CN115657142A - 矿井地层的水害探测及监测方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供矿井地层的水害探测及监测方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：获取电磁接收器探测到的电磁场信号，其中，电磁接收器位于预先设置的接收工作面上，用于接收电磁发射源发射的电磁场信号，其中，电磁发射源位于预先设置的发射工作面上；基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，其中，待探测地层为发射工作面和接收工作面对应的地层；基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布。本发明提供的水害探测及监测方法可以探测较深的矿井地层。

Description

矿井地层的水害探测及监测方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及煤矿安全开采技术领域，尤其涉及一种矿井地层的水害探测及监测方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

煤炭是我国一次性能源消耗中占75％以上的重要耗费能源。煤矿矿井的水害与瓦斯、煤尘等并列为矿山建设与生产中的主要安全灾害之一。由于我国煤矿的水文地质条件复杂,长期以来,矿井水害给安全生产造成了极大威胁。

在对矿井巷道对应的地层的水害分布进行探测和评价时，目前主要利用直流电阻率对地层岩性、物性空间分布进行半定量描述和分析，以电导率或电阻率物性参数之间的局域性统计关系为基础，来对井间储层的流体分布进行描述和预测。

然而，直流电阻率需要良好的接地环境，且探测深度较小，实际煤矿巷道的工作面通常难以实现良好接地或耦合，从而测试准确性较差。因此，亟需一种探测深度较深的水害探测及监控方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种矿井地层的水害探测及监测方法、装置、设备及存储介质，以解决目前探测深度较小的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种矿井地层的水害探测及监测方法，包括：

获取电磁接收器探测到的电磁场信号，其中，电磁接收器位于预先设置的接收工作面上，用于接收电磁发射源发射的电磁场信号，其中，电磁发射源位于预先设置的发射工作面上；

基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，其中，待探测地层为发射工作面和接收工作面对应的地层；

基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布。

在一种可能的实现方式中，基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，包括：

基于高斯牛顿迭代法，构建电磁场信号与待探测地层的电阻率反演目标泛函数；

基于获取到的电磁场信号的正演模拟数据、待探测地层的电阻率的初始值，以及电阻率反演目标泛函数，确定待探测地层的电阻率分布。

在一种可能的实现方式中，电阻率反演目标泛函数为：

Φ(ρ)＝|W_d(u-u^cal)|²+λ|Dρ|²；

其中，ρ为电阻率参数，

u为获取到的电磁场信号，

W_d为N_d×N_d的数加权对角阵，D为N_ρ×N_ρ的光滑度矩阵，u^cal为正演模拟数据，λ为正则化参数。

在一种可能的实现方式中，正则化参数λ采用降温策略按照迭代次数逐渐减小。

在一种可能的实现方式中，基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布，包括：

基于通过获取到的电磁场信号反演得到的电阻率，以及通过预先构建的模拟等效介质模型计算得到的电阻率，构建待探测地层的电阻率误差泛函数；

基于矿井地层的孔隙体积模型、以及矿井地层的基质与连通裂缝的关联性，构建电阻率与含水饱和度的转化关系；

对电阻率与含水饱和度的转化关系进行泰勒级数展开并进行多次迭代，直至电阻率误差泛函数最小，得到待探测地层的含水饱和度；

基于待探测地层的含水饱和度，确定待探测地层的水害分布。

在一种可能的实现方式中，发射工作面和接收工作面均位于从地下地层钻探的至少一个巷道内，且巷道与地面相连通，发射工作面和/或接收工作面为矿井顶底板、掘进头或侧帮；

待探测地层为发射工作面和接收工作面对应的矿井顶板上方、底板下方、掘进头前方或侧帮前方的地层。

在一种可能的实现方式中，电磁接收器为阵列布设的电磁场接收线圈，电磁发射源为空间可变角度的电磁场发射线圈，且电磁接收器与电磁发射源的直线偏移距离至少为5米。

第二方面，本发明实施例提供了一种矿井地层的水害探测及监测装置，包括：

获取模块，用于获取电磁接收器探测到的电磁场信号，其中，电磁接收器位于预先设置的接收工作面上，用于接收电磁发射源发射的电磁场信号，其中，电磁发射源位于预先设置的发射工作面上；

信号处理模块，用于基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，其中，待探测地层为发射工作面和接收工作面对应的地层；

