CN112379403B - 一种地下采空区的探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下采空区的探测方法和系统，涉及地下构造勘探技术领域，首先确定发射探头和接收探头，然后以发射探头为坐标原点，建立三维坐标系；再沿三维坐标系的y轴正方向敲击发射探头产生振动信号，并带动多个接收探头振动，使接收探头产生振动位移，每个接收探头上的加速度传感器采集振动位移，将将其转化为电信号传输至检测主机；检测主机对电信号进行处理，生成多个接收波形；然后对多个接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线；最后根据所述波数频散曲线确定是否存在采空区，并计算采空区的深度，结构简单，操作安全，解决了传统检测方法结构复杂、周期长以及检测时可能坍塌的问题。

Description

一种地下采空区的探测方法及系统

技术领域

本发明涉及地下构造勘探技术领域，特别是涉及一种地下采空区的探测方法及系统。

背景技术

采空区是由人为挖掘或者天然地质运动在地表以下形成的“空洞”，采空区内部是空气，采空区的存在使得各类工程施工以及运行面临很大的安全问题，地面载荷大时容易出现塌陷，人员与机械设备都可能掉入采空区，受到伤害，因此，提前检测采空区是地质勘探工作的关键。

现有的采空区探测方法主要包括三种，第一种是通过大型地质检测设备检测采空区，但由于采空区的位置无法预知，且大型设备的重量很大，因此一旦将大型设备布置到采空区的范围，极易引发地质坍塌，存在工作人员和设备掉入采空区的风险。第二种是建立地压监测网，对地压进行长期有效的监测，通常情况下，建立地压监测网周期太长，且由于采空区有大有小，地压检测网无法准确监测到较小的采空区，准确性较低。第三种是地球物理方法，通过测量地层电阻率(高密度电法)或介电常数(地面雷达)的分布间接测量采空区。电阻率法是体积效应，存在空间分辨率低的问题，雷达的探测深度浅，从而使得探测结果准确性低。

因此，目前亟需一个简单、准确的探测采空区的方法。基于此，本文提出一种地下采空区的探测方法及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下采空区的探测方法及系统，用于探测地下是否存在采空区并计算采空区的深度。利用一个发射探头和多个接收探头搭建三维坐标系，并通过敲击发射探头的方式产生y轴方向的振动信号，激发出SH波，用接收探头上的加速度传感器采集各个接收探头的振动数据，对这些振动数据进行处理分析，从而确定是否存在采空区，并计算出采空区的具体深度，实现对采空区的准确、简便且安全的检测，解决传统采空区检测方法复杂、准确性低且危险系数高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种地下采空区的探测方法，包括：

选择发射探头和接收探头；

将所述发射探头放于地面上，以所述发射探头为坐标原点，建立三维坐标系；

沿所述三维坐标系的y轴正方向敲击所述发射探头，在所述发射探头所在的区域内产生一致的沿y轴方向的振动，生成y轴方向的振动信号，使所述发射探头激发出沿z轴方向、x轴方向传播的SH波；

在所述三维坐标系的x轴正方向上间隔布置多个所述接收探头，每相邻的两个所述接收探头的距离相等，多个所述接收探头与所述发射探头位于同一直线上；

多个所述接收探头接收到所述振动信号后，产生y轴方向上的振动位移；每个所述接收探头上均设有一个加速度传感器，所述加速度传感器用于采集所述接收探头的所述振动位移，并将所述振动位移转化为电信号；

将所述电信号传输至检测主机，所述检测主机对所述电信号进行处理，生成多个接收波形；

对多个所述接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线；

根据所述波数频散曲线的形状确定是否存在采空区，并利用双曲线和频率轴的交点计算所述采空区的深度。

可选的，所述选择发射探头和接收探头，具体包括：

在一个长方形木板的侧面上设置一个信号发生器，所述发射探头包括所述长方形木板和所述信号发生器；

在多个正方形木块的侧面上分别设置一个信号接收器和一个加速度传感器，所述接收探头包括所述正方形木块、所述信号接收器和所述加速度传感器；

所述长方形木板用于受到敲击后，带动所述信号发生器发生振动，所述信号发生器用于根据所述长方形木板的振动产生振动信号，并将所述振动信号传输至所述信号接收器；

所述正方形木块用于在所述信号接收器接收到所述振动信号后，带动所述信号接收器和所述加速度传感器发生振动，并产生振动位移。

可选的，所述信号发生器采用粘贴或螺栓固定的方式固定安装于所述长方形木板的非敲击侧面上；所述信号接收器和所述加速度传感器采用粘贴或螺栓固定的方式固定安装于所述正方形木块的任意侧面上。

可选的，多个所述加速度传感器、所述信号接收器的安装朝向对应相同，均为所述正方形木块朝向所述y轴正方向的侧面上，且多个所述加速度传感器、所述信号接收器在所述侧面上的安装位置对应相同。

