一种地球物理工程的勘探探测方法、勘探装置及应用

技术领域

本发明属于煤层勘探信息识别技术领域，尤其涉及一种地球物理工程的勘探探测方法、勘探装置及应用。

背景技术

煤层采空区内积水大多通过放水巷流走，但不排除局部积水可能；对于采区区域内地质构造不明，区域内地质水文条件复杂，断裂构造、陷落柱等发育不明朗下，开采工作易受影响。在煤炭的挖掘开采过程中，煤层容易发生塌陷，而塌陷则是由缝隙不断扩大造成煤层结构断裂，而煤层在开挖之前需要对承重力进行计算探测，来确保煤层开挖时的安全性。

为解决上述问题，现有技术一，中国专利CN202210708866.2，公开日：2022年11月04日，公开了一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，包括以下步骤：S1、地质探测；S2、对煤层材质进行取样；S3、建立煤层地质模拟系统；S4、制定危险预警方案。S1中，确定煤层开挖位置，对开挖位置进行计算模拟。S2中，调取相近煤层结构的开采数据进行比对，确定出几套可实行的开挖方案。S3中，在系统内建立同比例模型模块，并对模型模块进行反复演练，并对可实行的开挖方案进行筛除，得出最确定的煤层挖掘方案。建立煤层地质模拟系统时，同时建立煤层坐标系，将煤层分为多个区域。其技术缺陷在于，对于煤层开采区内含水层的含水特征不能提供理论依据。

再者，煤层开采后，在地剪切力的作用下会发生岩石变形与破坏，在底板形成底板破坏带；在顶板形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。垮落带和裂缝带合称为导水裂缝带。垮落带和裂缝带的发育高度及过程，对于煤层工作面提高回采上限、顶板水害防治、顶板岩层管理和瓦斯防治具有重要的意义。

目前的井下顶板钻孔电法监测装置控制的范围相对较小，特别是双钻孔间的电阻率监测灵敏区范围更小。在采空区的岩层破坏带未进入双钻孔监测区，只能监测到采动超前剪切力的变化情况；在岩层破坏带进入双钻孔监测区后，垮落带或裂缝带到达钻孔位置后，常导致钻孔电极耦合条件变差，导致电法数据质量显著变差，电阻率积水图像对垮落带和裂缝带的反映变差，不利于观测垮落带和裂缝带的采后稳定情况；对于顶板岩层为厚层砂岩等坚硬岩层时，垮落带或裂缝带的发育还会导致钻孔中电缆的折断，使得监测系统无法较长时间的监测，在回采工作面距离监测钻孔孔口较远处便结束监测，监测的垮落带和裂缝带高度结果可靠性降低。

为解决上述问题，现有技术二，中国专利CN201810620473.X，公开日：2018年11月13日，公开了一种工作面开采岩层破坏井下顶底板钻孔电法监测方法，所述方法包括：步骤一、钻孔平面剖面位置确定在顺槽巷道的钻孔选择位置，布置一对监测钻孔，第一监测钻孔和第二监测钻孔平面位置重合，在同一垂直剖面上；步骤二、钻孔参数确定第一监测钻孔和第二监测钻孔在平面方位上指向工作面内；第一监测钻孔为仰孔，仰角为与煤层面夹角；第二监测钻孔孔为俯孔，方位与第一监测钻孔相同，俯角为与煤层面夹角；步骤三、钻孔电极电缆布设第一监测钻孔和第二监测钻孔的电极之和为电法监测所采用的多道电法仪道数N，N≥60；步骤四、钻孔监测系统施工在巷道中选择位置施工第一监测钻孔和第二监测钻孔；在第一监测钻孔和第二监测钻孔内将电极电缆牢固束缚于PVC管上送入第一监测钻孔和第二监测钻孔中；将第一监测钻孔和第二监测钻孔全孔注入水泥浆进行封闭；步骤五、数据采集采用多道电法仪，将第一监测钻孔和第二监测钻孔的电极系统视为一条完整测线，进行数据采集。上述专利技术缺陷在于不能为断裂构造及陷落柱的含导水特征提供准确数据。