确定水害分布模块，用于基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布。

在一种可能的实现方式中，信号处理模块，用于基于高斯牛顿迭代法，构建电磁场信号与待探测地层的电阻率反演目标泛函数；

基于获取到的电磁场信号的正演模拟数据、待探测地层的电阻率的初始值，以及电阻率反演目标泛函数，确定待探测地层的电阻率分布。

在一种可能的实现方式中，电阻率反演目标泛函数为：

Φ(ρ)＝|W_d(u-u^cal)|²+λ|Dρ|²；

其中，ρ为电阻率参数，

u为获取到的电磁场信号，

W_d为N_d×N_d的数加权对角阵，D为N_ρ×N_ρ的光滑度矩阵，u^cal为正演模拟数据，λ为正则化参数。

在一种可能的实现方式中，正则化参数λ采用降温策略按照迭代次数逐渐减小。

在一种可能的实现方式中，确定水害分布模块，用于基于通过获取到的电磁场信号反演得到的电阻率，以及通过预先构建的模拟等效介质模型计算得到的电阻率，构建待探测地层的电阻率误差泛函数；

基于矿井地层的孔隙体积模型、以及矿井地层的基质与连通裂缝的关联性，构建电阻率与含水饱和度的转化关系；

对电阻率与含水饱和度的转化关系进行泰勒级数展开并进行多次迭代，直至电阻率误差泛函数最小，得到待探测地层的含水饱和度；

基于待探测地层的含水饱和度，确定待探测地层的水害分布。

在一种可能的实现方式中，发射工作面和接收工作面均位于从地下地层钻探的至少一个巷道内，且巷道与地面相连通，发射工作面和接收工作面为矿井顶底板、掘进头或侧帮；

待探测地层为发射工作面和/或接收工作面对应的矿井顶板上方、底板下方、掘进头前方或侧帮前方的地层。

在一种可能的实现方式中，电磁接收器为阵列布设的电磁场接收线圈，电磁发射源为空间可变角度的电磁场发射线圈，且电磁接收器与电磁发射源的直线偏移距离至少为5米。

第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述方法的步骤。

本发明实施例提供一种矿井地层的水害探测及监测方法、装置、设备及存储介质，首先，获取电磁接收器探测到的电磁场信号，然后，基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布。最后，基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布。通过在预先设置的发射工作面上设置的电磁发射源向地层发射电磁场信号，通过在预先设置的接收工作面上设置的电磁接收器接收来自地层的电磁场信号，并对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，进而最终根据电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布，从而可以探测较深的矿井地层的水害分布，并且可以准确的得到待探测地层的水害分布。

附图说明

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

图1是本发明实施例提供的矿井地层的水害探测及监测方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的可变角度的电磁场发射线圈或磁偶极子的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的阵列布设的电磁场接收线圈或磁偶极子接收器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的矿井地层的水害探测及监测装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的电子设备的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。

矿井瞬变电磁测量，是一种电磁地球物理探测方法，该方法利用至少一个地下巷道中的一个工作面作为激发工作面激发电磁场，利用同一个或不同的工作面作为接收工作面探测来自对应地层的感应电磁场，从而实现对激发工作面或接收工作面对应地层的电阻率分布评价与预测，确定地层的水害分布区域与分布状况。

目前主要使用的是直流电阻率勘探，但是其需要良好的接地环境，实际煤矿巷道的顶底板、侧帮或掘进头工作面通常难以实现良好接地或耦合，向探测目标地层的良好供电成为难题。其次，由于巷道空间所限，供电电极与接收电极的间距较小，探测深度不大，对于不同工作面对应地层的远方的探测难以实现，在探测目标层较为破碎的情况下，尤其难以得到反映地层电阻率的电位响应。

目前也有使用瞬变电磁探测的，但是瞬变电磁响应的动态范围大，需要高性能复杂电子设备才能实现探测与监测，对探测器的材料和加工艺研发提出了极高的要求。瞬变电磁探测数据处理量近乎为频率域电磁和视电阻率数据的50-100倍，无论是仪器设备，还是数据处理算法均一直处于缓慢发展。

为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种矿井地层的水害探测及监测方法、装置、设备及存储介质。下面首先对本发明实施例所提供的矿井地层的水害探测及监测方法进行介绍。

