面向透明工作面的地质建模插值误差分析

工作面建模一般通过三维地震、井巷和钻孔测量等探测手段获取工作面的实际展布情况,然后利用插值算法建立相应模型。其中,采样数据是工作面建模的基础,插值算法是工作面模型实现的必经途径。插值算法和采样数据量的大小在不同程度上影响工作面模型的精确性,定量研究工作面模型精确度影响因素将对插值算法优选和采样数据获取量提供重要的参考价值。在工作面探测资料的基础上,通过交叉验证的方法,分别计算对比函数插值、光滑离散插值(DSI插值)和克里金插值的插值误差。为了解决透明工作面建模采样量大的问题,提出相对间距误差,并计算得到13组不同采样比例时模型的相对间距误差。结果表明:(1)透明工作面模型构建过程中,DSI插值、克里金插值和函数插值的平均绝对误差分别为0.015 5、0.022 5、0.231 2,因此,DSI插值算法构建的模型精确度最高,克里金插值算法次之,函数插值算法最差。(2)随着采样数据量的增加,模型的误差逐渐减小,当采样数据量小于10%时,插值误差下降幅度很大;但当采样数据量大于10%时,其下降幅度趋于平缓,建议在构建工作面模型时采样数据量大于10%。(3)在透明工作面模型实际构建过程中,建议采用DSI插值算法;同时根据最低采样数据量分析得到的最佳更新距离和最佳采样间距进行采样,提高工作面局部数据量。      

基于指示和普通克里金的不连续地层厚度估计方法

因为克里金插值方法考虑了样本的空间统计特征而被广泛应用于地层建模。但对于地层尖灭、缺失等不连续地层情况,常用的克里金方法（如普通克里金方法）通常给出较为平滑的地层厚度估计结果,在地层分布边缘的局部范围内与实际情况相差较大。针对不连续地层,提出一种采用指示克里金和普通克里金相结合的地层厚度估计方法。该方法首先采用指示克里金方法估计地层分布范围,然后采用普通克里金方法估计分布范围内的地层厚度,并根据估计标准差来评价地层厚度的不确定性。将提出的方法应用于上海长江隧道的地层建模,通过交叉验证,证明了该方法在地层分布边缘的局部范围内能明显改善地厚度估计结果,标准差降低了15%～18%,得到了比普通克里金和线性插值方法更接近真实情况的地层厚度估计值。     

克里金算法与多重分形理论在岩土参数随机场分析中的应用

岩土参数的空间分布特征由于存在取样数据之间自相关和互相关的特性,未知点的岩土参数属性可通过特定的方法内插或外推,经典的数理统计方法难以确定周围的数据样本点以及相应的插值系数。首先介绍地统计学中基于距离加权的普通克里金（ordinary kriging, OK）算法、泛克里金算法（UK）和协克里金算法（CK）。由于基于滑动距离加权的OK算法无法度量局部空间的奇异性,将引入多重分形理论弥补该缺陷。以2010上海世博会的世博轴区域（长525 m,宽80 m）为工程背景,区域内共有42个取土钻孔,以典型的粉质黏土层3个重要的物理力学指标,即黏聚力、内摩擦角和压缩模量验证以上算法。对于岩土参数黏聚力和内摩擦角,预测精度由高至低为多重分形联合模型（MK）、协克里金模型（CK）、泛克里金模型（UK）、普通克里金模型（OK）;对于岩土参数压缩模量,相应的顺序为泛克里金模型和普通克里金模型位置互换。研究结果证明,在岩土参数空间场的分析中,辅助信息有助于提高数据预测精度,并且多重分形联合模型有助于分析空间局部的奇异性。     

克里金插值参数设置对网格化结果的影响

为研究常用的克里金插值方法各参数对网格化结果的影响,通过应用长方体正演公式,建立模型模拟三种不同测线方向的磁测数据,计算插值数值与采样数值的绝对误差均方根值,评价网格化效果和误差。结果发现,1变基函数对克里金网格化结果影响较大,而linear和power变基函数的网格化误差较小;2网格间距对于网格化结果的影响小于变基函数的影响;3点模式、块模式和各向异性的误差稍小;4漂移模式和搜索范围参数的影响较小,可忽略不计。     

专家克里金插值法在空间插值中的应用

克里金插值是一种进行局部估值的方法,但它并不能对局部的地质特征进行智能分析.因此,在很多时候其插值结果不能体现数据的一种局部异构特征.针对这一问题,提出了一种专家克里金插值法,这种方法是在普通克里金插值法的基础上加入专家地质知识,使得插值结果更能符合实际的地质情况.对该方法的原理、模型进行了详细的论述,并通过实例验证该方法的有效性.     