可选的，所述将所述发射探头放于地面上，以所述发射探头为坐标原点，建立三维坐标系，具体包括：

将所述发射探头平整地放置于地面上；

以所述发射探头为坐标原点，以所述发射探头垂直地面向下的方向为z轴正方向；

以所述发射探头到所述接收探头的连线方向为x轴正方向；

以垂直于xz平面且经过所述坐标原点的直线为y轴，根据右手定则确定y轴正方向，得到三维坐标系。

可选的，所述将所述电信号传输至检测主机，所述检测主机对所述电信号进行处理，生成多个接收波形，具体包括：

将所述电信号传输至所述检测主机的接收模块；

通过所述接收模块将所述电信号传送给模拟信号处理模块；

利用所述模拟信号处理模块对所述电信号进行放大、滤波，然后将处理后的所述电信号传输给AD转换模块；

利用所述AD转换模块将所述处理后的电信号转换为数字信号，并将所述数字信号传输至计算机处理模块；

通过所述计算机处理模块根据所述数字信号生成多个接收波形，并将所述接收波形传输至显示屏显示。

可选的，所述对多个所述接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线，具体包括：

对每个所述接收波形进行傅里叶变换，得到频谱，所述频谱中每个频率对应有多个频谱值；

利用相位法取多个所述频谱值的相位，对所述相位进行线性拟合，得到拟合直线的斜率；根据所述斜率得到x轴方向的波数频散曲线；

或者，

利用矩阵法和Prony法对每个频率的多个频谱值建立指数函数模型，通过对所述指数函数模型的方程求解，得到x轴方向的波数频散曲线。

可选的，所述根据所述波数频散曲线的形状确定是否存在采空区，并利用双曲线和频率轴的交点计算所述采空区的深度，具体包括：

判断所述波数频散曲线中是否存在双曲线，若所述波数频散曲线中存在双曲线，则地下存在采空区，若否，则不存在采空区；

当所述波数频散曲线中存在双曲线时，根据所述双曲线与所述波数频散曲线的频率轴的交点计算采空区的深度：

其中，d表示采空区的深度，单位为m；V表示地下固体介质的横波速度，单位为m/s；f表示双曲线和频率轴的交点对应的频率，单位为Hz。

还提出一种地下采空区的探测系统，所述系统包括：

探头选择模块，用于选择发射探头和接收探头；

三维坐标系建立模块，用于将所述发射探头放于地面上，以所述发射探头为坐标原点，建立三维坐标系；

SH波激发模块，用于沿所述三维坐标系的y轴正方向敲击所述发射探头，在所述发射探头所在的区域内产生一致的沿y轴方向的振动，生成y轴方向的振动信号，使所述发射探头激发出沿z轴方向、x轴方向传播的SH波；

接收探头布置模块，用于在所述三维坐标系的x轴正方向上间隔布置多个所述接收探头，每相邻的两个所述接收探头的距离相等，多个所述接收探头与所述发射探头位于同一直线上；

振动信号采集转化模块，用于在多个所述接收探头接收到所述振动信号并产生y轴方向上的振动位移后，利用加速度传感器采集所述振动位移，并将所述振动位移转化为电信号；

接收波形生成模块，用于将所述电信号传输至检测主机，所述检测主机对所述电信号进行处理，生成多个接收波形；

波数频散曲线获取模块，用于对多个所述接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线；

采空区深度计算模块，用于根据所述波数频散曲线的形状确定是否存在采空区，并利用双曲线和频率轴的交点计算所述采空区的深度。

可选的，所述三维坐标系建立模块将所述发射探头放于地面上，以所述发射探头为坐标原点，建立三维坐标系，具体包括：

将所述发射探头平整地放置于水平地面上；

以所述发射探头为坐标原点，以所述发射探头垂直地面向下的方向为z轴正方向；

以所述发射探头到所述接收探头的连线方向为x轴正方向；

以垂直于xz平面且经过所述坐标原点的直线为y轴，根据右手定则确定y轴正方向，得到所述三维坐标系。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明采用长方形木板作为发射探头，采用正方形木块作为接收探头，长方形木板固定在地面上，通过摆放发射探头和接收探头的位置，即可构建出检测采空区的三维坐标系，沿三维坐标系的y轴正方向敲击长方形木板，使其产生y轴方向的振动，并且在一定的(x、z)区域内振动位移不随y改变，形成SH波；其传播方向与长方形木板的振动方向垂直；从地面向地下(即沿着三维坐标系的z轴正方向)和x方向传播；SH波是一种横波，且SH波不能在空气中传播。

采空区内是空气，SH波无法透射进采空区，因此，遇到地层与采空区的边界后会发生反射，使SH波在地表、地层与采空区的边界之间来回反射，最终被接收探头检测到并生成相应的接收波形，根据波形中是否存在因SH波来回反射形成的双曲线形状的频散曲线即可直观判断出是否存在采空区。利用SH波这种横波无法在空气中传播的原理，结合利用木块、木板布置的具有三维坐标系的检测系统，即可得到比较准确的检测结果，所使用的木块、木板等材料极易获取，结构简单，操作方便，用时更短，解决了传统铺设地压监测网的检测方法结构复杂，检测周期长的问题。并且，本发明可在任意平坦的地面上实施，对地形要求低，且不会对地层造成影响，有效保障了检测人员的安全，消除了大型设备检测时存在坍塌的隐患。并且，本发明的方法是直接测量方法，有别于现有的地球物理间接测量方法。

