CN105785450A - 矿区老空水探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿区老空水探测方法及系统，由多段有序连接的电缆探针组件接收天然电磁波经老空区或老空水反射、折射或调制后在地表形成的分布电场信号并连接到探测仪器进行信号调理放大、采集保存，上位机读取探测数据经分析处理后提取老空水或老空区特征信息及参数并据此分析老空水的赋存深度、储量大小和老空区存在状态。本发明的有益效果在于：有效接收并提取了老空水或老空区的特征信息，据此分析老空水或老空区的赋存深度、储量大小、存在状态，探测结果唯一、定位精度高，可广泛用于矿山老空水的勘探与防治。

Description

矿区老空水探测方法及系统

技术领域

本发明涉及用于地下水和地下空区的物探仪器和探测方法，尤其是一种用于矿区老空水的探测方法及系统。

背景技术

老空水是指老空区积水，老空区是矿产资源开采后形成的采空区、老窑和已经报废井的总称。在上世纪80年代，不少矿山均采用较为落后的“房柱式”或“巷柱式”的炮采方法，小窑、小煤矿星罗棋布，矿井开挖无设计、无图纸、无记录，小窑的采空区范围和状态都没有详细记录和数据。据现场调查，这些老空区有些顶板已垮落，造成地表塌陷；有些顶板尚未垮落，从地表看不到老空区存在；有些老空区已自燃，有些老空区正在着火；有些老空区已积水等等；上述问题必将为上下层及邻近区域开采带来重大的安全隐患。2010年3月28日13时40分，中煤集团华晋焦煤公司王家岭矿发生透水事故，造成153人被困井下，经初步推断就是由于掘进过程中与原有老空区积水贯通所致，尽管救援非常成功，但造成的损失是巨大的，由此也造成了恶劣的社会影响。因此，老空区的探测已引起社会和矿山行业的高度重视。

以煤矿为例，煤层赋存于成层分布的煤系地层中，煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力平衡状态。当开采面积较小时，由于残留煤柱较多，压力转移到煤柱上，未引起地层塌落、变形，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来；但多数采空区在重力和地层应力作用下，顶板塌落、形成冒落带、裂隙带和弯曲带。这些地质因素的变化，使得采空区及其上部地层的地球物理特征发生了显著变化，主要表现为：1）煤层采空区冒落带与完整地层相比，岩性变得疏松、密实度降低，其内部充填的松散物的视电阻率明显高于周围介质，在电性上表现为高阻异常；煤层采空区裂隙带与完整地层相比，岩性没有发生明显的变化，但由于裂隙带内岩石的裂隙发育，裂隙中的充入空气致使导电性降低，在电性上也表现为高阻异常；煤层采空区冒落带和裂隙带若有水注入，使得松散裂隙区充盈水分达到饱和的程度，会引该区域的电导率迅速增加，表现为其视电阻率值明显低于周围介质，在电性上表现为低阻异常；这种电性变化为以导电性差异为应用前提的高密度电法、瞬变电磁法和大地电磁法等方法的应用提供了地球物理应用前提。2）煤层采空区与完整地层相比，地层变得疏松，介质的密度降低，同时使传播于其中的地震波速度下降。而它不论被什么介质所充填，在其边缘部位都存在一个明显的波阻抗反射界面，采空区内介质和围岩介质的波速存在明显的差异；利用这一物理前提可探测煤矿老空区。目前煤矿老空区地面探测技术主要包括地球物理探测法和钻孔钻探法。钻孔钻探法作为一种最为直观的探测方法，具有探测精度高的优势，但钻孔钻探毕竟只是“一孔之见”，且工程量大、进度慢、控制范围小的缺点也显而易见。因此，煤矿老空区地面探测往往采用以地球物理探测方法为主，钻探验证为辅的技术方法。

目前老空水或老空区地面探测比较成熟的方法主要有：高密度电法、瞬变电磁法、大地电磁法、浅层地震法等几种。一般是“探针+电缆+仪器”探测方式，探测仪器通过探测电缆与探针相连以接收探针获得的地表每个测点的电磁场信息，每个测点信息的获取至少需要2根探针，通常称探针与探针之间的距离为“极距”、测点与测点之间的距离为“点距”，极距大小取决于勘查纵深范围要求，而点距大小决定了勘查的平面精度。现有方法的实际探测工程中，为得到满足要求的极距和点距，需频繁移动探针或布置大量的探针和探测电缆（或探针与仪器的连接线），存在以下不足：（1）效率低对于仅配2根探针的仪器，采集一个测点的数据只需几秒到几分钟的时间（因探测深度不同而不同），而移动探针并布置好一个测点往往需要几十分钟；（2）工程量大对于配置多探针的仪器，每探针在满足极距和点距要求的同时还需布置一根与仪器的连接线，布线繁琐且工程量大；（3）抗干扰能力差现有的探测方式中，仪器与探针的连接大都采用普通导线，易受探测环境的电磁干扰而导致探测数据无效；（4）探测数据的时空差异大现有探测方式需逐个测点进行数据采集，测点之间采集数据的起始时刻相隔较长，造成各测点数据取样时的时空条件不一，增加了后续数据分析与解释的困难；（5）无连接自检功能在现有的探测中，探针是否与探测电缆连接、探测电缆是否开路？仪器全然不知，导致了探测过程中存在许多的不确定性因素。上述方法的共同点是在人工场作用下进行测量，把寻找固体矿产的物探方法应用在老空区探测上。地面仪器测量值反映的是地质体物性综合值，这个物理量所显示的是地下的那种固体矿产或老空区全凭解释者的主观经验。所以上述方法的探测老空区成功率只有50％左右，其根源在物探曲线的多解性。这些方法只能够知道地下是否为低阻区或高阻区，至于是否冒落、变形、充水或不充水，水量有多大、赋存深度是多少是无法知道的。能否发明一种将老空区与地下固体矿产资源区分开来的方法及物探仪器，目前国内外科技界一直没有解决，尚无相关的研究成果和产品报道。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明是提供一种能可靠监测矿区老空水或老空区的探测系统及探测方法。

