CN105891896B

CN105891896B - 一种地下空区的特征信息识别与分析方法

Info

Publication number: CN105891896B
Application number: CN201610258558.9A
Authority: CN
Inventors: 黄采伦; 吴亮红; 王靖; 张剑; 徐光远; 向滔
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2018-09-14
Anticipated expiration: 2036-04-25
Also published as: CN105891896A

Abstract

本发明公开一种地下空区的特征信息识别与分析方法，通过探测仪器接收经地下空区反射、折射、绕射、散射和吸收后的天然电场信号并细化得到分析带宽f ₁～f ₂的256条谱线，由频谱能量衰落判据、极点谱线分散判据、干扰剔除判据判断是否存在地下空区，并对判定的地下空区进行定性、定量分析。本发明从研究天然电磁波穿透地下空区的衰落现象出发，运用窄带随机过程信号分析原理并充分考虑干扰因素的影响，总结出了在探测信号细化频谱内识别地下空区特征信息的判据以及对其定性、定量分析的方法，可使地下空区识别和分析的准确率达到80%以上，解决了现有物探方法中难以识别和分析地下空区的问题。

Description

一种地下空区的特征信息识别与分析方法

技术领域

本发明属于物探成果分析技术，具体地说是一种在探测过程中用于识别地下空区所产生的特征信息识别与频谱分析方法。

背景技术

地下空区是地下溶洞、断裂构造形成的地下空间、矿产资源开采后形成的老空区以及各种地下掩埋空洞的总称；所谓老空区是指矿产资源开采后形成的采空区、老窑和已经报废井的总称。在长期的采掘生产过程中，许多矿山形成了数以百计的采空区；特别是民间掠夺式采矿留下的群采空区，更是大小不一、形态各异、层位复杂。另外，一些老空区，由于设计资料不全、丢失或不足，造成无法确定其位置和边界。这些地下空区，给矿山生产和工程建设，带来了极大的安全隐患。主要表现在：①矿山开采由露天转入地下时，井下生产安全受到采空区的严重威胁；②某些矿山扩建工程，受到采空区的限制；③地下防水帷幕注浆工程，必须考虑采空区的影响；④采空区的陷落、坍塌，给矿区建筑物造成不同程度的危害；⑤公路下伏采空区的存在，给施工增加了难度。因此，探明地下空区的赋存位置、形态和边界，已成为矿山、工程建筑和交通领域的迫切需要，采空区探测与定位具有重要的现实意义。

目前，地下空区探测方法大体分为现场调查、物探和钻探三类。由于地下空区具有大面积、不确定等特点，在实际工作中，通常是首先收集相关资料和进行现场调查，然后利用各种物探方法进行探测，最后以钻探方法来验证。由此不难看出，地下空区探测的精确程度，乃至成败与否，关键在于物探方法。常见的地下空区物探方法主要有以下几种：重力法、直流电法、瞬变电磁法（TEM）、高密度电法、探地雷达法（GPR）、瞬态瑞雷波法、地震层析成像法（CT）、浅层地震勘探法和测氡法等几种方法。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找地下空区上。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地下空区全凭解释者的主观经验。所以上述方法的探测地下空区成功率不高，其根源在物探曲线的多解性。

在一些复杂条件下，由于地球物理探测技术的局限性以及地球物理异常的多解性，使得物探异常的推断解释比较困难；为解决了以往勘探中主要依据静态信息探测地下空区等地质问题精度较低的不足，能否发明一种将地下空区与地下固体矿产资源区分开来的方法，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