参见图1，其示出了本发明实施例提供的矿井地层的水害探测及监测方法的实现流程图，详述如下：

步骤S110、获取电磁接收器探测到的电磁场信号。

对于待探测地层，首先需要确定发射工作面和接收工作面，然后从地下地层钻探至少一个巷道与地面相连通，即可在钻探的巷道内确定发射工作面和接收工作面。发射工作面可以在矿井顶底板、掘进头或侧帮，接收工作面也可以在矿井顶底板、掘进头或侧帮，根据探测需求确定。

在发射工作面上设置电磁发射源，使之在发射工作面上能与发射工作面呈不同角度的发射电磁场，向工作面前方的地层发射电磁场信号。在接收工作面上设置电磁接收器，且与电磁发射源的直线偏移距离至少为5米。且电磁接收器可以探测到来自地层的电磁场信号。

具体的，电磁接收器可以为阵列布设的电磁场接收线圈或磁偶极子接收器，电磁发射源可以为空间可变角度的电磁场发射线圈或磁偶极子发射源。电磁发射源下放于地下地层巷道的发射工作面上，与电磁信号发生器连接，用于将电磁信号发生器产生的电磁场信号向地层发射。电磁接收器下放于地下地层巷道的接收工作面上，用于探测来自地层的电磁场信号。此外，为了增强信号的强度，电磁接收器还与电磁信号放大器连接，用于放大电磁接收器探测到的电磁场信号。空间变角电磁发射源可以是交变电流激励的磁性源或线圈，当电磁发射源为磁性源或线圈的情况下，激励源的交变电流频率处于几十Hz到几MHz。

如图2所示的可变角度的电磁场发射线圈或磁偶极子，在矿井瞬变电磁测量中用作电磁能量激发装置放置于矿井巷道中且可以紧贴掌子面、侧帮或顶底板的线圈或磁偶极子。包括：可变角的发射线圈21，支撑发射线圈上下或左右转动的两个轴承22，向发射线圈供电磁信号的同轴电缆线23，和支撑一个或多个发射线圈处于不同高度的线圈支架24。发射线圈所激发的电磁场在巷道及周围岩层中向岩层深部扩散与传播，向岩层传播的能量大小及传播距离与发射源和岩层的耦合相关。

如图3所示的阵列布设的电磁场接收线圈或磁偶极子接收器，在矿井瞬变电磁测量中用作电磁能量激发装置放置于矿井巷道中且可以紧贴掌子面、侧帮或顶底板的线圈或磁偶极子，或距离这些工作面一定间隔。包括：阵列接收器线圈31，支撑接收器线圈上下或左右转动的两个轴承32，由接收器线圈向存储器或数据接收机通信的同轴电缆线33，和支撑一个或多个接收线圈处于不同高度的线圈支架34。接收器接收来自巷道及周围岩层中的感应电磁信号，信号强弱与发射源、岩层电性参数及岩层的耦合相关。

此外，为了避免工作面垮塌，可以在巷道中工作面上预设支护铁丝网或支撑铁管与地板固定，在巷道中底板上固定铁轨或开采机械。具体的，可以采用的铁轨、支护网可以是对电磁激励源敏感的导电或不导电介质,使接收工作面探测器接收到来自这些良导介质和储层共同作用的感应电磁场，也称为二次电磁场。

可以通过改变电磁接收器的放置位置，由电磁接收器探测电磁场信号的水平分量和垂直分量，例如，由电磁接收器探测磁场信号的水平分量和垂直分量。

发射工作面和接收工作面对应地层中存在易于电磁方法探测的与周围围岩电阻率不同的高阻和/或低阻异常体，以形成地层中电阻率非均匀分布模式。当电磁发射源发射的电磁场对地层作用，地层中的高阻或低阻异常体会产生异常感应电磁场。

步骤S120、基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布。

其中，待探测地层为发射工作面和接收工作面对应的地层。具体的，待探测地层为发射工作面和接收工作面对应的矿井顶板上方、底板下方、掘进头前方或侧帮前方的地层。

由于在发射工作面和接收工作面对应地层中存在易于电磁探测到的异常体，因此，通过放置在发射工作面的可变角度电磁发射源，使之在发射工作面和接收工作面对应地层中产生感应电磁场，然后通过放置在接收工作面的电磁接收器，接收来自储层和巷道良导介质的感应电磁场，以便基于接收工作面探测到的感应电磁场信号，采用电磁场响应反演成像方法得到发射工作面和接收工作面对应地层前方20m到250m范围内的电导率分布，进而根据电导率与流体饱和度的关系将反演成像的地层的电导率映射成工作面和接收工作面对应地层前方20m到250m范围内的水害分布。