本发明的技术方案是：一种矿区老空水探测方法及系统，其特征在于由多段有序连接的电缆探针组件接收天然电磁波经老空区或老空水反射、折射或调制后在地表形成的分布电场信号并连接到探测仪器进行信号调理放大、采集保存，上位机读取探测数据经分析处理后提取老空水或老空区特征信息及参数并据此分析老空水的赋存深度、储量大小和老空区存在状态。

本发明中，电缆探针组件包括首端连接器（2-1）、电缆本体（2-2）、尾端连接器（2-3）、探针连接器（2-4）、探针（2-5）和终端匹配器（2-6），首端连接器（2-1）为一用于连探测仪器或上一段电缆探针组件的12芯航空插头并通过包括7根内层线芯和13根外层线芯的双层屏蔽电缆本体（2-2）与用于连接下一段电缆探针组件或终端匹配器的尾端连接器相连接，探针（2-5）为一上端加工有用于与探针连接器下盖连接的螺纹接头、下端加工有易于插入泥土的圆锥体的良导电性金属材质细杆并通过探针连接器与电缆本体相连接；每段电缆探针组件具有独立类型编码、可多段有序连接使用，且其上均匀分布相距为D的8个探针连接器，首探针与首端连接器的距离为t米，尾探针与尾端连接器的距离为D-t米。

所述的尾端连接器（2-3）是一个一端为电缆本体入口、另一端为12芯航空插座的圆柱体，内置有由8位串入并出移位寄存器IC1、8位并入串出移位寄存器IC2、8选1模拟开关IC3和IC4、8位拨动开关SW1、8个二极管D1～D8和8个电阻R1～R8组成的控制电路，实现本段电缆探针组件的类型编码设置、探针信号选通与输入限幅保护。

所述的探针连接器（2-4）包括穿过电缆本体的金属上盖和内置探针接入检测电路板的绝缘材料下盖，探针接入检测电路板由磁珠Z1、弹性触点SW2、电容C1和二极管D9组成，实现探针的连接状态检测和接收信号的高频滤波。

所述的终端匹配器（2-6）为一个可连接在尾端连接器上的阻抗匹配滤波网络，包括电源退耦电容C2和C5、高频滤波电容C3和C4、线路阻抗匹配电阻R9和R11、上拉电阻R10。

本发明中，探测仪器包括前置接口模块、信号调理转换模块、DSP处理器、时钟与复位、CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、LCD触摸显示模块，DSP处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、信号调理转换模块、LCD触摸显示模块交换数据，还通过CPLD输出逻辑控制信号至RAM、ROM、闪盘、LCD触摸显示模块、信号调理转换模块和前置接口模块的控制端；系统的设置、检测、探测功能均在LCD显示提示下通过触摸操作实现。

所述的前置接口模块包括电缆探针组件接口、四运放IC5和IC7、仪表放大器IC6、二极管D10-D17、微型继电器JD1、数字控制电位器PR1和PR2、电阻R12-R30、电容C6-C16，实现了电缆探针组件输入输出信号的保护限幅和探针信号的差分放大、高通滤波、双极性转换放大、工频陷波、低通滤波，并可对探针的连接状态和通道性能进行检测。

所述的信号调理转换模块包括12个通带频率可控的带通滤波器、12个增益可调节的后增益放大器、16通道模数转换器，单个带通滤波器是由开关电容滤波芯片IC8、电阻R31-R36、电容C17和C18组成的四阶带通频率可控滤波电路，单个后增益放大器是由运放IC9、数字控制电位器PR3、电阻R37和R38、电容C19组成的同相放大电路；16通道模数转换器的第1通道接双极性信号参考点，第2通道接前置放大输出，第3-14通道接12个后增益放大器输出，第15通道接探针1连接状态检测输出信号，第16通道接探针2连接状态检测输出信号。

本发明中，矿区老空水或老空区埋藏深度h与其特征信息主频频率f_z之间的关系为h＝1591.58(1/f_z)^0.5。

本发明中，动态老空水的储量大小与其特征信息边频的关系为，静态老空水储量通过探测数据反演运用不规则几何分解与容斥原理相结合的方法近似估算，根据多测点特征信息主频幅值的变化规律来评估老空区的存在状态。

本发明的有益效果在于：探测系统通过多段有序连接的电缆探针组件接收天然电磁波经老空水或老空区反射、折射或调制后在地表形成的分布电场信号，上位机软件从中提取老空水或老空区的特征信息并分析其赋存深度、储量大小、存在状态，探测结果唯一、定位精度高，可广泛用于矿区老空水的勘探与防治。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明。

图1是本发明的结构及探测示意图；

图2是本发明的电缆探针组件结构示意图；

图中：2-1.首端连接器，2-2.电缆本体，2-3.尾端连接器，2-4.探针连接器，2-5.探针，2-6.终端匹配器

图3是本发明的电缆探针组件探针检测图；

图4是本发明的电缆探针组件尾端连接器电路原理图；

图5是本发明的电缆探针组件终端匹配器电路原理图；

图6是本发明的探测仪器结构框图；

图7是本发明的探测仪器前置接口模块电路原理图；

图8是本发明的探测仪器信号调理转换模块结构框图；

图9是本发明的单通道信号调理电路原理图；

图10是本发明探测的动态信息特征图；

图11是本发明探测的裂隙信息特征图；

图12是本发明探测的四维物探剖面图；

图13是图12的横向分解图；

图14是图12的纵向分解图；

图15是图12的单层次分解图。

具体实施方式

参见附图1，一种矿区老空水探测方法及系统，系统由多段有序连接的电缆探针组件接收天然电磁波经老空区或老空水反射、折射或调制后在地表形成的分布电场信号并连接到探测仪器进行信号调理放大、采集保存，上位机读取探测数据经分析处理后提取老空水或老空区特征信息及参数并据此分析老空水的赋存深度、储量大小和老空区存在状态。本发明能将探测区域内的天然电场信息进行集中收集，有效的解决了传统物探工程中测线布置工程量大、探测效率低的问题，并减少了探测数据的时空差异、提高了收集信息的抗干扰能力。