(2)本发明将多个接收探头等距间隔布置，并使多个接收探头与发射探头保持在同一直线上，从而使每个接收探头到发射探头的距离即源距固定，采集不同源距的SH波，每个接收探头接收到一个波形，进而获得阵列波形，对阵列波形处理可得到x方向的波数频散曲线，根据频散曲线可判断地下是否有采空区，通过频散曲线的公式可直接计算出采空区的深度，采用多个接收探头，用多个接收波形处理可有效提高x方向波数频散曲线的准确性，进而提升采空区的检测精度。

(3)本发明在每个接收装置上加装一个加速度传感器，使多个加速度传感器分别贴在正方形木块的同一侧的侧面，即侧面的法线方向与y方向一致，当y方向振动传到木板处时，木板也沿y方向振动，带动加速度传感器一起振动，加速度传感器将y方向振动转化为电信号，便于采集，使得检测过程简单、方便。

(4)本方法将三维坐标系、加速度检测和SH波形分析结合于一体，打破了传统压力检测法或声波检测法的束缚，SH波被激发以后，不与面波和纵波耦合，波形单纯，进一步提升检测采空区的准确性和可靠性，且SH波在采空区和地面的界面上来回反射形成的模式波的分布是双曲线，直观、方便，容易识别。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种地下采空区的探测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1提供的发射探头在三维坐标系中的位置和结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的接收探头在三维坐标系中的位置和结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的发射探头和接收探头的整体布局图；

图5为本发明实施例1提供的检测主机的整体结构示意图；

图6为本发明实施例1提供的不存在采空区情形下的波数频散曲线示意图；

图7为本发明实施例1提供的存在采空区情形下的波数频散曲线示意图；

图8为本发明实施例1提供的一种地下采空区的探测系统的构造示意图。

附图标记说明：

1-发射探头，101-长方形木板，102-信号发生器，2-接收探头，201-正方形木块，202-信号接收器，203-加速度传感器，3-检测主机，301-接收模块，302-模拟信号处理模块，303-AD转换模块，304-计算机处理模块，305-显示屏，4-探头选择模块，5-三维坐标系建立模块，6-SH波激发模块，7-接收探头布置模块，8-振动信号采集转化模块，9-接收波形生成模块，10-波数频散曲线获取模块，11-采空区深度计算模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种地下采空区的探测方法及系统，可有效探测出地下是否存在采空区并计算采空区的深度。通过发射探头和接收探头搭建三维坐标系，并通过敲打发射探头的方式产生y轴方向的振动信号，激发出SH波，用接收探头上的加速度传感器采集各个接收探头的振动数据，对这些振动数据进行处理分析，从而确定是否存在采空区，并计算出采空区的具体深度值，实现对采空区的更加准确、简便且安全的检测，解决传统采空区检测方法复杂、准确性低且危险系数高的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种地下采空区的探测方法，具体包括以下步骤：

S1、选择发射探头1和接收探头2。

所述选择发射探头1和接收探头2，具体包括：

如图2-4所示，图2示出了发射探头在三维坐标系中的位置和结构，图3示出了接收探头在三维坐标系中的位置和结构，图4示出了发射探头和接收探头的整体布局。从图2-4可直观看出，本实施例在一个长方形木板101的侧面上设置一个信号发生器102，所述发射探头1包括所述长方形木板101和所述信号发生器102；在多个正方形木块201的侧面上分别设置一个信号接收器202和一个加速度传感器203，所述接收探头2包括所述正方形木块201、所述信号接收器202和所述加速度传感器203；所述长方形木板101用于受到敲击后，带动所述信号发生器102发生振动，所述信号发生器102用于根据所述长方形木板101的振动产生振动信号，并将所述振动信号传输至所述信号接收器202；所述正方形木块201用于在所述信号接收器202接收到所述振动信号后，带动所述信号接收器202和所述加速度传感器203发生振动，并产生振动位移。

本实施例首先选取1个长方形木板101和8个相同的正方形木块201，为了检测过程更加方便，将所述长方形木板101的长度设定为最大，宽度和厚度依次减小，所述长方形木板101的长×宽×高的尺寸为1×0.3×0.2m，所述正方形木块201的棱长为0.3m。需要注意的是，本实施例设定的长方形木板101和正方形木块201的尺寸，其数值并不是唯一的，且发射探头1和接收探头2的木板或木块的形状也不一定必须为长方形或正方形，可以都为长方形，也可以都是正方形，也可以选择梯形等其他形状，这些尺寸、形状不应作为对本发明保护范围的限定，具体尺寸数值根据实际情况进行设定。