还有，煤矿三维地震是综合利用多学科而发展起来的勘探技术，三维地震作为一种井上勘探技术，能够在建井前和巷道掘进前提前探明矿井地质构造，准确的描述断层及陷落柱的分布范围，为矿井规划、采区设计和巷道布置提供地质依据，优化整体布局，提高生产效率。在地质条件探查不明的情况下进行巷道掘进，容易产生安全事故，严重的还将导致人员伤亡，带来巨经济损失，采用三维地震技术能够有效地掌握地质构造的特性，并提前采取措施，能最大程度的避免和减少各种掘进和开采事故，保证安全生产。随着各种处理解释技术的不断进步，三维地震技术对矿井隐伏地质构造的探查准确度和精度越来越高，目前已成为矿井地质描述中的重要技术手段之一。

现有煤矿三维地震处理解释成果报告的提交都是一次性的，但随着煤矿的开采和巷道的掘进，几乎所有的地震预测资料都能被验证，但很少将揭露的实际资料与原有的三维地震解释成果进行反馈，这就造成三维地震处理解释精准度难以有效提高，严重制约着三维地震技术的发展，使其难以满足煤矿工业化开采的需求。

为解决上述问题，现有技术三，中国专利CN201610191231.4，公开日：2016年08月17日，公开了一种矿井三维地震全程地质勘探预测方法，包括如下步骤：1)采用三维地震勘探方法描述矿区地质构造的赋存状况，圈定可采煤层位是否存在的隐伏地质构造，并确定其具体位置及范围；2)以实际的巷道揭露和钻探结果为约束条件，其中钻探进行垂向线状约束，巷道揭露进行水平线状约束，对三维地震勘探的结果进行实时验证和分析评价；3)将验证和分析后的可采煤层地质信息融入到三维地震勘探结果中，运用迭代反馈方法，对不符合探测精准度要求的勘探区结果通过三维地震勘探方法进行再处理、再解释和再应用，随着采掘的不断变化，煤层揭露的越来越多，约束条件不断变化，对三维地震数据地质动态解释预测全程控制，最终形成煤矿三维地震全程地质解析成果。其技术缺陷在于：不能为未来区域内巷道、采煤工作面规划提供准确的理论依据。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术不能为查明煤层开采区内含水层的含水特征、断裂构造及陷落柱的含导水特征提供准确数据，不能为煤层采空区积水情况，以及未来区域内巷道、采煤工作面规划提供准确的理论依据。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种地球物理工程的勘探探测方法、勘探装置及应用。