结合附图，图2是本发明的电缆探针组件结构示意图，图3是本发明的电缆探针组件探针检测图，图4是本发明的电缆探针组件尾端连接器电路原理图，图5是本发明的电缆探针组件终端匹配器电路原理图。电缆探针组件包括首端连接器（2-1）、电缆本体（2-2）、尾端连接器（2-3）、探针连接器（2-4）、探针（2-5）和终端匹配器（2-6），首端连接器（2-1）为一用于连探测仪器或上一段电缆探针组件的12芯航空插头并通过电缆本体（2-2）与用于连接下一段电缆探针组件或终端匹配器（2-6）的尾端连接器（2-3）相连接，探针（2-5）通过探针连接器（2-4）与电缆本体（2-2）相连接；电缆本体（2-2）为包括7根内层线芯和13根外层线芯的双层屏蔽电缆；尾端连接器（2-3）是一个一端为电缆本体入口、另一端为12芯航空插座的圆柱体，内置有由8位串入并出移位寄存器IC1、8位并入串出移位寄存器IC2、8选1模拟开关IC3和IC4、8位拨动开关SW1、8个二极管D1～D8和8个电阻R1～R8组成的控制电路；探针连接器（2-4）包括穿过电缆本体的金属上盖和内置探针检测电路板的绝缘材料下盖，探针检测电路板由磁珠Z1、弹性触点SW2、电容C1和二极管D9组成，探针（2-5）为一上端加工有用于与探针连接器下盖连接的螺纹接头、下端加工有易于插入泥土的圆锥体的良导电性金属材质细杆；终端匹配器（2-6）为一可连接在尾端连接器（2-3）上的阻抗匹配网络，包括电容C2、C3、C4、C5和电阻R9、R10、R11。该电缆探针组件每段具有类型编码，可多段有序连接使用，每段电缆上均匀分布相距为D的8个用于连接探针（2-5）的探针连接器（2-4），首探针与首端连接器（2-1）的距离为t米，尾探针与尾端连接器（2-3）的距离为D-t米；类型编码为8位二进制码，高3位表示t-1（t的设置范围为1～4米），低5位表示D-1（D的设置范围为1～32米），通过尾端连接器（2-3）内部的拨动开关SW1设置；如类型编码为19H的电缆探针组件，表示该段电缆上均匀分布相距为10米的8个探针，首探针与首端电连接件的距离为2米，尾探针与尾端电连接件的距离为8米。首端连接器（2-1）为一个12芯的航空插头，其芯线的定义与尾端连接器（2-3）的12芯航空插座和终端匹配器（2-6）的12芯航空插头的一致，均为：芯线1和2接电源VCC、芯线11和12接电源地GND、芯线10接电缆屏蔽地EGND、芯线7接探针检测与信号地TZJC、芯线8和9接探针信号差分输入IN+和IN-、芯线3接串行同步时钟DCLK、芯线5接串行数据输入Din、芯线4接串行数据输出Dout、芯线6接移位寄存器初始化SH/LD。电缆本体（2-2）为20芯双层屏蔽电缆，由7根内层线芯与空隙填充物经内屏蔽层编织后绕包内隔离层，其外均匀分布13根外层线芯后绕包外隔离层，再由总屏蔽层编织后挤压外护套而成；7根内层线芯由铜丝或镀锡铜丝绞合而成，均采用F46绝缘，并由绝缘的颜色加以区分，如：蓝、红、黑、棕、灰、黄、绿，其中的第1号线芯的截面积为0.2mm²、第2～7号线芯的截面积为0.3mm²，将第2和3、4和5、6和7号的两根线芯进行绞合，绞合节距不大于15mm，将三组绞合线芯及第1号线芯（中心线）绞合而成，节距不大于外径的20倍，空隙处采用棉线或麻绳填充起承载作用，将总绞好的线芯上采用Φ0.12mm的铜丝或镀锡铜丝编织而成，密度不小于90%。，采用PP带或聚酯带，一层绕包、一层纵包，搭盖率不小于15%，不能出现漏包情况；13根外层线芯由铜丝或镀锡铜丝绞合而成，均采用F46绝缘，并由绝缘的颜色加以区分，如：红、黑、棕、灰、黄、绿、蓝、白、粉红、淡绿、橙，其中的第8和10号线芯的绝缘红色且截面积为0.3mm²、第9和11号线芯的绝缘黑色且截面积为0.3mm²、第12～19号线芯的截面积为0.2mm²，并在成缆好的线芯上绕包一层聚酯带，搭盖率不小于15%，将总成缆好的线芯上采用Φ0.12mm的铜丝或镀锡铜丝编织而成，密度不小于90%，采用105℃阻燃丁晴聚合物挤压而成，成品颜色：黑色，外径：11.8±0.3mm，所有绝缘线芯工频火花试验电压为4KV不击穿，电缆工作环境温度-40～+75度。电缆的第8和10号线芯接电源VCC，第9和11号线芯接电源地GND，第20号线芯在航空插头插座处与电缆的外屏蔽层连接后用作电缆屏蔽地EGND，第1号线芯在航空插头插座处与电缆的内屏蔽层连接、在正常探测中作为信号地、在电缆探针自检时用作检测信号TZJC输出，第2和3号线芯用作探针信号差分输入IN+和IN-，第4号线芯用作串行同步时钟DCLK，第6号线芯用作串行数据输入Din，第5号线芯用作串行数据输出Dout，第7号线芯用作移位寄存器初始化SH/LD，第12～19号线芯分别用于连接到电缆上的8个探针电连接器内部的A端。