东北三省月降水量的时空克里金插值研究

为了实现对时空场任意点进行时空插值,以东北三省1999~2008年的月降水数据为研究对象,选用了一类比较实用的积和式时空变异函数模型进行时空克里金插值。每个站点的降水量都是时间序列,插值之前对各站点的降水进行了时序分解和去季节项处理。在分别得到纯空间和纯时间的变异函数基础上建立时空变异函数。将二维的普通克里金插值扩展为三维,并对1999年10月各站点进行降水量估计,同时与单纯空间克里金插值效果进行比较。结果表明时空插值效果理想,因为同时考虑了空间、时间的相关性,插值精度较空间克里金更高。     

地球物理勘探中几种二维插值方法的误差分析

为了研究采样和网格化方法对地球物理数据成图精度的影响,为野外数据采集布设提供一定的依据,采用数值模拟确定重力异常场场值,通过不同采样间距和不同插值方法计算重力异常绝对误差均方根值和节点处的绝对误差值,对比不同插值方法的误差,得到了如下认识：1）对于同一插值方法而言,存在小间距绝对误差均方根值小于大间距绝对误差均方根值的关系。2）对不同的插值方法而言:当采样间距小于最小异常地质体尺度时,绝对误差均方根值由小到大的顺序是径向基函数法、改进的谢别德法、克里金插值法、自然邻点法、反距离加权插值法、最近邻点法、最小曲率法,并且线性插值三角网法与自然邻点法具有几乎相同的数值;当采样间距大于最小异常地质体尺度时,绝对误差均方根值由小到大的顺序是径向基函数法、改进的谢别德法、克里金插值法、自然邻点法、最小曲率法、最近邻点法、反距离加权插值法,并且线性插值三角网法和自然邻点法具有几乎相同的数值。3）从绝对误差均方值看,径向基函数方法、改进的谢别德方法和克里金方法数值较小,其中径向基函数值绝对误差均方根值最小。4）从节点处绝对误差值来看,径向基函数方法、克里金方法、改进的谢别德方法相对其他插值方法具有更小的误差,不存在局部误差较小或较大的情况,是相对较好的插值方法,并且径向基函数方法是最好的。     

两种常用插值方法在本溪地区降雨插值应用中的对比分析

克里金插值方法和反距离加权插值方法为常用的两种降水插值方法。以辽宁本溪市为研究对象,结合实测降雨数据对比两种常用插值方法在本溪地区降雨插值的适用性。结果表明:相比于反距离加权插值方法克,克里金插值方法年尺度和月尺度降雨插值误差分别降低14. 5%和15. 6%,研究成果对于本溪地区降雨面平均降水分析具有重要的参考价值。     

滨海地基土层的空间插值分析

等值线图是研究地基土层发育分布规律的最主要方法,但是通过地质钻孔进行地基土空间插值的精度研究并不多见。本文以天津滨海新区全新统中组第Ⅰ海相层为例,对地基土层埋深及厚度进行了空间插值对比研究;采用验证法对普通克里格法、距离倒数权重法和薄板张力样条函数法的插值精度、插值效果进行了分析评价,重点探讨了空间尺度变化、钻孔数量变化对插值效果的影响,确定了滨海新区地基土层空间插值的最佳钻孔间距、钻孔数量。在2000 m×2000 m及原始数据尺度下,采用普通克里格法对不同工程地质分区内的地基土层埋深及厚度各等级分布面积进行了统计,分析了地基土层埋深和厚度的空间插值变化情况。研究结果表明:滨海新区地基土层埋深及厚度的空间插值总体以2000 m×2000 m空间尺度下的OK法插值效果最好,能准确地揭示出地基土层的空间发育分布规律。     

三种插值方法在降水等值线绘制中的对比分析

为对比不同插值方法在宁夏回族自治区的适用性,基于宁夏及其周边地区77个气象台站1956—2016年平均降水量数据,运用泰森多边形法、距离平均反比法、克里金插值法对降雨量数据进行空间插值和交叉验证,从插值方法的稳健性和准确度出发进行对比分析,得出适用于宁夏回族自治区的插值方法。研究表明：（1）从准确度来看,克里金插值法与观测值走向、位置较为相似;从稳健性来看,克里金插值法MAE平均值为4.43 mm、RMSE平均值为10.36 mm,显著小于泰森多边形法和距离平均反比法。（2）整体来看,克里金插值法更为理想,可以用于宁夏回族自治区降水量空间插值分析。     