将所述长方形木板101和所述正方形木块201分别作为发射探头1和接收探头2的载体，由于木板/木块在外力敲击下会发生振动，但其自身并不能发射出任何信号，也不具备接收信号的能力，因此，本实施例在所述长方形木板101上设置一个信号发生器102，并在每个所述正方形木块201上分别设置一个信号接收器202，除此之外，还在每个所述正方形木块201上分别又设置了一个加速度传感器203，将所述长方形木板101和所述信号发生器102整体作为发射探头1，将所述正方形木块201、所述信号接收器202和所述加速度传感器203整体作为接收探头2。

本实施例中，每个接收探头2上都设有一个加速度传感器203和一个信号接收器202，所述信号接收器202与对应的所述加速度传感器203电性连接。在进行采空区检测时，所述信号发生器102的作用是识别发射探头1的振动，产生振动信号，并传递给各个接收探头2上的信号接收器202；所述信号接收器202的作用是接收所述振动信号，并将所述振动信号传送给所述加速度传感器203；所述加速度传感器203的作用是识别所述接收探头2的振动情况，采集所述接收探头2的振动位移数据，并将所述振动位移数据转化为电信号传输至检测主机3。

应说明的是，所述信号发生器102可以采用粘贴的方式固定安装于所述长方形木板101的非敲击侧面上，也可以通过螺栓固定的方式将所述信号发生器102安装于所述长方形木板101的非敲击侧面上，所述信号发生器102固定于所述长方形木板101上的一个非受敲击的侧面上，优选冲向所述接收探头2的侧面，以保证更方便地向所述长方形木板101施加敲击力。所述信号接收器202和所述加速度传感器203可以采用粘贴或螺栓固定的方式固定安装于所述正方形木块201的任意侧面上。且所述信号发生器102和所述信号接收器202之间可以无线连接，也可以电性连接，当电性连接时，需要保证连接线足够长且存在连接线支撑物，不影响所述发射探头1和所述接收探头2的振动情况，从而不会影响检测结果。

需要说明的是，本实施例中，所述发射探头1仅有一个，而所述接收探头2设有多个，多个所述接收探头2组成了接收探头阵列。本实施例将接收探头2的数量设置为8个，接收探头2设置的越多，最终获得采空区的检测结果越精确。

应当注意的是，本实施例中选择的接收探头2的数量仅仅是举例说明，不应作为对本发明的进一步限定。所述接收探头2的数量最少为2个，也可以设置为4个，也可以设置为8个，还可以设置为16个，具体的接收探头2的数量视实际情况而定。

S2、将所述发射探头1放于地面上，以所述发射探头1为坐标原点，建立三维坐标系。

本实施例中，所述将所述发射探头1放于地面上，以所述发射探头1为坐标原点，建立三维坐标系，具体包括：将所述发射探头1放置于平整的地面上；以所述发射探头1为坐标原点，以所述发射探头1垂直地面向下的方向为z轴正方向；以所述发射探头1到所述接收探头2的连线方向为x轴正方向；以垂直于xz平面且经过所述坐标原点的直线为y轴，根据右手定则确定y轴正方向，得到三维坐标系。

本实施例将所述发射探头1放置于平整的地面上，以所述发射探头1底面上的一个顶点作为三维坐标系的原点，以与该顶点相邻的底面长方形的长为三维坐标系的x轴，从而将所述发射探头1设置于三维坐标系的x轴正方向上，然后又以穿过该顶点且垂直地面向下方向即地下深度方向为三维坐标系的z轴正方向，从而进一步确定了x、z轴，那么三维坐标系的y轴必定经过该底面顶点，且垂直于x轴和z轴组成的xz平面，最后利用右手定则确定y轴的正方向，从而构建出完整的三维坐标系。其中，右手定则为本领域公知常识，此处不再赘述。

S3、沿所述三维坐标系的y轴正方向敲击所述发射探头1，在所述发射探头1所在的区域内产生一致的沿y轴方向的振动，生成y轴方向的振动信号，使所述发射探头1激发出沿z轴方向、x轴方向传播的SH波。

横波有两种类型，一种是SV波，是指质点在包括射线在内的铅垂面内振动的横波，即质点的振动和波的传播射线都在通过测线的铅垂面内；一种为SH波，是质点在水平面内振动的横波，波在射线平面内传播时，质点的振动在垂直于射线平面的水平面内振动。当入射波为SH波时，只产生同类的反射和透射波，而不发生波形的转换，也就是所谓的自生波，主要是因为SH波的振动方向决定了它没有法线分量，只有位移分量。SH波经过界面的时候不产生转换波，因此，在工程勘察中具有很大的优势。

本实施例将所述长方形木板101和所述信号发生器102整体作为发射探头1，将所述正方形木块201、所述信号接收器202和所述加速度传感器203整体作为接收探头2，所述长方形木板101固定在地面上，通过摆放所述发射探头1和所述接收探头2的位置，即可构建出检测采空区的三维坐标系，沿三维坐标系的y轴正方向敲击所述长方形木板101，如图2所示，图2中黑色箭头表示敲击的方向和位置，向所述接收探头2的长方形木板101冲向y轴正方向的侧面施加适当的敲击力，这个敲击力足够使所述接收探头2产生y轴方向的振动，并能够使所述信号发生器102识别振动并产生振动信号。但需要注意的是，所述接收探头2的重量必须足够大，才能保证所述接收探头2不会被敲击力击飞。因此，本实施例所施加的敲击力，不仅要保证所述接收探头2上的信号发生器102可以产生振动信号，且还要保证所述接收探头2不会产生明显位移。