尾端连接器（2-3）为一圆柱体连接件，一端为电缆接入口，另一端为用于连接下一段电缆探针组件或终端匹配器的航空插座，内置有控制电路板；控制电路板由8位串入并出移位寄存器IC1（可选芯片型号有：74HC164、74LS164等）、8位并入串出移位寄存器IC2（可选芯片型号有：74HC164、74LS164等，也可由1片可编程器件PLD来实现IC1、IC2功能）、8选1模拟开关IC3和IC4（可选芯片型号有：CD4051、MAX4781、AD7510、LF13508等）、8位拨动开关SW1（可电路板焊点短接代替）、8个二极管D1～D8和8个电阻R1～R8组成。20芯双层屏蔽电缆电缆本体（2-2）由电缆接入口端进入，连接8个探针电连接件内部A端的第12～19号线芯连接到控制电路板的8个探针信号输入端，8个探针信号输入端并接与两片8选1模拟开关IC3、IC4的8个输入引脚上，且8个探针信号输入端分别连接二极管D1～D8的阳极，二极管D1～D8的阴极接电源VCC，与本段电缆上8个探针电连接件内的阳极接地的二极管一起用于限幅探针输入信号以保护内部电路；第8、10号线芯连接首端电连接件的芯线1和2的电源VCC直接连到尾端电连接件的航空插座的芯线1和2，第9、11号线芯连接首端电连接件的芯线11和12的电源地GND直接连到尾端电连接件的航空插座的芯线11和12，第20号线芯连接首端电连接件的芯线10的电缆屏蔽地EGND直接连到尾端电连接件的航空插座的芯线10，第4号线芯连接首端电连接件的芯线3的串行同步时钟DCLK直接连到尾端电连接件的航空插座的芯线3，第5号线芯连接首端电连接件的芯线4的串行数据输出Dout连到控制电路板IC1的串行数据输入端、控制电路板中IC2的串行数据输出端连到尾端电连接件的航空插座的芯线4，第6号线芯连接首端电连接件的芯线5的串行数据输入Din直接连到尾端电连接件的航空插座的芯线5，第7号线芯连接首端电连接件的芯线6的移位寄存器初始化SH/LD直接连到尾端电连接件的航空插座的芯线6，第2和3号线芯连接首端电连接件的芯线8和9的探针信号差分输入IN+和IN-直接连到尾端电连接件的航空插座的芯线8和9，第1号线芯连接首端电连接件的芯线7的探针检测与信号地TZJC直接连到尾端电连接件的航空插座的芯线7。控制电路板的工作电源VCC连接到尾端电连接件的航空插座的芯线1和2、地GND连接到尾端电连接件的航空插座的芯线11和12，控制电路板的8位串入并出移位寄存器IC1和8位并入串出移位寄存器IC2的串行同步时钟DCLK连到连接到尾端电连接件的航空插座的芯线3、移位寄存器初始化SH/LD连接到尾端电连接件的航空插座的芯线6，两片8选1模拟开关IC3、IC4的选择输出IN+和IN-连接到尾端电连接件的航空插座的芯线8和9。8位并入串出移位寄存器IC2、8位拨动开关SW1和8个电阻R1～R8一起用于设置本段电缆的8位类型编码，当8位拨动开关SW1均断开时，串出移位寄存器IC2的8位并行输入引脚由上拉电阻R1～R8上拉为高电平，任何1位拨动开关合上，则其对应的IC2输入端为低电平。控制电路板工作过程如下：（1）若本段电缆的首端电连接件与探测仪器连接；（2）由探测仪器将移位寄存器初始化SH/LD置0，8位串入并出移位寄存器IC1的8个输出引脚被初始化为低电平，同时串出移位寄存器IC2的8个并行输入引脚上被加载到IC2内部的移位寄存器；（3）由探测仪器将移位寄存器初始化SH/LD置1，使移位寄存器IC1、IC2进入移位状态；（4）探测仪器发出16位串行数据Dout和串行同步时钟DCLK，16位串行数据被逐位移入IC1、IC2，同时IC1内部的8位初始化码、IC2内部的8位类型编码被逐位移出到尾端电连接件的航空插座的芯线4；（5）如果尾端电连接件的航空插座上连接的是终端匹配器6，则芯线4与芯线5短接，第（4）步移出的串行数据通过芯线5返回到首端电连接件的Din，探测仪器便可同步逐位移入本段电缆的8位初始化码和8位类型编码；（6）如果尾端电连接件的航空插座上连接的是下一段电缆探针组件，第（4）步移出的串行数据通过尾端电连接件的航空插座的芯线4移入下一段电缆探针组件，一直到连接有终端匹配器的电缆探针组件才可通过尾端电连接件的航空插座的芯线5返回数据到探测仪器，（7）探测仪器只要连续发出多组16位串行数据Dout和串行同步时钟DCLK，便可由返回数据得知所连接电缆探针组件数量、类型及探针的连接状态等信息；（8）正常探测时，探测仪器根据第（7）步得到的连接状态信息发出对应数量的选通控制码，即可选择任一连接的探针与探测仪器差分输入信号线IN+或IN-接通，从而实现了探测过程中的点距和极距的灵活调节。每段电缆探针组件的选通控制码为8位，高4位控制8选1模拟开关IC4以选通信号线IN+所需的探针连接，低4位控制8选1模拟开关IC3以选通信号线IN-所需的探针连接；高、低4位控制码的定义一致，以低4位控制码为例：bit3＝1不选通本段探针作为信号线IN-，后续bit2～bit0无限，bit3＝0选通本段探针作为信号线IN-，bit2～bit0＝000、001、010、011、100、101、110、111则分别选通探针T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8。