淮北平原年降水量空间插值模型的比选

为对比不同变差模型在降水量空间插值中的优劣,对淮北平原185个雨量站的2009年年降水观测数据,分别用不同理论变差模型与实验变差值拟合,然后选择普通克里格法进行降水场的变异分析及插值。经交叉验证法等多指标对插值结果检验后,证实了区域降水量具有明显的空间相关性,且三种拟合后变差模型的差异主要在短距离(h<10km)内。同时在现有站网布设方式下,三种模型插值结果并无显著差异,但以球状函数拟合插值结果整体效果最佳。     

基于地震属性优化和机器学习的煤层厚度预测方法

煤层精准定位是无人采煤的关键技术,煤层厚度预测是煤田地震资料解释的重要研究内容之一。参考实际地层厚度及物性参数,构建含楔形煤层的正演模型,通过地震剖面正演和地震属性提取、优化,对比分析信噪比和多种回归方法对煤层厚度预测的影响。研究结果表明：部分地震属性与煤厚相关性较强,可以用于煤厚预测;地震属性间的信息冗余不可忽略,但基于主成分分析和多维标度的地震属性优化结果无本质区别;当信噪比较低(10 dB)时,随机森林回归算法的均方根误差最小(1.07),支持向量机回归算法的误差居中(1.15),多元线性回归算法的误差最大(1.84);当信噪比较高(25 dB)时,支持向量机回归算法的误差最小(0.05),随机森林回归算法的误差居中(0.11),多元线性回归算法的误差最大(0.20);输入数据信噪比对煤厚预测有明显影响,信噪比越高、预测效果越好。基于地震属性优化及支持向量机回归的煤厚预测方法,是实现薄煤层厚度高精度解释的一种有效途径。     

海洋沉积地层多功能取样钻具研制

目前,海洋钻探取心主要采用提钻或绳索打捞的方式获取岩心。随着对取心质量和采取率要求越来越高,再加上海底沉积层变化多样,单一的取样器具已经不能满足当前的取样需要。为此,本文研制了一种海洋沉积地层多功能取样钻具,能够根据海底地层性质,开展低扰动、高品质的取样操作。通过海洋钻进取样试验表明,针对海底的淤泥、粘土及砂质地层,超前取样钻具、液压剪切取样钻具和半合管取样钻具能够有效获取海底的沉积层岩样,平均采取率为73.34%。研制的多功能取样钻具采用超前取样和液压压入取样技术,降低了对沉积物岩心的扰动,提升了岩心品质和采取率,为下一步的工程化应用奠定了基础。     

基于压力拱理论的水下隧道合理覆岩厚度研究

建立了水下隧道流固耦合数值模型,通过正交试验优化计算方案,分析土岩复合地层和全断面岩层拱顶竖直方向上围岩压力拱的成拱规律,并据此提出以成拱临界板厚为判据求解水下隧道合理覆岩厚度的思路,建立水下隧道合理覆岩厚度回归模型,并通过BP神经网络模型对回归模型进行评价与校验,结合佛莞城际狮子洋隧道工程,进行了合理覆岩厚度回归模型的应用算例分析。研究表明：土岩复合地层上覆岩层岩性较好时,压力拱高度主要受覆岩厚度影响,上覆岩层岩性较差时,压力拱高度主要受上覆软土厚度影响;压力拱高度随覆岩厚度增加线性增加,达到成拱临界板厚时,逐渐减小随后趋于稳定,上覆岩层岩性越差,成拱临界板厚越大;全断面岩层压力拱高度随覆岩厚度的变化比土岩复合地层平稳。算例分析表明,以成拱临界板厚为判据建立的合理覆岩厚度模型能给出较优的覆岩厚度预测值,可为土岩复合地层水下盾构隧道的设计和施工提供参考。     

关于地球化学数据处理方法的讨论——以大兴安岭喜桂图地区1/20万区域地球化学数据为例

针对地球化学数据中存在的离群数据点在地球化学图面上出现的等量线畸变或"牛眼点"现象,本文使用多种数据网格化插值方法和参数对比以消除"公牛眼"现象,结果表明,克里格、径向基本函数、改进的谢别德、最小曲率、移动平均等方法均不能较好地消除该现象。各种网格化算法编制的地球化学等量线图和交叉验证结果证明,以改进的指数距离幂倒数加权网格化方法效果最好,并且网格参数选择中以取样间距为网格间距,以2.5倍网格间距为搜索半径和幂指数因子的网格化参数既能消除等量线畸变现象,又能对原始数据进行较接近的表达。上述各种地球化学数据网格化插值方法的对比及结果可为地球化学数据处理中遇到同类问题提供信息。     

