CN102520450A - 一种煤矿充水采空区检测方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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匀平面波，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(2005)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(Tikhonov)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Kennard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，E1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：

$f(x,y,z,t)=\frac{1}{2\sqrt{\mathrm{\π}{t}^3}}{\∫}_0^{\∞}\mathrm{\τ}{e}^{-\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{4t}}u(x,y,z,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}.$

f(x，y，z，t)代表瞬变电磁场的场分量，

u(x，y，z，τ)为f(x，y，z，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。

利用Tikhonov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：

(A^TA+α(δ)I)·U＝A^TF.

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，

A^T为系数矩阵的转置矩阵。

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。

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。

优选地，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。

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。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

1、对于采空区的探查，瞬变电磁法在诸多方法中虽然是一种经济、快速、行之有效的地球物理方法，极具广泛的应用前景。但传统做法中提取视电阻率参数，解释存在一定的经验性，而本发明，其解释直接，可靠。

2、从观测数据中提取虚拟子波参数，弥补了视电阻率数据解释的不足。

3、通过将传统的视电阻率曲线与本发明的虚拟子波数据进行综合分析，大大提高解释的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为本发明的煤矿充水采空区检测方法框图；

图2为不同时段积分采样点坐标τ_j以及积分系数h_j的分布结果；

图3为三层地电模型无噪与加噪声时的处理图示说明；

图4为三层地电模型的常规处理与运动学虚拟波处理结果；

图5为工区测线布置图；

图6为300线解释结果图；

图7为500线解释结果图；

图8为300线钻探验证结果图；

图9为测区平面成果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明所提供的一种煤矿充水采空区检测方法，其方法包括以下，如图1：

【101】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。

【102】建立瞬变电磁场同虚拟波场之间的方程式。

Lee等认为对于晚期瞬变电磁场各分量与虚拟波场存在对应的数学变换式，

$f(x,y,z,t)=\frac{1}{2\sqrt{\mathrm{\π}{t}^3}}{\∫}_0^{\∞}\mathrm{\τ}{e}^{-\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{4t}}u(x,y,z,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}.---\left(1\right)$

式中，f(x，y，z，t)代表瞬变电磁场的场分量，u(x，y，z，τ)为f(x，y，z，t)所对应的“波场”，τ为与瞬变电磁场的时间t相对应的“波场”时间。该式即为瞬变电磁场分量的波场变换公式，

如果已知瞬变电磁场值f(x，y，z，t)通过对(1)式进行逆变换，就可求得“波场”值u(x，y，z，τ)。

波场变换(1)式的离散数值积分形式可写为

$f(x,y,z,t_i)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}u(x,y,z,{\mathrm{\τ}}_j)a(t_i,{\mathrm{\τ}}_j)h_j.---\left(2\right)$

$a(t_i,{\mathrm{\τ}}_j)=\frac{1}{2\sqrt{\mathrm{\π}{t_i}^3}}{\mathrm{\τ}}_j{e}^{-\frac{{{\mathrm{\τ}}_j}^2}{4t_i}}---\left(3\right)$

其中α(t_i，τ_j)称为核函数，h_j为积分系数，由于核函数α(t_i，τ_j)是随τ的增加快速衰减的函数，而波场值u(x，y，z，τ)一般为变化幅度不大的连续函数，对数值积分计算结果影响不大，因此，精确计算(2)式的关键是求得一组h_j，τ_j(j＝1，2，…n)，使其最大限度地满足(3)式。

为此，考虑一种特殊情况：

令u(x，y，z，τ)＝1，故(3)式为

$f(x,y,z,t)=\frac{1}{2\sqrt{\mathrm{\π}{t}^3}}{\∫}_0^{\∞}\mathrm{\τ}{e}^{-\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{4t}}\mathrm{d\τ}.---\left(4\right)$

利用如下特殊积分

${\∫}_0^{\∞}{\mathrm{xe}}^{-a{x}^2}\mathrm{dx}=\frac{1}{2a}.$

(4)式可变为

$f(x,y,z,t)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\πt}}}=\frac{1}{2\sqrt{\mathrm{\π}{t}^3}}{\∫}_0^{\∞}\mathrm{\τ}{e}^{-\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{4t}}\mathrm{d\τ}.---\left(5\right)$

对(5)式进行数值积分，其离散表达式为

$f(x,y,z,t_i)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}{t}_i}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}a(t_i,{\mathrm{\τ}}_j)h_j.---\left(6\right)$