探针连接器（2-4）包括上盖、下盖两部分，上盖由铝、铜或不锈钢等金属材料经机加工而成，下盖则采用超高分子聚乙烯、聚四氟乙烯等绝缘材料浇注或机加工而成。电缆本体从上盖穿过后固定并使其外屏蔽层与上盖可靠连接、内屏蔽层和一外层线芯连线至探针检测电路板的G端和A端，探针（2-5）由下盖的探针旋入螺孔旋入并短接探针检测电路板上的两弹性触点；探针检测电路板由磁珠Z1、弹性触点SW2、电容C1和二极管D9组成。探针（2-5）为一具有良导电性的金属材质细杆，上端部分的螺纹接头用于与探针电连接器相连，下端部分的圆锥体可使探测杆插入泥土更为容易，中间为细长圆柱体。探针由下盖的探针旋入螺纹孔旋入时，内螺纹对探针起到固定作用，当探针旋入到一定深度即可将探针检测电路板上的两弹性触点SW2短接，其具体工作过程如下：（1）在探针连接状态检测时，由探测仪器发出需检测探针对应的选通控制码到尾端电连接件并通过电缆的第1号线芯TZJC（与电缆内屏蔽层短接）输出探针检测信号到探针检测电路板的G端，探针检测信号经二极管D9、弹性触点SW2、磁珠Z1到探针检测电路板的A端，A端通过电缆的第12～19号线芯中的一根连接到尾端电连接件内部的控制电路板的8选1模拟开关输入引脚，模拟开关选通输出引脚连接到电缆的第2、3号线芯（两个输入通道，每次可检测两根探针），经首端电连接件与探测仪器连接，探测仪器根据返回的检测信号判断并给出探针的连接状态以及电缆的通断情况；（2）在正常探测情况下，电缆的第1号线芯TZJC通过探测仪器内部接信号地（即是探针检测电路板的G端接信号地），由探测仪器发出选通控制码到尾端电连接件以选择需要测试的两根探针连接到电缆的第2、3号线芯作为IN+、IN-输入到探测仪器内部测试电路，此时，探针检测电路板的二极管D9的阳极接信号地，与尾端电连接件内部的阴极接电源VCC的二极管一起用于限幅探针输入信号以保护内部电路，探针接收的信号经弹性触点SW2、磁珠Z1到探针检测电路板的A端，A端通过电缆的第12～19号线芯中的一根连接到尾端电连接件内部的控制电路板的8选1模拟开关输入引脚，模拟开关选通输出到电缆的第2、3号线芯，经首端电连接件连接到探测仪器内部测试电路。探针（2-5）用于接收天然电场信息，在探测过程中它既接收地壳内场信号，不可避免地也接收了空间的电磁干扰信号；为避免空间电磁干扰对探测的影响，在弹性触点SW2与接信号地G端之间串接高频特性较好的瓷片电容C1（优选高频零温漂黑点瓷片电容）。由于天然电场的信号频段在甚低频（3～30KHz）范围，为有效的提取天然电场信息，在弹性触点SW2与A端之间串接有高频滤波磁珠Z1。磁珠Z1等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化，它比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高滤波效果；磁珠由铁氧磁体组成，电感由磁芯和线圈组成，磁珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢的释放出去；铁氧体磁珠不仅可用于电路中滤除高频噪声，还可广泛应用于其它电路，其体积可以做得很小；特别是在数字电路中，由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波，也是电路高频辐射的主要根源，所以可在这种场合发挥磁珠的作用。

终端匹配器（2-6）为一可连接在尾端连接件3上的阻抗匹配网络，包括电容C2、C3、C4、C5和电阻R9、R10、R11，由于电路结构简单，将其制作并安装在一个12芯航空插头内部，该航空插头的芯线定义与首端连接器（2-1）的一致。电路中，电解电容C5与瓷片电容C2一起用作电源线上的退耦电容，电容C3和C4为高频特性较好的瓷片电容，用于正常探测中滤除两差分信号线上的高频干扰；电阻R9用于串行时钟线与串行数据线的阻抗匹配，电阻R10用于移位寄存器初始化SH/LD信号线的上拉，电阻R11与前置接口模块内的R12用于匹配差分信号线路阻抗，以减少两差分信号线间的差模干扰。

参见附图，附图6是本发明的探测仪器结构框图。探测仪器包括前置接口模块、信号调理转换模块、DSP处理器、时钟与复位、CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、LCD触摸显示模块，DSP处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、信号调理转换模块、LCD触摸显示模块交换数据，还通过CPLD输出逻辑控制信号至RAM、ROM、闪盘、LCD触摸显示模块、信号调理转换模块和前置接口模块的控制端；系统的设置、检测、探测功能均在LCD显示提示下通过触摸操作实现。DSP（DigitalSignalProcessor数字信号处理器）是一种用于实时完成数字信号处理的微处理器，DSP可选用TI公司TMS320系列的C3X或C67X浮点处理器、AD公司的ADSP21XXX浮点处理器、AT&T公司的DSP32XX浮点处理器、MOTOROLA公司的MC960XX浮点处理器、NEC公司的uPD772XX浮点处理器，本专利采用TI公司TMS320系列的C672X浮点DSP。时钟与复位电路分别为DSP提供工作时钟和上电复位信号；ROM用于保存装置的执行程序和参数；RAM用于保存装置程序运行过程的中间数据；CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）采用了静态功耗极低的ispMACH4000Z系列复杂逻辑可编程器件，是装置其它电路与DSP的逻辑输入输出接口，完成本仪器的地址译码、数据传输、控制输出、信息加密等功能。信号处理模块的DSP可根据用户指令，通过CPLD向前置接口模块发出控制信号，以实现探针连接状态检测和正常探测的选择；同时，DSP接收模/数转换电路所传输过来的数字信号，进行分析处理后产生增益控制信号并通过CPLD控制前置接口增益、后增益放大电路，实现了对不同大小信号的自适应放大；完成以上的自检和设置控制之后，DSP通过模/数转换器对探针所获取的天然电磁波经老空区反射、折射或调制后在地表形成的分布电场信号进行采集，并结合增益控制码将采集的数字信号转换为探针所获取的实际值并保存到闪盘中。LCD触摸显示模块包括显示存储器、显示逻辑控制、触摸屏检测转换、驱动电源电路、LED背光驱动电路、带LED背光的彩色液晶显示屏和电阻式触摸屏，显示数据和控制信号由DSP处理器传输至显示逻辑控制，显示逻辑控制电路缓存数据到显示存储器并输出显示数据到彩色液晶显示屏和输出控制信号到驱动电源电路以管理电源、到LED背光驱动电路以调节控制背光，电阻式触摸屏的状态信号经触摸屏检测转换电路传输至DSP处理器。综合考虑可视度、可操作性和低功耗等因素，LCD触摸显示屏尺寸应在3英寸到6英寸之间选择。仪器的自检和正常探测均可在LCD触摸显示屏的显示提示下通过触摸操作实现。

