一种地下空区的特征信息识别与分析方法技术

本发明专利技术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f1～f2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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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，能否专利技术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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术的术方案是：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f1～f2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。在本专利技术中，频谱能量衰落判据是计算256条谱线的平均幅值FJ并同时搜索出最大幅值谱线LMAX及另外12个次大幅值谱线LMAX1、LMAX2、…、LMAX12；若谱线LMAX的幅值FMAX≥20FJ并谱线LMAX12的幅值FMAX12≥FJ且12个次大幅值谱线LMAX1、…、LMAX12分布在最大幅值谱线LMAX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。在本专利技术中，极点谱线分散判据是缓存256条谱线到一指定存储区，在其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的原则找出频谱中的所有极值点，若在最大幅值谱线LMAX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。在本专利技术中，干扰剔除判据是存在频谱能量衰落且极点谱线不分散时，若最大幅值谱线LMAX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fc信息即为最大幅值谱线LMAX的幅值、频率；反之则不是地下空区特征信息。在本专利技术中，定性分析是根据多测点特征信息主频fc幅值E (t)的变化规律来评估地下空区的塌陷、充填情况。在本专利技术中，定量分析是根据主频频率fc、相位θMAX (f)、幅值FMAX和幅值小于频谱平均幅值FJ的第一条衰落谱线的相位θMIN (f)、幅值FMIN以及传输路径公共损耗K来确定地下空区的埋藏深度h=1591.58(1/fc)0.5，横向尺寸Bx= 4.775*107*[θMAX (f)-θMIN (f)] / fc，纵向尺寸Bx=10[lg (FMAX/FMIN)+K/20-1.172-lgfc]。本专利技术的有益效果是：本专利技术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是本专利技术的地下空区特征信息形成示意与识别流程图；图2是本专利技术的实施例一细化谱图；图3是本专利技术的实施例二细化谱图；图4是本专利技术的实施例三细化谱图；图5是本专利技术的实施例四细化谱图；图6是本专利技术的实施例五细化谱图；图7是本专利技术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专利技术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f1～f2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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地下空区的特征信息识别与分析方法，其特征在于：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f1～f2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。

【技术特征摘要】
1.一种地下空区的特征信息识别与分析方法，其特征在于：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f1～f2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。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：所述的频谱能量衰落判据是计算256条谱线的平均幅值FJ并同时搜索出最大幅值谱线LMAX及另外12个次大幅值谱线LMAX1、LMAX2、…、LMAX12；若谱线LMAX的幅值FMAX≥20FJ并谱线LMAX12的幅值FMAX12≥FJ且12个次大幅值谱线LMAX1、…、LMAX12分布在最大幅值谱线LMAX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。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：所述的极点谱线分散判据是缓存256条谱线到一指定存储区，在其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的原则找出频谱中的所有极值点，若在最大幅值谱线LMAX前后各6条谱线范围内存在2个以...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄采伦，吴亮红，王靖，张剑，徐光远，向滔，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43