由于SH波是一种横波，且SH波不能在空气中传播，因此，SH波的传播方向与长方形木板101的振动方向垂直，故敲击所述发射探头1产生的y轴方向的振动信号，也就是从地面向地下(即沿着三维坐标系的z轴正方向)传播的SH波，从而有效产生了SH波。

S4、在所述三维坐标系的x轴正方向上间隔布置多个所述接收探头2，每相邻的两个所述接收探头2的距离相等，多个所述接收探头2与所述发射探头1位于同一直线上。

S5、多个所述接收探头2接收到所述振动信号后，产生y轴方向上的振动位移；每个所述接收探头2上均设有一个加速度传感器203，所述加速度传感器203用于采集所述接收探头2的所述振动位移，并将所述振动位移转化为电信号。

从图4可直观看出，本实施例发射探头1设定为1个，接收探头2设定为8个构成了接收探头阵列，8个所述接收探头2都设置于三维坐标系的x轴正方向上，并且，8个所述接收探头2与1个所述发射探头1位于同一直线上且均与地面紧密贴合，即x轴上，同时，8个所述接收探头2间隔布置，每个接收探头2的源距即距离三维坐标系原点或者发射探头1的距离是固定值。本实施例中所述发射探头1和相邻的接收探头2的间距设定为1m，每两个相邻的接收探头2之间的距离设定为0.5m。但同样需要注意，这些距离数值并不是唯一的，不应作为对本发明的保护范围的限定，具体间距根据实际情况而定。

需要说明的是，本实施例为了避免其他因素对检测结果造成影响，保证检测结果的准确性、可靠性，使多个所述加速度传感器203、所述信号接收器202的安装朝向对应相同，均为所述正方形木块201朝向所述y轴正方向的侧面上，且多个所述加速度传感器203、所述信号接收器202在所述侧面上的安装位置对应相同，对发射探头1和接收探头2上各个部件的安装位置、朝向进行统一设定，从而避免了因安装位置、朝向不同造成的检测误差。

本实施例将多个接收探头2等距间隔布置，并使多个接收探头2与发射探头1保持同一直线上，从而使每个接收探头2到发射探头1的距离即源距固定，采集不同源距的SH波，每个接收探头2接收到一个波形，进而获得阵列波形，采用多个接收探头2，可有效提高处理得到的x方向波数频散曲线的准确性，进而提升采空区的检测精度。

本实施例在每个接收探头2上安装一个加速度传感器203，使多个加速度传感器203分别贴在正方形木块201的朝向y轴正方向的侧面，即侧面的法线方向与y轴方向一致，当y方向振动传到木块处时，木块也沿y轴方向振动，带动加速度传感器203一起振动，加速度传感器203将y轴方向振动转化为电信号，便于采集，使得检测过程更加简单、方便。

S6、将所述电信号传输至检测主机3，所述检测主机3对所述电信号进行处理，生成多个接收波形。

如图5所示，图5为本实施例的检测主机3的整体结构示意图，从图5中可以明确看出，所述检测主机3由接收模块301、模拟信号处理模块302、AD转换模块303、计算机处理模块304和显示屏305构成。其中，所述接收模块301的输入端与多个所述加速度传感器203可以电性连接，也可以无线连接，所述接收模块301的输出端与所述模拟信号处理模块302的输入端连接，所述模拟信号处理模块302的输出端与所述AD转换模块303的输入端连接，所述AD转换模块303的输出端与所述计算机处理模块304的输入端连接，所述计算机处理模块304的输出端与所述显示屏305连接。

所述接收模块301用于接收所述加速度传感器203传输的电信号，并将所述电信号传送给所述模拟信号处理模块302；所述模拟信号处理模块302用于对所述电信号进行放大、滤波，然后将处理后的所述电信号传输给所述AD转换模块303；所述AD转换模块303用于将所述电信号转换为数字信号，并将所述数字信号传输至计算机处理模块304；所述计算机处理模块304用于对所述数字信号进行处理分析，生成多个接收波形；所述显示屏305用于实时显示各个接收探头2的检测数据和对应接收波形的波动情况。

此外，所述检测主机3还可以包括无线WiFi模块，所述无线WiFi模块用于当所述信号发生器102和信号接收器202以无线方式连接时，为所述信号发生器102向所述信号接收器202传输振动信号提供无线传输网络，还可用于为所述加速度传感器203向所述接收模块301传输检测数据提供无线传输网络。