参见附图，附图7是本发明的探测仪器前置接口模块电路原理图。前置接口模块包括电缆探针组件接口、四运放IC5和IC7、仪表放大器IC6、二极管D10-D17、微型继电器JD1、数字控制电位器PR1和PR2、电阻R12-R30、电容C6-C16。二极管D10-D17用于限幅保护DSP处理模块与电缆探针组件的输入输出信号线，其中D10、D11保护TDCLK信号线，D12、D13保护TDDIN信号线，D14、D15保护TDDOUT信号线，D16、D17保护TSH/LD信号线。由IC5C、IC5D、R13、R14、C6、C7、PR1组成的电路在正常测试情况下是一个全差分放大器，其输出增益由数字控制电位器PR1调节（R13＝R14），增益A=1+(R13+R14)/PR1；在探针连接状态检测时，将数字控制电位器PR1的抽头设置为开路，电路相当于两个缓冲器，直接将探针上的检测电压缓冲到模数转换器；C6＝C7为高频滤波电容，优选高频特性较好的瓷片电容。IC5B、R15~R18、C8、C9组成一个高通滤波与直流偏移修正电路（其中，R15＝R16、R17＝R18、C8＝C9），用于消除输入信号中的直流偏移、滤除测试范围以外的低频成分，高通滤波截止频率f＝1/2πR17C8。IC6、IC5A、R19、R20、PR2组成双极性转换放大电路，IC5A与R19、R20决定双极性信号的参考点电压Vref，IC6与PR2组成差分信号到双极性信号的转换放大电路，数字控制电位器PR2用于调节放大倍数A=1+2R/PR2（R为仪表放大器IC6内部的反馈电阻）。IC7A、IC7B、R21~R25(其中，R21＝R22＝2R23)、C10~C12（其中，C10＝C11＝C12/2）组成一个深度负反馈的高Q值陷波器，陷波频率f＝1/2πR21C10（需合理选择R21、C10，使f＝50Hz），调节R24与R25之比值以改变陷波器Q值。IC7C、IC7D、R26~R29(其中，R26＝R27＝R28＝R29)、C13~C16（其中，C13＝C14＝C15＝C16）组成一个四阶低通滤波器，用于滤除测试范围之外的高频成分，低通滤波截止频率f＝1/2πR26C13。微型继电器JD1在DSP处理模块输出控制信号JCKZ为低电平时，信号线屏蔽层与仪器内部的仪器内部模拟地接通；在控制信号JCKZ为高电平时，信号线屏蔽层与DSP处理模块输出的检测信号TZJCXH接通；从而实现了对探针的连接状态和通道性能的自动检测。前置接口模块的四运放为低功耗、低噪声的单电源运放，可选型号有：AD8574、TLC274、LT1016等；仪表放大器为一个增益控制电阻外接的仪表放大器，可选型号有：MAX4194、AD623等；数字控制电位器用的是XICOR公司的X9241，还可选MAX、AD、DS、CAT等公司的同类产品；微型继电器选用AGN21003或AGN20003。

结合附图，附图8是本发明的探测仪器信号调理转换模块结构框图，附图9是本发明的单通道信号调理电路原理图。信号调理转换模块包括12个通带频率可控的带通滤波器、12个增益可调节的后增益放大器、16通道输入的模数转换器，其中一个（其余类同）带通滤波器为由由开关电容滤波芯片IC8、电阻R31-R36、电容C17和C18组成的四阶带通频率可控滤波电路，电路中C17、C18为电源去耦电容，取电阻R31＝R34、R32＝R35、R33＝R36，带通滤波中心频率由DSP处理器经CPLD输出的f_BPCLKX（12路各不相同）决定f_BPX＝f_BPCLKX/100，Q值＝R33/R32，电路放大倍数A=[R33/R31]²；在电路参数选择时，将12个带通滤波器的放大倍数设置一致（放大倍数可在1-10之间选取），通过选取不同的R32使12个带通滤波器具有不同的带通滤波中心频率和Q值，以保证12个带通的频率范围能覆盖所需的测试频率范围。其中一个（其余类同）后增益放大器由运放IC9、数字控制电位器PR3、电阻R37和R38、电容C19组成的同相放大电路，数字控制电位器PR3用于调节放大倍数A=R38/PR3（放大倍数可在1-100之间进行调节），R37为输入适配电阻取R37=R38，C19为高频滤波电容，运放IC9可由单运放、双运放或四运放实现，本专利中优选低功耗、低噪声的单电源运放AD8599、OP285、OP297等；由于该电路于12个带通滤波器之后，而前置信号经12个带通滤波器选频后的输出大小不一，故需调节数字控制电位器PR3，使信号既不失真又能满足模数转换器分辨率较高的要求。模数转换模块为16通道输入的模数转换器件，第1通道接双极性信号参考点，用于正常探测时与12个后增益放大器输出相减以得到双极性信号；第2通道接前置放大输出，用于调节数字控制电位器PR1和PR2，以保证信号在前置放大既不失真又能得到有效的放大；第3-14通道接12个后增益放大器输出，正常探测时与第1通道的双极性信号参考点相减以得到双极性信号；第15通道接探针1连接状态检测输出信号和第16通道接探针2连接状态检测输出信号，用于探针连接状态检测和调节数字控制电位器PR1。本专利模/数转换电路的ADC可选采用TI公司生产的16通道的ADS7953（12-bit）、ADS7957（10-bit）、ADS7961（8-bit）系列芯片，模拟电源电压为2.7V～5.25V、数字电源电压为1.7V～5.25V，采样率高达1MHz，20MHz的SPI接口；它具有精度高、体积小、通道多、使用灵活等特点。模/数转换电路将模拟信号转换成数字信号，并将数字信号传输至DSP处理模块，同时DSP可根据模/数转换器输出值，通过CPLD对后前置增益放大电路、后增益放大电路进行自动控制和调节，以保证测量数据的分辨率和测量精度。

