一种基于时空数据融合的煤矿采空区勘察系统的制作方法

本发明属于地质勘察，特别是涉及一种基于时空数据融合的煤矿采空区勘察系统。

背景技术：

1、煤矿在开采完毕后都会形成采空区，采空区也存在着数量巨大的可利用资源，比如废弃的矿井地以及地下空间、残滞煤气资源等，尤其是在大批矿井关闭、废气的情况下，对采空区的开发能够为国家的基础设施建设规划以及以煤矿为主的工业城市二次发展有着重要的战略意义，但是在采空区长时间缺乏精细管理的情况下，采矿的历史开采资料存在很大程度上的丢失、损坏以及不规范，导致对废弃时间久远的采空区进行精细历史勘察成为挑战难度非常高的工作，采空区的历史勘察需要综合考虑采空区开采的时间特征和空间特征，形成对地下动态开采和地表动态响应的四维开采动态沉陷预测的模型，地表移动和变形预计是预测开采损害的重要内容，国内常用的采空区沉陷预计方法主要为概率积分法；同时，传统手段对工作面上地表的沉陷测量通常采用水准仪和gps手段定对沿着工作面上方地表走向和倾向方向进行双测线观测，观测范围狭窄、观测效率低且需要付出大量的人工和成本，观测的测点也很容易被现场作业给破坏，因此引入了合成孔径雷达差分干涉测量技术，能够全天候、全天时、大范围对采空区的地表沉陷进行测量，但是这种测量手段存在一个不足，那就是在地表出现较大形变、沉降剧烈时，干涉图无法获取地表真实形变信息，同时合成孔径雷达的成像属于一维描述，无法形成对地表沉陷形变的三维描述，而且地表复杂的植被环境、沉陷盆地积水等也会导致合成孔径雷达监测存在时空基线失相干的风险，而且这种方法只能识别采空区的空间形态特征参数，无法获取历史工作面的时空特征，难以实现对关闭或者废气矿井采空区进行精准的历史反演，但是现有的煤矿采空区勘察系统中还没有能够融合时间特征和空间特征的综合指标，无法描述繁杂的煤矿井上井下动态采动关系，缺乏对不同地质采矿条件下对采空区地面下沉程度进行描述的指标。因此，本发明提出一种基于时空数据融合的煤矿采空区勘察系统，该系统能够融合煤矿采空区历史开采时的时空特征参数对采空区历史采煤的采动关系进行准确描述，进而能够根据时空特征参数很好的描述不同地质条件下对采空区进行二次开采会造成的地面下沉程度，能够结合采空区的历史开采反演的数据，帮助预测当下采空区开发形成的地表沉陷影响，避免盲目对采空区二次开采造成对地表的严重损坏。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是为了解决现有的煤矿采空区勘察系统中还没有能够融合时间特征和空间特征的综合指标，无法描述繁杂的煤矿井上井下动态采动关系，缺乏对不同地质采矿条件下对下沉率和下沉系数的准确拟合描述的不足，而提供的一种基于时空数据融合的煤矿采空区勘察系统。

2、本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

3、一种基于时空数据融合的煤矿采空区勘察系统，包括数据准备模块，所述数据准备模块连接有数值反演模块，所述数值反演模块连接有适应度估算模块，所述适应度估算模块连接有寻优迭代计算模块，所述寻优迭代计算模块连接有时空融合沉陷评估模块，上述模块的作用分为如下：

4、数据准备模块：设定对第个时序的废弃煤矿采矿活动进行勘测，利用合成孔径雷达技术获取地表沿着los的一维方向获取地表变形的矢量场，获取矿区临近工作面地表沉降稳定后的累计形变结果和地质采矿资料；

5、数值反演模块：利用工作面平均厚度、平均倾角、倾向方位角、平均采深、走向动态开采长度、倾向开采长度以及工作面动态中心点坐标构建时空特征参数体系，结合动态概率积分模型对t时刻工作面开采长度为d3按开采时间划分为k个单元，数值刻画井下采动引起地表任意点的下沉和沿某一方向的水平移动，创建井下时空特征参数满足的非线性关系模型，井下时空特征参数满足的非线性关系模型的数学公式中，将动态走向开采深度记为，将平均采深记为h，利用动态走向开采长度和平均采深比值的相反数作用函数的自变量代入，利用求解出来的函数值对下沉率和下沉系数之间的关系进行数值拟合，其中下沉率的变化趋势为s型生长曲线，即下沉系数与下沉率的比值等于，时空特征参数非线性关系模型满足的公式为：

6、；

7、式中：记为下沉率，记为下沉系数；

8、其中，；

9、式中：记为s型生长曲线函数表达式，记为覆岩的抗拉能力评估指标，记为覆岩的抗压能力评估指标，以及分别表述函数的底部决定参数和顶部决定参数，利用随机数的方式进行拟合确定，其中覆岩的抗压能力评估指标以及覆岩的抗拉能力评估指标分别与覆岩自身的抗压强度和抗拉强度均正相关，覆岩的抗压能力评估指标和抗拉能力评估指标的评估公式分别为：

