專利名稱：一種煤礦充水采空區(qū)檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦檢測領(lǐng)域，特別涉及一種運(yùn)用瞬變電磁法觀測數(shù)據(jù)獲取虛擬子波參考，進(jìn)而對煤礦采空區(qū)進(jìn)行檢測方法。
背景技術(shù)：
中國是世界最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求會越來越高。多年來源源不斷地煤炭資源開采，這無疑為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的能源保障做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，也帶來了資源枯竭、地表沉陷、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、水資源破壞和生態(tài)環(huán)境日趨嚴(yán)峻等一系列重大問題，礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開發(fā)利用在為人類創(chuàng)造巨大物質(zhì)財(cái)富的同時(shí)， 也極大地改變了礦山生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量循環(huán)，誘發(fā)地面塌陷等多種地質(zhì)災(zāi)害.給大型工程場地的選址等帶來安全和質(zhì)量隱患。長期以來，在中國許多煤礦生產(chǎn)建設(shè)過程中常常會發(fā)生不同程度的突水事故。老窯采空區(qū)、老巷道、陷落柱、老窯積水、火燒區(qū)及其積水、瓦斯等等煤礦地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響著礦井經(jīng)濟(jì)效益和開發(fā)建設(shè)。過去由于亂開亂采小煤窯，加上一些老礦區(qū)的長期開采，在全國很多礦區(qū)都不同程度的存在情況不明的采空區(qū)。給正常生產(chǎn)和居民生活造成一定的困難，所以快速探測采空區(qū)分布及積水范圍具有重要意義。
以山西為例，位于中國中部的山西省的煤炭產(chǎn)量約占中國的四分之一，是中國最大的產(chǎn)煤省。山西的大部分地區(qū)都賦存煤炭，到目前為止，山西采煤形成的采空區(qū)達(dá)2萬平方公里，相當(dāng)于山西國土面積的六分之一。煤礦采空區(qū)的變形破壞可在地表造成比較嚴(yán)重的地面塌陷、地裂縫及滑坡等災(zāi)害，對人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了較大的威脅，故用先進(jìn)的技術(shù)查明采空區(qū)的分布情況，對城鎮(zhèn)和新農(nóng)村的規(guī)劃、建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分必要。
當(dāng)?shù)叵旅簩泳植勘徊沙龊?，在巖體內(nèi)形成一個(gè)有一定規(guī)模的空間，使周圍的應(yīng)力平穩(wěn)狀態(tài)遭受破壞，產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，采空區(qū)頂板在上覆巖層壓力的作用下，發(fā)生變形、斷裂、位移、冒落，形成的冒落帶、斷裂帶、變形彎曲帶，其影響范圍比原采空區(qū)要大，在地下水的充填及地表水沿裂縫向采空區(qū)滲漏，其電阻率將明顯發(fā)生變化，形成一個(gè)低阻電性體，也與圍巖電性形成較明顯的差異。這樣就為采空區(qū)的電磁法勘查提供了前提條件。
多年來，國內(nèi)外對采空區(qū)的探測和評價(jià)技術(shù)尚未形成系統(tǒng)的理論體系和成熟的技術(shù)方法。直流電法(Douglas 1999 ；)，地震勘探(Liu et al. 2008))，探地雷達(dá) (Chamberlain, 2000, Jeffrey, 2004)等手段已用來進(jìn)行采空區(qū)探測，但是這些方法或者對含水結(jié)構(gòu)體都不太敏感，或者探測深度達(dá)不到實(shí)際要求。
國內(nèi)在煤炭、冶金、鐵路、公路工程等領(lǐng)域也在采空區(qū)探測方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)。 采空區(qū)的工程地質(zhì)勘察主要手段有三類工程地質(zhì)測繪、工程物探及工程鉆探。物探方法種類繁多，包括電法、磁法、地震法、放射法等等，因此如何從中選取信息量最大的、最可靠的方法和確定其應(yīng)用順序，如何分配各種方法的經(jīng)費(fèi)以獲取最大的效果就成為首要的問題。 由于各種方法都有其特點(diǎn)、一定的適用條件和應(yīng)用范圍，而對于采空區(qū)的探測，電磁法是較好的方法之一。
瞬變電磁法對低阻體比較敏感，在解決工程地質(zhì)等方面(文章)得到廣泛應(yīng)用(Kuznetzov 1982 ；Taylor et al.1992 ；Baumgartner 1996 ；Danielsen et al. 2003, Yue J. H. 2006)。這些年運(yùn)用瞬變電磁法進(jìn)行了大量有采空區(qū)工作(Chen (1995)，Xue G Q，2004， Zhu (2008)，G. Q. Xue，2011)，該方法在探測幾百米深度范圍內(nèi)地下目標(biāo)體方面起著重要的作用。但是隨著地質(zhì)工程勘察精度要求的提高，需要對瞬變電磁法的資料解釋做更深入的研究，精細(xì)探測是地球物理學(xué)家要完成的重要課題。
