技术领域
本发明涉及一种煤田火区空洞探测技术领域，是一种煤田火区空洞高精度探测方法及装置。
背景技术
中国是世界上煤田火区最为严重的国家之一，由于煤田火区的发生，引发或加重了其他自然灾害所造成的经济损失更是无法估算，因此依靠现代科学技术，多学科跨部门联合攻关，全面系统深入地开展煤田火区勘查的研究，对保护人民生命财产安全，减轻地质灾害损失，实现社会经济的持续发展具有非常重要的意义。
煤火燃烧不仅损失大量宝贵的煤炭资源，而且严重污染大气环境。火灾治理工程的投资、效率主要取决前期煤火的探测精度。目前国内物探方法手段种类繁多，现有高密度直流电法用于勘察地下岩石体的隐伏孔穴、煤层采空区，确定断层、裂缝的垂直延伸及倾向，确定地下水的存在位置。使用高密度直流电法当深度不断加大，电极距也不断加大，地质要素数据越稀少，分辨率随之降低，深部的范围较小的物性异常很难辨识，为了提高分辨率常将电极极距和点距加密，延长测线长度，提高探测精度，但随之野外工作量也成倍增加，工作效率大大降低。
发明内容
本发明提供了一种煤田火区空洞高精度探测方法及装置，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有用于煤田火区空洞探测的高密度直流电法存在的随着探测深度增大，分辩识别度降低，深部空洞难以识别的问题。
本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种煤田火区空洞高精度探测方法，包括：
在待测煤田火区沿直线等间隔设置若干探测点；在多个探测点设置第一供电电极，相邻第一供电电极之间的距离相同；在无穷远处设置第二供电电极；在探测点设置测量电极，测量电极极距相同；
获得不同第一供电电极供电时，各个测量电极对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，并对若干探测数据进行数据处理；其中探测数据包括要素点水平位置，要素点对应深度，要素点的视电阻率值，数据处理包括剔除受地表电性不均匀影响的探测数据，筛选放大地下电性异常体对应的探测数据；
对处理后的探测数据进行二维反演，并根据二维反演的探测数据绘制待测煤田火区的视电阻率等值线剖面图，分析空洞位置。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述获得不同第一供电电极供电时，各个测量电极对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，并对若干探测数据进行数据处理，包括：
根据探测深度，获得各个测量电极在不同第一供电电极供电时，对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，其中，探测数据包括要素点水平位置，要素点对应深度，要素点的视电阻率值；
根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型；其中，加权平均后的视电阻率值由对探测数据进行初次筛选，对初次筛选后的探测数据的视电阻率值进行加权平均获得；
根据地球物理模型对初次筛选后的探测数据进行正演，对正演后的探测数据进行二次筛选，将二次筛选后的探测数据进行数学指数放大，将正演所得的探测数据与经数学指数放大的探测数据进行合并。
上述根据探测深度，获得各个测量电极在不同第一供电电极供电时，对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，包括：
确定所有电极的接地电阻满足探测要求；
根据探测深度选择对应的第一供电电极，使用不同第一供电电极供电，获取某一测量电极所在探测点对应的要素点的供电电压、测量电流，循环获取各个测量电极在不同第一供电电极供电时，所在探测点对应的要素点的供电电压、测量电流；
输出各个要素点的探测数据，其中探测数据包括要素点水平位置，要素点对应深度，要素点的视电阻率值，要素点的视电阻率值通过要素点的供电电压和测量电流获得。
上述建立地球物理模型，包括：
对探测数据进行初次筛选，剔除极大值和极小值；
