一种天地孔协同一体的瞬变电磁探测采空区的方法与流程

1.本发明涉及一种探测采空区的方法，属于煤炭开采技术领域，具体是涉及一种天地孔协同一体的瞬变电磁探测采空区的方法。


背景技术：

2.瞬变电磁法(transient electromagnetic method，tem)又称时间域电磁法(time domain electromagnetic method，tdem)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。传统的瞬变电磁法主要是地面瞬变电磁法，发射源分为磁性源和电性源。地面瞬变电磁法主要利用不接地回线源或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在此激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场，利用线圈或接地电极观测二次场从而达到探测地下地质体的目的。瞬变电磁法是我国煤田采空区探测的主要方法，探测常常面临地形条件复杂、人文电磁干扰严重等问题。地形条件复杂地区严重影响地面瞬变电磁法野外施工效率，甚至造成无法施工的现象；人文电磁干扰严重影响地面瞬变电磁法探测效果，造成解释精度下降。
3.随着瞬变电磁法理论以及电子信息技术的发展，瞬变电磁法由传统的地面瞬变电磁法发展出了孔中瞬变电磁法和半航空瞬变电磁法。孔中瞬变电磁法采用在地面布置发射源、钻孔中进行接收的工作装置。该方法优点：可以有效的避免地面人文电磁干扰，接收点更接近地质异常体，接收信号更强，通过接收三分量数据进行成像及解释，探测精度高于地面瞬变电磁法和半航空瞬变电磁法。该方法缺点：需要借助于钻孔才能进行施工，勘探成本较高；仅探测钻孔周边一定范围内区域，对于大面积区域的探测而言探测效率低于地面和半航空瞬变电磁法。半航空瞬变电磁法将发射源放置于地面、接收回线通过无人机悬吊于空中进行采集的工作方式。该方法优点：克服了起伏地形、沼泽地面等复杂地表条件对探测效率的影响，进一步提高了施工效率和丰富了瞬变电磁法应用范围，施工效率高于地面瞬变电磁法和孔中瞬变电磁法。该方法缺点：由于将接收装置悬吊于空中，因此需要更大的发射能量，对发射装置的硬件提出了高更的要求，且探测精度弱于地面瞬变电磁法和孔中瞬变电磁法。综上所述，施工效率方面，半航空瞬变电磁法优于地面瞬变电磁法优于孔中瞬变电磁法；探测精度方面，孔中瞬变电磁法优于地面瞬变电磁法优于半航空瞬变电磁法。
4.目前煤田采空区探测以地面瞬变电磁法为主，没有综合发挥孔中瞬变电磁法和半航空瞬变电磁法的优势。


