提升地下勘探效率！复杂结构中异常区域对波速成像影响的量化研究丨Engineering

本文选自中国工程院院刊 Engineering 2021年7月刊，原文出自：Quantitative Investigation of Tomographic Effects in Abnormal Regions of Complex Structures（复杂结构中异常区域对波速成像影响的量化研究）

引言

复杂结构中异常区域的探测是地下空间开发急需解决的技术瓶颈。人工开挖和天然因素导致的地质结构变化大大降低了传统勘探方法的效率。随着实时监测技术的出现，波速场精确成像使异常区域精准探测成为可能。但成像结果易受多种因素的影响，尤其在小尺度上应用时。为此，中南大学马举研究团队采用被动声发射监测和主动超声波探测相结合的增强型三维成像技术，对包括初始速度模型、传感器排布、路径覆盖范围、事件的空间分布和定位误差等因素进行研究，共开展相关测试37组，获得了不同因素对成像精度的量化影响。测试结果表明该成像技术可有效应对复杂结构中的异常区域的精准探测，且在初始迭代参数优化后，异常区域的探测精度显著提高。

随着地表空间资源的日益紧缺，地下空间开发受到越来越多的关注。但复杂的地质环境为地下交通运输和隧道工程建设带来了巨大的挑战，涌水、地下泥石流、塌方等地下工程灾害使人员和设备面临巨大的安全风险。地下工程中常使用的空间探测方法可分为两类：地震法和电磁法。这两种方法都可以在大范围上间接预测异常结构（如富水区）的存在。其中地震法包括地质预测、断层扫描成像及陆地声纳等技术，该方法主要分析弹性波在地质体中的传播特性，并推断它们的分布、几何形态和结构特征。

随着新信息技术的出现，物联网和声发射（AE）技术已经应用于材料的无损检测，主要用于动态裂纹检测和疲劳断裂监测。声发射技术可以评估组件的完整性 和结构的危险等级，因此引起了人们的极大关注，该技术在航空、冶金、交通、建筑等领域得到快速发展。基于声发射信号到达时间和声发射震源位置，可以迭代求 解复杂的速度结构。反演波所得到的波速场，可以更直观、更快速、更准确地检测区域异常（图1）。

图1. 反演计算过程流程图。FaATSO：基于标准优化的声发射快速搜索成像。
因此，在本研究中，中南大学马举研究团队提出了一种基于快速匹配算法和最小二乘法的改进型三维声发射成像扫描方法，并以此检测潜在异常区域。本研究通过使用合成的震源位置和到时数据，联合反演了各向异性的P波结构。通过改变个别参数，包括先验模型、传感器配置、内部事件数量、真实模型、射线覆盖率和事件定位误差，探讨了影响成像结果的不同因素。结果表明，优化输入参数可以显著提高复杂结构异常区域的层析成像可靠性。

这种速度成像方法的前提是材料必须横向各向同性 （VTI），在实践中，VTI几何形状的假设特别适用于实验室中承受三轴压缩的岩石试样。这种方法不太适用于 结构内波速有较大差异的情况。对于波速变化缓慢的情形，该方法更为可靠和稳定。在这项研究中，中南大学马举研究团队只测试了一个圆柱形的异常区域，实际情况要复杂得多，在形状异常的情况下，层析成像的精度可能会有所不同。由于先验模型对反演非常重要，因此建议在岩石试验中采用两步法，即首先进行超声测量以估计结构中的近似波速，然后将其用作后续声发射层析成像的先验模型。

关键词：异常区域探测；成像作用；波速；路径

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原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2020.06.021

以上内容来自：Longjun Dong, Xiaojie Tong, Ju Ma.Quantitative Investigation of Tomographic Effects in Abnormal Regions of Complex Structures [J]. Engineering, 2021, 7(7): 1011-1022.

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