所述技术方案如下：地球物理工程的勘探探测方法包括以下步骤：

S1，根据采空区内含水层的含水特征、断裂构造及陷落柱的含导水特征构建采空区积水异常位置及范围模型；

S2，利用瞬变电磁勘探仪对构建采空区积水异常位置及范围模型进行积水信息的勘探；

S3，将勘探的积水信息发送智能终端进行可视化示出。

在步骤S1中，构建采空区积水异常位置及范围模型包括：

(1)构造体相似度建立

设采空区的三个相互垂直的构造体尺寸为X

(2)密度相似度建立

设采空区中第i层岩层的密度为r

其中，r

(3)剪切力相似度建立

设采空区中各岩层内的剪切力为σ

(4)回应向量相似度建立

设采空区中各岩层的回应向量为E

(5)强度相似度建立

设采空区(现场)中各岩层的单向抗压强度为σ

(6)泊松比相似度建立

设采空区中各岩层的泊松比为μ

(7)采空区积水区域相似度建立

采空区积水区域相似系数C

在步骤S2中，对构建采空区积水异常位置及范围模型进行积水信息的勘探包括：

第一步，将积水图像映射到HSV颜色表示空间，调整阈值获得批量的圈定数据；

第二步，将圈定好的数据进行预处理，调整积水图像的长和宽为64的倍数，将积水图像转化为向量格式，做数据的归一化，将像素值从0到1068归一化到0到1；

第三步，通过卷积模型训练数据，卷积模型采用编译模块-解译模块的结构，卷积模型输入为原始积水图像，输出为分割积水图像；

第四步，提取分割后的积水图像的轮廓，并将计算轮廓的周长和面积；

第五步，利用圈定数据中的不含异常积水数据帧部分提取到的周长和面积两个量，建立多元识别模型；

第六步，将获取到的分割积水图像的周长和面积输入多元识别模型，判定积水数据帧是否异常；积水数据圈定通过制作积水图像和HSV颜色空间分析建模，同时圈定同一场景下的1000到10000张数据；HSV用于通过颜色空间的阈值分割出积水，而积水图像则是用消除颜色空间阈值与积水在同一范围内的噪声点，通过对积水样本数据的观察和分析，得出在固定的场景下一定的时间范围内，瞬变电磁勘探仪不移动时积水图像中的背景不变；以获得对积水形态的精准刻画。

在第六步中，所述分析建模采用多元图像识别的方式，帧为异常积水数据帧时，帧的面积和周长会发生变化；通过正常数据得到的高斯模型在测试异常数据时会偏离该高斯模型；该高斯模型根据正常分割得到的积水的周长和面积计算得到；将积水监控视频的一帧数据判别为异常，直接通过积水的形态和变化情况确定；周长和面积是对物体的形态表示最直观的两个量，在实际中通过周长和面积两个量建立多元识别模型发掘两个量之间的联系，多元图像识别的计算公式为：

其中，∑代表根据周长和面积计算的协方差矩阵，u代表均值，x代表输入，∈代表判定的阈值；公式用于判定输入x是否属于建立的多元图像识别分布，当输出的概率值低于∈时判定为不属于该多元图像识别分布，∈是根据对于正常数据的和异常数据的统计值确定的。

第二步中，将圈定好的数据进行预处理时，计算得出所有训练数据的均值和方差，每一张图片在减去均值，与方差相比；将数据归一化到0到1，使得像素点变为零；

卷积模型的损失函数定义如下：

其中，Pre表示训练过程中卷积模型的输出的积水图像，Pte表示对应的标签，loss表示损失；i,j表示像素点的坐标位置；i＝0，n表示参与计算的积水图像数量，const表示一个非0常数，为保证标签全黑的时候分母不是0；看出当标签和实际的预测值越接近时损失越小。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述地球物理工程的勘探探测方法的地球物理工程的勘探探测装置，该地球物理工程的勘探探测装置包括：

采空区积水异常位置及范围模型构建模块，用于根据采空区区内含水层的含水特征、断裂构造及陷落柱的含导水特征构建采空区积水异常位置及范围模型；

瞬变电磁勘探仪，用于对构建采空区积水异常位置及范围模型进行积水信息的勘探；

智能终端，用于接收勘探的积水信息进行可视化示出。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述地球物理工程的勘探探测方法。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述地球物理工程的勘探探测方法。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端安装再电子装置上提供用户输入接口以实施所述的地球物理工程的勘探探测方法。

本发明的另一目的在于提供一种地质勘察钻机，所述地质勘察钻机实施所述的地球物理工程的勘探探测方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的地球物理工程的勘探探测方法，根据采空区区内含水层的含水特征、断裂构造及陷落柱的含导水特征构建采空区积水异常位置及范围模型；利用瞬变电磁勘探仪对构建采空区积水异常位置及范围模型进行积水信息的勘探；将勘探的积水信息发送智能终端进行可视化示出。可获得准确的积水数据信息。解决了现有技术不能为查明煤层开采区内含水层的含水特征、断裂构造及陷落柱的含导水特征提供准确数据的为题，为煤层采空区积水情况，以及未来区域内巷道、采煤工作面规划提供准确的理论依据。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；

图1是本发明实施例提供的地球物理工程的勘探探测方法流程图；

图2是本发明实施例提供的对构建采空区积水异常位置及范围模型进行积水信息的勘探流程图；

图3是本发明实施例提供的地球物理工程的勘探装置示意图；

图中：1、采空区积水异常位置及范围模型构建模块；2、瞬变电磁勘探仪；3、智能终端。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