针对现有物探方法在地下空区探测特征信息识别与分析方面存在的不足，本发明为解决该问题提供了一种地下空区的特征信息识别与分析方法。

本发明的术方案是：一种地下空区的特征信息识别与分析方法，通过探测仪器接收天然电磁波经过地下空区界面反射、多径传播、地层中不均匀体造成的反射和散射而产生衰落现象后在地表形成的天然电场信号并细化得到分析带宽f ₁～f ₂的256条谱线，若频谱存在能量衰落、极点谱线不分散且最大幅值谱线L_MAX频率非工频或其高次谐波、也不是测点区域已知的固有频率成分，则该频谱信息为地下空区特征信息；存在地下空区特征信息时，根据多测点特征信息主频f _c幅值E (t)的变化规律来定性评估地下空区的塌陷、充填情况，根据最大幅值谱线的频率f _c、相位θ _MAX(f)、幅值F_MAX和幅值小于频谱平均幅值F_J的第一条衰落谱线的相位θ _MIN(f)、幅值F_MIN以及传输路径公共损耗K来定量计算

地下空区的埋藏深度h=1591.58(1/f _c)^0.5、

横向尺寸B_x= 4.775*10⁷*[θ _MAX(f)-θ _MIN(f)] / f _c 、

在本发明中，所述的频谱存在能量衰落是指最大幅值谱线L_MAX的幅值F_MAX大于20倍频谱幅值均值F_J、并其余12个次大幅值谱线L_MAX1、…、L_MAX12分布在最大幅值谱线L_MAX前后各6条谱线范围内且谱线L_MAX12的幅值F_MAX12≥F_J。

在本发明中，所述的极点谱线不分散的判断方法是：（1）将原频谱的256条谱线值复制到一指定存储区缓存；（2）在缓存区中，按从前往后两两比较幅值低者置0、从后往前两两比较幅值低者置0的原则，使缓存区中只保留极值点的谱线值，其余无关的谱线值均被置0；（3）若在最大幅值谱线L_MAX前后各6条谱线范围内无其它极值谱线，则极点谱线不分散。

在本发明中，所述的最大幅值谱线L_MAX频率非工频或其高次谐波、也不是测点区域已知的固有频率成分的判断方法是：（1）根据最大幅值谱线L_MAX的位置结合频谱分辨率Δf求出其频率f _MAX＝L_MAX×Δf；（2）若f _MAX非工频或其高次谐波、也不是测点区域已知的固有频率成分，则最大幅值谱线不是干扰谱线。

本发明的有益效果是：本发明从研究天然电磁波穿透地下空区的衰落现象出发，运用窄带随机过程信号分析原理并充分考虑干扰因素的影响，总结出了在探测信号细化频谱内识别地下空区特征信息的判据以及对其定性、定量分析的方法，可使地下空区识别和分析的准确率达到80%以上，解决了现有物探方法中难以识别和分析地下空区的问题。