所述将所述电信号传输至检测主机3，所述检测主机3对所述电信号进行处理，生成多个接收波形，具体包括：

将所述电信号传输至所述检测主机3的接收模块301；通过所述接收模块301将所述电信号传送给模拟信号处理模块302；利用所述模拟信号处理模块302对所述电信号进行放大、滤波，然后将处理后的所述电信号传输给AD转换模块303；利用所述AD转换模块303将所述处理后的电信号转换为数字信号，并将所述数字信号传输至计算机处理模块304；通过所述计算机处理模块304根据所述数字信号生成多个接收波形，并将所述接收波形传输至显示屏305显示，在所述显示屏305上，可实时查看各个接收探头2的检测数据和对应接收波形的波动情况。

S7、对多个所述接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线。

所述对多个所述接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线，具体包括：

对每个所述接收波形进行傅里叶变换，得到频谱，所述频谱中每个频率对应有多个频谱值；利用相位法取多个所述频谱值的相位，对所述相位进行线性拟合，得到拟合直线的斜率；根据所述斜率得到x轴方向的波数频散曲线；

或者，

利用矩阵法和Prony法对每个频率的多个频谱值建立指数函数模型，通过对所述指数函数模型的方程求解，得到x轴方向的波数频散曲线。

简单来说，对多个接收波形分别用相位法、矩阵法、Prony法进行处理，即对每个接收波形做傅里叶变换得到频谱，对每个频率有多个频谱值。相位法取多个频谱值的相位，单个模式的模式波的相位随源距呈线性规律变化，对多个源距的相位做线性拟合，得到拟合直线的斜率。根据斜率得到x轴方向的波数频散曲线。矩阵法和Prony法对每个频率的多个频谱值建立指数函数模型，通过求解方程得到x轴方向的波数频散曲线。

本实施例利用SH波探测采空区的原理是：

当地下存在采空区时，由于采空区内是空气，因此地层与采空区之间存在边界。对发射探头1的长方形木板101施加敲击力后，所述发射探头1激发的SH波向地表以下传播，遇到地层与采空区的边界后会发生反射。由于空气只传播纵波，不传播横波，所以SH波不能透射入采空区，而是又反射回地层。由于地表是空气与地层的边界，所以SH波传到地表后不能透射到空气中，又被反射回地层。SH波在地表、地层与采空区的边界之间来回反射，从而形成模式波。利用一个发射探头1和多个接收探头2构建三维坐标系进行采空区检测，所述发射探头1激发的SH波形成的模式波，会带动间隔设置的多个接收探头2一起振动产生振动位移，然后所述接收探头2上的加速度传感器203采集振动位移数据，并通过检测主机3生成对应的接收波形，然后用矩阵法、Prony法或相位法对地表不同源距的接收探头2的接收波形进行处理，得到x方向波数频散曲线，根据波数频散曲线中是否存在因SH波来回反射形成的双曲线的形状，即可直观判断出是否存在采空区。若存在模式波，从频散曲线上可看到模式波对应的双曲线分布，从而判断地下存在采空区。

利用SH波这种横波无法在空气中传播的原理，结合利用木块、木板布置的具有三维坐标系的简易检测系统，即可得到准确的检测结果，所使用的木块、木板等材料极易获取，结构简单，操作方便，用时更短，解决了传统铺设地压监测网的检测方法结构复杂，检测周期长的问题。并且，本发明可在任意平坦的地面上实施，对地形要求低，且基本不会对地层造成影响，有效保障了检测人员的安全，消除了大型设备检测时存在坍塌的隐患。

S8、根据所述波数频散曲线的形状确定是否存在采空区，并利用双曲线和频率轴的交点计算所述采空区的深度。

所述根据所述波数频散曲线的形状确定是否存在采空区，并利用双曲线和频率轴的交点计算所述采空区的深度，具体包括：

判断所述波数频散曲线中是否存在双曲线，若所述波数频散曲线中存在双曲线，则地下存在采空区，若否，则不存在采空区。

图6为不存在采空区情形下的波数频散曲线示意图。从图6中可直观看出，波数频散曲线的坐标系中，横坐标轴为频率f，纵坐标轴为波数kx，波数频散曲线从始至终都是一条直线，没有其他模式，此时地表以下只存在一层均匀介质，没有边界，即地下没有大面积的空气，也就没有采空区。因此，根据该波数频散曲线中的波形的形状，即仅有一条直线的形状，可直接判断此地不存在采空区。

图7为存在采空区情形下的波数频散曲线示意图。从图7中可直观看出，波数频散曲线在0到3kHz频率段有一条直线，一条双曲线，双曲线与频率轴的交点为1.5kHz，也就说明了，此时地下存在两层介质，第一层是固体，第二层是空气，即存在采空区。与不存在采空区的图6相比，存在采空区的图7的波数频散曲线中多了双曲线形状的模式波，因此，根据波数频散曲线的波形形状，可以直接判断地下是否存在采空区。

当所述波数频散曲线中存在双曲线时，根据所述双曲线与所述波数频散曲线的频率轴的交点计算采空区的深度，具体计算方法是地下固体介质的横波速度除以两倍的双曲线和频率轴的交点对应的频率得到采空区的深度，即：