对探测数据的视电阻率值进行加权平均；
确定待测煤田火区的岩层分布和岩层电阻值，根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型。
上述对正演后的探测数据进行二次筛选，包括：
将初次筛选后的探测数据中的视电阻率值进行加权平均；
根据加权平均的结果设定阈值；
筛选出视电阻率值的绝对值大于阈值的探测数据，完成二次筛选。
上述根据视电阻率等值线剖面图，分析空洞位置，包括：
确定视电阻率值异常阈值；
确定视电阻率等值线剖面图中视电阻率值异常区域；
将其视电阻率值与视电阻率值异常阈值比较，大于阈值则该位置为空洞位置。
本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种煤田火区空洞高精度探测装置，包括：
电极设置单元，在待测煤田火区沿直线等间隔设置若干探测点；在多个探测点设置第一供电电极，相邻第一供电电极之间的距离相同；在无穷远处设置第二供电电极；在探测点设置测量电极，测量电极极距相同；
探测数据获取及处理单元，获得不同第一供电电极供电时，各个测量电极对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，并对若干探测数据进行数据处理；其中探测数据包括要素点水平位置，要素点对应深度，要素点的视电阻率值，数据处理包括剔除受地表电性不均匀影响的探测数据，筛选放大地下电性异常体对应的探测数据；
制图及分析单元，对处理后的探测数据进行二维反演，并根据二维反演的探测数据绘制待测煤田火区的视电阻率等值线剖面图，分析空洞位置。
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
上述探测数据获取及处理单元包括：
探测数据获取单元，根据探测深度，获得各个测量电极在不同第一供电电极供电时，对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，其中，探测数据包括要素点水平位置，要素点对应深度，要素点的视电阻率值；
模型建立单元，根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型；其中，加权平均后的视电阻率值由对探测数据进行初次筛选，对初次筛选后的探测数据的视电阻率值进行加权平均获得；
数据推演单元，根据地球物理模型对初次筛选后的探测数据进行正演，对正演后的探测数据进行二次筛选，将二次筛选后的探测数据进行数学指数放大，将正演所得的探测数据与经数学指数放大的探测数据进行合并。
本发明在单极偶极测深法的基础上增加了测量电极，测量电极之间的极距不变，所有电极为一次性布设好，探测时不断变化第一供电电极自动探测深部物性异常，同时对物性异常实现了多次叠加测量，且每个探测点的垂直下方，根据深度的递增设置对应的要素点，使得要素点均匀分布，实现了对煤田火区整个剖面的全覆盖，不会由于探测深度增加，使得要素数据减少，进而不会对煤田火区空洞的确定精度产生影响，且本发明所探测煤田火区的剖面为矩形分布，剖面两端无盲区，解决了现有高密度直流电法所探测的倒三角剖面，剖面两端深部为盲区，在野外实际作业中常常为了减小盲区，人为的延长测线长度，测线长度常常成倍增加，从而给野外作业增加成倍工作量的问题，在保证探测精度的基础上有效降低了野外作业量。同时本发明在获得不同第一供电电极供电时待测煤田火区的若干探测数据后，通过剔除由供电电流造成的地表电性不均匀对应的探测数据，筛选放大地下电性异常体对应的探测数据等数据处理方式，能有效避免由于地表电性不均匀造成的接地电阻不一致、地形干扰、供电电极造成的电场干扰，且放大异常，从而在视电阻率等值线剖面图中准确的判断出煤田火区空洞。
附图说明
附图1为本发明实施例1的探测方法流程图。
附图2为本发明实施例1的电极布置示意图。
附图3为本发明实施例2的探测方法流程图。
附图4为本发明实施例2中的地球物理模型建立流程图。
附图5为本发明实施例3的探测方法流程图。
附图6为本发明实施例3中的探测示意图。
附图7为本发明实施例4的装置结构示意图。