回采工作面煤层动态标定预测技术应用研究

智能开采对于地质条件的不适应问题非常突出,特别是对煤层起伏和厚度的绝对精度提出了更高的要求。三维地震勘探横向分辨率高,能够对煤层起伏进行控制,但在地震解释时,煤层底板高程受时深转换计算影响,存在一定的误差。针对这一问题,以工作面三维地震数据和采掘过程中探煤厚数据为基础,通过不断更新速度场提高煤层底板时深转换绝对精度;同时利用迭代插值算法,不断更新工作面煤层厚度;通过对计算得到的数据进行误差统计和分析。在TJH304回采工作面进行试验,利用工作面巷道和切眼探煤厚数据并结合三维地震资料动态解释后,工作面推采前方煤层底板高程值和厚度值绝对误差变小;特别是距离当前采煤面30 m以内的4个验证点煤层底板高程值误差范围为0.37~0.58 m,煤层厚度值误差为0.32~0.44 m。结果表明,三维地震动态解释技术可最大化将三维地震和井下生产数据有效结合,不断提高煤层空间精度,为智能开采提供预想煤层模型。      

变异函数模型对渗透系数克里格插值的影响研究

在克里格计算或其它地质统计学研究中,变异函数模型选取的适当性直接影响渗透系数的结构分析与插值结果的合理性。分别基于高斯模型、球状模型、指数模型对同一沉积相介质的渗透系数进行结构分析,并采用普通克里格法进行插值,结果分析表明:变异函数模型对渗透系数克里格插值的影响主要体现在变程值的不同;变程值过小,搜索邻域内各数据点之间的相关性降低甚至消失,克里格法退化为简单的算术平均;随着变程值增大,参与克里格计算的实测点增多,插值结果趋近于平稳;当变程值与实际值较为吻合时,克里格插值精度达到最大。     

交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究

沿海地区特别是广州地区地铁建设多在复合地层中进行盾构施工,开挖引起的地层沉降很难控制,如何防止大面积的地层沉降,保证既有建(构)物安全成为施工难题。基于此,本文提出了复合地层盾构施工的地质概化模型,运用三维有限元方法对交叉隧道盾构施工进行了建模分析,研究了不同的复合地层类型及不同的覆土厚度与间距下,新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道沉降的影响。结果表明,新建隧道在近似均一土层中下穿施工引起的既有隧道沉降最大,上软下硬地层次之,长距离硬岩段最小,沉降随土层弹性模量的增加而减小;同时,既有隧道沉降随覆土厚度的增加而增大;随隧道间距的增大而减小,当间距小于2倍衬砌外径时,既有隧道沉降较大,存在损坏的危险。最后,提出了相应的沉降控制对策。     

地层数据的常用空间插值方法介绍和比较分析——以上扬子区宝塔组厚度重建为例

基于地理信息系统的空间插值是利用离散数据研究地质体及其属性特征的空间分布模式和规律的重要技术方法。本文系统介绍空间插值的原理、工作步骤以及地层学数据在插值中的相关特点,并以华南上扬子区广泛分布的一套碳酸盐岩——奥陶系宝塔组的地层厚度重建为例,介绍反距离权重法、样条函数法和克里格法3种常用插值方法各自的特点。反距离权重法的插值结果位于已知最大值和最小值之间,能保留细节特点,但易出现"牛眼"效应;样条函数的插值结果较平滑,但是预测值会出现超出已知最大值或最小值的现象,因此适用于属性值渐变的情况;克里格法不属于精确性插值,其预测值与实测值之间存在一定的误差,但是能较好地反映数据的整体变化趋势。综合来看,数据点数量越多、分布越均匀、值变化越平缓,插值效果就越好。但在数据条件给定的情况下,根据数据的统计特点和空间分布特征,选择合适的插值方法,是保证插值结果质量的重要前提。     

基于两种插值算法的三维地质建模对比

三维地质建模过程中,插值算法对模型准确性具有显著影响。为评价不同插值算法对三维建模准确性的影响,本文选取反距离权重插值法和自然邻域插值法开展对比研究。通过理论分析和案例研究,从统计学原理、插值误差和可视化效果等三方面进行了对比分析。结果表明：反距离权重插值法在建模中精度较高,适应面更广。与自然邻域插值法相比,反距离权重插值法更加适用于地层缺失严重的层位,能够更好地保留地层缺失的特征;同时,反距离权重插值法能够更好地处理断层构造,对于地层的错断起伏情况表现效果更好;反距离权重插值法在沉积地层中误差更小,与实际情况更接近。