一、解释说明实施例：

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种地球物理工程的勘探探测方法，包括以下步骤：

S1，根据采空区内含水层的含水特征、断裂构造及陷落柱的含导水特征构建采空区积水异常位置及范围模型；

S2，利用瞬变电磁勘探仪对构建采空区积水异常位置及范围模型进行积水信息的勘探；

S3，将勘探的积水信息发送智能终端进行可视化示出。

实施例2

基于本发明实施例1提供的地球物理工程的勘探探测方法，在步骤S1中，构建采空区积水异常位置及范围模型包括：

(1)构造体相似度建立

设采空区的三个相互垂直的构造体尺寸为X

(2)密度相似度建立

设采空区中第i层岩层的密度为r

其中，r

(3)剪切力相似度建立

设采空区中各岩层内的剪切力为σ

(4)回应向量相似度建立

设采空区中各岩层的回应向量为E

(5)强度相似度建立

设采空区(现场)中各岩层的单向抗压强度为σ

(6)泊松比相似度建立

设采空区中各岩层的泊松比为μ

(7)采空区积水区域相似度建立

采空区积水区域相似系数C

实施例3

基于本发明实施例1提供的地球物理工程的勘探探测方法，进一步的，在步骤S2中，如图2所示，对构建采空区积水异常位置及范围模型进行积水信息的勘探包括：

第一步，将积水图像映射到HSV颜色表示空间，手动调整阈值获得批量的圈定数据；

第二步，将圈定好的数据进行预处理，调整积水图像的长和宽为64的倍数，将积水图像转化为向量格式，做数据的归一化，将像素值从0到1068归一化到0到1；

第三步，通过卷积模型训练数据，卷积模型采用编译模块-解译模块的结构，卷积模型输入为原始积水图像，输出为分割积水图像；

第四步，提取分割后的积水图像的轮廓，并将计算轮廓的周长和面积；

第五步，利用圈定数据中的不含异常积水数据帧部分提取到的周长和面积两个量，建立多元识别模型；

第六步，将获取到的分割积水图像的周长和面积输入多元识别模型，判定积水数据帧是否异常；积水数据圈定通过制作积水图像和HSV颜色空间分析建模，同时圈定同一场景下的1000到10000张数据；HSV用于通过颜色空间的阈值分割出积水，而积水图像则是用消除颜色空间阈值与积水在同一范围内的噪声点，通过对积水样本数据的观察和分析，得出在固定的场景下一定的时间范围内，瞬变电磁勘探仪不移动时积水图像中的背景不变；以获得对积水形态的精准刻画。

实施例4

基于本发明实施例3提供的地球物理工程的勘探探测方法，进一步的，采用多元图像识别建模的方式，帧为异常积水数据帧时，帧的面积和周长会发生变化；通过正常数据得到的高斯模型在测试异常数据时会偏离该高斯模型；该高斯模型根据正常分割得到的积水的周长和面积计算得到；将积水监控视频的一帧数据判别为异常，直接通过积水的形态和变化情况确定；周长和面积是对物体的形态表示最直观的两个量，在实际中通过周长和面积两个量建立多元识别模型发掘两个量之间的联系，多元图像识别的计算公式：

其中，∑代表根据周长和面积计算的协方差矩阵，u代表均值，x代表输入，∈：代表判定的阈值；公式用于判定输入x是否属于建立的多元图像识别分布，当输出的概率值低于∈时判定为不属于该多元图像识别分布，∈是根据对于正常数据的和异常数据的统计值确定的。

在一优选实施例中，第二步将圈定好的数据进行预处理时计算得出所有训练数据的均值和方差，每一张图片在减去均值，与方差相比；将数据归一化到0到1，使得像素点变为零；

卷积模型的损失函数定义如下：

公式中Pre，训练过程中卷积模型的输出的积水图像，Pte表示对应的标签，loss表示损失；i,j表示像素点的坐标位置；i＝0，n表示参与计算的积水图像数量，const表示一个非0常数，为保证标签全黑的时候分母不是0；看出当标签和实际的预测值越接近时损失越小。

