CN105842738B - 一种地下目标体异常定量判定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种地下目标体异常定量判定方法和装置，涉及煤田水文地质与地球物理领域，包括：确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据；确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据；将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常。减少了瞬变电磁法资料解释中的人为性，为地下目标体的地质解释提供可靠的地物理依据。

Description

一种地下目标体异常定量判定方法和装置

技术领域

本发明涉及煤田水文地质与地球物理领域，具体涉及一种地下目标体异常定量判定方法和装置。

背景技术

瞬变电磁(TEM)法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。它是利用阶跃形波电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场关断后，在测点测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标体的一种地球物理信息提取方法。

在煤炭领域，瞬变电磁法的应用较多，在面对寻找煤矿采空区、煤矿巷道掘进面的连续跟踪与超前探测、煤层水的探测与防治等相关地质问题时，首选的方法是瞬变电磁探测技术。可以说瞬变电磁法是保障煤矿安全的重要手段，对减少煤矿安全事故有着积极作用。在采空区探测的应用方面，李金花(2006)、成剑文(2007)、张开元(2007)、陈卫营(2013)等都取得了很好的效果。傅佩河(2006)、倪良高(2007)、易德礼(2004)、吴有信(2009)、张运霞(2005)、刘树才(2008)等，都以瞬变电磁法对低阻目标体敏感的特征为基本前提，将该方法应用与煤层水、顶板水防治，煤矿采区水文勘探方面并取得了较好的效果。

在金属矿勘探领域，瞬变电磁法一直应用的都比较广泛，是寻找矿产资源的重要手段之一。金中国(2002)、方根显(2003)、张晓永(2005)、陈贵生(2006)、张林(2007)、叶敏生(2007)、薛国强(2012)等多位专家学者应用瞬变电磁法在铝土矿、镍矿、铅锌矿、铀矿、钼矿等金属矿勘查应用研究中都取得了不错的成果。

目前，对于瞬变电磁法探测资料的解释，特别是对于异常的确定，主要依靠钻孔和地质资料来完成，但是，在一些地区，钻孔资料很缺乏，地质资料也不多，这时主要视电阻率--深度剖面进行解释，这种解释方法仍处于定性和“看图识字”的阶段。对瞬变电磁法测深资料定量解释还局限于单点一维反演，很多情况下是靠解释人员的工作经验对测深结果做出大致判断，人为性较大。对地下目标体的评价精度低。远不能满足实际工程地质的需要，这一状况也限制了方法的推广应用。

很多文献研究了不同地质目标体在不同情况下的响应特性，郭安民等(2010)采用瞬变电磁法全空间探测技术，研究了煤矿工作面顶板、底板或煤层内部的隐伏导含水构造的异常响应特性；李成等(2012)通过球体电磁响应的计算，对低阻围岩中高阻球体模型电磁响应测量结果进行了分析，获得了高阻球体的异常响应特征；王凯(2012)通过一维正反演研究了煤矿充水采空区的异常响应特性；周楠楠等(2014)研究了矩形回线源瞬变电磁水平分量响应特征，并对瞬变电磁各分量对薄层分辨能力进行了比较；孙怀凤(2015)采用时域有限差分法实现了针对任意复杂模型瞬变电磁探测的三维正演，完成了隧道含水构造瞬变电磁场响应的三维建模,并针对典型含水构造进行了响应特征分析。这些研究对于有效探测地下目标体起到了很好的指导作用。但是，在实际工作中，地下目标体能不能被有效探测，关键的问题是能否被仪器观测数据所分辨。

发明内容

本发明为了解决现有技术地下目标体探测中仪器的分辨能力和瞬变电磁的实施的问题，本发明提供一种地下目标体异常定量判定方法和装置，利用地球物理方法，对观测数据进行评价，对可分辨的地下目标体异常定量判定。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种地下目标体异常定量判定方法，包括：

确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据；

确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据；

将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常。

优选地，确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据包括：

选取一条没有异常体存在的剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；将测量获得的感应电压数据作为背景场感应电压数据。

优选地，确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据包括：

选取一条剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述一次电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；选取多个测点的感应电压数据的平均值作为背景场感应电压数据。

优选地，确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据包括：

采用矩形回线源探测所述待估区每个观测点的地下介质对应的二次感应电压信号。

优选地，将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常包括：

将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与背景场感应电压数据进行比对处理，计算二者之间的均方相对误差并与异常标准限相比较，确定含有异常体的观测点个数和位置。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种地下目标体异常定量判定装置，包括：