附图说明

图1是本发明的地下空区特征信息形成示意与识别流程图；

图2是本发明的实施例一细化谱图；

图3是本发明的实施例二细化谱图；

图4是本发明的实施例三细化谱图；

图5是本发明的实施例四细化谱图；

图6是本发明的实施例五细化谱图；

图7是本发明的实施例六细化谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方案作进一步详细说明。

参见附图1，一种地下空区的特征信息识别与分析方法，通过探测仪器接收经地下空区反射、折射、绕射、散射和吸收后的天然电场信号并细化得到分析带宽f ₁～f ₂的256条谱线，由干扰谱线剔除、最大谱线离散判据、频谱能量集中判据、窄带对称判据判定是否存在地下空区，并对判定的地下空区进行定性、定量分析。天然电场法是利用雷电场和游散电流场作为场源，以岩矿石电阻率差异为基础，在地面沿特定的剖面测量大地电场的水平分量，并通过对其变化规律的研究来解决水文、工程地质和找矿勘探等地质任务；由于不需要人工供电，可省去笨重的供电设备，因此具有简单、轻便、经济、效率高等特点。天然电场探测方法类似于音频大地电磁法，所不同的是野外工作中只测量单方向的大地电场的水平分量，在场源上除了利用天然电磁场变化在大地中感应的大地电流之外，还利用了工业游散电流场。随时间变化的天然电磁场在大地中感应出电流，这种地电流频谱宽、分布广、能量丰富，是一种能解决地质任务的天然场源。天然电场产生的原因很复杂，通常认为频率大于1Hz的天然电场主要是由赤道地区雷电放电产生的，局部地区是由工业游散电流及谐波引起的。大地电磁场的振幅、频率、方向均随时间而随机变化，但这种随机有一定的规律性；如具有同源性，这表现在某一瞬间，在几百平方公里范围内，场的振幅、频率和强度均能同步变化。天然电场的场源是由雷电和游散电流场组成的，由远处传输来的雷电电磁场，可近似看成一个平面电磁波，它的传输特性满足麦克斯威方程组；至于游散电流场，当它刚入地时电流线呈放射状，而远离接地点时，可近似认为电流线互相平行，可视为似稳的均匀电场，它在物探方面的应用原理与直流电法中的中间梯度相类似。如图1所示，根据天然瞬变电磁波的频率和不同地质体的电磁波穿透情况，由于地下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引起信号的反射、折射、绕射、散射和吸收等现象，导致信号产生衰落，从而降低了信号的传输质量；这个由地下空区所形成的天然瞬变电磁波传输方式相当于一个窄带随机过程：只允许靠近中心频率ω _c(＝2πf _c)附近很窄范围(Δω<<ω _c)的频率成分通过窄带系统，随机信号通过窄带系统后，输出信号即为窄带随机信号，而且是存在衰落现象的窄带随机信号，理论上会形成图1中上部所示的v(f)频谱特征。该窄带系统是低耗的无源系统，则极点靠近虚轴；根据“窄带-对称”网络特性：极点簇关于其中心线对称，其响应函数为

v(t)=A(t)cos(ω _c t+θ(t))

其中慢变化部分A(t)是窄带随机过程的包络，快变化部分cos(ω _c t+θ(t))，θ(t)为窄带随机过程的随机相位；其中A(t)、θ(t)是缓慢变化的。窄带随机过程的垂直分解为

式中X(t)和Y(t)在几何上正交，有

参见附图2，本发明方法是运用天然电磁波经过地下空区产生衰落现象这一特点来识别地下空区特征信息，附图2所示是本发明实施例中探测到较为规则的地下空区特征信息。天然电磁波由地层经过地下空区产生衰落的原因主要有：（1）界面反射当地下空区折射指数呈垂直梯度变化时，如果假定电波仍沿直线传播，那么根据电磁波等效半径分析方法，反射点会沿着变化的地下空区凸起表面移动，这样反射波的行程由于反射点的移动而发生变化，即波的相位发生变化；当反射波的相位与直射波的相位相反时，合成场强显著减弱，形成干涉衰落。（2）地下空区中的多径传播当地下空区出现塌陷、填充时，天然电磁波会产生突变反射而发生多径传播；这时，电波沿着几条路径传播，各路径电波之间存在着由行程差而引起的相位差，以及由不同反射条件而引起的相位差，同时各条传播路径的电波场强的振幅也不相同，于是探测仪器在地面接收到的是多径传播干涉衰落后的天然电场信号。（3）地层中不均匀体造成的反射和散射衰落在地层结构中，常由一些不同性质、不均匀体的地质体组成，当电磁波经过这些不均匀体时，会发生乱反射或散射；由于地层中不均匀体的位置、形状和大小都随机无规则的变化，反射波或散射波到达地面探测点的振幅和相位也要随机地变化，这就形成了快速反射衰落或快速散射衰落。衰落现象主要由上面几个原因产生，但由于地下空区的结构形式、填充状态都是随时间变化的，其产生的地下空区特征信息也是不规则的；作为地下空区特征信息载体的天然电磁波受场源、传输途径、天气等诸多因素的影响，也是变化的、不规则的；另探测仪器在现场采集数据的过程中，会受周边电力、通讯设施和厂矿大型设备运行产生的电磁干扰影响，导致探测数据的不稳定；这就给地下空区特征信息的准确识别带来很大的难度。本发明为克服以上问题，根据观测和摸索的结果，通过对大量实施例的分析，总结了如下有关地下空区的一般识别方法。