实施例5

如图3所示，本发明实施例提供一种地球物理工程的勘探探测装置，包括：

采空区积水异常位置及范围模型构建模块1，用于根据采空区区内含水层的含水特征、断裂构造及陷落柱的含导水特征构建采空区积水异常位置及范围模型；

瞬变电磁勘探仪2，用于对构建采空区积水异常位置及范围模型进行积水信息的勘探；

智能终端3，用于接收勘探的积水信息进行可视化示出。

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。

上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

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，并不用于限制本发明的保护范围。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。

二、应用实施例：

应用例1

煤矿采空区富含水会对煤矿安全生产造成极大影响。

项目概况：五阳煤矿本次75、78采区及井田范围内小窑采空区地面瞬变电磁勘探项目共两个区域，其中75采区区域面积7.09平方公里，78采区区域面积5.01平方公里，75采区区域80％为3#煤层采空区，区域内地质构造相对清楚，采空区内积水大多通过放水巷流走，但不排除局部积水可能；78采区区域30％为3#煤层采空区，区域内地质构造不明，采空区内积水大多数通过放水巷流走，但不排除局部积水可能。区域内地质水文条件复杂，断裂构造、陷落柱等发育，太原组石灰岩、奥灰等含水层富水性较好，主要可采煤层受富(导)水构造及老空水威胁严重。

因此，须进行地面瞬变电磁勘探，以查明区内含水层的含水特征、断裂构造及陷落柱的含导水特征，3#煤层采空区积水情况，为未来区域内巷道、采煤工作面规划提供依据。

目标任务：1、查清勘探区内3#煤层采空区及积水区分布情况，圈定采空及积水异常区位置及范围；2、查清勘探区内断层、陷落柱等地质构造异常富导水情况，圈定富水异常区位置及范围。3、查明勘探区内山西组各含水层富水区及水力联系，其中重点控制3#煤顶底板主要含水层(K7、直接顶S4、K8、K10)主要含水层的相对富水区及水力联系。4、查明勘探区内采空区范围外太原组各含水层的富水区域及水力联系(K2、K5)，其中重点控制和15-1#、15-3#煤顶板主要含水层相对富水区及水力联系。5、控制勘探区内采空区范围外奥灰岩溶顶界面以下200米范围内岩溶发育情况，圈定相对富水区及水力联系。6、地面瞬变电磁勘探结束后结合工作成果、以往勘探资料及井田范围气象、地表水体、井泉、地面塌陷、废弃井筒、地面钻孔、老空区、相邻矿井等情况编制《五阳煤矿水文地质补充勘探成果报告》；7、在水文地质补充勘探的基础上，结合工作成果及以往勘探资料编制《五阳煤矿老空水害评价报告》、《五阳煤矿老空水防治工作方案》。

勘探范围：五阳煤矿75采区勘探位置位于五阳井田中部南部，面积7.09平方公里，78采区勘探位置位于五阳井田中部，面积5.01平方公里。

质量要求:质量检测点不少于3％。1、横向分辨率高、对低阻反应灵敏,可以有效地探测地下采空积水区。为做好探放水工作,从而有效地防止水害发生,保证煤矿安全生产。

2、全区瞬变电磁检测点，要求甲级率≥80％，合格率为100％。3、测量合格率要求达100％，优良级率不低于95％。4、测点相对误差不大于0.5米，高程误差不大于0.5米，一级测线点位置误差不大于0.2米，高程误差不大于0.2米。5、由于地形的影响，瞬变电磁法无法探测的区域允许丢点，丢点率不得大于2％。6、野外采集的数据，需当天逐条曲线进行验收，进行质量监督与室内评级工作，发现异常畸变点，应及时布置重复观测和检测，以保证原始记录的质量。7、建立现场资料处理站，及时对各种资料进行处理，以利指导和检查野外施工，并将各种属性数据及时输入计算机。8、绘制测线视电阻率断面图，进行纵向和横向对比分析，圈出富水区域，ρs水平切片图(或ρs平面等值线图)。9、瞬变电磁勘探精度至少保证40*20米。10、最终成果报告符合规范要求。

应用例2

本发明实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个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上述任意各个方法实施例中的步骤。

本发明实施例还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可实现上述各个方法实施例中的步骤。

本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。

本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。

本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

所述集成的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，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，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至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。

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。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。