动阶段和停采阶段的n个地电模型；构建全空间条件下的高阻和低阻地电模型；对n个所述地电模型进行模拟仿真计算，得到n个所述地电模型对应的视电阻率数据集，作为训练集；对所述高阻和低阻地电模型进行模拟仿真计算，得到所述高阻和低阻地电模型对应的视电阻率数据集，作为测试集；利用所述训练集对预先构建的BP神经网路进行训练，直至满足预设训练目标的最小误差；利用所述测试集对训练后的BP神经网路的性能进行测试，通过最小均方根误差判断测试正确率是否满足预设值，若满足，则得到最终的BP神经网路；利用最终的BP神经网路对开采现场采集不同采动阶段的地电响应数据进行全空间反演，得到开采现场的真实电阻率数据；根据开采现场的真实电阻率数据的变化规律，确定不同采动阶段的覆岩采动裂隙发育范围和最大发育高度。2.根据权利要求1所述的一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法，其特征在于，所述高阻和低阻地电模型包括：单层高阻地电模型和双层高阻和低阻地电模型；所述单层高阻地电模型中包含有一层高阻地层；所述双层高阻和低阻地电模型中包含有两层地层，一层为高阻地层，另一层为低阻地层。3.根据权利要求2所述的一种监测煤层覆岩裂隙演化的钻孔电阻率全空间成像方法，其特征在于，所述单层高阻地电模型的构建过程为：建立500*500*500的三维均匀全空间模型，将该三维均匀全空间模型的电阻率视为围岩背景场的电阻率，设为200Ωm；...

【专利技术属性】
技术研发人员：程久龙，陈涛，程鹏，刘玉本，张钰琪，徐忠忠，程强，
申请(专利权)人：北京中矿地博科技有限公司，
类型：发明
国别省市：