对(6)式用最优化法可以选择出一组，τ_j，h_j(j＝1，2，…n)值，然后将这组值用到(3)式中，对于不同的t_i(i＝1，2，…m)，便可求出一系列的瞬变电磁场值f(x，y，z，t_i)(i＝1，2，…m)。

为保证反变换式中系数矩阵A不至于过大，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。

下面将瞬变电磁场的时间t分为7个时段来计算，即：第1时段：32.5～80μs；第2时段：80～325μs；

第3时段：325～800μs；第4时段：800μs～2.4ms；

第5时段：2.4～8.7ms；第6时段：8.7～27ms；

第7时段：27～81ms。

表1中给出第1时段的积分系数(40道)计算结果。

表1

我们对七个时段的积分采样点坐标τ_j以及积分系数h_j的分布进行了计算，图2分别给出了不同时段的分布结果。

(a)第1时段采样点坐标τ_j以及积分系数h_j分布；

(b)第2时段采样点坐标τ_j以及积分系数h_j分布；

(c)第3时段采样点坐标τ_j以及积分系数h_j分布；

(d)第4时段采样点坐标τ_j以及积分系数h_j分布；

(e)第5时段采样点坐标τ_j以及积分系数h_j分布；

(f)第6时段采样点坐标τ_j以及积分系数h_j分布；

(g)第7时段采样点坐标τ_j以及积分系数h_j分布。

由图可见：

第1时段积分系数h_j值的取值范围为0.0067～0.0245；

第2时段h_j值的取值范围为0.0129～0.0484；

第3时段h_j值的取值范围为0.0217～0.0741；

第4时段h_j值的取值范围为0.0344～0.1243；

第5时段h_j值的取值范围为0.0702～0.2385；

第6时段h_j值的取值范围为0.1242～0.4314；

第7时段h_j值的取值范围为0.2236～0.7231。

图2所显示的是不同时段积分采样点坐标τ_j以及积分系数h_j的分布结果。根据该图可知，各时段积分系数h_j在采样点坐标τ_j范围内成一定规律变化。我们在进行积分计算时应该考虑积分系数与采样点之间的关系。针对不同的积分系数的疏密程度进行适当的选择，由于积分系数h_j在采样点坐标τ_j范围内存在斜率差异和采样稀疏程度的差异，因此在计算时应该根据积分系数的变化情况采用合理的方法进行计算。

【103】对方程式进行正则化计算求得虚拟波场；

(6)式可写为如下正则化方程：

F＝AU    (7)

F＝{f_i}_n为瞬变场值，U＝{u_j}_n为波场值。A为系数矩阵。

根据Tikhonov正则化理论，不适定问题(6)式的正则化方程为：

(A^TA+α(δ)I)·U＝A^TF.          (8)

其中，α(δ)为正则化参数，A^T为系数矩阵的转置矩阵。正则化参数α(δ)的选择是非常重要的，正则化参数α(δ)使波场值U在近似性与稳定性之间进行优化选择，因此存在“最优正则参数”问题。根据正则化理论，在计算正则解的过程中，可以根据偏差原理确定与误差向量

相匹配的α的值，为此，令偏差

其中

δ为(9)式右端项的扰动误差；

为矩阵A的扰动误差。

正则化解的均方差为最小

这种正则化，实际上是不对解在零空间任何非零假设，直接假定其为零。对于方程(10)可用Newton法求解，对于所选取的初值α₀＞0，可用下述Newton迭代格式

${\mathrm{\α}}_{k+1}={\mathrm{\α}}_k+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_k$

$={\mathrm{\α}}_k-\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\η}}\left({\mathrm{\α}}_k\right)}{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\η}}^{\′}\left({\mathrm{\α}}_k\right)}$ k＝0，1，…n.          (11)

来调整正则参数，它将以二阶速率收敛到Δ_η(α)＝0的根α^*，应用偏差原理和Newton迭代算法，得到7个时段的正则化参数。

对于每个时段，可以取不同时间门数(20道，40道，60道，80道)，那么波场反变换线性代数方程组的系数矩阵条件数则会不同，表2列出了在不同时间门数情况下，波场变换的条件数。从表2可以看出，波场变换的条件数的分布范围为10⁹～10¹³。

表2

求得正则化参数后，通过解(8)式便可求得波场U的最小二乘近似解。

为了说明本发明的有效性，首先设计了一个H型地电模型，模型参数如下：ρ₁＝25Ω·m，D₁＝60m；ρ₂＝5Ω·m，D₂＝60m，ρ₃＝50Ω·m.图3a为无噪声情况下的二次感应电压衰减曲线，图3b是加噪10％时的衰减曲线，图3c是无噪情况下的转换出的运动学虚拟波，图3d是加噪10％时的转换运动学虚拟波。从上图可能看出：瞬变电磁的衰减曲线形状几乎都差不多，以此很难进行地质目标体的解释，另外，用本方法处理具有10％噪声的数据仍然有效。

