CN109343134A - 一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据分析解释方法及***，属于煤矿地质勘探技术领域，具体是涉及一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法及***。本发明的数据分析处理建立在原始数据计算得到的视电阻率及深度数据基础上，不需要依靠经验因素。采用标准差标准化分析方法，有效修正了超前数据中视电阻率等值线呈同心圆状的情况，提高了数据的可分析性。

Description

一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法及***

技术领域

本发明涉及一种数据分析解释方法及***，属于煤矿地质勘探技术领域，具体是涉及一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法及***。

背景技术

瞬变电磁法是一种利用人工场源激发的电磁场进行探测的地球物理勘探方法，其以电磁感应理论为基本探测原理。根据工作空间的不同，可分为航空、地面、矿井瞬变电磁法。矿井瞬变电磁法主要应用于井下勘探，其中在煤矿井下巷道顶底板、掘进头超前探测及工作面探测等方面应用广泛。其探测过程主要有以下几步：利用不接地多匝方形回线作为发射源，向其中供入稳恒电流，在周围空间激发一次场；某个时刻切断电流，随之一次场消失，一次场的剧变在周围介质中激发感应电流并产生二次场；利用探头接收此二次场数据，并以此数据来分析周围介质的电性特征。

对矿井瞬变电磁探测数据进行视电阻率计算和时深变换，得到深度-视电阻率断面。因工作环境复杂，装置影响或背景场影响等原因，导致视电阻率断面特征复杂多变，容易对分析解释工作造成困难，为便于对视电阻断面进行辨识，需要对数据进行变换处理。

公开号为CN103344999A的中国发明专利公开了一种利用比值方法消除瞬变电磁数据中的背景场的方法，该发明采用的方法为：根据经验判断背景场随测线分布的方向，对数据沿X、Y方向按规则网格插值，根据经验确定的方向，对测线求取数据平均值，将测线上每一点的数据与平均值作比值，对所有测线重复以上步骤，然后绘图，判断绘图结果与经验判断方向是否一致，判断是否需要合成两个方向的比值再绘图。该发明需要建立在经验判断的基础上，对解释人员经验要求较高，且容易造成误判。

公开号为CN103278855的中国专利公开了一种消除巷道和地形对直流勘探视电阻率影响的方法，具体包括根据巷道形状和开挖深度、地形起伏高程等建立模型；将勘探区地层电阻率的最小值作为含巷道和带地形的均匀半空间的电阻率，将供电电极按照直流勘探采用的装置类型和布极方式，放置在模型中的对应位置，供电电极每移动一次，进行一次三维数值模拟，获得背景场的电位值，再插值得到接收电极间的电位差作为背景场的电位差，从点电流源位于水平均匀半空间中电位公式出发，推导视电阻率公式，将实测电位差减去作为背景场的电位差，得到无巷道和地形影响的电位差，代入电流源违约地下的半空间视电阻率公式，获得相对视电阻率。该发明主要针对直流勘探方法而言，讨论的是接地条件下，巷道和地形的影响，而瞬变电磁勘探不存在接地问题，另外该方法每次处理需要做一次三维数值模拟，计算量巨大，难以满足快速计算分析的要求。因此，对现有技术中的智能监控***进行改进，以满足不同应用场景的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

现有技术中，根据经验判断背景场随测线分布的方向，对数据沿X、Y方向按规则网格插值，根据经验确定的方向，对测线求取数据平均值，将测线上每一点的数据与平均值作比值，对所有测线重复以上步骤，然后绘图，判断绘图结果与经验判断方向是否一致，判断是否需要合成两个方向的比值再绘图，该发明需要建立在经验判断的基础上，对解释人员经验要求较高，且容易造成误判。针对此问题，本发明提出一种矿井瞬变电磁探测数据分析方法，该方法对深度-视电阻率数据做插值计算，求取等深度平均值及标准差，基于统计学理论，利用平均值及标准差对数据进行标准化修正，经标准差标准化处理后再网格化并成图分析，充分利用统计学规律，对数据进行处理分析，揭示其内在关系，避免了人为经验因素的不足。

