专利名称：一种煤矿充水采空区检测方法
技术领域：
本发明涉及煤矿检测领域，特别涉及一种运用瞬变电磁法观测数据获取虚拟子波参考，进而对煤矿采空区进行检测方法。
背景技术：
中国是世界最大的煤炭生产和消费国，随着国民经济的快速发展，对能源的需求会越来越高。多年来源源不断地煤炭资源开采，这无疑为国家经济建设的能源保障做出了重要贡献。同时，也带来了资源枯竭、地表沉陷、地质灾害频发、水资源破坏和生态环境日趋严峻等一系列重大问题，矿产资源的大规模开发利用在为人类创造巨大物质财富的同时， 也极大地改变了矿山生态系统的物质、能量循环，诱发地面塌陷等多种地质灾害.给大型工程场地的选址等带来安全和质量隐患。长期以来，在中国许多煤矿生产建设过程中常常会发生不同程度的突水事故。老窑采空区、老巷道、陷落柱、老窑积水、火烧区及其积水、瓦斯等等煤矿地质灾害严重影响着矿井经济效益和开发建设。过去由于乱开乱采小煤窑，加上一些老矿区的长期开采，在全国很多矿区都不同程度的存在情况不明的采空区。给正常生产和居民生活造成一定的困难，所以快速探测采空区分布及积水范围具有重要意义。
以山西为例，位于中国中部的山西省的煤炭产量约占中国的四分之一，是中国最大的产煤省。山西的大部分地区都赋存煤炭，到目前为止，山西采煤形成的采空区达2万平方公里，相当于山西国土面积的六分之一。煤矿采空区的变形破坏可在地表造成比较严重的地面塌陷、地裂缝及滑坡等灾害，对人民群众的生命财产安全构成了较大的威胁，故用先进的技术查明采空区的分布情况，对城镇和新农村的规划、建设和经济发展十分必要。
当地下煤层局部被采出后，在岩体内形成一个有一定规模的空间，使周围的应力平稳状态遭受破坏，产生局部的应力集中，采空区顶板在上覆岩层压力的作用下，发生变形、断裂、位移、冒落，形成的冒落带、断裂带、变形弯曲带，其影响范围比原采空区要大，在地下水的充填及地表水沿裂缝向采空区渗漏，其电阻率将明显发生变化，形成一个低阻电性体，也与围岩电性形成较明显的差异。这样就为采空区的电磁法勘查提供了前提条件。
多年来，国内外对采空区的探测和评价技术尚未形成系统的理论体系和成熟的技术方法。直流电法(Douglas 1999 ；)，地震勘探(Liu et al. 2008))，探地雷达 (Chamberlain, 2000, Jeffrey, 2004)等手段已用来进行采空区探测，但是这些方法或者对含水结构体都不太敏感，或者探测深度达不到实际要求。
国内在煤炭、冶金、铁路、公路工程等领域也在采空区探测方面积累了一些经验。 采空区的工程地质勘察主要手段有三类工程地质测绘、工程物探及工程钻探。物探方法种类繁多，包括电法、磁法、地震法、放射法等等，因此如何从中选取信息量最大的、最可靠的方法和确定其应用顺序，如何分配各种方法的经费以获取最大的效果就成为首要的问题。 由于各种方法都有其特点、一定的适用条件和应用范围，而对于采空区的探测，电磁法是较好的方法之一。
瞬变电磁法对低阻体比较敏感，在解决工程地质等方面(文章)得到广泛应用(Kuznetzov 1982 ；Taylor et al.1992 ；Baumgartner 1996 ；Danielsen et al. 2003, Yue J. H. 2006)。这些年运用瞬变电磁法进行了大量有采空区工作(Chen (1995)，Xue G Q，2004， Zhu (2008)，G. Q. Xue，2011)，该方法在探测几百米深度范围内地下目标体方面起着重要的作用。但是随着地质工程勘察精度要求的提高，需要对瞬变电磁法的资料解释做更深入的研究，精细探测是地球物理学家要完成的重要课题。
传统的瞬变电磁法在探测采空区时，都是把所观测的数据转换成视电阻率曲线， 在经验积累的基础上，根据视电阻率曲线进行解释，视电阻率的定义存在多种形式(如早期公式，晚期公式，远区公式，近区公式等)，然而，那些常用的定义往往不能展示出最好的特性。在一种定义中出现的视电阻率曲线的特性往往在另一种定义下不存在。视电阻率已经被证明为一种实用的分析直流电阻率数据的方法。当视电阻率定义用于瞬变电磁数据， 一系列问题已经被提出。
瞬变电磁场的传播过程中，决定其状态的基本参数是时间。这就使我们联想起地震勘探中波传播过程中的运动学特征。瞬变电磁场，以两种途径到达观测点。在早期阶段， 电磁能量直接从空气介质(或地中高阻介质)以电磁波形式传播到观测点，并按惠更斯原理形成地中传播的不均勻平面波，此即为第一种类型。第二种类型指的是晚期过程，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中传播，且按涡流-磁场之间相互感应而传播。由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部。较低频部分传播到深处，且其分布范围逐渐扩大，即以扩散形式向深处传播。第二类电磁扰动的波前是对初始涡流的包络线，且具有倾斜波前。形式上，可将这一波前与地震勘探的折射波波前类比。
Lee (1987)等找到了一个数学上的处理办法，这种方法，建立了时域电磁扩散方程与一个虚拟的类时间域中波动方程之间的数学变换关系，通过这个变换式，可以将对应的电模型的波动方程模拟结果变换成时域电磁响应，但是对于瞬变电磁资料解释来说，真正有意义的是将时域电磁响应转换成波动方程模拟结果。但由于这种逆变换过程是病态不稳定的，所以，需要采用正则化处理。李貅O005)年进行了优化算法，但是计算数据量较少， 计算精度相对较低。