【104】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。

图4给出了一个三层Q型地电模型ρ₁＝25Ω·m，D₁＝20m；ρ₂＝5Ω·m，D₂＝100m and ρ₃＝1Ω·m.图4a为模型对应的衰减曲线，图4b为按照常规方法由衰减计算的视电阻率断面，图4c为按本发明提取中心回线装置瞬变电磁运动学虚拟波场断面。可见，用常规方法计算的视电阻率断面对地电界面的反映不直观，而用本发明进行的运动学断面处理结果地质目标的电性界面有很好的反映。

勘察区位于山西省中部，任务是查明某煤矿采空区的分布范围及埋藏深度，推断采空区的充水等特征。测区主要为低山地区，地形较缓。部分地区切割剧烈，测区平均海拔为1350米左右。测区南边有省级公路通过，西边有乡村道路通过，交通较为便利。勘查区地表起伏不大，相对高差一般不超过50m。表层主要为第四系黄土覆盖，厚度一般不超过20m，下伏地层主要为第三系砂砾岩层、二叠系砂泥岩夹煤系、石炭系砂泥岩夹煤系地层及奥陶系灰岩地层。

采用瞬变电磁测深法进行施工工作。测线间距100米，测点间距20米。测线布置如图5。使用美国产品GDP-32II电法工作站。数据采集工作采用128次叠加；基频选用16Hz；选择发射回线为300m*200m；数据采集选用70KHz的低频探头。处理解释采用传统解释方法与波场变换技术相结合的方式，通过两者的比较与结合，突出波场变换方法的实用性以及它在解决实际地质问题中的显著效果。

图6a是曲型剖面(300线)视电阻率等值断面图，在横向方向上，电阻率值发生变化，说明电性不均匀，在410号测点到860号测点之间的地下120米-150米深度出现视电阻率低阻异常。推测是由充水采空区或煤系地层富水引起。图中箭头为随后钻探验证位置。图6b为转换结果，异常显示比较明显，在410号测点到860号测点之间，同相轴明显发生变化，推测采空区引起地层破碎有关。根据已知地质资料，9#煤层的埋藏深度为130米，异常深度与煤层埋深接近，把异常解释成富水采空区，如图6c所示。

图7a是曲型剖面(500线)视电阻率等值断面图，在横向方向上，电阻率值发生变化，说明电性不均匀，在430号测点到860号测点之间的地下120米-150米深度出现视电阻率低阻异常。推测是由充水采空区或煤系地层富水引起。图中箭头为随后钻探验证位置。图7B为转换结果，异常显示比较明显，在430号测点到860号测点之间，同相轴明显发生变化，推测采空区引起地层破碎有关。根据已知地质资料，9#煤层的埋藏深度为130米，异常深度与煤层埋深接近，把异常解释成富水采空区，如图7c所示。

图8为300线钻孔验证情况结果图。其中，图，8a为二次感应电压衰减曲线，图8b为常规方法计算的视电阻率曲线以用解释结果，图8c为钻孔实际资料图，图8d为按本发明计算的运动学虚拟波曲线图。可以看出运动学虚拟波与电性层界面的对应关系比较直观明显。

由图9a，图9b和图9c可以看出：运动学虚拟波剖面图解释的煤矿含水采空区更直观明显。其中，图9a是视电阻率等值线平面图，从这个图上很难直接分出采空区的范围，只能根据视电阻率等值线的大小进行大致判断。根据转换出来的运动学剖面可以比较方便地判断采空区的位置，如图9b所示，根据剖面上同相轴的变化情况，直接推测采空区存在与否；如果剖面上同相轴轴连续性较好，说明没有采空区同赋存；如果剖面上同相轴发生突变，推测变化部位存在采空区。根据图9a和图9b，进行综合分析与对比，划分出采空区的位置与范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

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：

$f(x,y,z,t)=\frac{1}{2\sqrt{\mathrm{\π}{t}^3}}{\∫}_0^{\∞}\mathrm{\τ}{e}^{-\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{4t}}u(x,y,z,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}.$

f(x，y，z，t)代表瞬变电磁场的场分量，

u(x，y，z，τ)为f(x，y，z，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Tikhonov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：

(A^TA+α(δ)I)·U＝A^TF.

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，

A^T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。

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