傳統(tǒng)的瞬變電磁法在探測采空區(qū)時(shí)，都是把所觀測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成視電阻率曲線， 在經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，根據(jù)視電阻率曲線進(jìn)行解釋，視電阻率的定義存在多種形式(如早期公式，晚期公式，遠(yuǎn)區(qū)公式，近區(qū)公式等)，然而，那些常用的定義往往不能展示出最好的特性。在一種定義中出現(xiàn)的視電阻率曲線的特性往往在另一種定義下不存在。視電阻率已經(jīng)被證明為一種實(shí)用的分析直流電阻率數(shù)據(jù)的方法。當(dāng)視電阻率定義用于瞬變電磁數(shù)據(jù)， 一系列問題已經(jīng)被提出。
瞬變電磁場的傳播過程中，決定其狀態(tài)的基本參數(shù)是時(shí)間。這就使我們聯(lián)想起地震勘探中波傳播過程中的運(yùn)動學(xué)特征。瞬變電磁場，以兩種途徑到達(dá)觀測點(diǎn)。在早期階段， 電磁能量直接從空氣介質(zhì)(或地中高阻介質(zhì))以電磁波形式傳播到觀測點(diǎn)，并按惠更斯原理形成地中傳播的不均勻平面波，此即為第一種類型。第二種類型指的是晚期過程，在這一過程中，電磁能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播，且按渦流-磁場之間相互感應(yīng)而傳播。由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部。較低頻部分傳播到深處，且其分布范圍逐漸擴(kuò)大，即以擴(kuò)散形式向深處傳播。第二類電磁擾動的波前是對初始渦流的包絡(luò)線，且具有傾斜波前。形式上，可將這一波前與地震勘探的折射波波前類比。
Lee (1987)等找到了一個(gè)數(shù)學(xué)上的處理辦法，這種方法，建立了時(shí)域電磁擴(kuò)散方程與一個(gè)虛擬的類時(shí)間域中波動方程之間的數(shù)學(xué)變換關(guān)系，通過這個(gè)變換式，可以將對應(yīng)的電模型的波動方程模擬結(jié)果變換成時(shí)域電磁響應(yīng)，但是對于瞬變電磁資料解釋來說，真正有意義的是將時(shí)域電磁響應(yīng)轉(zhuǎn)換成波動方程模擬結(jié)果。但由于這種逆變換過程是病態(tài)不穩(wěn)定的，所以，需要采用正則化處理。李貅O005)年進(jìn)行了優(yōu)化算法，但是計(jì)算數(shù)據(jù)量較少， 計(jì)算精度相對較低。
吉洪諾夫(TiWlonov)正則化方法是針對不適定問題提出的。其實(shí)質(zhì)是通過附加全部參數(shù)或部分參數(shù)或改正數(shù)的加權(quán)平方和為極小條件，增加某種具有先驗(yàn)信息的約束， 使其解唯一穩(wěn)定，參數(shù)的約束條件不同或者參數(shù)的權(quán)陣選擇不同，則其參數(shù)解的物理意義有所不同，在地球物理反問題中得到越來越多的應(yīng)用。
目前，解決不適定問題的方法應(yīng)用比較廣泛的是由Hoerl和Kermard提出的嶺估計(jì)，采用該方法的關(guān)鍵是如何確定嶺參數(shù)。最初，Colub等提出了 GCV法、Hansen提出了 L 曲線法、嶺跡法等來確定嶺參數(shù)。實(shí)踐表明，以上方法確定的嶺參數(shù)對病態(tài)方程有一定的改善。1993年，Grafarend, El和Schaffrin，B等從優(yōu)化理論的角度出發(fā)研究了確定最優(yōu)估值的最優(yōu)一致線性估計(jì)方法。Cai J提出了在均方誤差最小意義下確定參數(shù)的最優(yōu)化方法， 在以往的波場變換方法中，由于采用的時(shí)間門數(shù)量較少，存在波場采樣時(shí)間稀疏，采樣間隔過大問題，這樣就影響了波場變換的分辨率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題針對常規(guī)情況下，瞬變電磁法視電阻率參數(shù)方法存在的不足而提出的一種在采空區(qū)地面進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測，獲取運(yùn)動學(xué)虛擬子波，并進(jìn)行煤礦充水采空區(qū)檢測的方法，實(shí)現(xiàn)直觀解釋，減少解釋中的人為因素，避免視電阻率參數(shù)的誤解， 使煤礦含水采空區(qū)勘探的準(zhǔn)確性和可靠性大大增強(qiáng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種煤礦充水采空區(qū)檢測方法，所述方法包括
對采空區(qū)進(jìn)行地面上的瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集，獲得電壓衰減曲線及同所述電壓衰減曲線相對應(yīng)的磁場曲線；