结合附图，附图10是本发明探测的动态信息特征图，附图11是本发明探测的裂隙信息特征图。探测仪器的自检和正常探测均可在LCD触摸显示屏的显示提示下通过触摸操作实现；探测结束，上位机通过USB总线读取仪器内部闪盘中的探测数据，对数据进行数字抗混滤波、FFT变换与频谱细化、谱线搜索等方法处理后可得到附图10、附图11所示的老空水特征信息图。特征信息图中上半部分为天然瞬变电磁波的时域波形，下半部分为天然瞬变电磁波中老空区、老空水的特征频谱图。频谱图中间最高的谱线称为主频谱线，分布于主频谱线两边并关于主频对称的谱线称为边频谱线。主频谱线表征地下某深度岩层的电性值，边频谱线表征地下水的活动情况，边频谱线幅值表示地下水瞬时流量的大小，边频谱线距离主频谱线的远近称边频频率，边频频率表示地下水瞬时流动速度的快慢。老空水通常有两种形式：一种是存在补给和渗出通道的动态水，另一种只有渗入通道的静态水。对于动态的老空水，按水文学规律流动在地底下会切割地磁场磁力线产生感应电动势。但该感应电动势较微弱，无法穿透地层传送到地面；但它会对经过该处的天然瞬变电磁波产生持续不断的干扰，最终附加在该电磁波信号上传输到地表；本发明把附图10这种附加有地下水流动信息的信号定义为地下水动态信息（本发明的四维物探剖面图中用Δ表示）。由于地下老空区与完好地层间存在密度突变，天然瞬变电磁波在这里会被折射、反射或衰减；这样就形成了本发明附图11所示的裂隙信息（本发明的四维物探剖面图中用Ο表示）。关于静态老空水，首先必需地下有空隙才能渗入水，在渗入过程中表现为动态，未渗满时水面以上探测为裂隙信息、水面以下探测为低值异常，渗满后整体区域低值异常。根据电磁场理论，天然瞬变电磁波在地层中的传导电流远远大于位移电流，则其穿透深度为

h＝1/(πf_zμ/ρ)^0.5(单位：m)

上式中，f_z为老空水特征信息主频频率；ρ为探测点的地表电阻率，一般地表大都是松散的土层，取其平均电阻率ρ≈10（Ω.m）；假设天然瞬变电磁波穿透的地层为无磁性介质，则磁导率取μ＝4π×10^-7H/m；据此得到老空水或老空区的埋藏深度与特征信息主频频率的关系如下

h＝1/(πf_zμ/ρ)^0.5＝1591.58(1/f_z)^0.5(单位：m)

附图12是本发明在某矿区现场探测的四维物探剖面图，探测中采用了两段电缆探针组件、共16根探针，探针的两两间距为10m（即极距10m，点距可由仪器编程调节），要求的探测深度范围是地下16m～100m之间，每间隔4m探测一个层次。本发明探测仪器会根据探测深度要求自动换算相应的探测频率。图12中，横坐标为测线范围、共150m，纵坐标为天然电磁波穿透不同地层后反映到地表的电性值，图中每一条曲线表示一个深度的地层电性值变化情况（每个层次用不同颜色、不同线型的曲线表示），再将地下特征信息（动态信息Δ、裂隙信息Ο等）标注到相应深度地层的电性值曲线上，故称四维物探剖面图。虽然图12的表示方法对分析地下断层构造是非常有用，但在该图中它将所有的地层电性曲线画在一个图中，不能清楚地表示出地层结构的细微变化。为此，本发明的上位机软件可针对不同的探测目的对四维物探剖面图进行横向、纵向分解，图13所示为图12的横向分解图，图14所示为图12的纵向分解图。综合分析图12～图14可知：在垂深68m层次测线的T11到T15之间曲线存在低值异常，且T12T13测点有地下水动态信息，T14T15测点有地下裂隙信息。为更清楚的了解该层次的结构变化，本发明的软件还可对图12中垂深68m的单层次分解，如图15所示。从图15可清楚看到：测线的T11到T15之间垂深68m处存在老空区，且该老空区已部分塌陷，底部存在流动水，顶部还有空隙。

动态老空水会切割地磁场的磁力线而产生感应电动势e，根据电磁流量原理，感应电动势e（单位：mV）与流量的方程式为

e＝（4BK/L）Q

式中，B为探测地点的大地电磁场感应强度（单位：mV/m²）、K为常数，对于一个已知的探测区域来说它们都是常数，但需要在探测区域附近找已知的水量的参考测试点进行整定；L为地下水流通道截面的周长（单位：m）。

实际探测工作表明，地下水在岩溶裂隙中流动的流速、流量都是随时间变化的，其产生的感应电动势e是时间t的函数，计为e(t)＝0.5〔e₁(t)＋e₂(t)〕。e(t)与地下水储量Sw之间的关系为

Sw=∫₀ ^T[L.e(t)/4BK]dt=(L/4BK)∫₀ ^Te(t)dt(单位：m³/h)

式中，T为地下水径流的变化周期，本专利仪器能探测出地下水径流的变化周期T（边频频率f_b的倒数）和周期T内感应电动势e(t)的综合值，由上式可简单地估算出地下水储量Sw。但由于地下水径流的变化周期T受地质构造、补给情况、开采量等因素的影响而各不相同，且该周期也是随时间变化的，这给准确评估地下水储量或开采量带来一定困难。通常采用离散化方法来计算上式，具体做法是：由探测仪器对该固定深度连续重复探测1小时，得到M组探测数据，而这其中只有N组探测数据具有地下水径流特征信息，即边频综合幅值e(t₀)、e(t₁)、e(t₂)……e(t_N-1)，边频频率f_b0、f_b1、f_b2……f_bN-1；因此，上式的离散化计算公式为

(单位：m³/h)

静态老空水存在的几何形状各不相同、且不规则，要精确计算非常困难。为此，本发明的具体做法是：（1）通过测线平移或换用极距较小的电缆探针组件进行多次重复探测以尽可能多的锁定老空水边缘，（2）在出现裂隙信息的测点运用仪器的垂深扫描探测方式以尽可能准确的判断出老空水的存在深度，（3）对前两步的探测数据进行横向和纵向综合反演以确定老空水体的范围，（4）运用不规则几何分解与容斥原理相结合的方法近似估算老空水体的大小（即老空水量）。