现有技术需要建立模型，将勘探区地层电阻率的最小值作为含巷道和带地形的均匀半空间的电阻率，每测量一次进行一次三维数值模拟，获得背景场，将实测电位差减去背景场电位差，代入半空间视电阻率公式，获得相对视电阻率。现有技术主要针对直流勘探方法而言，讨论的是接地条件下，巷道和地形的影响，而瞬变电磁勘探不存在接地问题，另外该方法每次处理需要做一次三维数值模拟，计算量巨大，难以满足快速计算分析的要求。针对此问题，本发明提出一种矿井瞬变电磁探测数据分析方法，该方法基于初步处理得到的深度-视电阻率数据做进一步处理，规避了三维数值模拟计算复杂耗时的问题，基于统计学理论，对数据进行标准差标准化并成图，实现对异常的突出显示。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法及***，包括：

将仪器采集的深度-视电阻率数据按测点顺序依次排列；

将所述深度-视电阻率数据按规则网格插值；

插值是通过对深度-视电阻率数据进行加权组合来进行的，计算公式如下：

式中，C(x)为插值结果，d(x_i)为原始深度-电阻率数据，λ_i为插值权重，λ_i通过下式求得：

其中参数γ_ij计算公式如下：

γ(h)＝Var[d(x+h)-d(x)]/2

通过插值能够获得探测范围内均匀分布的数据点，为后续异常提取提供数据点支撑。

其中，所述规则网格在测线方向上网格大小一般为测点距，深度方向上网格大小约为2-10m，一般可选5m，输出插值后的数据文件。通过插值可以获得深度范围内均匀分布的数据体，便于后续进行异常提取解释。

按一定深度间隔抽取等深度数据C_ih；

按下述公式，求取每一组等深度数据平均值P_ih；

其中C_ih为测点i对应等深度h的数据，n为测点数。一组深度平均值计算完后，再计算下一组，直到所有深度数据均计算出平均值。

求取每一组等深度数据标准差σ_ih；

每一组等深度数据标准差σ_ih可用如下公式计算：

式中，n为测点数，C_ih为测点i对应等深度h的数据，P_ih为所有测点等深度数据的平均值。

对所述等深度数据C_ih进行标准差标准化后得到C’_ih；

对等深度数据进行标准差标准化，公式如下：

将所述等深度数据C_ih用标准差标准化后所得C’_ih替换；

将所述等深度数据C_ih用C’_ih替换，保持深度列数据不变，只将视电阻率数值用标准差标准化后的数据进行替换，得到深度-标准差标准化数据

利用绘图软件绘制深度-C’_ih剖面图供解释分析用。

利用Surfer等绘图软件绘制深度-C’_ih剖面图，结合其他资料对剖面图进行分析解释，解决相应的地质问题。

通过上述描述可知，本发明的有益效果是：

本发明主要针对现有矿井瞬变电磁数据处理中，视电阻率曲线特征多变，直接解释难以获得较好效果的情况，提出一种利用标准差标准化进行矿井瞬变电磁数据处理分析的方法，解决了矿井瞬变电磁勘探视电阻率断面特征多变，解释难度高的问题。本发明的数据分析处理建立在原始数据计算得到的视电阻率及深度数据基础上，不需要依靠经验因素。采用标准差标准化分析方法，有效修正了超前数据中视电阻率等值线呈同心圆状的情况，提高了数据的可分析性。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1例示了本发明实施例中的一种矿井瞬变电磁探测数据分析方法的流程图；