附图8为本发明实施例4中探测数据获取及处理单元的结构示意图。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
实施例1，如附图1所示，公开了一种煤田火区空洞高精度探测方法，包括：
S101，在待测煤田火区沿直线等间隔设置若干探测点；在多个探测点设置第一供电电极，相邻第一供电电极之间的距离相同；在无穷远处设置第二供电电极；在探测点设置测量电极，测量电极极距相同；
S102，获得不同第一供电电极供电时，各个测量电极对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，并对若干探测数据进行数据处理；其中探测数据包括要素点水平位置、要素点对应深度、要素点的视电阻率值，数据处理包括剔除受地表电性不均匀影响的探测数据，筛选放大地下电性异常体对应的探测数据；
S103，对处理后的探测数据进行二维反演，并根据二维反演的探测数据绘制待测煤田火区的视电阻率等值线剖面图，分析空洞位置。
本发明公开了一种煤田火区空洞高精度探测方法，在单极偶极测深法的基础上增加了测量电极，测量电极之间的极距不变，所有电极为一次性布设好，探测时不断变化第一供电电极，自动探测深部物性异常，对物性异常实现了多次叠加测量，且每个探测点的垂直下方，根据深度的递增设置对应的要素点，使得要素点均匀分布，实现了对煤田火区整个剖面的全覆盖，不会由于探测深度增加，使得要素数据减少，进而不会对煤田火区空洞的确定精度产生影响，且本发明所探测煤田火区的剖面为矩形分布，剖面两端无盲区，解决了现有高密度直流电法所探测的倒三角剖面，剖面两端深部为盲区，在野外实际作业中常常为了减小盲区，人为的延长测线长度，测线长度常常成倍增加，从而给野外作业增加成倍工作量的问题，在保证探测精度的基础上有效降低了野外作业量。
本发明在获得不同第一供电电极供电时待测煤田火区的若干探测数据后，通过剔除由供电电流造成的地表电性不均匀对应的探测数据，筛选放大地下电性异常体对应的探测数据等数据处理方式，能有效避免由于地表电性不均匀造成的接地电阻不一致、地形干扰、供电电极造成的电场干扰，从而在视电阻率等值线剖面图中准确的判断出煤田火区空洞。
上述技术方案步骤S101中，第二供电电极为无穷远极，一般布设在垂直测线方向，无穷远处距离可为测线长度的8至10倍（测线长度为待测煤田火区所需布置若干探测点的直线测量长度）。测量电极分为电极M和电极N，电极M和电极N之间的极距固定不变，电极M和电极N分别设置在一个探测点上。
例如，设定测线长度80米，探测深度120米，探测点间隔为5米，第一供电电极间隔为20米，测量电极极距为10米，则如附图2所示，探测点有17个，第一供电电极有5个（分别为A1、A2、A3、A4、A5），第二供电电极设置在垂直测线方向640米处。
上述技术方案步骤S102输出的探测数据为dat格式，其中X为要素点的水平位置，Y为要素点的对应深度，Z为素点的视电阻率值。
上述技术方案步骤S103中，选择国产的GEORES3D三维高密度电法软件或德国的RESECS三维高密度电法软件，对处理后的探测数据进行加地形改正的二维反演，经过二维反演后得到的dat成果数据，可运用sufer制图软件绘制成视电阻率等值线剖面图，再根据视电阻率等值线剖面图分析空洞位置，具体如下：
1、确定视电阻率值异常阈值（一般可设定为3000Ω）；
2、确定视电阻率等值线剖面图中视电阻率值异常区域；
3、将其视电阻率值与视电阻率值异常阈值比较，大于阈值则该位置为空洞位置。
实施例2，如附图3所示，公开了一种煤田火区空洞高精度探测方法，包括：
S201，在待测煤田火区沿直线等间隔设置若干探测点；在多个探测点设置第一供电电极，相邻第一供电电极之间的距离相同；在无穷远处设置第二供电电极；在探测点设置测量电极，测量电极极距相同；
S202，根据探测深度，获得各个测量电极在不同第一供电电极供电时，对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，其中，探测数据包括要素点水平位置，要素点对应深度，要素点的视电阻率值；