通过本发明探测系统大量试验和现场数据分析，发现老空区具有以下特点：（1）当老空区未塌陷且不含水时，将引起特征信息主频幅值的高值异常，而保存完好的地层主频幅值相对较低；（2）当老空区塌陷且充填了泥砂或者其它较软杂质时，会引起相对低的特征信息主频幅值，而保存完好的地层主频幅值相对稍高；（3）当老空区塌陷（或未塌陷）且含水时，将引起主频幅值低值异常，而保存完好的地层主频幅值较高。因此，根据多测点特征信息主频幅值E(t)的变化规律可有效评估老空区的存在状态；另外对比特征信息主频幅值E(t)的综合值与周围测点的变化情况，结合附近已知的钻孔资料，还可进一步评估测点在该深度的地下岩性。

综上所述，本发明的矿区老空水探测方法及系统通过多段有序连接的电缆探针组件接收天然电磁波经老空区反射、折射或调制后在地表形成的分布电场信号连接到探测仪器，上位机从探测数据中提取老空区或老空水的特征信息并分析其赋存深度、储量大小、存在状态，有效的解决了传统物探工程中测线布置工程量大、探测效率低的问题；探测仪器可通过编程灵活配置各测点的点距和极距，有序地采集各测点数据，减少了探测数据的时空差异，提高了收集信息的可用度。探测仪器抗干扰能力强、接收信号稳定、探测结果唯一、定位精度高，可广泛用于矿区老空水的勘探与防治。

Claims (10)

1.一种矿区老空水探测方法及系统，其特征在于由多段有序连接的电缆探针组件接收天然电磁波经老空区或老空水反射、折射或调制后在地表形成的分布电场信号并连接到探测仪器进行信号调理放大、采集保存，上位机读取探测数据经分析处理后提取老空水或老空区特征信息及参数并据此分析老空水的赋存深度、储量大小和老空区存在状态。

2.根据权利要求1所述的一种矿区老空水探测方法及系统，其特征在于：所述的电缆探针组件包括首端连接器（2-1）、电缆本体（2-2）、尾端连接器（2-3）、探针连接器（2-4）、探针（2-5）和终端匹配器（2-6），首端连接器（2-1）为一用于连探测仪器或上一段电缆探针组件的12芯航空插头并通过包括7根内层线芯和13根外层线芯的双层屏蔽电缆本体（2-2）与用于连接下一段电缆探针组件或终端匹配器的尾端连接器相连接，探针（2-5）为一上端加工有用于与探针连接器下盖连接的螺纹接头、下端加工有易于插入泥土的圆锥体的良导电性金属材质细杆并通过探针连接器与电缆本体相连接；每段电缆探针组件具有独立类型编码、可多段有序连接使用，且其上均匀分布相距为D的8个探针连接器，首探针与首端连接器的距离为t米，尾探针与尾端连接器的距离为D-t米。

3.根据权利要求2所述的电缆探针组件，其特征在于：所述的尾端连接器（2-3）是一个一端为电缆本体入口、另一端为12芯航空插座的圆柱体，内置有由8位串入并出移位寄存器IC1、8位并入串出移位寄存器IC2、8选1模拟开关IC3和IC4、8位拨动开关SW1、8个二极管D1～D8和8个电阻R1～R8组成的控制电路，实现本段电缆探针组件的类型编码设置、探针信号选通与输入限幅保护。

4.根据权利要求2所述的电缆探针组件，其特征在于：所述的探针连接器（2-4）包括穿过电缆本体的金属上盖和内置探针接入检测电路板的绝缘材料下盖，探针接入检测电路板由磁珠Z1、弹性触点SW2、电容C1和二极管D9组成，实现探针的连接状态检测和接收信号的高频滤波。

5.根据权利要求2所述的电缆探针组件，其特征在于：所述的终端匹配器（2-6）为一个可连接在尾端连接器上的阻抗匹配滤波网络，包括电源退耦电容C2和C5、高频滤波电容C3和C4、线路阻抗匹配电阻R9和R11、上拉电阻R10。

6.根据权利要求1所述的一种矿区老空水探测方法及系统，其特征在于：所述的探测仪器包括前置接口模块、信号调理转换模块、DSP处理器、时钟与复位、CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、LCD触摸显示模块，DSP处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、信号调理转换模块、LCD触摸显示模块交换数据，还通过CPLD输出逻辑控制信号至RAM、ROM、闪盘、LCD触摸显示模块、信号调理转换模块和前置接口模块的控制端；系统的设置、检测、探测功能均在LCD显示提示下通过触摸操作实现。

7.根据权利要求6所述的探测仪器，其特征在于：所述的前置接口模块包括电缆探针组件接口、四运放IC5和IC7、仪表放大器IC6、二极管D10-D17、微型继电器JD1、数字控制电位器PR1和PR2、电阻R12-R30、电容C6-C16，实现了电缆探针组件输入输出信号的保护限幅和探针信号的差分放大、高通滤波、双极性转换放大、工频陷波、低通滤波，并可对探针的连接状态和通道性能进行检测。

8.根据权利要求6所述的探测仪器，其特征在于：所述的信号调理转换模块包括12个通带频率可控的带通滤波器、12个增益可调节的后增益放大器、16通道模数转换器，单个带通滤波器是由开关电容滤波芯片IC8、电阻R31-R36、电容C17和C18组成的四阶带通频率可控滤波电路，单个后增益放大器是由运放IC9、数字控制电位器PR3、电阻R37和R38、电容C19组成的同相放大电路；16通道模数转换器的第1通道接双极性信号参考点，第2通道接前置放大输出，第3-14通道接12个后增益放大器输出，第15通道接探针1连接状态检测输出信号，第16通道接探针2连接状态检测输出信号。

9.根据权利要求1所述的一种矿区老空水探测方法及系统，其特征在于：所述的矿区老空水或老空区埋藏深度h与其特征信息主频频率f_z之间的关系为h＝1591.58(1/f_z)^0.5。

10.根据权利要求1所述的一种矿区老空水探测方法及系统，其特征在于：动态老空水的储量大小与其特征信息边频的关系为，静态老空水储量通过探测数据反演运用不规则几何分解与容斥原理相结合的方法近似估算，根据多测点特征信息主频幅值的变化规律来评估老空区的存在状态。