建立瞬變電磁場同虛擬波場之間的方程式；
對方程式進(jìn)行正則化計(jì)算求得虛擬波場；
根據(jù)虛擬波場建立瞬變電磁法運(yùn)動學(xué)剖面，并對煤礦含水采空區(qū)進(jìn)行直接解釋。
所述建立瞬變電磁場同虛擬波場之間的方程式所依據(jù)的公式如下
權(quán)利要求
1.一種煤礦充水采空區(qū)檢測方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟對采空區(qū)進(jìn)行地面上的瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集，獲得電壓衰減曲線及同所述電壓衰減曲線相對應(yīng)的磁場曲線；建立瞬變電磁場同虛擬波場之間的方程式； 對方程式進(jìn)行正則化計(jì)算求得虛擬波場；根據(jù)虛擬波場建立瞬變電磁法運(yùn)動學(xué)剖面，并對煤礦含水采空區(qū)進(jìn)行直接解釋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦充水采空區(qū)檢測方法，其特征在于 所述建立瞬變電磁場同虛擬波場之間的方程式所依據(jù)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)代表瞬變電磁場的場分量， u(x, y, ζ, τ )為f (χ，y，ζ, t)所對應(yīng)的虛擬波場， τ為與瞬變電磁場的時(shí)間t相對應(yīng)的虛擬波場時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的煤礦充水采空區(qū)檢測方法，其特征在于利用TiWlonov正則化理論對所述瞬變電磁場同虛擬波場之間的方程式進(jìn)行正則化計(jì)算，并將所述的方程式轉(zhuǎn)換為不適定問題的正則化方程，其表達(dá)式為 (ΑΤΑ+ α ( δ ) I) · U = ATF.其中，F(xiàn)為瞬變電磁場值，U為波場值，α (δ)為正則化參數(shù)，A為系數(shù)矩陣，At為系數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤礦充水采空區(qū)檢測方法，其特征在于 所述的采用分段正則化算法獲取瞬變電磁虛擬波場，具體包括 將瞬變電磁場所對應(yīng)的虛擬波場時(shí)間進(jìn)行分段；利用優(yōu)化算法計(jì)算出每個(gè)時(shí)間段在各時(shí)間門數(shù)下的系數(shù)矩陣A ； 采用基于均方誤差最小意義下的吉洪諾夫正則化參數(shù)最優(yōu)化選取方法，通過牛頓迭代格式選出最優(yōu)的正則化參數(shù)；根據(jù)所得到的正則化參數(shù)α (δ)、系數(shù)矩陣A及瞬變電磁場值F求解正則化方程中波場值U的最小二乘近似解。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一所述的煤礦充水采空區(qū)檢測方法，其特征在于所述的瞬變電磁場的時(shí)間t設(shè)置7 9個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段所取時(shí)間門數(shù)為20 80道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤礦充水采空區(qū)檢測方法，其特征在于所述的瞬變電磁場的時(shí)間t設(shè)置7個(gè)時(shí)段，所述每個(gè)時(shí)段所取時(shí)間門數(shù)為40道。
7.權(quán)利要求1所述的煤礦充水采空區(qū)檢測方法，其特征在于所述的根據(jù)瞬變電磁法運(yùn)動學(xué)剖面對煤礦含水采空區(qū)進(jìn)行直接解釋，具體包括確定所建運(yùn)動學(xué)剖面在各個(gè)同軸相上的虛擬波場突變區(qū)域；將各個(gè)虛擬波場突變區(qū)域進(jìn)行順次連接，即得采空區(qū)的位置和范圍。
全文摘要
本發(fā)明一種煤礦充水采空區(qū)檢測方法，所述方法包括對采空區(qū)進(jìn)行地面上的瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集，獲得采空區(qū)瞬變電磁法的電壓衰減曲線；將電壓衰減曲線轉(zhuǎn)換成磁場曲線，并建立瞬變電磁場同虛擬波動場之間的方程式；對所得方程式進(jìn)行正則化計(jì)算求得虛擬波場，并建立瞬變電磁法運(yùn)動學(xué)剖面，根據(jù)瞬變電磁法運(yùn)動學(xué)剖面對煤礦含水采空區(qū)進(jìn)行直接解釋。通過理論模型的計(jì)算和首次山西某地采空區(qū)實(shí)測資料處理結(jié)果表明該方法對目標(biāo)體成像有效、實(shí)用，解釋結(jié)果直觀可靠。檢測結(jié)果得到鉆孔的很好驗(yàn)證。
文檔編號G01V3/08GK102520450SQ20111036328
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者李貅, 薛國強(qiáng), 郭文波 申請人:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所