S203，根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型；其中，加权平均后的视电阻率值由对探测数据进行初次筛选，对初次筛选后的探测数据的视电阻率值进行加权平均获得；
S204，根据地球物理模型对初次筛选后的探测数据进行正演，对正演后的探测数据进行二次筛选，将二次筛选后的探测数据进行数学指数放大，将正演所得的探测数据与经数学指数放大的探测数据进行合并；
S205，对处理后的探测数据进行二维反演，并根据二维反演的探测数据绘制待测煤田火区的视电阻率等值线剖面图，分析空洞位置。
上述技术方案中通过步骤S203根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型，如附图4所示，包括
S2031，对探测数据进行初次筛选，剔除极大值和极小值；
S2032，对各个探测点对应的要素点的视电阻率值进行加权平均；
S2033，确定待测煤田火区的岩层分布和岩层电阻值，根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型。
由于探测数据中极值的绝对值一般大于原始数据中位数的30倍以上，这些极值是由地表电性不均匀造成的接地电阻不一致、地形干扰、供电电极的电场干扰引起的，故在步骤S2031中可通过类比法将这些探测数据分辩剔除，从而将煤田火区空洞所反映的异常与地表不均匀性所反映的异常区分开来。
上述步骤S2032中对各个探测点对应的要素点的视电阻率值进行加权平均，通过类比确定视电阻率值区间，然后确定各个要素点的视电阻率值所在的区间，确定各个视电阻率值区间的占比。
上述步骤S2033中待测煤田火区的岩层分布，需结合地质资料确定探测区内的地质情况，如某火区岩层为砂岩、第四系覆盖层为卵石层、煤层等，然后根据地质构造确定各岩层的分布情况，再根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型，根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型通过使用现有软件即可完成建立，故不再赘述。
上述技术方案步骤S204中，地球物理模型与初次筛选后的探测数据可通过等差数列进行正演，使探测数据视电阻率值更接近地层实际视电阻率值，再对正演后的探测数据进行二次筛选，将二次筛选后的探测数据进行数学指数放大，这里所放大的异常就是后期成图的异常凸显范围。
其中，对初次筛选后的探测数据进行二次筛选，包括：
1、获取特定区域内的正演后的探测数据，将其视电阻率值进行加权平均；这里正演后探测数据视电阻率值判断可能出现空洞的区域及空洞的类型，从而找到特定区域；
2、根据加权平均的结果设定阈值，即将加权平均的结果与设定百分数做乘法；例如煤层范围为特定区域，煤层范围内加权平均得到的结果为130Ω，则阈值为130Ω*50%；
3、筛选出视电阻率值的绝对值大于阈值的探测数据，完成二次筛选。
实施例3，如附图5所示，公开了一种煤田火区空洞高精度探测方法，包括：
S301，在待测煤田火区沿直线等间隔设置若干探测点；在多个探测点设置第一供电电极，相邻第一供电电极之间的距离相同；在无穷远处设置第二供电电极；在探测点设置测量电极，测量电极极距相同；
S302，确定所有电极的接地电阻满足探测要求；
S303，根据探测深度选择对应的第一供电电极，使用不同第一供电电极供电，获取某一测量电极所在探测点对应的要素点的供电电压、测量电流，循环获取各个测量电极在不同第一供电电极供电时，所在探测点对应的要素点的供电电压、测量电流；
S304，输出各个要素点的探测数据，其中探测数据包括要素点水平位置、要素点对应深度、要素点的视电阻率值，要素点的视电阻率值通过要素点的供电电压和测量电流获得；
S305，根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型；其中，加权平均后的视电阻率值由对探测数据进行初次筛选，对初次筛选后的探测数据的视电阻率值进行加权平均获得；