图2例示了本发明实施例中的巷道与异常体相对位置示意；

图3例示了本发明实施例中的对比例的采用常规处理方法的视电阻率成图；

图4例示了本发明实施例中的采用了标准差标准化异常成图；

图5例示了本发明实施例中的对比例中的采用常规处理方法得到的视电阻率成图；

图6例示了本发明实施例中的采用了标准差标准化成图。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

本实施例，首先提供了一种矿井瞬变电磁探测数据分析方法。下面将结合图1详细描述本发明实施例的矿井瞬变电磁探测数据分析方法。

在步骤S10中，将深度-视电阻率数据按测点顺序依次排列；

本实施例中，在原始数据基础上经过视电阻率计算和时深转换后得到深度-视电阻率数据，这些数据文件可能是杂乱排列的，为便于分析，统一将数据按测点顺序依次排列。

在步骤S20中，将深度-视电阻率数据按规则网格插值；

为便于比较处理，需要将深度-视电阻率数据按规则网格插值，在测线方向上网格大小一般为测点距，深度方向上网格大小约为2-10m，一般可选5m，输出插值后的数据文件。

具体的插值包括以下步骤：

插值是通过对深度-视电阻率数据进行加权组合来进行的，计算公式如下：

式中，C(x)为插值结果，d(x_i)为原始深度-电阻率数据，λ_i为插值权重，λ_i通过下式求得：

其中参数γ_ij计算公式如下：

γ(h)＝Var[d(x+h)-d(x)]/2

通过插值能够获得探测范围内均匀分布的数据点，为后续异常提取提供数据点支撑，式中，d(x+h)为x+h深度-电阻率数据,d(x)是x深度-电阻率数据，Var是方差计算函数。

在步骤S30中，按一定深度间隔抽取等深度数据C_ih；

在上一步插值文件基础上，按一定深度间隔抽取等深度数据，深度间隔可选2-10m，一般选择5m，此步骤深度间隔一般与前一步插值深度方向网格尺寸一致；保持一致可直接利用插值数据，保证数据的准确性，其次可保证深度范围内提取数据均匀分布，方便后续解释。

在步骤S40中，求取每一组等深度数据平均值P_ih；

针对所有测点等深度数据，求取其平均值P_ih，平均值公式为：

其中C_ih为测点i对应等深度h的数据，n为测点数。一组深度平均值计算完后，再计算下一组，直到所有深度数据均计算出平均值。

(5)求取每一组等深度数据标准差σ_ih；

每一组等深度数据标准差σ_ih可用如下公式计算：

式中，n为测点数，C_ih为测点i对应等深度h的数据，P_ih为所有测点等深度数据的平均值。

(6)对等深度数据C_ih进行标准差标准化后得到C’_ih；

对等深度数据进行标准差标准化，公式如下：

上式中符号含义与前面一致。

(7)将等深度数据C_ih用C’_ih替换；

将等深度数据C_ih用C’_ih替换，保持深度列数据不变，只将视电阻率数值用标准差标准化后的数据进行替换，得到深度-标准差标准化数据。

(8)利用绘图软件绘制深度-C’_ih剖面图供解释分析用。

利用Surfer等绘图软件绘制深度-C’_ih剖面图，结合其他资料对剖面图进行分析解释，解决相应的地质问题。

图2-4是根据本发明实施例进行的标准差标准化的处理效果。在图2-4中，中理论出发，采用数值模拟方法对本实施例的方法进行验证，以检验其效果。

在本实施例中，采用有限差分正演算法进行验证。

首先从数值模拟角度出发，建立地质模型，基于三维有限差分正演算法，进行矿井瞬变电磁超前探测电磁场响应试算。所建模型如图2所示，异常体为位于迎头前方50m的正方体状低阻体，其几何尺寸为30m×30m×30m。围岩电阻率为100Ω·m，异常体电阻率为1Ω·m。

按照常规处理步骤，对模拟结果计算视电阻率并成得到如图3所示的视电阻率成图。

图4则是利用本实施例提出的标准化标准差方法的成图。

图3-4中实线方框位置为模型中异常体范围，从图3中可以看出，虽然常规处理视电阻率成图异常***置为低阻响应，但低阻区域范围明显大于异常体范围，低阻区呈围绕迎头的半环状，与异常体为迎头前方的正方体状低阻体吻合较差。图4中经标准差标准化变换后，异常范围与模型中异常***置基本吻合。可以看出相比常规电阻率解释成图，标准差标准化异常成图较好的提高了解释精度。

图5-6是基于实测资料验证异常解释成图中标准差标准化方法的有效性。

图5和图6分别是利用常规视电阻率成图和标准差标准化异常分析方法进行处理成图。

图5为常规视电阻率成图，视电阻率等值线大致呈以迎头为中心点的同心圆状，难以圈定异常范围。图6为标准差标准化后异常图，共圈出2处异常。图中右侧帮位置实线方框为已知积水采空区范围，可以看出，图6中2号异常与采空区范围吻合较好；其中对图6中1号异常打钻验证，出水5.8m³/h。