频谱能量衰落判据的理论依据是天然电磁波经过地下空区会产生衰落现象，且该衰落现象属于一窄带随机过程，具有窄带对称特性。本发明判据是计算256条谱线的平均幅值F_J并同时搜索出最大幅值谱线L_MAX及另外12个次大幅值谱线L_MAX1、L_MAX2、…、L_MAX12；若谱线L_MAX的幅值F_MAX≥20F_J并谱线L_MAX12的幅值F_MAX12≥F_J且12个次大幅值谱线L_MAX1、…、L_MAX12分布在最大幅值谱线L_MAX前后各6条谱线范围内，则频谱能量存在衰落现象，反之则不存在衰落。参见附图2、附图3，它们的最大谱线L_MAX的幅值F_MAX≥20F_J，且次大谱线L_MAX12的幅值F_MAX12≥F_J；但附图3中的12个次大幅值谱线L_MAX1、…、L_MAX12没有分布在最大幅值谱线L_MAX前后各6条谱线范围内，故附图3的频谱变化不属衰落现象。

极点谱线分散判据的理论依据是傅立叶变换特性，信号中的基频在频谱中表现为极值点或独立谱线，目的是避免分析频谱中不相关频率成分谱线的影响。本发明的具体做法是：（1）将原频谱的256条谱线值复制到一指定存储区缓存；（2）在缓存区中，按从前往后两两比较幅值低者置0（后向积分）、从后往前两两比较幅值低者置0（前向积分）的原则，使缓存区中只保留极值点的谱线值，其余无关的谱线值均被置0；（3）最大幅值谱线F_MAX0肯定是极值点，若在最大幅值谱线L_MAX前后各6条谱线范围内存在2个以上极值点，则极点谱线分散。参见附图4、附图5，显然它们都符合频谱能量衰落判据的要求属于衰落现象，且最大幅值谱线F_MAX0也都是极值点，但附图4在最大幅值谱线L_MAX前后各6条谱线范围内存在2个极值点、附图5在最大幅值谱线L_MAX前后各6条谱线范围内存在4个极值点；因此，判定附图5的极点谱线是分散的。

干扰剔除判据是为了避免游散电流场穿过地层中不均匀体造成的反射和散射衰落、探测现场空间电磁干扰等的影响，通过前面两个判据后，对于存在频谱能量衰落且极点谱线不分散的频谱应用该判据。其具体做法是：（1）根据最大幅值谱线L_MAX的位置结合频谱分辨率Δf求出其频率f _MAX＝L_MAX×Δf；（2）判定f _MAX是否为工频（50±0.2Hz）或其高次谐波（如：100Hz、150Hz、200Hz、250Hz……），通常奇次谐波的影响更大些；（3）结合探测区域内其它测点的探测结果，判定f _MAX是否为测区内的一个固有频率成分。若最大幅值谱线L_MAX频率非工频或其高次谐波、也不是测点区域已知的固有频率成分，则该频谱信息为地下空区的特征信息，主频f _c信息即为最大幅值谱线L_MAX的幅值、频率；反之则不是地下空区特征信息。参见附图6，频谱的分析带宽为f ₁＝139.668Hz～f ₂＝160.417Hz，通过频谱能量衰落判据和极点谱线分散判据的判断后，发现该频谱特征符合前面两个判据的要求，计算得最大幅值谱线L_MAX频率＝150.002Hz，显然是工频的3次谐波所致。