对采集到的电磁场信号进行反演成像，可以通过将测量的电磁场信号与构建的模拟等效介质模型的模拟数值计算得到电场值的拟合来实现的，这种过程通常采用反演成像方法来完成。在这里，可以假设一个与背景和工作面对应地层的模拟等效介质模型，然后通过适当的数学算法调整模型参数，直到测量的场值和模拟计算的数据在某个允许的误差范围内。

在一些实施例中，基于高斯牛顿迭代法，构建电磁场信号与待探测地层的电阻率反演目标泛函数。

具体的，由接收到的电磁场信号数据反演待探测地层的电阻率参数，采用高斯牛顿正则化反演实现，瞬变电磁响应与模型电阻率参数相关，设获取到的瞬变电磁场信号数据为

电阻率参数为ρ，

用高斯牛顿迭代法对模型电阻参数ρ进行反演。

首先，电阻率反演目标泛函数为：

Φ(ρ)＝|W_d(u-u^cal)|²+λ|Dρ|²；

W_d为N_d×N_d的数加权对角阵，一般为数据振幅的倒数或者数据标准差的倒数或者单位矩阵构成。D为N_ρ×N_ρ的光滑度矩阵，表现为一阶差分算子或二阶差分算子。u^cal为正演模拟数据，λ为正则化参数。

平滑约束是最常用的一种正则化约束条件，其能明显改善反演的不适定性。反演过程中预先定义模型光滑度矩阵，以三维电阻率分布为例，可以采用D为三维泊松方程的差分算子。正则化参数λ应谨慎进行取值，λ过大会使反演模型约束程度较大，从而影响到观测数据的拟合，而λ过小，会使反演模型的约束能力大幅度降低，导致虽然反演得到的数据误差很小，但是模型参数没有实际的物理意义。正则化参数λ的选择也需要结合实际反演过程中的结果反馈来进行不断地调整，可以采用降温策略迭代改变，设初始λ为1，每迭代一次λ减少0.001。

若电阻率参数的初始值

获得一组瞬变电磁场信号的正演模拟数据u^cal，直接将u^cal(ρ)在初始值ρ₀处进行泰勒展开，并忽略其中的高阶导数项，只保留一阶导数项：

将展开后的u^cal(ρ)代入目标泛函，可得：

我们将u-u^cal(ρ)用y表示，而

即为灵敏度矩阵，我们用F_ρ表示，整理可得：

Φ(Δρ)＝(W_d(y-F_ρΔρ))^T(W_d(y-F_ρΔρ))+λ(Dρ₀+DΔρ)^T(Dρ₀+DΔρ)；

最小化目标泛函，即求模型ρ使目标泛函导数为0，可得：

为了获得更为精确的解，且避免求解过程中系数矩阵出现奇异值的不良情况，我们并不直接求解高斯牛顿方程，而是求解最小二乘矩阵系统：

在获得了最小二乘矩阵系统后，对于线性系统：

AΔρ＝b；

我们使用Gram-Schmidt正交化方法将系数矩阵A分解为正交矩阵Q和上三角阵R：

A＝QR；

则方程变为：

QRΔρ＝b；

由于Q^-1＝Q^T，则变为：

RΔρ＝Q^Tb；

此上三角矩阵方程可直接求解，因而我们可以直接求解得到电阻率迭代步长。

步骤S130、基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布。

首先，基于通过获取到的电磁场信号反演得到的电阻率，以及通过预先构建的模拟等效介质模型计算得到的电阻率，构建待探测地层的电阻率误差泛函数。

利用瞬变电磁场信号反演待探测地层电阻率计算煤层内的富水状况，是利用瞬变电磁场数据反演待探测地层电阻率分布，进而通过孔隙或裂缝等效介质理论与电导率参数之间的关系，借助模拟等效介质模型的电导率参数重构瞬变电磁响应，使之与瞬变电磁反演的电导率实现合理的拟合。