背景模块，用于确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据；

采集模块，用于确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据；

处理模块，用于将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常。

优选地，所述背景模块包括第一背景场单元：用于选取一条没有异常体存在的剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；将测量获得的感应电压数据作为背景场感应电压数据。

优选地，所述背景模块包括第二背景场单元：用于选取一条剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述一次电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；选取多个测点的感应电压数据的平均值作为背景场感应电压数据。

优选地，所述采集模块确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据包括：

采用矩形回线源探测所述待估区每个观测点的地下介质对应的二次感应电压信号。

优选地，所述处理模块将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常包括：

将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与背景场感应电压数据进行比对处理，计算二者之间的均方相对误差并与异常标准限相比较，确定含有异常体的观测点个数和位置。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的方法和装置，根据仪器的分辨能力和瞬变电磁的实施规范设定异常标准限，对观测数据进行评价，减少了瞬变电磁法资料解释中的人为性，为地下目标体的地质解释提供可靠的地物理依据。

附图说明

图1是本发明实施例的一种地下目标体异常定量判定方法的流程图；

图2是本发明实施例的一种地下目标体异常定量判定装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的待估区背景场瞬变电磁二次感应电压响应曲线图；

图4是本发明实施例的待估区观测点瞬变电磁二次感应电压响应曲线图；

图5是本发明实施例待估区处理结果图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种地下目标体异常定量判定方法，包括：

S101、确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据；

S102、确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据；

S103、将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常。

步骤S101可以利用两种方式获得：

方式一：选取一条没有异常体存在的剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；将测量获得的感应电压数据作为背景场感应电压数据。

方式二：选取一条剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述一次电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；选取多个测点的感应电压数据的平均值作为背景场感应电压数据。

其中方式二中，测点的选取应尽可能多，选取10-99个测点，将所有测点的感应电压数据的平均值作为背景场感应电压数据。

确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据包括：

采用矩形回线源探测所述待估区每个观测点的地下介质对应的二次感应电压信号。

具体地，按照瞬变电磁法野外施工规范进行测量，获得确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据：先在地面上布射一个矩形的发射回线线圈，在发射回线正中心放置一个接收磁探头，向发射回线内输入电流，在电流关断的瞬间，利用接收探头采集地下介质感应出的二次感应电压信号，完成感应电压野外实际测量工作。

将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常包括：

将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与背景场感应电压数据进行比对处理，计算二者之间的均方相对误差并与异常标准限相比较，确定含有异常体的观测点个数和位置。

对需要进行探测的待估区，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述电磁场关断后，测量由地下介质产生的每个观测点感应电压数据；

所述观测点感应电压数据与背景场感应电压数据进行比对处理的具体过程为：

1)计算待估区每一个观测点的感应电压数据和背景场感应电压数据的均方相对误差；

2)将计算得到的均方相对误差与异常标准限相比，若均方相对误差大于异常标准限则确定该观测点位置为异常测点位置；

3)将相邻异常测点位置划为同一异常，进而确定异常的水平位置。

如图2所示，本发明实施例还提供一种地下目标体异常定量判定装置，包括：

背景模块，用于确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据；

采集模块，用于确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据；

处理模块，用于将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常。

所述背景模块包括第一背景场单元：用于选取一条没有异常体存在的剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；将测量获得的感应电压数据作为背景场感应电压数据。

所述背景模块包括第二背景场单元：用于选取一条剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述一次电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；选取多个测点的感应电压数据的平均值作为背景场感应电压数据。

所述采集模块确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据包括：

采用矩形回线源探测所述待估区每个观测点的地下介质对应的二次感应电压信号。

所述处理模块将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常包括：

将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与背景场感应电压数据进行比对处理，计算二者之间的均方相对误差并与异常标准限相比较，确定含有异常体的观测点个数和位置。

实施例1

在山西某测区进行瞬变电磁工作时，所采用的工作参数为：发射线圈200m×200m，发射电流I＝10A，选择测区附近没有异常的位置测量瞬变电磁二次感应电压，并作为背景场，背景场归一化后的感应电动势曲线如图3所示。图1中横坐标代表时间，单位为s，纵坐标代表背景场归一化后的感应电动势，单位为V/m²。并把图3曲线所对应的数据列成表1。