10、（1）覆岩的抗压能力评估指标的评估公式：

11、；

12、式中：记为覆岩的抗压能力评估指标，记为覆岩的抗压强度，根据覆岩的种类确定；

13、（2）覆岩的抗拉能力评估指标的评估公式：

14、；

15、式中：记为覆岩的抗拉能力评估指标，记为覆岩的抗拉强度，根据覆岩的种类确定；

16、适应度估算模块：利用上述数值模型反演矿区的时间系数、下沉率变换函数的函数值、以及静态概率积分参数，确定井下时空特征参数取值范围，利用时空特征参数取值范围生成初始的迭代数据，构建数值模型正向预计地表下沉、东西水平移动和南北水平移动，根据合成孔径雷达变形监测技术的los轴向投影得出los方向移动变形预计值，结合合成孔径雷达变形监测技术监测的los变形，构建适应度函数，将初始迭代数据代入适应度函数，进行第一次迭代，判断是否满足迭代终止条件，满足则停止迭代，不满足则进入寻优阶段；

17、寻优迭代模块：利用烟花算法对初始迭代数据进行爆炸半径和爆炸火花数目计算，生成爆炸火花，同时利用高斯变异生成高斯变异火花，把超出边界的火花映射到可行域内，将初始迭代数据、爆炸火花以及高斯变异火花组成的集合数据进行适应度评价，根据种子选择策略选择下一步迭代数据集合，将其代入适应度函数，并判断是否马满足迭代终止条件，满足则终止迭代，不满足则循环执行种子选择后循环迭代，直到满足迭代终止条件，输出时空特征参数体系的解；

18、时空融合沉陷评估模块：利用寻优迭代模块输出的时空特征参数体系求解时空特征参数，对采空区地下采挖动作造成表面沉陷的程度进行评估，设置地表沉陷评估指标，地表沉陷评估指标与求解出的时空特征参数正相关，地表沉陷评估指标的评估公式为：

19、；

20、式中：记为地表沉陷评估指标，记为时空特征参数；

21、其中，时空特征参数与工作面平均厚度、平均采深、走向动态开采长度以及倾向开采长度均正相关，与倾向方位角、平均倾角以及工作面动态中心点坐标均负相关，时空特征参数的公式为：

22、；

23、式中：a为工作面平均厚度，记为倾向开采长度，记为倾向方位角，记为平均倾角，以及分别记为工作面从开始推进到预计经历时间段为t时的动态中心点坐标的横坐标和纵坐标。

24、作用本发明进一步的方案，所述数值反演模块使用的动态概率积分模型所采区的井下时空特征参数体系重的倾向开采长度倾向一次采全长，采掘过程中倾向开采长度不随时间的改变而改变。

25、作用本发明进一步的方案，所述适应度估算模块的适应度函数公式为：

26、；

27、式中：记为适应度函数，记为分段时序的集合，记为计算出的时序序号为时的地表沿los向变形矢量的模，记为时序序号为时的地表沿los向变形矢量的模；

28、其中，时序序号为时的地表沿los向变形矢量模与东西方向水平距离和南北方向水平移动距离均负相关，与正向预计地表下沉值正相关，时序序号为时的地表沿los向变形矢量模的公式为：

29、；

30、式中：记为适应度，记为东西向水平移动的距离，记为南北向水平移动的距离，记为分解角度一，记为分解角度二，分解角度一和分解角度二的取值均设为内的随机数，记为正向预计地表下沉值。

31、作用本发明进一步的方案，所述适应度函数的收敛判据为是否小于0.05，当时，记为适应度函数收敛；当时记为适应度函数不收敛。

32、作用本发明进一步的方案，所述寻优迭代模块生成爆炸花火时对控制爆炸半径的常数在每个生成的火花路径上均设置自适应值，将爆炸火花的数目扩大2.5倍，并且为每个爆炸的维度上设置最低阈值，限定爆炸半径的最小值，对产生的高斯变异算子使用的随机数进行当前烟花种群中适应度最优的烟花在这个维度上的位置信息对此处的火花进行边界限定，对超出边界的火花进行随机数限定，避免火花半径超出边界。

33、本发明的有益技术效果：按照本发明的基于时空数据融合的煤矿采空区勘察系统，通过数据准备模块的设置，能够利用合成孔径雷达变形监测技术获取矿区临近工作面地表沉降稳定后的累计形变结果和地质采矿资料，通过数值反演模块的设置，能够利用工作面平均厚度、平均倾角、倾向方位角、平均采深、走向动态开采长度、倾向开采长度以及工作面动态中心点坐标构建时空特征参数体系，再结合动态概率积分模型对时空特征参数体系进行反演求解，融合煤矿采空区历史开采时的时空特征参数对采空区历史采煤的采动关系进行准确描述，进而能够根据时空特征参数很好的描述不同地质条件下对采空区进行二次开采会造成的地面下沉程度，能够结合采空区的历史开采反演的数据，帮助预测当下采空区开发形成的地表沉陷影响，避免盲目对采空区二次开采造成对地表的严重损坏。