对比图5和图6解释可以发现，超前探测范围内均为煤层，其实际电阻率不应该是同心圆状分布，用图5难以对前方水文地质情况进行准确解释，而标准差标准化异常解释结果与实际水文地质情况吻合较好。

通过以上描述可知，本实施例的方案解决了矿井瞬变电磁勘探视电阻率断面特征多变，解释难度高的问题。本实施数据分析处理建立在原始数据计算得到的视电阻率及深度数据基础上，不需要依靠经验因素。采用标准差标准化分析方法，有效修正了超前数据中视电阻率等值线呈同心圆状的情况，提高了数据的可分析性。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法，其特征在于，包括：

按一定深度间隔从深度-视电阻率数据中抽取等深度数据；

对所述等深度数据进行标准差标准化处理并用处理后的数据替换深度-视电阻率数据中的电阻率数值以得到深度-标准差标准化数据；

基于所述深度-标准差标准化数据进行地质解释。

2.根据权利要求1所述的一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法，其特征在于，包括：

将深度-视电阻率数据按测点顺序依次排列并按规则网格进行插值；

基于插值文件按一定深度间隔抽取等深度数据。

3.根据权利要求2所述的一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法，其特征在于，所述深度间隔与前一步插值中的纵向网格尺寸一致。

4.根据权利要求1所述的一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法，其特征在于，对所述等深度数据进行标准差标准化处理包括：

基于下式求取测点等深度数据平均值P_ih；

其中，C_ih为测点i对应等深度h的数据，n为测点数；

基于下式求取每一组等深度数据标准差σ_ih：

式中，n为测点数，C_ih为测点i对应等深度h的数据，P_ih为所有测点等深度数据的平均值。

基于下式对等深度数据C_ih进行标准差标准化处理：

式中C’_ih为标准差标准化处理的数据；将所述等深度数据C_ih用C’_ih替换，保持深度列数据不变，只将视电阻率数值用标准差标准化后的数据进行替换，得到深度-标准差标准化数据。

5.根据权利要求1所述的一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释方法，其特征在于，利用Surfer等绘图软件绘制深度-C’_ih剖面图，结合其他资料对剖面图进行分析解释，解决相应的地质问题。

6.一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释***，其特征在于，包括：

数据抽取模块，按一定深度间隔从深度-视电阻率数据中抽取等深度数据；

标准差计算模块，对所述等深度数据进行标准差标准化处理并用处理后的数据替换深度-视电阻率数据中的电阻率数值以得到深度-标准差标准化数据；

地质解释模块，基于所述深度-标准差标准化数据进行地质解释。

7.根据权利要求6所述的一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释***，其特征在于，所述数据抽取模块包括：

插值单元，将深度-视电阻率数据按测点顺序依次排列并按规则网格进行插值；

抽取单元，基于插值文件按一定深度间隔抽取等深度数据。

8.根据权利要求7所述的一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释***，其特征在于，所述深度间隔与前一步插值中的纵向网格尺寸一致。

9.根据权利要求6所述的一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释***，其特征在于，对所述标准差计算模块对等深度数据进行标准差标准化处理包括：

基于下式求取测点等深度数据平均值P_ih；

其中，C_ih为测点i对应等深度h的数据，n为测点数；

基于下式求取每一组等深度数据标准差σ_ih：

式中，n为测点数，C_ih为测点i对应等深度h的数据，P_ih为所有测点等深度数据的平均值。

基于下式对等深度数据C_ih进行标准差标准化处理：

式中C’_ih为标准差标准化处理的数据；将所述等深度数据C_ih用C’_ih替换，保持深度列数据不变，只将视电阻率数值用标准差标准化后的数据进行替换，得到深度-标准差标准化数据。

10.根据权利要求6所述的一种矿井瞬变电磁探测数据分析解释***，其特征在于，所述地质解释模块利用Surfer等绘图软件绘制深度-C’_ih剖面图，结合其他资料对剖面图进行分析解释，解决相应的地质问题。