其中，d表示采空区的深度，单位为m；V表示地下固体介质的横波速度，单位为m/s，可由加速度传感器203检测得到；f表示双曲线和频率轴的交点对应的频率，单位为Hz，可从波数频散曲线坐标系中直接得到。

此外，本实施例还提出了一种地下采空区的探测系统，图8为本实施例的地下采空区的探测系统构造示意图，从图8中可以看出，所述探测系统具体包括：

探头选择模块4，用于选择发射探头1和接收探头2；

三维坐标系建立模块5，用于将所述发射探头1放于地面上，以所述发射探头1为坐标原点，建立三维坐标系；

SH波激发模块6，用于沿所述三维坐标系的y轴正方向敲击所述发射探头1，在所述发射探头1所在的区域内产生一致的沿y轴方向的振动，生成y轴方向的振动信号，使所述发射探头1激发出沿z轴方向、x轴方向传播的SH波；

接收探头布置模块7，用于在所述三维坐标系的x轴正方向上间隔布置多个所述接收探头2，每相邻的两个所述接收探头2的距离相等，多个所述接收探头2与所述发射探头1位于同一直线上；

振动信号采集转化模块8，用于在多个所述接收探头2接收到所述振动信号并产生y轴方向上的振动位移后，利用加速度传感器203采集所述振动位移，并将所述振动位移转化为电信号；

接收波形生成模块9，用于将所述电信号传输至检测主机3，所述检测主机3对所述电信号进行处理，生成多个接收波形；

波数频散曲线获取模块10，用于对多个所述接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线；

采空区深度计算模块11，用于根据所述波数频散曲线的形状确定是否存在采空区，并利用双曲线和频率轴的交点计算所述采空区的深度。

所述三维坐标系建立模块5将所述发射探头1放于地面上，以所述发射探头1为坐标原点，建立三维坐标系，具体包括：

将所述发射探头1放置于平整的地面上；

以所述发射探头1为坐标原点，以所述发射探头1垂直地面向下的方向为z轴正方向；

以所述发射探头1到所述接收探头2的连线方向为x轴正方向；

以垂直于xz平面且经过所述坐标原点的直线为y轴，根据右手定则确定y轴正方向，得到所述三维坐标系。

本实施例公开了一种地下采空区的探测方法及系统，可准确、高效地探测出地下是否存在采空区并计算采空区的深度。通过发射探头1和接收探头2搭建三维坐标系，并通过敲打发射探头1的方式产生y轴方向的振动信号，激发出SH波，用接收探头2上的加速度传感器203采集各个接收探头2的振动数据，对这些振动数据进行处理分析得到x轴方向的波数频散曲线，根据波数频散曲线可直观确定是否存在采空区，并计算出采空区的具体深度值，实现对采空区的更加准确、简便且安全的检测，解决传统采空区检测方法复杂、准确性低且危险系数高的问题。将三维坐标系、加速度检测和SH波形分析结合于一体，打破了传统压力检测法或声波检测法的束缚，SH波被激发以后，不与面波和纵波耦合，波形单纯，进一步提升检测采空区的准确性，且SH波来回反射形成的模式波的分布是双曲线，更加直观、方便，提升了采空区的检测效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种地下采空区的探测方法，其特征在于，包括：

选择发射探头和接收探头；

将所述发射探头放于地面上，以所述发射探头为坐标原点，建立三维坐标系；

沿所述三维坐标系的y轴正方向敲击所述发射探头，在所述发射探头所在的区域内产生一致的沿y轴方向的振动，生成y轴方向的振动信号，使所述发射探头激发出沿z轴方向、x轴方向传播的SH波；

在所述三维坐标系的x轴正方向上间隔布置多个所述接收探头，每相邻的两个所述接收探头的距离相等，多个所述接收探头与所述发射探头位于同一直线上；

多个所述接收探头接收到所述振动信号后，产生y轴方向上的振动位移；每个所述接收探头上均设有一个加速度传感器，所述加速度传感器用于采集所述接收探头的所述振动位移，并将所述振动位移转化为电信号；

将所述电信号传输至检测主机，所述检测主机对所述电信号进行处理，生成多个接收波形；

对多个所述接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线；

根据所述波数频散曲线的形状确定是否存在采空区，并利用双曲线和频率轴的交点计算所述采空区的深度。

2.根据权利要求1所述的地下采空区的探测方法，其特征在于，所述选择发射探头和接收探头，具体包括：

在一个长方形木板的侧面上设置一个信号发生器，所述发射探头包括所述长方形木板和所述信号发生器；

在多个正方形木块的侧面上分别设置一个信号接收器和一个加速度传感器，所述接收探头包括所述正方形木块、所述信号接收器和所述加速度传感器；

所述长方形木板用于受到敲击后，带动所述信号发生器发生振动，所述信号发生器用于产生所述振动信号，并将所述振动信号传输至所述信号接收器；

所述正方形木块用于在所述信号接收器接收到所述振动信号后，带动所述信号接收器和所述加速度传感器发生振动，并产生振动位移。

3.根据权利要求2所述的地下采空区的探测方法，其特征在于，所述信号发生器采用粘贴或螺栓固定的方式固定安装于所述长方形木板的非敲击侧面上；所述信号接收器和所述加速度传感器采用粘贴或螺栓固定的方式固定安装于所述正方形木块的任意侧面上。