本发明的目的是有效识别地下空区并进行定性、定量评估与分析，其具体做法及步骤参见附图1：探测仪器接收天然电场信号并细化得到分析带宽f ₁～f ₂的分辨率为∆f的256条谱线，经频谱能量衰落判据、极点谱线分散判据、干扰剔除判据后得出有无地下空区特征信息的结论，并相应得出主频f _c信息（即最大幅值谱线L_MAX的幅值、频率）、平均幅值F_J和12个次大幅值谱线L_MAX1、…、L_MAX12的幅值与频率等。通过本发明方法的大量试验和现场数据分析，发现地下空区具有以下特点：（1）当地下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）当地下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）当地下空区塌陷（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地下空区的存在状态；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。图7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，图中曲线表示垂深68m的地层电性值变化情况、Δ表示地下水特征信息、Ο表示地下空区特征信息；从图7中可清楚看到：测线的T11到T15之间存在地下空区，且该地下空区已部分塌陷，底部存在流动水，顶部还有空隙。

附图2～附图6均是本发明实施例的细化谱图，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指定分析带宽f ₁～f ₂的细化频谱图。频谱图中间的f _c谱线称为主频谱线，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 _c μ/ρ)^0.5 (单位：m)

式中，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^-7 H/m；据此得到地下空区的埋藏深度与主频频率的关系如下

h=1/(πf _c μ/ρ)^0.5=1591.58(1/f _c)^0.5(单位：m)

由前述天然电磁波穿过地下空区的窄带随机过程的垂直分解可知X(t)和Y(t)在几何上是正交的，变换到频域后其实部X(f)和虚部Y(f)也是正交的；附图2～附图6下半部分所示是探测信号的细化幅值谱，图中的每一条的幅值为A(f)=[ X(f)²+Y(f)²]^0.5，相位为：θ(f)=tan^－1 [Y(f)/X(f)]。如附图2所示，设最大幅值谱线L_MAX（即主频f _c）的相位为θ _MAX(f)，其衰落到幅值小于频谱平均幅值F_J的第一条谱线的相位为θ _MIN(f)，则衰落相位差为Δθ(f)=θ _MAX(f)-θ _MIN(f)；由此可计算出主频f _c信号衰落时间差为

Δt(f)= Δθ(f)/2πf _c=[θ _MAX(f)-θ _MIN(f)] /2πf _c(单位：s)

天然电磁波的波速与光速C=3*10⁸m/s相当，故可通过下式来评估地下空区的横向尺寸B_x大小

B_x=C*Δt(f) =4.775*10⁷*[θ _MAX(f)-θ _MIN(f)] / f _c(单位：m)

本发明方法的探测仪器是在地面天然电磁波信号，则天然电磁波的各频率成分穿过地下空区传输到地面的路径是基本一致的，令其传输路径损耗为K(dB) 。根据电波在自由空间（所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射）传播损耗（亦称衰减）计算公式

Los=32.44+20*lg d+20*lg f

式中，Los是传播损耗，单位为dB；d是传播距离，单位是Km；f是工作频率，单位是MHz。结合本发明方法的应用实际，上式可改写为

Los+K=23.44+20*lg d+20*lg f _c

式中，d是传播距离，单位是m；f _c是主频频率，单位是Hz；Los和K的单位均为dB，K是传输路径公共损耗，对于同一探测区域的多个测点在相同深度探测时其值是基本一致的，Los是天然电磁波穿过地下空区的衰落损耗，在本发明方法中，可由最大幅值谱线L_MAX（即主频f _c）的F_MAX和主频f _c衰落到幅值小于频谱平均幅值F_J的第一条谱线的F_MIN求得

Los=20*lg (F_MAX/F_MIN)

因此，可由该衰落损耗来评估地下空区的纵向尺寸B_y大小(单位：m)

B_y=10^{[20*lg (FMAX/FMIN)+K-23.44-20*lg fc]/20}=10^{[lg (FMAX/FMIN)+K/20-1.172- lg fc]}