具体的，电阻率误差泛函数为：

式中：Q是反演层段内反演电导率与模拟等效介质模型计算电导率的误差平方和，

为电磁场信号反演电阻率数据和

为模拟等效介质模型模拟计算的电阻率响应。

然后，基于矿井地层的孔隙体积模型、以及矿井地层的基质与连通裂缝的关联性，构建电阻率与含水饱和度的转化关系。

具体的，电阻率

与含水饱和度(S_w)的转化关系为：

接着，对电阻率与含水饱和度的转化关系进行泰勒级数展开并进行多次迭代，直至电阻率误差泛函数最小，得到待探测地层的含水饱和度。

假设初始含水饱和度为S_w0，对

进行泰勒级数展开，并忽略二阶以上的项有：

将反演电阻率替代上式中的的

特别地，针对每个反演的电阻率值，由上式可以得到饱和度反演的迭代关系式：

在迭代计算中更新S_w＝ΔS+S_w0，直到

满足要求的精度要求，即可停止迭代。

最后，基于待探测地层的含水饱和度，确定待探测地层的水害分布。

待探测地层的含水饱和度越高，电阻率越低。

本发明提供的水害探测及监测方法，首先，获取电磁接收器探测到的电磁场信号，然后，基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布。最后，基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布。通过在预先设置的发射工作面上设置的电磁发射源向地层发射电磁场信号，通过在预先设置的接收工作面上设置的电磁接收器接收来自地层的电磁场信号，并对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，进而最终根据电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布，从而可以探测较深的矿井地层的水害分布，并且可以准确的得到待探测地层的水害分布。有效解决直流电探测和现有瞬变电磁探测方法的探测深度与精度的问题。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

基于上述实施例提供的矿井地层的水害探测及监测方法，相应地，本发明还提供了应用于该矿井地层的水害探测及监测方法的矿井地层的水害探测及监测装置的具体实现方式。请参见以下实施例。

如图4所示，提供了一种矿井地层的水害探测及监测装置400，该装置包括：

获取模块410，用于获取电磁接收器探测到的电磁场信号，其中，电磁接收器位于预先设置的接收工作面上，用于接收电磁发射源发射的电磁场信号，其中，电磁发射源位于预先设置的发射工作面上；

信号处理模块420，用于基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，其中，待探测地层为发射工作面和接收工作面对应的地层；

确定水害分布模块430，用于基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及待探测地层的电阻率分布，确定待探测地层的水害分布。

在一种可能的实现方式中，信号处理模块420，用于基于高斯牛顿迭代法，构建电磁场信号与待探测地层的电阻率反演目标泛函数；

基于获取到的电磁场信号的正演模拟数据、待探测地层的电阻率的初始值，以及电阻率反演目标泛函数，确定待探测地层的电阻率分布。

在一种可能的实现方式中，电阻率反演目标泛函数为：

Φ(ρ)＝|W_d(u-u^cal)|²+λ|Dρ|²；

其中，ρ为电阻率参数，

u为获取到的电磁场信号，

W_d为N_d×N_d的数加权对角阵，D为N_ρ×N_ρ的光滑度矩阵，u^cal为正演模拟数据，λ为正则化参数。

在一种可能的实现方式中，正则化参数λ采用降温策略按照迭代次数逐渐减小。

在一种可能的实现方式中，确定水害分布模块430，用于基于通过获取到的电磁场信号反演得到的电阻率，以及通过预先构建的模拟等效介质模型计算得到的电阻率，构建待探测地层的电阻率误差泛函数；

基于矿井地层的孔隙体积模型、以及矿井地层的基质与连通裂缝的关联性，构建电阻率与含水饱和度的转化关系；

对电阻率与含水饱和度的转化关系进行泰勒级数展开并进行多次迭代，直至电阻率误差泛函数最小，得到待探测地层的含水饱和度；

基于待探测地层的含水饱和度，确定待探测地层的水害分布。

在一种可能的实现方式中，发射工作面和接收工作面均位于从地下地层钻探的至少一个巷道内，且巷道与地面相连通，发射工作面和接收工作面为矿井顶底板、掘进头或侧帮；

待探测地层为发射工作面和/或接收工作面对应的矿井顶板上方、底板下方、掘进头前方或侧帮前方的地层。

在一种可能的实现方式中，电磁接收器为阵列布设的电磁场接收线圈，电磁发射源为空间可变角度的电磁场发射线圈，且电磁接收器与电磁发射源的直线偏移距离至少为5米。

图5是本发明实施例提供的电子设备的示意图。如图5所示，该实施例的电子设备5包括：处理器50、存储器51以及存储在所述存储器51中并可在所述处理器50上运行的计算机程序52。所述处理器50执行所述计算机程序52时实现上述各个矿井地层的水害探测及监测方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤110至步骤130。或者，所述处理器30执行所述计算机程序32时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如图4所示模块410至430的功能。