S306，根据地球物理模型对初次筛选后的探测数据进行正演，对正演后的探测数据进行二次筛选，将二次筛选后的探测数据进行数学指数放大，将正演所得的探测数据与经数学指数放大的探测数据进行合并；
S307，对处理后的探测数据进行二维反演，并根据二维反演的探测数据绘制待测煤田火区的视电阻率等值线剖面图，分析空洞位置。
上述技术方案步骤S302中，由于接地电阻的大小对采集的探测数据影响较大，如果接地电阻过大对采集的探测数据以及后期资料解析带来诸多干扰，因此接地电阻应小于设定值（设定值可为2KΩ）。常用的直流电法仪都具有接地电阻的检测功能，通常选用的直流电法仪有重庆奔腾地质仪器厂生产的DYJJ-2型多功能数字电法仪、美国AGI多功能数字电法仪等，通过仪器外接插孔与第一供电电极和第二供电电极连接，对第二供电电极与所有电极的接地电阻进行自动检测并筛选出接地电阻大于2KΩ的电极，通过人工浇水灌浆等方式处理，使其接地电阻小于2KΩ，通过多次检测，多次人工处理电极等方式致使所有电极符合探测要求方可进行数据采集工作，对经过数次人工处理仍然未达到探测要求的电极，可采用人为屏蔽，即该电极不参与供电及测量。
上述技术方案步骤S303中，要素点的供电电压、测量电流时可经由高密度电阻率法的供电系统获取，供电系统包括第一供电电极、第二供电电极、供电电极交换机、440V直流电路，并可通过测量电极交换机获得素点的供电电压、测量电流。
上述技术方案步骤S303中，如附图6所示，根据探测深度选择对应的第一供电电极，使用不同第一供电电极供电，获取某一测量电极所在探测点对应的要素点的供电电压、测量电流。这里每个第一供电电极与测量电极之间的距离决定了探测深度。
例如，探测深度为80米，第一供电电极间隔20米，则选择测量电极临近的电极进行供电，逐步选择80米范围内的第一供电电极供电，最远选择距当前测量电极80米的第一供电电极供电，在每一个第一供电电极供电时，获取测量电极所在探测点对应的要素点的供电电压、测量电流，故可获得5组探测结果；依次对邻近测量电极使用相同方式进行数据获取。
上述技术方案步骤S304中，要素点的视电阻率值根据ΔU/I获得，其中ΔU为电势差，I为测量电流。
实施例4，如附图7所示，公开了一种煤田火区空洞高精度探测装置，包括：
电极设置单元，在待测煤田火区沿直线等间隔设置若干探测点；在多个探测点设置第一供电电极，相邻第一供电电极之间的距离相同；在无穷远处设置第二供电电极；在每个探测点设置一个测量电极，且每一对测量电极之间的极距相同；
探测数据获取及处理单元，获得不同第一供电电极供电时，各个测量电极对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，并对若干探测数据进行数据处理；其中探测数据包括要素点水平位置，要素点对应深度，要素点的视电阻率值，数据处理包括剔除受地表电性不均匀影响的探测数据，筛选放大地下电性异常体对应的探测数据；
制图及分析单元，对处理后的探测数据进行二维反演，并根据二维反演的探测数据绘制待测煤田火区的视电阻率等值线剖面图，分析空洞位置。
上述实施例中，探测数据获取及处理单元进一步包括：
如附图8所示，所述探测数据获取及处理单元包括：
探测数据获取单元，根据探测深度，获得各个测量电极在不同第一供电电极供电时，对应探测点在地面下对应的要素点的探测数据，其中，探测数据包括要素点水平位置，要素点对应深度，要素点的视电阻率值；
模型建立单元，根据岩层分布、岩层电阻值和加权平均后的视电阻率值建立地球物理模型；其中，加权平均后的视电阻率值由对探测数据进行初次筛选，对初次筛选后的探测数据的视电阻率值进行加权平均获得；
数据推演单元，根据地球物理模型对初次筛选后的探测数据进行正演，对正演后的探测数据进行二次筛选，将二次筛选后的探测数据进行数学指数放大，将正演所得的探测数据与经数学指数放大的探测数据进行合并。
以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
机译： 煤田火区灭火钻头孔中内置的直接发电装置
机译： 煤田火区地下高温区热能的提取方法。
机译： 煤田火区地下高温区热能的提取方法