表1待估区背景场二次感应电压数据表

获得待估区每个观测点瞬变电磁二次感应电压曲线时的工作参数：发射线圈200m×200m，发射电流I＝10A，待估区某一观测点归一化后的感应电动势曲线如图4所示。图4中横坐标代表时间，单位为s，纵坐标代表待估区某观测点归一化后的感应电动势曲线，单位为V/m²。并把图4曲线所对应的数据列成表2。

表2待估区观测点实测瞬变电磁二次感应电压数据表

1)计算待估区每一个观测点的瞬变电磁二次感应电压曲线与背景场瞬变电磁二次感应电压曲线总的均方相对误差：

式中：

V_j(t_i)—待估区第j点第i测道观测数据；

V₀(t_i)—背景场第i测道观测数据；

—V_j(t_i)与V₀(t_i)平均值；

n—参加统计计算的测道数。

利用上式计算待估区观测点与背景场之间的总均方相对误差可得：

2)设定异常标准限

根据瞬变电磁技术规范中设定的评价标准以及仪器分辨能力，本发明实施例设定异常标准限为15％。

3)作出判定

由于

M_j＝0.274090084＞15％

故判定该观测点为异常测点，将待估区所有观测点都进行上述运算与判定，并将相邻异常测点划分同一异常，这样既可确定异常体的水平位置和待估测线上水平方向的异常数量。

按以上方法，逐点逐条测线计算山西某待估区瞬变电磁二次感应电压曲线与背景场二次感应电压之间的误差，并进行判断。判断结果如下：共划分出8个异常区，根据地质资料，其中2个为富水区，分布在测区东南边界处；另外6个为采空区，其中采空区1的面积较大，分布于测区南部范围，采空区1的南部与富水区1的北部相连，采空区5面积大概为采空区1面积的四分之一，采空区2、3、4、6面积相对较小；另外，待估区的干扰区由工作过程中实际标出。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种地下目标体异常定量判定方法，其特征在于，包括：

确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据；

确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据；

将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常；

所述观测点瞬变电磁感应电压数据与背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对处理的过程为：

计算待估区每一个观测点的瞬变电磁感应电压数据和背景场瞬变电磁感应电压数据的均方相对误差；

将计算得到的均方相对误差与异常体标准限相比，若均方相对误差大于异常体标准限则确定该观测点位置为异常测点位置；

将相邻异常测点位置划为同一异常体，进而确定异常体的水平位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据包括：

选取一条没有异常体存在的剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述一次电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；将测量获得的感应电压数据作为背景场瞬变电磁感应电压数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据包括：

选取一条剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述一次电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；选取多个观测点的感应电压数据的平均值作为背景场瞬变电磁感应电压数据。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据包括：

采用矩形回线源探测所述待估区每个观测点的地下介质对应的二次感应电压信号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常包括：

将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与背景场感应电压数据进行比对处理，计算二者之间的均方相对误差并与异常体标准限相比较，确定含有异常体的观测点个数和位置。

6.一种地下目标体异常定量判定装置，其特征在于，包括：

背景模块，用于确定待估区背景场瞬变电磁感应电压数据；

采集模块，用于确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据；

处理模块，用于将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常；

所述观测点瞬变电磁感应电压数据与背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对处理的过程为：

计算待估区每一个观测点的瞬变电磁感应电压数据和背景场瞬变电磁感应电压数据的均方相对误差；

将计算得到的均方相对误差与异常体标准限相比，若均方相对误差大于异常体标准限则确定该观测点位置为异常测点位置；

将相邻异常测点位置划为同一异常体，进而确定异常体的水平位置。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述背景模块包括第一背景场单元：用于选取一条没有异常体存在的剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述一次电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；将测量获得的感应电压数据作为背景场瞬变电磁感应电压数据。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述背景模块包括第二背景场单元：用于选取一条剖面，利用不接地回线向地下发射一次电磁场；在所述一次电磁场关断后，在观测点测量由地下介质产生的感应电压数据；选取多个观测点的感应电压数据的平均值作为背景场瞬变电磁感应电压数据。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述采集模块确定待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据包括：

采用矩形回线源探测所述待估区每个观测点的地下介质对应的二次感应电压信号。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理模块将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与所述背景场瞬变电磁感应电压数据进行比对，确定所述待估区的观测点在水平方向是否异常包括：

将所述待估区每个观测点的瞬变电磁感应电压数据与背景场感应电压数据进行比对处理，计算二者之间的均方相对误差并与异常体标准限相比较，确定含有异常体的观测点个数和位置。