示例性的，所述计算机程序52可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器51中，并由所述处理器50执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序52在所述电子设备5中的执行过程。例如，所述计算机程序52可以被分割成图4所示的模块410至430。

所述电子设备5可包括，但不仅限于，处理器50、存储器51。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是电子设备5的示例，并不构成对电子设备5的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述电子设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器50可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器51可以是所述电子设备5的内部存储单元，例如电子设备5的硬盘或内存。所述存储器51也可以是所述电子设备5的外部存储设备，例如所述电子设备5上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器51还可以既包括所述电子设备5的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器51用于存储所述计算机程序以及所述电子设备所需的其他程序和数据。所述存储器51还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/电子设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/电子设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个矿井地层的水害探测及监测方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矿井地层的水害探测及监测方法，其特征在于，包括：

获取电磁接收器探测到的电磁场信号，其中，所述电磁接收器位于预先设置的接收工作面上，用于接收电磁发射源发射的电磁场信号，其中，所述电磁发射源位于预先设置的发射工作面上；

基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，其中，所述待探测地层为所述发射工作面和所述接收工作面对应的地层；

基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及所述待探测地层的电阻率分布，确定所述待探测地层的水害分布。

2.如权利要求1所述的水害探测及监测方法，其特征在于，所述基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，包括：

基于高斯牛顿迭代法，构建所述电磁场信号与所述待探测地层的电阻率反演目标泛函数；

基于获取到的电磁场信号的正演模拟数据、所述待探测地层的电阻率的初始值，以及所述电阻率反演目标泛函数，确定所述待探测地层的电阻率分布。

3.如权利要求2所述的水害探测及监测方法，其特征在于，所述电阻率反演目标泛函数为：

Φ(ρ)＝|W_d(u-u^cal)|²+λ|Dρ|²；

其中，ρ为电阻率参数，

u为获取到的电磁场信号，

W_d为N_d×N_d的数加权对角阵，D为N_ρ×N_ρ的光滑度矩阵，u^cal为正演模拟数据，λ为正则化参数。

4.如权利要求3所述的水害探测及监测方法，其特征在于，所述正则化参数λ采用降温策略按照迭代次数逐渐减小。

5.如权利要求1所述的水害探测及监测方法，其特征在于，所述基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及所述待探测地层的电阻率分布，确定所述待探测地层的水害分布，包括：

基于通过所述获取到的电磁场信号反演得到的电阻率，以及通过预先构建的模拟等效介质模型计算得到的电阻率，构建所述待探测地层的电阻率误差泛函数；

基于矿井地层的孔隙体积模型、以及所述矿井地层的基质与连通裂缝的关联性，构建所述电阻率与含水饱和度的转化关系；

对所述电阻率与含水饱和度的转化关系进行泰勒级数展开并进行多次迭代，直至所述电阻率误差泛函数最小，得到所述待探测地层的含水饱和度；

基于所述待探测地层的含水饱和度，确定所述待探测地层的水害分布。

6.如权利要求1所述的水害探测及监测方法，其特征在于，所述发射工作面和所述接收工作面均位于从地下地层钻探的至少一个巷道内，且所述巷道与地面相连通，所述发射工作面和/或所述接收工作面为矿井顶底板、掘进头或侧帮；

所述待探测地层为所述发射工作面和所述接收工作面对应的矿井顶板上方、底板下方、掘进头前方或侧帮前方的地层。

7.如权利要求1所述的水害探测及监测方法，其特征在于，所述电磁接收器为阵列布设的电磁场接收线圈，所述电磁发射源为空间可变角度的电磁场发射线圈，且所述电磁接收器与所述电磁发射源的直线偏移距离至少为5米。

8.一种矿井地层的水害探测及监测装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取电磁接收器探测到的电磁场信号，其中，所述电磁接收器位于预先设置的接收工作面上，用于接收电磁发射源发射的电磁场信号，其中，所述电磁发射源位于预先设置的发射工作面上；

信号处理模块，用于基于高斯牛顿迭代法，对获取到的电磁场信号进行反演处理，得到待探测地层的电阻率分布，其中，所述待探测地层为所述发射工作面和所述接收工作面对应的地层；

确定水害分布模块，用于基于电阻率与含水饱和度的转化关系、以及所述待探测地层的电阻率分布，确定所述待探测地层的水害分布。

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于调用并运行所述存储器中存储的计算机程序，执行如权利要求1至7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述方法的步骤。

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