技术实现要素：

5.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
6.本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种天地
孔协同一体的瞬变电磁探测采空区的方法。该方法首先使用精度最高的孔中瞬变电磁探测结果约束地面瞬变电磁探测结果，然后利用孔中瞬变电磁和地面瞬变电磁探测结果联合约束半航空瞬变电磁探测结果，本系统综合了半航空瞬变电磁法、地面瞬变电磁法和孔中瞬变电磁法的优点，不仅显著提高了采空区的探查识别和定位精度，并且有效的提高了探测速度。
7.为解决上述问题，本发明的方案是：
8.1、收集待探测区域的原始探测资料，所述原始探测资料包括地质、水文和测井资料中的一种或多种；
9.2、在待探测区域进行孔中瞬变电磁法探测，将所述原始探测资料作为“硬约束条件”进行孔中瞬变电磁约束反演，获得待探测区域的孔中瞬变电磁探测结果；
10.3、在待探测区域进行地面瞬变电磁法探测，将所述原始探测资料作为“硬约束条件”、将所述孔中瞬变电磁探测结果作为“弱约束条件”进行地面瞬变电磁约束反演，获得待探测区域的局部地电结果；
11.4、在待探测区域全区进行半航空瞬变电磁探测，将原始探测资料作为“硬约束条件”、将孔中瞬变电磁探测结果作为“弱约束条件”，将地面瞬变电磁探测结果作为“次弱约束条件”联合进行半航空瞬变电磁法约束反演，获得全区的地电结果。
12.因此，本发明的优点是：1.本发明首先使用精度最高的孔中瞬变电磁探测结果约束地面瞬变电磁探测结果，然后利用孔中瞬变电磁和地面瞬变电磁探测结果联合约束半航空瞬变电磁探测结果，为不同探测方法和数据之间建立了联系，实现了有效信息的传递，压制了单一方法反演的多解性，且反演结果更加准确。
13.2.本发明综合了孔中瞬变电磁、地面瞬变电磁及半航空瞬变电磁的优点，不仅显著提高了采空区的探查识别和定位精度，并且有效的提高了探测速度，最终实现对复杂地形条件、人文干扰严重地区的采空区精准、快速探测的目的。
14.3.本发明不仅指多种装置形式的瞬变电磁探测方法的联合使用，还指多种装置形式的瞬变电磁数据的层层约束，这种层层约束约束具有相对明确的逻辑关系，不是随意的，因此本发明更是一种科学的综合探测体系。
附图说明
15.并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
16.图1为天-地-孔协同一体瞬变电磁精准、快速探测采空区的方法的具体流程图；
17.图2为天-地-孔协同一体瞬变电磁精准、快速探测采空区的方法的探测方法测线布置图；
18.图中，1为探测区域边界；2为地空瞬变电磁探测测点；3为地面瞬变电磁探测测点；4为孔中瞬变电磁探测钻孔。
19.将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
20.实施例
21.如图1所示，为本发明实施例的一种天-地-孔协同一体瞬变电磁精准、快速探测采空区的方法。
22.该方法首先调查与收集探测区域内及附近的地质、水文和测井等资料，在异常体发育区的范围内的地表布置钻孔孔位，并在相应位置进行钻孔取芯；然后进行孔中瞬变电磁法探测，将地质、水文和测井信息作为“硬约束条件”进行孔中瞬变电磁约束反演，获得钻孔周围一定范围的地电结果；然后在探测区域内包含孔中瞬变电磁探测结果的局部探测区域进行地面瞬变电磁法探测，将地质、水文和测井信息作为“硬约束条件”、孔中瞬变电磁探测结果作为“弱约束条件”进行地面瞬变电磁约束反演，获得局部探测区域的地电结果；针对探测区域全区进行半航空瞬变电磁探测，将地质、水文和测井信息作为“硬约束条件”、孔中瞬变电磁探测结果作为“弱约束条件”和地面瞬变电磁探测结果作为“次弱约束条件”联合进行半航空瞬变电磁法约束反演，获得全区的地电结果；最终结合地质情况对整个勘探区域内的采空区分布范围、形态等进行解译判断。
23.本实施例中，所谓的硬约束条件、弱约束条件和次弱约束条件主要是指约束条件的权重不同。强约束条件是带弱约束的约束优化问题被搜索到的解必须满足的那一部分约束条件；弱约束条件是带弱约束条件的约束优化问题不必全部满足但却需要在可以得到可行解得情况下尽可能多的去满足的那一部分约束条件；次弱约束条件：必须在能使目标函数存在可行解的情况下有部分约束条件被满足。
24.本实施例首先使用精度最高的孔中瞬变电磁探测结果约束地面瞬变电磁探测结果，然后利用孔中瞬变电磁和地面瞬变电磁探测结果联合约束半航空瞬变电磁探测结果，不仅显著提高了采空区的探查识别和定位精度，并且有效的提高了探测速度，最终实现对复杂地形条件、人文干扰严重地区的采空区精准、快速探测的目的。
25.其中，首先调查与收集探测区域内及附近的地质、水文和测井等资料，包括但并不限于钻孔资料、电测井资料、地质勘探剖面图、地质或区域地质资料、水文地质、其他符合地质规律的物探资料等，掌握地层厚度和电阻率等信息。