以附图2实施例的探测结果为例，主频频率f _c=438.64Hz，主频幅值实部X_MAX (f) =0.3518 mV、虚部Y_MAX (f) =0.3353 mV、模A_MAX (f) =F_MAX=0.485993 mV，衰落到幅值小于频谱平均幅值F_J的第一条谱线的幅值实部X_MIN (f) =0.00191 mV、虚部Y_MIN (f) =0.00182mV、模A_MIN (f) =F_MIN=0.0026383 mV，令传输路径公共损耗K=30dB，根据前述计算公式可得该测点地下空区的定量分析结果如下：

地下空区的埋藏深度h=1591.58(1/f _c)^0.5=75.993m；

地下空区的横向尺寸B_x= 4.775*10⁷*[θ _MAX(f)-θ _MIN(f)] / f _c=12.481m；

地下空区的纵向尺寸B_y=10^{[lg (FMAX/FMIN)+K/20-1.172-lg fc]} =0.8937m。

综上所述，本发明从研究天然电磁波穿透地下空区的衰落现象出发，运用窄带随机过程信号分析原理并充分考虑干扰因素的影响，总结出了在探测信号细化频谱内识别地下空区特征信息的判据以及对其定性、定量分析的方法，可使地下空区识别和分析的准确率达到80%以上，解决了现有物探方法中难以识别和分析地下空区的问题。但地下空区的结构形式、填充状态差异较大，且天然电磁波会因时间、地点的不同而不同；虽然其识别原则、分析方法是基本一致的，但还存在一定的差异；故还需更多的经验总结来完善本发明的识别与分析方法。

Claims

1.一种地下空区的特征信息识别与分析方法，通过探测仪器接收天然电磁波经过地下空区界面反射、多径传播、地层中不均匀体造成的反射和散射而产生衰落现象后在地表形成的天然电场信号并细化得到分析带宽f ₁～f ₂的256条谱线，若频谱存在能量衰落、极点谱线不分散且最大幅值谱线L_MAX频率非工频或其高次谐波、也不是测点区域已知的固有频率成分，则该频谱信息为地下空区特征信息；存在地下空区特征信息时，根据多测点特征信息主频f _c幅值E (t)的变化规律来定性评估地下空区的塌陷、充填情况，根据最大幅值谱线的频率f _c、相位θ _MAX(f)、幅值F_MAX和幅值小于频谱平均幅值F_J的第一条衰落谱线的相位θ _MIN(f)、幅值F_MIN以及传输路径公共损耗K来定量计算

地下空区的埋藏深度h=1591.58(1/f _c)^0.5、

横向尺寸B_x= 4.775*10⁷*[θ _MAX(f)-θ _MIN(f)] / f _c 、

纵向尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种地下空区的特征信息识别与分析方法，其特征在于：所述的频谱存在能量衰落是指最大幅值谱线L_MAX的幅值F_MAX大于20倍频谱幅值均值F_J、并其余12个次大幅值谱线L_MAX1、…、L_MAX12分布在最大幅值谱线L_MAX前后各6条谱线范围内且谱线L_MAX12的幅值F_MAX12≥F_J。

3.根据权利要求1所述的一种地下空区的特征信息识别与分析方法，其特征在于：所述的极点谱线不分散的判断方法是：（1）将原频谱的256条谱线值复制到一指定存储区缓存；（2）在缓存区中，按从前往后两两比较幅值低者置0、从后往前两两比较幅值低者置0的原则，使缓存区中只保留极值点的谱线值，其余无关的谱线值均被置0；（3）若在最大幅值谱线L_MAX前后各6条谱线范围内无其它极值谱线，则极点谱线不分散。

4.根据权利要求1所述的一种地下空区的特征信息识别与分析方法，其特征在于：所述的最大幅值谱线L_MAX频率非工频或其高次谐波、也不是测点区域已知的固有频率成分的判断方法是：（1）根据最大幅值谱线L_MAX的位置结合频谱分辨率Δf求出其频率f _MAX＝L_MAX×Δf；（2）若f _MAX非工频或其高次谐波、也不是测点区域已知的固有频率成分，则最大幅值谱线不是干扰谱线。