吉洪诺夫(TiWlonov)正则化方法是针对不适定问题提出的。其实质是通过附加全部参数或部分参数或改正数的加权平方和为极小条件，增加某种具有先验信息的约束， 使其解唯一稳定，参数的约束条件不同或者参数的权阵选择不同，则其参数解的物理意义有所不同，在地球物理反问题中得到越来越多的应用。
目前，解决不适定问题的方法应用比较广泛的是由Hoerl和Kermard提出的岭估计，采用该方法的关键是如何确定岭参数。最初，Colub等提出了 GCV法、Hansen提出了 L 曲线法、岭迹法等来确定岭参数。实践表明，以上方法确定的岭参数对病态方程有一定的改善。1993年，Grafarend, El和Schaffrin，B等从优化理论的角度出发研究了确定最优估值的最优一致线性估计方法。Cai J提出了在均方误差最小意义下确定参数的最优化方法， 在以往的波场变换方法中，由于采用的时间门数量较少，存在波场采样时间稀疏，采样间隔过大问题，这样就影响了波场变换的分辨率。发明内容
本发明所要解决的技术问题针对常规情况下，瞬变电磁法视电阻率参数方法存在的不足而提出的一种在采空区地面进行数据观测，获取运动学虚拟子波，并进行煤矿充水采空区检测的方法，实现直观解释，减少解释中的人为因素，避免视电阻率参数的误解， 使煤矿含水采空区勘探的准确性和可靠性大大增强。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种煤矿充水采空区检测方法，所述方法包括
对采空区进行地面上的瞬变电磁法数据采集，获得电压衰减曲线及同所述电压衰减曲线相对应的磁场曲线；
建立瞬变电磁场同虚拟波场之间的方程式；
对方程式进行正则化计算求得虚拟波场；
根据虚拟波场建立瞬变电磁法运动学剖面，并对煤矿含水采空区进行直接解释。
所述建立瞬变电磁场同虚拟波场之间的方程式所依据的公式如下
权利要求
1.一种煤矿充水采空区检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤对采空区进行地面上的瞬变电磁法数据采集，获得电压衰减曲线及同所述电压衰减曲线相对应的磁场曲线；建立瞬变电磁场同虚拟波场之间的方程式； 对方程式进行正则化计算求得虚拟波场；根据虚拟波场建立瞬变电磁法运动学剖面，并对煤矿含水采空区进行直接解释。
2.根据权利要求1所述的煤矿充水采空区检测方法，其特征在于 所述建立瞬变电磁场同虚拟波场之间的方程式所依据的公式如下1CO 丄f(x,y,z,t) = ~^= τε 4'u(x,y,z,T)dT.f (x，y，ζ, t)代表瞬变电磁场的场分量， u(x, y, ζ, τ )为f (χ，y，ζ, t)所对应的虚拟波场， τ为与瞬变电磁场的时间t相对应的虚拟波场时间。
3.根据权利要求2所述的煤矿充水采空区检测方法，其特征在于利用TiWlonov正则化理论对所述瞬变电磁场同虚拟波场之间的方程式进行正则化计算，并将所述的方程式转换为不适定问题的正则化方程，其表达式为 (ΑΤΑ+ α ( δ ) I) · U = ATF.其中，F为瞬变电磁场值，U为波场值，α (δ)为正则化参数，A为系数矩阵，At为系数矩阵的转置矩阵。
4.根据权利要求3所述的煤矿充水采空区检测方法，其特征在于 所述的采用分段正则化算法获取瞬变电磁虚拟波场，具体包括 将瞬变电磁场所对应的虚拟波场时间进行分段；利用优化算法计算出每个时间段在各时间门数下的系数矩阵A ； 采用基于均方误差最小意义下的吉洪诺夫正则化参数最优化选取方法，通过牛顿迭代格式选出最优的正则化参数；根据所得到的正则化参数α (δ)、系数矩阵A及瞬变电磁场值F求解正则化方程中波场值U的最小二乘近似解。
5.根据权利要求2-4任一所述的煤矿充水采空区检测方法，其特征在于所述的瞬变电磁场的时间t设置7 9个时段，每个时段所取时间门数为20 80道。
6.根据权利要求5所述的煤矿充水采空区检测方法，其特征在于所述的瞬变电磁场的时间t设置7个时段，所述每个时段所取时间门数为40道。
7.权利要求1所述的煤矿充水采空区检测方法，其特征在于所述的根据瞬变电磁法运动学剖面对煤矿含水采空区进行直接解释，具体包括确定所建运动学剖面在各个同轴相上的虚拟波场突变区域；将各个虚拟波场突变区域进行顺次连接，即得采空区的位置和范围。
全文摘要
本发明一种煤矿充水采空区检测方法，所述方法包括对采空区进行地面上的瞬变电磁法数据采集，获得采空区瞬变电磁法的电压衰减曲线；将电压衰减曲线转换成磁场曲线，并建立瞬变电磁场同虚拟波动场之间的方程式；对所得方程式进行正则化计算求得虚拟波场，并建立瞬变电磁法运动学剖面，根据瞬变电磁法运动学剖面对煤矿含水采空区进行直接解释。通过理论模型的计算和首次山西某地采空区实测资料处理结果表明该方法对目标体成像有效、实用，解释结果直观可靠。检测结果得到钻孔的很好验证。
文档编号G01V3/08GK102520450SQ20111036328
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者李貅, 薛国强, 郭文波 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所