26.本实施例进行孔中瞬变电磁探测时，根据地质任务及探测深度在钻孔周围地面布置一定边长的发射回线,边长一般为目的层深度的1.5倍，对发射回线供以一定脉宽的方波以激发地下介质，孔中进行磁场三分量数据采集，采集点间隔为2m，在目的层深度附近或信号变化处加密到1m。孔中瞬变电磁法主要采集磁场三分量信号，通过水平分量实现对异常体的空间定位。通过孔中瞬变电磁反演结果获取钻孔周围的视电阻率值及采空区发育范围、形态。
27.本实施例中，进行地面瞬变电磁探测时，首先根据地质任务及探测深度在地面布置一定边长的发射回线，对发射回线供以一定脉宽的方波以激发地下介质，接收测网密度为40m
╳
20m(其中测线间距为40m、测点间距为20m)，并根据实际情况对测网密度加密，接收面积为发射回线面积的1/9。本实施例对地面瞬变电磁数据进行预处理、受电磁干扰或人文干扰的数据进行去噪处理、地形校正处理；
28.本实施例进行半航空瞬变电磁探测，发射源为电性源，发射源长度1km，发射电流大于30a，飞行高度为测区最高点以上30m，飞行速度为8m/s。对半航空瞬变电磁数据进行预处理、时间域去噪处理、空间域去噪处理。
29.下面结合附图1-2，具体说明本实施例的步骤，本实施例的方法包括：
30.参考图1及图2，天-地-孔协同一体瞬变电磁精准、快速探测采空区的方法总体实施方式如下：
31.1)首先调查与收集探测区域内及附近的地质、水文和测井等资料；
32.2)在异常体发育区的范围内的地表布置钻孔孔位，并在相应位置进行钻孔取芯；
33.3)进行孔中瞬变电磁法探测；
34.4)将地质、水文和测井信息作为“硬约束条件”进行孔中瞬变电磁约束反演，获得钻孔周围一定范围的地电结果；
35.在本实施例中，所述硬约束条件可以为：
36.φ＝(δd-aδm)
t
(δd-aδm) (cδm)
t
(cδm)
37.式中，φ为反演结果，δd为实际观测数据与正演理论观测数据的差向量，δm为模型阐述的增量向量，a为偏导数矩阵，c为光滑度矩阵，t表示矩阵转置。
38.5)然后在探测区域内包含孔中瞬变电磁探测结果的局部探测区域进行地面瞬变电磁法探测；
39.6)将地质、水文和测井信息作为“硬约束条件”、孔中瞬变电磁探测结果作为“弱约束条件”进行地面瞬变电磁约束反演，获得局部探测区域的地电结果；
40.在本实施例中，可以通过下式来构造约束条件：
41.φ＝(δd-aδm)
t
(δd-aδm) (cδm)
t
(cδm) λ(bδm)
t
(bδm)
42.式中，δd为实际观测数据与正演理论观测数据的查向量，δm为模型阐述的增量向量，a为偏导数矩阵，(cδm)
t
(cδm)代表硬约束条件，c为光滑度矩阵，λ(bδm)
t
(bδm)代表弱约束条件，λ为拉格朗日常数，代表弱约束条件的权重，b为约束矩阵。
43.7)针对探测区域全区进行半航空瞬变电磁探测；
44.8)将地质、水文和测井信息作为“硬约束条件”、孔中瞬变电磁探测结果作为“弱约束条件”和地面瞬变电磁探测结果作为“次弱约束条件”联合进行半航空瞬变电磁法约束反演，获得全区的地电结果；
45.在本实施例中，半航空电磁探测的约束条件为：
46.φ＝(δd-aδm)
t
(δd-aδm) (cδm)
t
(cδm) λ(bδm)
t
(bδm) λ1(b1δm)
t
(b1δm)
47.式中，δd为实际观测数据与正演理论观测数据的查向量，δm为模型阐述的增量向量，a为偏导数矩阵，(cδm)
t
(cδm)代表硬约束条件，λ(bδm)
t
(bδm)代表弱约束条件，λ为拉格朗日常数(代表弱约束条件的权重)，b为弱约束矩阵，λ1(bδm)
t
(bδm)代表次弱约束条件，λ1为拉格朗日常数(代表次弱约束条件的权重)，b1为次弱约束矩阵。
48.9)最终结合地质情况对整个勘探区域内的采空区分布范围、形态等进行解译判断。
49.通过以上描述可知，本实施例首先使用精度最高的孔中瞬变电磁探测结果约束地面瞬变电磁探测结果，然后利用孔中瞬变电磁和地面瞬变电磁探测结果联合约束半航空瞬变电磁探测结果，为不同探测方法和数据之间建立了联系，实现了有效信息的传递，压制了单一方法反演的多解性，且反演结果更加准确。
50.本实施例综合了孔中瞬变电磁、地面瞬变电磁及半航空瞬变电磁的优点，不仅显著提高了采空区的探查识别和定位精度，并且有效的提高了探测速度，最终实现对复杂地
形条件、人文干扰严重地区的采空区精准、快速探测的目的。
51.本实施例不仅指多种装置形式的瞬变电磁探测方法的联合使用，还指多种装置形式的瞬变电磁数据的层层约束，这种层层约束约束具有相对明确的逻辑关系，不是随意的，因此本发明更是一种科学的综合探测体系。
52.本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
53.注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
54.提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。