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1、1研究背景1.1研究提出的背景1.2研究的目的及意義煤礦作為一種重要的資源，其開采形成的采空由于歷史的原因，大多未進(jìn)行有效地治理，而處于廢棄狀態(tài)，有的采空區(qū)出現(xiàn)了大面積的地面沉陷，有的采空出現(xiàn)了地面裂隙，有的尚未出現(xiàn)明顯的反映，采空作為人類活動產(chǎn)生的潛在地質(zhì)災(zāi)害之一，給礦山的安全生產(chǎn)、工程建設(shè)和人民的生命財產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。由于老窯采空區(qū)形態(tài)的不確定性，要對采空區(qū)治理，對采空區(qū)的地理位置、埋深、現(xiàn)狀情況進(jìn)行了解是關(guān)鍵，只有對采空區(qū)的空間分布狀態(tài)有了充分的了解，治理才能有的放矢。因此,為減輕和預(yù)防由地下采空區(qū)所引發(fā)
2、的地質(zhì)災(zāi)害,建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),探索用綜合物探方法探測采空區(qū)的分布，為評價和治理提供依據(jù)是十分迫切和有意義的。目前,采空區(qū)的探測已經(jīng)成為一項重要的研究課題,但是仍處于發(fā)展階段。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究現(xiàn)狀采空區(qū)的探測，目前，國內(nèi)外主要是以采礦情況調(diào)查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。其中，美國等西方發(fā)達(dá)國家以物探方法為主，而我國目前以鉆探為主，物探為輔。在美國，采空區(qū)等地下空洞探測技術(shù)全面，電法、電磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度電阻率法、高分辨率地震勘探技
3、術(shù)尤為突出，且近年來在地震CT技術(shù)方面也發(fā)展迅速。日本的工程物探技術(shù)在國外同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，應(yīng)用最廣泛的是地震波法，此外，電法、電磁法及地球物理測井等方法也應(yīng)用得比較多，特別是日本VIC公司80年代開發(fā)研制的“GR-810”型佐藤式全自動地下勘察機(jī)，在采空區(qū)、巖溶等空洞探測中效果良好，且后續(xù)推出的一系列產(chǎn)品都處于國際領(lǐng)先水平。歐洲等國家工程物探技術(shù)也較全面，在采空區(qū)的探測上，俄羅斯多采用電法、瞬變電磁法、地震反射波法、井間電磁波透射、射氣測量技術(shù)等，英、法等國家以地質(zhì)雷達(dá)方法應(yīng)用較好，微重力法、淺層地震法也有使
4、用。1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)近年來在利用地球物理勘探技術(shù)查明地下采空區(qū)方面作了大量的工作，包括小巷道突水治理，老窯采空區(qū)富水情況探測等，采空區(qū)的探測成了工程地球物理的熱點和難點問題，引起了地球物理學(xué)者的廣泛關(guān)注，投入了各種各樣的方法和技術(shù)，在各種物探方法中,根據(jù)其所研究地球物理場的不同,通?？煞譃橐韵聨状箢?①以地下介質(zhì)密度差異為基礎(chǔ),研究重力場變化的方法稱為重力勘探；②以介質(zhì)磁性差異為基礎(chǔ),研究地磁場變化規(guī)律的方法稱為磁法勘探；③以介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ),研究天然或人工電場(或電磁場)的變化規(guī)律的方法稱為電法勘探(
5、或電磁法勘探)；④以介質(zhì)彈性差異為基礎(chǔ),研究波場變化規(guī)律的方法稱為地震勘探；⑤以介質(zhì)放射性差異為基礎(chǔ),研究輻射場變化特征的方法稱為放射性勘探；⑥以地下熱能分布和介質(zhì)導(dǎo)熱性為基礎(chǔ),研究地溫場變化的方法稱為地?zé)釡y量等。主要探測方法分類如上圖。1.4研究內(nèi)容及技術(shù)路線1.4.1研究內(nèi)容1.4.1.1重力勘探方法重力勘探方法是利用地下地質(zhì)體質(zhì)量虧損或盈余,在地表觀測他們引起的重力異常，從而確定地下地質(zhì)體的分布、大小、邊界等。采空區(qū)因開采形成質(zhì)量虧損,從而形成低重力異常。在煤礦采空區(qū)保存完整時,形成低值剩余重力異常。在采空區(qū)
6、塌陷而不充水時,質(zhì)量虧損值不變,但負(fù)密度值減小而影響厚度增大；充水時,虧損質(zhì)量得到一定補(bǔ)償,比在不充水的同樣情況下,負(fù)密度值減小。無論在采空區(qū)實際存在哪種情況,按一般規(guī)律都可測出局部剩余重力異常。使用高密度、高精度微重力測量和適當(dāng)?shù)馁Y料處理解釋方法,在面積上控制采空區(qū)范圍。采用數(shù)字地形多剖分體高精度地改方法及三維解釋方法,以達(dá)到提高解釋精確性。1.4.1.2電磁方法(1)高密度電阻率層析成像法在現(xiàn)場測量時,將全部電極設(shè)置在一定間隔的測線上,然后用多芯電纜將其連接到程控式多路電極轉(zhuǎn)換器上,使電極布設(shè)一次完成。為了準(zhǔn)確
7、、快速地采集大量數(shù)據(jù),測量時通過程序控制實現(xiàn)電極排列方式、極距和測點的快速轉(zhuǎn)換。并利用與系統(tǒng)配套的電法處理軟件,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理,結(jié)果進(jìn)行圖示,使解釋工作更加方便、直觀。李清林等利用某電廠采空區(qū)和電阻率層析成像測量的結(jié)果,探討了電阻率層析成像測量在煤礦采空區(qū)和斜風(fēng)井巷道中的應(yīng)用，結(jié)果表明,電阻率層析成像二維測量方法在煤礦采空區(qū)和斜風(fēng)井巷道的探測和定位是準(zhǔn)確和可行的；煤礦采空區(qū)和斜風(fēng)井巷道內(nèi)若沒有水體存在,電阻率層析成像二維測量成果圖中一般都是高阻異常封閉圈,如有水體存在則表現(xiàn)為低阻異常封閉圈。(2)瞬變電磁
8、法瞬變電磁法是向地下發(fā)送一次脈沖磁場的間歇期間,觀測由地下地質(zhì)體受激引起的渦流產(chǎn)生的隨時間變化的感應(yīng)二次場,二次場的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān):低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較慢,二次場電壓較大；高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較快,二次場電壓較小。根據(jù)二次場衰減曲線的特征,就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等,由于瞬變電磁儀接收的信號是二次渦流場的電動