4.根据权利要求2所述的地下采空区的探测方法，其特征在于，多个所述加速度传感器、所述信号接收器的安装朝向对应相同，均为所述正方形木块朝向所述y轴正方向的侧面上，且多个所述加速度传感器、所述信号接收器在所述侧面上的安装位置对应相同。

5.根据权利要求1所述的地下采空区的探测方法，其特征在于，所述将所述发射探头放于地面上，以所述发射探头为坐标原点，建立三维坐标系，具体包括：

将所述发射探头放置于平整的地面上；

以所述发射探头为坐标原点，以所述发射探头垂直地面向下的方向为z轴正方向；

以所述发射探头到所述接收探头的连线方向为x轴正方向；

以垂直于xz平面且经过所述坐标原点的直线为y轴，根据右手定则确定y轴正方向，得到三维坐标系。

6.根据权利要求1所述的地下采空区的探测方法，其特征在于，所述将所述电信号传输至检测主机，所述检测主机对所述电信号进行处理，生成多个接收波形，具体包括：

将所述电信号传输至所述检测主机的接收模块；

通过所述接收模块将所述电信号传送给模拟信号处理模块；

利用所述模拟信号处理模块对所述电信号进行放大、滤波，然后将处理后的所述电信号传输给AD转换模块；

利用所述AD转换模块将所述处理后的电信号转换为数字信号，并将所述数字信号传输至计算机处理模块；

通过所述计算机处理模块根据所述数字信号生成多个接收波形，并将所述接收波形传输至显示屏显示。

7.根据权利要求1所述的地下采空区的探测方法，其特征在于，所述对多个所述接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线，具体包括：

对每个所述接收波形进行傅里叶变换，得到频谱，所述频谱中每个频率对应有多个频谱值；

利用相位法取多个所述频谱值的相位，对所述相位进行线性拟合，得到拟合直线的斜率；根据所述斜率得到x轴方向的波数频散曲线；

或者，

利用矩阵法和Prony法对每个频率的多个频谱值建立指数函数模型，通过对所述指数函数模型的方程求解，得到x轴方向的波数频散曲线。

8.根据权利要求1所述的地下采空区的探测方法，其特征在于，所述根据所述波数频散曲线的形状确定是否存在采空区，并利用双曲线和频率轴的交点计算所述采空区的深度，具体包括：

判断所述波数频散曲线中是否存在双曲线，若所述波数频散曲线中存在双曲线，则地下存在采空区，若否，则不存在采空区；

当所述波数频散曲线中存在双曲线时，根据所述双曲线与所述波数频散曲线的频率轴的交点计算采空区的深度：

其中，d表示采空区的深度，单位为m；V表示地下固体介质的横波速度，单位为m/s；f表示双曲线和频率轴的交点对应的频率，单位为Hz。

9.一种地下采空区的探测系统，其特征在于，所述系统包括：

探头选择模块，用于选择发射探头和接收探头；

三维坐标系建立模块，用于将所述发射探头放于地面上，以所述发射探头为坐标原点，建立三维坐标系；

SH波激发模块，用于沿所述三维坐标系的y轴正方向敲击所述发射探头，在所述发射探头所在的区域内产生一致的沿y轴方向的振动，生成y轴方向的振动信号，使所述发射探头激发出沿z轴方向、x轴方向传播的SH波；

接收探头布置模块，用于在所述三维坐标系的x轴正方向上间隔布置多个所述接收探头，每相邻的两个所述接收探头的距离相等，多个所述接收探头与所述发射探头位于同一直线上；

振动信号采集转化模块，用于在多个所述接收探头接收到所述振动信号并产生y轴方向上的振动位移后，利用加速度传感器采集所述振动位移，并将所述振动位移转化为电信号；

接收波形生成模块，用于将所述电信号传输至检测主机，所述检测主机对所述电信号进行处理，生成多个接收波形；

波数频散曲线获取模块，用于对多个所述接收波形进行处理，得到x轴方向的波数频散曲线；

采空区深度计算模块，用于根据所述波数频散曲线的形状确定是否存在采空区，并利用双曲线和频率轴的交点计算所述采空区的深度。

10.根据权利要求9所述的地下采空区的探测系统，其特征在于，所述三维坐标系建立模块将所述发射探头放于地面上，以所述发射探头为坐标原点，建立三维坐标系，具体包括：

将所述发射探头放置于平整的地面上；

以所述发射探头为坐标原点，以所述发射探头垂直地面向下的方向为z轴正方向；

以所述发射探头到所述接收探头的连线方向为x轴正方向；

以垂直于xz平面且经过所述坐标原点的直线为y轴，根据右手定则确定y轴正方向，得到所述三维坐标系。